高驅(qū)動(dòng)電流的隧穿器件設(shè)計(jì)

1 引言

隨著MOSFET器件尺寸不斷縮小，降低功耗成為了集成電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。熱載流子注入效應(yīng)在室溫下將金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的亞閾值擺幅（SS）限制在60mV / dec，這種物理上的限制使得MOSFET難以適用于低電源電壓^[1-2]。隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFET）具有低亞閾值擺幅和低關(guān)態(tài)電流的優(yōu)點(diǎn)，然而受到隧穿面積和隧穿幾率的限制，TFET器件的電流密度通常比MOSFET低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)左右，限制了TFET器件的實(shí)際應(yīng)用^[3]。

在器件中使用高K介質(zhì)提升電場(chǎng)強(qiáng)度^[4-5]或者窄禁帶材料減小禁帶寬度已經(jīng)成為提升TFET性能常見(jiàn)的方法。有研究人員在傳統(tǒng)縱向TFET源區(qū)應(yīng)用了窄帶隙材料以增加隧穿電流^[6]，盡管能增加導(dǎo)通電流并保持低的關(guān)態(tài)電流，但該器件在異質(zhì)結(jié)界面處出現(xiàn)的缺陷是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。由于隧穿勢(shì)壘通常位于本征區(qū)中，因此可以嘗試替換本征區(qū)材料而不是源區(qū)材料。文獻(xiàn)^[7]使用窄帶隙材料替換了整個(gè)溝道區(qū)域，但是使用此方法必須考慮TFET雙極導(dǎo)通效應(yīng)，該效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高關(guān)態(tài)泄漏電流。另外有科研人員提出通過(guò)使用先進(jìn)的設(shè)備控制器件摻雜分布，例如源區(qū)重?fù)诫s薄層結(jié)構(gòu)^[8-9]，減小勢(shì)壘區(qū)寬度增大電場(chǎng)強(qiáng)度，但是單邊突變結(jié)在實(shí)際工藝中很難實(shí)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)質(zhì)性的制造差異。

本文提出了一種窄禁帶縱向隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiGe-TFET），通過(guò)在縱向TFET外延隧穿區(qū)使用SiGe材料，縮短載流子隧穿距離，增大隧穿幾率，器件具有高開(kāi)態(tài)電流、低亞閾值擺幅和低關(guān)態(tài)泄漏電流的特點(diǎn)；文章第2節(jié)主要描述器件結(jié)構(gòu)及工作原理；第3節(jié)給出仿真結(jié)果；第4節(jié)得出最終結(jié)論。

2 器件結(jié)構(gòu)和工作原理

隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的本質(zhì)是一個(gè)柵壓控制的P-I-N結(jié)。與MOSFET器件類(lèi)似的是，TFET器件也是由柵極、源極及漏極等電極構(gòu)成，不同的是MOSFET器件的溝道是指柵極下方的反型層，而TFET器件的溝道是指柵極下方的隧穿區(qū)域。按照隧穿方向與柵電場(chǎng)的關(guān)系，可以分為兩種隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如圖2.1所示：當(dāng)隧穿方向與柵電場(chǎng)方向垂直時(shí)，該隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管為橫向TFET器件；當(dāng)隧穿方向平行于柵電場(chǎng)方向時(shí)，該隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管為縱向TFET器件。

圖2.1 （a）傳統(tǒng)橫向Si-TEFT結(jié)構(gòu) （b）具有外延隧穿區(qū)的縱向TFET結(jié)構(gòu)

隨著超薄外延生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，采用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料制造晶體管成為可能。與全Si-TFET相比，在器件中使用SiGe、InAs等窄禁帶材料，可以有效地減小隧穿區(qū)的禁帶寬度，提高載流子的隧穿電流。本次研究采用基于異質(zhì)外延區(qū)的縱向TFET結(jié)構(gòu)，如圖2.1（b）所示，包括半導(dǎo)體襯底、源區(qū)、本征區(qū)、漏區(qū)、外延區(qū)、高K柵氧化層及金屬柵。外延區(qū)采用SiGe以提高隧穿幾率，位于源區(qū)與本征區(qū)上方。為增強(qiáng)導(dǎo)通電流源區(qū)采用1×10²⁰cm^-3的重?fù)诫s，漏極為1×10¹⁸cm^-3的中等濃度摻雜用來(lái)抑制TFET雙極導(dǎo)通效應(yīng)；本征區(qū)為寬度20nm，濃度1×10¹⁵cm^-3的輕摻雜區(qū)；柵氧化層采用5nm厚度的HfO2。定義電流分別為10^-7A /μm和10^-13A /μm時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓為閾值電壓V_T和開(kāi)啟電壓V_OFF，開(kāi)態(tài)電流I_ON定義為柵電壓等于（V_OFF+1）V時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流值，閾值電壓VT和開(kāi)啟電壓V_OFF兩點(diǎn)之間的斜率作為平均亞閾值擺幅（SS_avg）：

