Hochleistungs-dotierungsfreier SiGe Fin-geformter TFET: Verbesseter Ein-Schaltstrom und 12-Ordnungs-Schaltverhältnis

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird ein dotierungsfreier fin-förmiger SiGe-Kanal TFET (DF-TFET) vorgeschlagen und untersucht. Um einen hocheffizienten dotierungsfreien Linientunnelübergang zu bilden, werden ein fin-förmiger SiGe-Kanal und ein Gate/Source-Overlap induziert. Durch diese Methoden kann ein DF-TFET mit hohem Ein-Schaltstrom, einem Schaltverhältnis von 12 Größenordnungen und ohne offensichtlichen ambipolaren Effekt erhalten werden. Hoch-κ-Material-Stack-Gate-Dielektrikum wird eingeführt, um den Aus-Zustand-Leckstrom, Grenzflächeneigenschaften und die Zuverlässigkeit des DF-TFET zu verbessern. Darüber hinaus können durch die Verwendung des dotierungsfreien Kanals und der Fin-Struktur die Schwierigkeiten des Dotierprozesses und der asymmetrischen Gate-Overlap-Bildung gelöst werden. Als Ergebnis kann die Struktur des DF-TFET gute Herstellbarkeit besitzen und den Footprint bemerkenswert reduzieren. Der physikalische Mechanismus des Bauelements und der Effekt von Parametern auf die Leistung werden in dieser Arbeit untersucht. Schließlich können ein Ein-Schaltstrom (I_ON) von 58,8 µA/µm, minimaler Subthreshold-Swing von 2,8 mV/dec (SS_min), durchschnittlicher Subthreshold-Swing (SS_avg) von 18,2 mV/dec erreicht werden. Mit verbesserten Kapazitätseigenschaften können eine Grenzfrequenz von 5,04 GHz und ein Gewinn-Bandbreiten-Produkt von 1,29 GHz erreicht werden. Mit verbesserter Leistung und Robustheit kann DF-TFET ein sehr attraktiver Kandidat für Ultra-Low-Power-Anwendungen sein.

Einleitung

Mit der Skalierung von MOSFETs werden Schaltgeschwindigkeit, Hochfrequenzleistung, Dichte, Kosten und Funktionalität von integrierten Schaltkreisen (ICs) stark verbessert. Aber mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Spannungsskalierung wird der unakzeptabel hohe Stromverbrauch zu einem ernsten Problem für moderne ICs. Durch den Band-zu-Band-Tunnelmechanismus profitierend, bringt Tunnel-FET (TFET) mit steilem SS und niedrigem Stromverbrauch eine neue Lösung für dieses Problem und hat viel Aufmerksamkeit erregt. Aber die Anwendungen konventioneller siliziumbasierter TFETs sind durch den erheblich niedrigen Ein-Schaltstrom (I_ON), niedriges Schaltverhältnis, schweren ambipolaren Effekt und großen durchschnittlichen Subthreshold-Swing (SS) begrenzt. Um die Leistung von TFETs zu verbessern, wurden in den letzten Jahren Anwendungen neuer Strukturen und neuer Materialien auf TFETs vorgeschlagen. Zum Beispiel wurden TFETs mit tunnelrateverstärkter Schicht in den letzten Jahren vorgeschlagen. Mit dieser Schicht wird die effektive Länge des Tunnelpfads reduziert und führt zu einer offensichtlichen Tunnelrate-Verbesserung. Darüber hinaus werden TFETs mit verbesserter Gate-Struktur von vielen Forschungsgruppen untersucht. Das Konzept des Linientunnels wird in L-TFET eingeführt. Als Ergebnis können SS_avg von 42,8 mV/decade und I_ON von 10^-6 A/µm durch L-TFET erreicht werden. Um die Bauelementleistung weiter zu verbessern, wird ein verbesserter TG-TFET mit T-förmigem Overlap und dualer Quelle berichtet. Als Ergebnis erreicht der I_ON von TG-TFET 81 µA/µm. Um die Bauelementleistung weiter zu verbessern, sind hohe Anforderungen an das Dotierprofil des Tunnelübergangs erforderlich. Foundry-Ingenieure müssen einen ultra-steilen abrupten p-n-Übergang erstellen, der nur wenige Nanometer dick ist, und dies ist sehr schwierig zu erreichen. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wird der dotierungsfreie TFET (DL-TFET) auf dünnem intrinsischem Halbleiterfilm unter Verwendung des Ladungsplasmas-Konzepts von Forschungsgruppen berichtet. Im DL-TFET kann die Herstellerschwierigkeit erheblich reduziert werden, indem der ultra-steile abrupte p-n-Übergang entfernt wird. Die leistungsmindernde Wirkung durch zufällige Dotierfluktuationen kann vermieden werden. Darüber hinaus erfordert die Fertigung des DL-TFET keine hohen thermischen Budgets für die Erstellung von Source und Drain, was die Möglichkeit eröffnet, TFETs auf anderen Substraten wie einkristallinem Silizium auf Glas zu realisieren. Als Ergebnis wurde der SS von DL-TFET erheblich verbessert. Aufgrund der geringen Effizienz des Punkttunnelübergangs ist der Strom von DL-TFET jedoch nicht hoch genug, was es schwierig macht, den stetig steigenden Anforderungen moderner Schaltkreisanwendungen gerecht zu werden.

