Ein neuartiger dopingfreier, flossenförmiger SiGe-Kanal-TFET mit verbesserter Leistung

Einführung

Mit der Verkleinerung von MOSFETs werden Schaltgeschwindigkeit, Hochfrequenzleistung, Dichte, Kosten und Funktionalität integrierter Schaltungen (ICs) stark verbessert[1]. Mit fortschreitender Spannungsabsenkung wird der inakzeptable hohe Stromverbrauch jedoch zu einem ernsthaften Problem für moderne ICs [1, 2]. Profitieren Sie vom Band-zu-Band-Tunneling-Mechanismus, Tunnel-FET (TFET) mit steilem SS und geringem Stromverbrauch bringen eine neue Lösung für dieses Problem und erregten viel Aufmerksamkeit [3,4,5,6,7,8,9 ]. Die Einsatzmöglichkeiten konventioneller siliziumbasierter TFETs sind jedoch durch den sehr geringen Durchlassstrom (I _EIN ), niedriges Schaltverhältnis, starker ambipolarer Effekt und großer durchschnittlicher unterschwelliger Swing (SS) [1, 7]. Um die Leistung von TFETs zu verbessern, wurden in den letzten Jahren Anwendungen neuer Strukturen und neuer Materialien auf TFETs vorgeschlagen. Beispielsweise wurden in den letzten Jahren TFETs mit einer Schicht mit erhöhter Tunnelrate vorgeschlagen [5, 10, 11]. Mit dieser Schicht wird die effektive Länge des Tunnelwegs reduziert und führt zu einer offensichtlichen Verbesserung der Tunnelrate. Darüber hinaus werden TFETs mit verbesserter Gate-Struktur von vielen Forschungsgruppen untersucht [12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Das Konzept des Leitungstunnelns wird in L-TFET eingeführt [17,18,19]. Als Ergebnis SS_Durchschn. von 42,8 mV/Dekade und I _EIN von 10 ⁻⁶ A/μm kann durch L-TFET erreicht werden. Um die Leistung von TFETs weiter zu verbessern, wird über einen verbesserten TG-TFET mit T-förmiger Überlappung und dualer Source berichtet [20, 21]. Als Ergebnis ist das Ich _EIN des TG-TFET erreicht 81 μA/μm. Um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung weiter zu verbessern, sind hohe Anforderungen an das Dotierungsprofil des Tunnelübergangs erforderlich. Gießereiingenieure müssen eine sehr steile, abrupte Verbindung herstellen, die nur einige Nanometer dick ist, und dies ist sehr schwierig zu erreichen. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wird von Forschungsgruppen über den dotierungsfreien TFET (DL-TFET) auf einem dünnen intrinsischen Halbleiterfilm unter Verwendung des Ladungsplasmakonzepts berichtet [22, 23]. Bei DL-TFET können die Herstellungsschwierigkeiten durch Entfernen des ultrasteilen abrupten Übergangs erheblich reduziert werden. Die durch zufällige Dotierstoffschwankungen induzierte Leistungsverschlechterung kann vermieden werden. Darüber hinaus erfordert die Herstellung des DL-TFET keine hohen thermischen Budgets zum Erzeugen von Source und Drain, was die Möglichkeit eröffnet, TFETs auf anderen Substraten wie beispielsweise einkristallinem Silizium auf Glas zu realisieren. Als Ergebnis wurde die SS von DL-TFET stark verbessert. Aufgrund der geringen Effizienz des Punkttunnelübergangs ist der Strom des DL-TFET jedoch nicht hoch genug, was es schwierig macht, die ständig steigenden Anforderungen moderner Schaltungsanwendungen zu erfüllen.

In diesem Beitrag wird ein neuartiger dotierungsfreier flossenförmiger SiGe-Kanal-TFET (DF-TFET) vorgeschlagen und untersucht. Um die Leistung und Robustheit des Bauelements zu verbessern, werden ein Leitungstunnelübergang und SiGe-Material auf den DF-TFET aufgebracht. Inzwischen wird die Gate-Metallaustrittsarbeit optimiert, um die Tunnelrate weiter zu verbessern. Darüber hinaus verringerte der dotierungsfreie Kanal die Schwierigkeit des Herstellungsprozesses, während die Finnenstruktur die asymmetrische Gate/Backgate-Herstellung anwendbar macht. Dadurch wird der Durchlassstrom (I _EIN ) von 58,8μA/μm, Leckstrom im Sperrzustand (I _AUS ) in der Nähe von 10 ⁻¹¹ μA/μm, durchschnittlicher unterschwelliger Swing (SS_avg ) von 18,2 mV/dez und minimaler unterschwellenwert (SS_min .) ) von 2,8 mV/dez kann mit DF-TFET erreicht werden. Bei relativ kleiner Gate-Kapazität (C _gg ) und Gate-zu-Drain-Kapazität (C _gd ) kann eine gute analoge/HF-Leistung erzielt werden. Schließlich wird die Grenzfrequenz (f _T ) erreichte 5,04 GHz und das Bandbreitenprodukt (GBW) erreichte 1,29 GHz.