In dieser Arbeit wird ein neuartiger dotierungsfreier fin-förmiger SiGe-Kanal TFET (DF-TFET) vorgeschlagen und untersucht. Um Leistung und Robustheit des Bauelements zu verbessern, werden Linientunnelübergang und SiGe-Material auf DF-TFET angewendet. Gleichzeitig wird die Gate-Metall-Arbeitsfunktion optimiert, um die Tunnelrate weiter zu verbessern. Darüber hinaus reduziert der dotierungsfreie Kanal den Herstellungsprozess-Schwierigkeitsgrad, während die Fin-Struktur die asymmetrische Gate/Backgate-Herstellung anwendbar macht. Als Ergebnis können ein Ein-Schaltstrom (I_ON) von 58,8 µA/µm, Aus-Schalt-Leckstrom (I_OFF) nahe 10^-11 µA/µm, durchschnittlicher Subthreshold-Swing (SS_avg) von 18,2 mV/dec und minimaler Subthreshold-Swing (SS_min) von 2,8 mV/dec durch DF-TFET erreicht werden. Mit relativ kleiner Gate-Kapazität (C_gg) und Gate-Drain-Kapazität (C_gd) kann gute Analog/HF-Leistung erzielt werden. Schließlich erreichte die Grenzfrequenz (f_T) 5,04 GHz und das Gewinn-Bandbreiten-Produkt (GBW) 1,29 GHz.

Die Struktur dieser Arbeit ist wie folgt: Der Abschnitt "Bauelementstruktur und Simulationsmethode" zeigt die TCAD-Simulationsmethoden dieser Arbeit. Die Struktur und der Parameter von DF-TFET werden eingeführt. Die Unterschiede und Vorteile von DF-TFET im Vergleich zu DL-TFET und TG-TFET werden illustriert. Der Mechanismus, die Charakteristik und die Analog/HF-Leistung von DF-TFET werden im Abschnitt "Ergebnisse und Diskussion" diskutiert. Ein Leistungsvergleich zwischen DF-TFET, DL-TFET und TG-TFET wird in diesem Abschnitt durchgeführt. Darüber hinaus wird der Einfluss der Bauelementparameter auf die Leistung und die typischen HF-Parameter von DF-TFET in diesem Abschnitt untersucht. Um das Potenzial von DF-TFETs in Ultra-Low-Power-Anwendungen weiter zu verstehen, wurden Vergleiche der elektrischen Eigenschaften zwischen verschiedenen TFETs und DF-TFETs unter niedriger Spannungsvorspannung durchgeführt.

Bauelementstruktur und Simulationsmethode

Die vorgeschlagene Struktur von DF-TFET ist in Abb. 1a illustriert. Um die Bauelementleistung zu verbessern, wird der Linientunnelübergang auf den dotierungsfreien fin-förmigen SiGe-Kanal durch das Ladungsplasmas-Konzept angewendet. Es ist bekannt, dass die Gate-Dielektrikum-Dicke den Tunnelstrom erheblich beeinflussen kann. Dies liegt daran, dass im Ergebnis der WKB-Näherung, wie in Gleichung (1) gezeigt, die Tunnelwahrscheinlichkeit von der effektiven Abschirmlänge (λ), effektiven Träger-Masse (m*), Energiebandlücke (E_g) und effektiven Abschirmenergiefenster (ΔΦ) abhängt.

T_WKB ≈ exp(-4λ√(2m*)√(E_g³) / (3qħ(E_g + ΔΦ))) (1)

Die Verringerung der Gate-Dielektrikum-Dicke oder die Verwendung eines Hoch-κ-Dielektrikums wird λ verringern und ΔΦ erhöhen, was zu einem exponentiellen Anstieg der Tunnelwahrscheinlichkeit führt. Daher kann die Verwendung von Hoch-κ-Dielektrika und die Verringerung der Dielektrikum-Dicke den Ein-Schaltstrom von TFET signifikant erhöhen. Aber die kleine Dielektrikum-Dicke und Grenzflächenqualitätsprobleme von Hoch-κ-Dielektrika werden ernste Zuverlässigkeitsprobleme verursachen. Daher wird ein Stack-Gate-Dielektrikum von 0,5 nm Al₂O₃ und 2,0 nm HfO₂ festgelegt, um eine gute Grenzflächenqualität zu garantieren, was den Leckstrom signifikant reduzieren und die Zuverlässigkeit des Gate-Dielektrikums verbessern kann. Die Source-Elektrode befindet sich auf der Oberseite der Fin-Struktur. Gleichzeitig ist sie auch neben einer Seite der Fin und arbeitet als "Backgate", um eine Null-Vorspannung anzulegen. Durch Verwendung von Gate- und Source-Elektroden mit unterschiedlichen Metall-Arbeitsfunktionen kann ein Linientunnelübergang in dem dotierungsfreien fin-förmigen SiGe-Kanal durch das Ladungsplasmas-Konzept gebildet werden. Die Band-zu-Band-Tunnelrichtung (BTBT) ist senkrecht zur Kanal/Gate-Oberfläche. Dies kann helfen, I_ON zu erhöhen, indem der effektive Tunnelübergangsbereich verbessert wird.

Ein hohes Schaltverhältnis (I_ON/I_OFF) kann aufgrund des großen Ein-Schaltstroms (I_ON) und des kleinen Aus-Schaltstroms (I_OFF) erreicht werden, die durch den Linientunnelübergang bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann die Anwendung einer Fin-Struktur in DF-TFET den Footprint im Vergleich zum planaren Linientunnel-TFET bemerkenswert reduzieren. Abb. 1b zeigt einen verfügbaren Fertigungsablauf zur Bildung der Struktur von DF-TFET. Tabelle 1 zeigt die Hauptprozessparameter von DF-TFET. Schließlich kann ohne die Schwierigkeit, einen steilen und gleichmäßigen abrupten p-n-Übergang herzustellen, gute Bauelementleistung 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 Linientunnelübergang wird erwartet, dass L-TFET und TG-TFET hohen Ein-Schaltstrom erhalten. Aber experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die tatsächliche Leistung von L-TFET nicht so hoch ist wie erwartet. Einer der wichtigsten Gründe ist die Schwierigkeit, einen steilen und gleichmäßigen abrupten p-n-Übergang mit perfekten Grenzflächeneigenschaften zu bilden. Basierend auf der Struktur von L-TFET macht TG-TFET eine große Verbesserung bei I_ON. Aber TG-TFET steht immer noch vor der Schwierigkeit, einen perfekten abrupten p-n-Übergang zu bilden. Um die gewünschte gute Leistung zu erhalten, sollte ein steiler und gleichmäßiger abrupt p-n-Übergang, der nur wenige Nanometer dick ist, erhalten werden, aber es ist sehr schwierig, dies im Herstellungsprozess zu realisieren. Durch Verwendung eines dotierungsfreien Kanals kann DL-TFET dieses Problem vermeiden und bessere Grenzflächenqualität in der Nähe des Tunnelübergangs bringen. Im Vergleich zu Linientunnel-TFETs mit abrupten p-n-Übergängen zeigt das Simulationsergebnis jedoch, dass der I_ON von DL-TFET relativ niedrig ist. Für weitere Verbesserung wird DF-TFET in dieser Arbeit vorgeschlagen und untersucht.