Der Aufbau dieser Arbeit ist wie folgt:Der Abschnitt „Gerätestruktur und Simulationsverfahren“ zeigt die TCAD-Simulationsmethoden dieser Arbeit. Die Struktur und die Parameter von DF-TFET werden eingeführt. Die Unterschiede und Vorteile von DF-TFET gegenüber DL-TFET und TG-TFET werden aufgezeigt. Der Mechanismus, die Charakteristik und die analoge/HF-Leistung von DF-TFET werden im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussion“ besprochen. In diesem Abschnitt wird ein Leistungsvergleich zwischen DF-TFET, DL-TFET und TG-TFET durchgeführt. Darüber hinaus werden in diesem Abschnitt der Einfluss der Geräteparameter auf die Leistung und die typischen HF-Parameter von DF-TFET untersucht. Um das Potenzial von DF-TFETs in Ultra-Low-Power-Anwendungen besser zu verstehen, wurden Vergleiche der elektrischen Eigenschaften verschiedener TFETs und DF-TFETs unter Niederspannungsvorspannung durchgeführt.

Gerätestruktur und Simulationsverfahren

Die vorgeschlagene Struktur des DF-TFET ist in Abb. 1a dargestellt. Um die Geräteleistung zu verbessern, wird ein Linientunnelübergang auf den dotierungsfreien flossenförmigen SiGe-Kanal durch das Ladungsplasmakonzept angewendet [24, 25]. Es ist bekannt, dass die Dicke des Gatedielektrikums den Tunnelstrom signifikant beeinflussen kann. Dies liegt daran, dass im Ergebnis der WKB-Näherung [26], wie in Gl. (1) hängt die Tunnelwahrscheinlichkeit von der effektiven Screening-Länge ab (λ ), effektive Trägermasse (m ^* ), Energiebandlücke (E _g ) und effektives Screening-Energiefenster (ΔΦ ).

a Struktur und b Fertigungsablauf von DF-TFET

Reduzierung der Dicke des Gate-Dielektrikums oder Verwendung eines hohen κ Dielektrikum reduziert λ und Φ . erhöhen , was eine exponentielle Zunahme der Tunnelwahrscheinlichkeit bewirken wird. So verwenden Sie hohe κ Dielektrika und die Verringerung der Dicke des Dielektrikums können den Durchlassstrom des TFET erheblich erhöhen. Aber die geringe Dicke des Dielektrikums und die Schnittstellenqualität bei hohen κ Dielektrika führen zu ernsthaften Zuverlässigkeitsproblemen. Somit ist ein Stack-Gate-Dielektrikum von 0,5 nm aus Al₂ O₃ und 2,0 nm HfO₂ soll eine gute Schnittstellenqualität garantieren [27,28,29], die den Leckstrom deutlich reduzieren und die Zuverlässigkeit des Gatedielektrikums verbessern kann. Die Source-Elektrode befindet sich auf der Oberseite der Finnenstruktur. Gleichzeitig befindet es sich auch neben einer Seite der Finne und fungiert als „Backgate“, um einen Null-Bias anzulegen. Durch die Verwendung von Gate- und Source-Elektroden mit unterschiedlichen Metallaustrittsarbeiten kann durch das Ladungsplasmakonzept ein Linientunnelübergang in dem dotierungsfreien rippenförmigen SiGe-Kanal gebildet werden. Die Band-zu-Band-Tunnelrichtung (BTBT) ist senkrecht zur Kanal-/Gate-Oberfläche. Dies kann dazu beitragen, I . zu erhöhen _EIN durch Verbesserung des effektiven Tunnelübergangsbereichs.

Hohes Schaltverhältnis (I _EIN /Ich _AUS ) kann aufgrund des großen Durchlassstroms (I _EIN ) und kleiner Sperrstrom (I _AUS ) durch den Tunnelbauknoten bereitgestellt. Darüber hinaus kann die Anwendung einer Finnenstruktur in DF-TFETs den Footprint im Vergleich zu Planer-Line-Tunneling-TFETs deutlich reduzieren [30, 31]. Abbildung 1b zeigt einen verfügbaren Fertigungsablauf zum Bilden der Struktur des DF-TFET. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Prozessparameter von DF-TFET. Schließlich kann ohne die Schwierigkeit, einen steilen und gleichmäßigen abrupten p-n-Übergang herzustellen, eine gute Geräteleistung und Robustheit erreicht werden.

Um die Unterschiede und Vorteile von DF-TFET, DL-TFET und TG-TFET besser zu verstehen, zeigt Abb. 2 die Struktur dieser drei Bauelemente. Mit dem Leitungstunnelübergang sollen L-TFET und TG-TFET einen hohen Durchlassstrom erzielen. Experimentelle Ergebnisse zeigen jedoch, dass die tatsächliche Leistung von L-TFET nicht so hoch ist wie erwartet [18, 19]. Einer der wichtigsten Gründe ist die Schwierigkeit, einen steilen und gleichförmigen abrupten p-n-Übergang mit perfekten Grenzflächeneigenschaften zu bilden. Basierend auf der Struktur von L-TFET macht TG-TFET eine große Verbesserung gegenüber I _EIN . Aber TG-TFET steht immer noch vor der Schwierigkeit, einen perfekten abrupten p-n-Übergang zu bilden. Um die wünschenswerte gute Leistung zu erzielen, sollte daher ein steiler und gleichförmiger abrupter p-n-Übergang erhalten werden, der nur einige Nanometer dick ist, aber dies ist im Herstellungsprozess sehr schwierig zu realisieren. Durch die Verwendung eines dotierungsfreien Kanals kann der DL-TFET dieses Problem vermeiden und eine bessere Schnittstellenqualität in der Nähe des Tunnelübergangs erzielen. Im Vergleich zu Line-Tunneling-TFETs [16,17,18,19,20,21] mit abrupten p-n-Übergängen zeigt das Simulationsergebnis jedoch, dass die I _EIN von DL-TFET ist relativ gering [22, 23]. Zur weiteren Verbesserung wird der DF-TFET in dieser Arbeit vorgeschlagen und untersucht.

Struktur von a DF-TFET, b DL-TFET, c TG-TFET

Die Simulation von DF-TFET wird in den TCAD-Tools von Silvaco Atlas durchgeführt. In dieser Simulation wird ein nicht-lokales BTBT-Modell eingeführt, um die räumliche Variation des Energiebandes zu berücksichtigen, was dazu beitragen kann, die Genauigkeit des BTBT-Tunnelprozesses zu verbessern. Es wird davon ausgegangen, dass das Lombardi-Mobilitätsmodell die Kanalmobilität genau macht. Das Bandlücken-Verengungsmodell wird berücksichtigt, um die stark dotierten ohmschen Kontaktregionen anzupassen, und das Shockley-Read-Hall-Rekombinationsmodell wird in diesem Papier ebenfalls berücksichtigt.

Ergebnisse und Diskussion

Mechanismus und Vergleich von DF-TFET, DL-TFET und TG-TFET

Abbildung 3a zeigt den Vergleich der Übertragungseigenschaften von DF-TFET, DL-TFET und TG-TFET. Profitieren Sie vom Leitungstunnelübergang im flossenförmigen SiGe-Kanal, der DF-TFET erreicht einen Durchlassstrom (I _EIN ) von 58,8 μA/μm und erreicht ein großes Schaltverhältnis von über 12 Größenordnungen, bei dem kein offensichtlicher ambipolarer Effekt auftritt. Darüber hinaus ist ein minimaler unterschwelliger Swing (SS_min ) von 2,8 mV/dec und durchschnittlicher unterschwelliger Swing (SS_avg .) ) von 18,2 mV/dec erhalten. Als Ergebnis hat DF-TFET eine deutliche Verbesserung in I _EIN im Vergleich zu DL-TFET und Subthreshold-Swing im Vergleich zu TG-TFET. Ich _EIN von DF-TFET ist mehr als eine Größenordnung größer als DL-TFET bei V _DS = V _GS = 1 V. Abbildung 3b zeigt den Energiebandzustand des DF-TFET und veranschaulicht die Bildung eines Tunnelfensters in einem flossenförmigen Kanal. Die rote gestrichelte Linie im Einschub von Abb. 3b zeigt die Position, an der die Energiebandkurve erhalten wird.

a Übertragungseigenschaften von DF-TFET, DL-TFET und TG-TFET. b Energiebandzustand des DF-TFET unter verschiedenen Arbeitsbedingungen (der Einschub zeigt die Position der Schnittlinie)