Die Simulation von DF-TFET wird in Silvaco Atlas TCAD Tools durchgeführt. Das nicht-lokale BTBT-Modell wird in dieser Simulation eingeführt, um die räumliche Variation des Energiebands zu berücksichtigen, was helfen kann, die Genauigkeit des BTBT-Tunnelprozesses zu verbessern. Das Lombardi-Mobilitätsmodell wird berücksichtigt, um die Kanalmobilität genau zu machen. Das Bandlücken-Verschmälerungs-Modell wird berücksichtigt, um die stark dotierten ohmschen Kontaktbereiche anzupassen, und das Shockley-Read-Hall-Rekombinationsmodell wird in dieser Arbeit ebenfalls berücksichtigt.

Ergebnisse und Diskussion

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

Abbildung 3a zeigt den Transfercharakteristik-Vergleich von DF-TFET, DL-TFET und TG-TFET. Profitierend vom Linientunnelübergang im fin-förmigen SiGe-Kanal erreicht DF-TFET einen Ein-Schaltstrom (I_ON) von 58,8 µA/µm und erzielt ein großes Schaltverhältnis von über 12 Größenordnungen, wo kein offensichtlicher ambipolarer Effekt auftritt. Darüber hinaus werden minimaler Subthreshold-Swing (SS_min) von 2,8 mV/dec und durchschnittlicher Subthreshold-Swing (SS_avg) von 18,2 mV/dec erzielt. Als Ergebnis hat DF-TFET eine offensichtliche Verbesserung bei I_ON im Vergleich zu DL-TFET und bei Subthreshold-Swing im Vergleich zu TG-TFET. I_ON von DF-TFET ist mehr als eine Größenordnung größer als DL-TFET bei V_DS = V_GS = 1 V. Abbildung 3b zeigt die Energiebandbedingung von DF-TFET und illustriert die Bildung des Tunnel-Fensters im fin-förmigen Kanal. Die rote gepunktete Linie im Inset von Abb. 3b zeigt die Position, an der die Energiebandkurve erhalten wird.

Die Verteilung wichtiger physikalischer Größen im Tunnelprozess von DF-TFET ist in Abb. 4 gezeigt, was die Verteilung von (a) Potenzial, (b) e-Tunnelrate, (c) Gesamtstromdichte und (d) Rekombinationsrate in einem Ein-Zustands-Arbeitszustand umfasst. In Abb. 4a kann ein klarer Potenzialgradient senkrecht zur Gate/Kanal-Grenzfläche beobachtet werden. Somit wird ein riesiger Potenzialunterschied im fin-förmigen Kanal erzeugt, der die Konzentration von Elektronen und Löchern auf beiden Seiten des Fin-Kanals moduliert. Gleichzeitig kann eine steile Energieband-Biegung im fin-förmigen Kanal gebildet werden. Als Ergebnis kann ein Linientunnelübergang parallel zur Gate/Kanal-Grenzfläche gebildet werden. Abbildung 4b zeigt die e-Tunnelrate in der Fin-Struktur-Kanal. Der Spitzenwert der e-Tunnelrate ist gleichmäßig in der Nähe der Gate/Kanal-Grenzfläche verteilt und parallel zur Oberfläche. Dies beweist, dass der Linientunnelübergang parallel zur Gate/Kanal-Grenzfläche ist. Abbildung 4c zeigt den Strompfad in DF-TFET. Die Valenzband-Elektronen von der Backgate/Kanal-Seite tunneln zum Leitungsband in der Nähe der Gate/Kanal-Seite. Unter dem Einfluss von Gate-Spannung und Drain-Spannung bewegen sich Elektronen entlang des Fin-Kanals zur Drain-Elektrode. Auf diese Weise wird ein Tunnelstrompfad in DF-TFET gebildet. Abbildung 4d zeigt die Rekombinationsrate-Verteilung in DF-TFET; dies kann die Position des Tunnelübergangs offensichtlicher illustrieren. Der lila Streifen im SiGe-Fin-Kanal kann die Position des Tunnelübergangs darstellen.

DC-Kennlinien mit verschiedenen Parametern und Analog/HF-Leistung

Abbildung 5a, b zeigt die Eingangs- und Ausgangskennlinien von DF-TFET unter verschiedenen Vorspannungen. Die Erhöhung von V_DS hat wenig Einfluss auf die Subthreshold-Swing-Kennlinien, aber I_ON wird ein lineares Wachstum haben, während V_DS von 0,2 auf 1,2 V zunimmt (bei V_GS = 1,0 V). Abbildung 5c zeigt die Grenzfrequenz (f_T) und das Gewinn-Bandbreiten-Produkt (GBW), berechnet durch Gleichungen (2) und (3). Das Ergebnis zeigt, dass eine Grenzfrequenz von 5,04 GHz und ein Gewinn-Bandbreiten-Produkt von 1,29 GHz erreicht werden können.