Die Verteilung einer wichtigen physikalischen Größe im Tunnelprozess des DF-TFET ist in Abb. 4 gezeigt, die die Verteilung von (a) Potenzial, (b) e-Tunnelrate, (c) Gesamtstromdichte und (d) Rekombinationsrate in an . umfasst staatliche Arbeitsbedingung. In Abb. 4a ist ein deutlicher Potentialgradient senkrecht zur Gate/Kanal-Grenzfläche zu erkennen. Somit wird im flossenförmigen Kanal eine große Potentialdifferenz erzeugt und dies wird die Konzentration von Elektronen und Löchern auf beiden Seiten des Flossenkanals modulieren. Gleichzeitig kann im rippenförmigen Kanal eine steile Energiebandbiegung gebildet werden. Als Ergebnis kann ein Leitungstunnelübergang parallel zur Gate/Kanal-Schnittstelle gebildet werden. Abbildung 4b zeigt die E-Tunneling-Rate im Finnenstrukturkanal. Der Spitzenwert der e-Tunneling-Rate ist gleichförmig nahe der Gate/Kanal-Grenzfläche und parallel zur Oberfläche verteilt. Dies beweist, dass der Leitungstunnelübergang parallel zur Gate/Kanal-Schnittstelle ist. Abbildung 4c zeigt den Strompfad im DF-TFET. Die Valenzbandelektronen von der Backgate-/Kanalseite tunneln in das Leitungsband nahe der Gate-/Kanalseite. Unter dem Einfluss von Gatespannung und Drainspannung bewegen sich Elektronen entlang des Finnenkanals zur Drainelektrode. Auf diese Weise wird im DF-TFET ein Tunnelstrompfad gebildet. Abbildung 4d zeigt die Rekombinationsratenverteilung in DF-TFET; dies kann die Lage des Tunnelübergangs deutlicher veranschaulichen. Der violette Streifen im SiGe-Rippenkanal kann die Position des Tunnelübergangs darstellen.

Verteilung von a Potenzial, b e Tunnelrate, c Stromdichte und d Rekombinationsrate von DF-TFET

DC-Eigenschaften mit unterschiedlichen Parametern und Analog-/HF-Leistung

Abbildung 5a, b zeigen die Eingangs- und Ausgangseigenschaften des DF-TFET unter verschiedenen Vorspannungen. Die Erhöhung von V _DS hat wenig Einfluss auf die unterschwelligen Schwungeigenschaften, aber I _EIN wird ein lineares Wachstum haben, während V _DS steigt von 0,2 auf 1,2 V (bei V _GS = 1,0 V). Abbildung 5c zeigt die Grenzfrequenz (f _T ) und das Gewinnbandbreitenprodukt (GBW), berechnet nach Gl. (2) und (3). Das Ergebnis zeigt, dass eine Grenzfrequenz von 5,04 GHz und ein Verstärkungsbandbreitenprodukt von 1,29 GHz erhalten werden können.

a Eingabe, b Ausgabe und c Hochfrequenzeigenschaften von DF-TFET

Abbildung 6a zeigt die Wirkung der Gate-Arbeitsfunktion (φ _Tor ) und Austrittsarbeitsfunktion (φ _Ablassen ) zu den Übertragungseigenschaften von DF-TFET. Mit zunehmender Austrittsarbeit verschiebt sich die Übertragungskennlinie in positive Richtung. Da die Austrittsarbeit zwischen 3,7 und 4,2 eV variiert, ist die V _te steigt linear von 0 auf 0,5 V an, während das I _EIN nimmt linear von 93,4 auf 18,6 μA/μm ab. Dadurch kann V . angepasst werden _te auf unterschiedliche Bewerbungsvoraussetzungen anwenden. Abbildung 6b zeigt die Wirkung des Zusammensetzungsverhältnisses X von Si_1−X Ge_X . Die Zunahme der Germaniumzusammensetzung führt zu einer Abnahme der Energiebandlücke und einer Zunahme des Tunnelfensters, wie im Einschub von Fig. 6b gezeigt. Schließlich ergibt sich das I _EIN Anstiegs- und Übertragungskennlinie übersetzt in die negative Richtung. Wenn jedoch X> 0,7, sowohl die Übertragungskennlinie als auch der I _EIN mit zunehmendem X . wenig ändern . Dies liegt daran, dass die Kanalenergiebandstruktur gegenüber X . unempfindlich wird wenn X> 0,7, wie in Abb. 6b Einschub gezeigt. Abbildung 6c, d zeigt den Einfluss der Gate-Länge (W _g ) und Kanaldicke (H _c ) zu den Übertragungseigenschaften. Der Einschub in Abb. 6c zeigt die Abmessungen des Gerätekanals unter verschiedenen W . _g . Aus Abb. 6d ist nicht schwer zu erkennen, dass der DF-TFET unter I . leidet _EIN abnehmen, wenn H _c wird sowohl zu klein als auch zu groß. Somit ist ein richtiges H _c wird der Geräteleistung zugute kommen.

Übertragungseigenschaften mit unterschiedlichen a Gate-Arbeitsfunktion (φ _Tor ) und Austrittsarbeitsfunktion (φ _Ablassen ), b SiGe-Zusammensetzungsverhältnis, c Gate-Länge (W _g ) und d Kanaldicke (H _c )

Um das Potenzial von DF-TFET in Ultra-Low-Power-Anwendungen zu verstehen, zeigt Tabelle 2 einen Leistungsvergleich verschiedener TFETs mit DF-TFET. Im Vergleich zu TFETs mit einem traditionellen stark dotierten p-n-Tunnelübergang [6, 20, 32, 33, 34, 35] hat DF-TFET offensichtliche Vorteile in Bezug auf SS und Schaltverhältnis. Dies liegt an den Eigenschaften von DF-TFET durch die Verwendung elektrostatischer Dotierung. Im Vergleich zu anderen dotierungsfreien TFETs [22, 23, 36, 37] hat DF-TFET offensichtliche Vorteile bei I_ON . Dies liegt an der verbesserten Tunnelrate durch die Verwendung von Linientunnelübergang und SiGe-Material. Durch die Kombination der Vorteile des p-n-Tunnelübergangs und des dotierungsfreien Tunnelübergangs kann der DF-TFET einen hohen Betriebsstrom und einen geringen statischen Stromverbrauch in Anwendungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch bieten.

Schlussfolgerung

In dieser Arbeit wird ein neuartiger DF-TFET vorgeschlagen und die elektrischen Eigenschaften werden durch Simulationsverfahren analysiert. Die Strukturcharakteristik, der physikalische Mechanismus, die Leistung mit verschiedenen Parametern und die analoge/HF-Leistung von DF-TFET werden diskutiert und untersucht. Profitieren Sie von dem dotierungsfreien Finnenstrukturkanal, dem Stack-Gate-Dielektrikum, dem SiGe-Kanalmaterial und dem hocheffizienten Leitungstunnelübergang, eine gute Leistung bei den Schalteigenschaften und den analogen/HF-Eigenschaften kann erzielt werden. Darüber hinaus kann durch Vermeidung der Bildung des abrupten p-n-Übergangs im Herstellungsprozess eine gleichmäßige Dotierung mit hoher Konsistenz und hoher Robustheit gegenüber Prozessschwankungen erreicht werden. Das Simulationsergebnis zeigt, dass ich _EIN von 58,8 μA/μm, Schaltverhältnis von 12 Größenordnungen, kein offensichtlicher ambipolarer Effekt, SS_min von 2,8 mV/dec und f _T von 5,04 GHz kann durch DF-TFET erreicht werden. Mit dem großen Betriebsstrom, dem hohen Schaltverhältnis, dem steilen SS, der guten Zuverlässigkeit, dem stabilen Herstellungsprozess und der guten Herstellbarkeit kann er als einer der vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Low-Power-ICs und empfindliche Sensoranwendungen erwartet werden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend (Dieses Manuskript ist eine rein theoretische Studie zur analogen/HF-Leistung von TFET. Die Simulationsdaten wurden in diesem Manuskript angegeben und sollen hier nicht beschrieben werden).

Abkürzungen

DF-TFET:

Dotierungsfreier flossenförmiger SiGe-Kanal-TFET

ICs:

Integrierte Schaltungen

TGTFET:

T-T-Gate-Dual-Source-TFET

DL-TFET:

Dopingfreier TFET

I _EIN :

Einschaltstrom

I _AUS :

Ruhestrom

SS_min :

Minimaler unterschwelliger Swing

SS_avg :

Durchschnittlicher Swing unter der Schwelle

C _gg :

Gate-Kapazität

C _gd :

Gate-zu-Drain-Kapazität

f _T :

Grenzfrequenz

GBW:

Bandbreitenprodukt gewinnen

λ :

Effektive Sieblänge

m ^* :

Effektive Trägermasse

E _g :

Energiebandlücke

ΔΦ :

Effektives Screening-Energiefenster

W _g :

Torlänge

W _Lücke :

Länge der Lücke

T _Ochse :

Stack-Gate-Oxiddicke

H _c :

Kanaldicke

φ _Tor /φ _Ablassen :

Gate- und Drain-Arbeitsfunktion

V _DS :

Drain-zu-Source-Spannung

V _GS :

Gate-Source-Spannung