f_T = g_m / (2π C_gs √(1 + 2C_gd/C_gs)) ≈ g_m / (2π (C_gs + C_gd)) = g_m / (2π C_gg) (2)

GBW = g_m / (2π 10 C_gd) (3)

Abbildung 6a zeigt den Effekt der Gate-Arbeitsfunktion (φ_Gate) und Drain-Arbeitsfunktion (φ_Drain) auf die Transfercharakteristiken von DF-TFET. Mit zunehmender Arbeitsfunktion verschiebt sich die Transfercharakteristik-Kurve in die positive Richtung. Wenn die Arbeitsfunktion von 3,7 auf 4,2 eV variiert, steigt V_th linear von 0 auf 0,5 V an, während I_ON linear von 93,4 auf 18,6 µA/µm abnimmt. Dies macht es möglich, V_th an unterschiedliche Anwendungsanforderungen anzupassen. Abbildung 6b zeigt den Effekt des Zusammensetzungsverhältnisses X von Si_1-XGe_X. Die Erhöhung des Germanium-Anteils führt zur Verringerung der Energiebandlücke und zur Erhöhung des Tunnel-Fensters, wie im Inset von Abb. 6b gezeigt. Schließlich resultiert in I_ON-Erhöhung und die Transfercharakteristik-Kurve verschiebt sich in die negative Richtung. Wenn jedoch X > 0,7, haben sowohl die Transfercharakteristik-Kurve als auch der I_ON wenig Änderung mit zunehmendem X. Dies liegt daran, dass die Kanal-Energiebandstruktur unempfindlich gegenüber X wird, wenn X > 0,7, wie im Inset von Abb. 6b gezeigt. Abbildung 6c, d zeigt den Effekt der Gate-Länge (W_g) und Kanaldicke (H_c) auf die Transfercharakteristiken. Der Inset von Abb. 6c zeigt die Abmessungen des Bauelementkanals unter verschiedenen W_g. Es ist nicht schwer, aus Abb. 6d zu beobachten, dass DF-TFET I_ON-Abnahme erleiden wird, wenn H_c sowohl zu klein als auch zu groß wird. Daher wird ein geeignetes H_c die Bauelementleistung begünstigen.

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 hat DF-TFET offensichtliche Vorteile bei SS und Schaltverhältnis. Dies ist auf die Eigenschaften von DF-TFET durch Verwendung elektrostatischer Dotierung zurückzuführen. Im Vergleich zu anderen dotierungsfreien TFETs hat DF-TFET offensichtliche Vorteile bei I_ON. Dies ist wegen der verbesserten Tunnelrate durch Verwendung von Linientunnelübergang und SiGe-Material. Durch Kombination der Vorteile von p-n-Tunnelübergang und dotierungsfreiem Tunnelübergang kann DF-TFET hohen Betriebsstrom und niedrigen statischen Stromverbrauch in Ultra-Low-Power-Anwendungen bieten.

Fazit

In dieser Arbeit wird ein neuartiger DF-TFET vorgeschlagen und die elektrischen Eigenschaften werden durch Simulationsmethode analysiert. Die Strukturcharakteristik, der physikalische Mechanismus, die Leistung mit verschiedenen Parametern und die Analog/HF-Leistung von DF-TFET werden diskutiert und untersucht. Profitierend von der dotierungsfreien Fin-Struktur Kanal, Stack-Gate-Dielektrikum, SiGe-Kanalmaterial und hocheffizientem Linientunnelübergang können gute Leistung in Schaltcharakteristiken und Analog/HF-Charakteristiken erzielt werden. Darüber hinaus kann durch Vermeidung der Bildung des abrupten p-n-Übergangs im Herstellungsprozess gleichmäßige Dotierung mit hoher Konsistenz und hohe Robustheit auf Prozessfluktuationen erreicht werden. Simulationsergebnis zeigt, dass I_ON 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 durch DF-TFET erreicht werden können. Mit dem großen Betriebsstrom, hohem Schaltverhältnis, steilem SS, guter Zuverlässigkeit, stabilem Fertigungsprozess und guter Herstellbarkeit kann es als einer der vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Low-Power-IC und empfindliche Sensoranwendungen erwartet werden.