TFET器件的導(dǎo)通電流主要取決于隧穿幾率，利用三角形勢(shì)壘近似來(lái)計(jì)算隧穿，隧穿幾率可以表示成：

式中，m*為電子的有效質(zhì)量，E_G為隧穿區(qū)材料的禁帶寬度，q為電子電荷，h為普朗克常數(shù)除以2π的值，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶態(tài)密度進(jìn)行積分可以得到外加偏壓V時(shí)的隧穿電流：

從上述結(jié)果可以清楚的看出，為了提高隧穿電流，器件隧穿區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)很大，而禁帶寬度應(yīng)盡可能的小，即隧穿距離越小，則隧穿電流越大。傳統(tǒng)橫向Si-TFET，縱向Si-TFET和縱向SiGe-TFET帶帶隧穿能帶圖如圖2.2所示。對(duì)于橫向隧穿TFET結(jié)構(gòu)，柵極只能控制使源區(qū)與本征區(qū)界面表面區(qū)域發(fā)生隧穿，隧穿區(qū)域面積很小導(dǎo)致無(wú)法獲得較大的開(kāi)態(tài)電流。而縱向隧穿TFET的載流子隧穿區(qū)域面積正比于柵極覆蓋源區(qū)/外延區(qū)的面積，隧穿面積相比橫向隧穿大得多，器件驅(qū)動(dòng)電流較高。

圖2.2 （a）橫向Si-TEFT能帶圖 （b）縱向Si-TFET能帶圖 （c）縱向SiGe-TFET能帶圖

SiGe-TFET則是在縱向TFET的外延隧穿區(qū)采用了高Ge組分的SiGe材料，SiGe材料的禁帶寬度和Ge組分有直接關(guān)系，忽略材料之間的應(yīng)力，禁帶寬度與Si1-xGex材料Ge組分之間的關(guān)系可以表示為：

Ge組分越高，材料禁帶寬度越小。從圖2.2（c）也可以看出，將SiGe材料應(yīng)用于外延隧穿區(qū)可以有效地降低該區(qū)的帶隙并促進(jìn)載流子的隧穿。TFET關(guān)態(tài)泄漏電流路徑主要存在于橫向P-I-N結(jié)，當(dāng)使用具有高Ge含量的SiGe材料時(shí)，反向泄漏電流也會(huì)增加。在SiGe-TFET的設(shè)計(jì)中，外延隧穿區(qū)的厚度只有5nm左右，SiGe材料的面積很小，因此這種設(shè)計(jì)可以減少關(guān)斷電流的增加，能夠同時(shí)滿(mǎn)足高導(dǎo)通電流和低關(guān)態(tài)泄漏電流的要求。

3 仿真結(jié)果

器件仿真使用了Synopsys公司的Sentaurus TCAD工具，采用了動(dòng)態(tài)非局部帶帶隧穿模型，該模型用Wentzel-Kramer-Brillouin（WKB）近似來(lái)捕獲穿越所有可能結(jié)和表面的隧穿。SRH（Shockley-Read-Hall）復(fù)合模型，遷移率模型，F(xiàn)ermi-Dirac統(tǒng)計(jì)分布模型和禁帶寬度變窄模型被用來(lái)仿真器件電學(xué)特性。

P型TFET與N型TFET相反，帶帶隧穿開(kāi)始于重?fù)诫s的N+源區(qū)，空穴從源區(qū)導(dǎo)帶隧穿進(jìn)入溝道區(qū)中的價(jià)帶，器件在大的負(fù)柵極電壓下導(dǎo)通。采用SiGe作為外延區(qū)材料的N型TFET與 P型TFET，外延隧穿區(qū)的Ge含量相同，禁帶寬度相同，因此在相同柵壓下隧穿距離一樣， N型TFET與P型TFET隧穿幾率相近，由此得到互補(bǔ)的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。

圖3.1 左：三種TFET轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)圖 右：Ge組分對(duì)SiGe-TEFT電學(xué)特性的影響

圖3.1左圖展示了參數(shù)優(yōu)化過(guò)后的N型與P型橫向Si-TFET，縱向Si-TFET和縱向SiGe-TFET在VD =±1V下的轉(zhuǎn)移特性的比較?？梢钥闯觯瑹o(wú)論是N型還是P型TFET，縱向SiGe-TFET的隧穿電流明顯大于另外兩種結(jié)構(gòu)的隧穿電流。右圖顯示了SiGe-TEFT在外延區(qū)Ge組分不同的情況下，N型TFET與P型TFET轉(zhuǎn)移特性。通過(guò)在外延區(qū)中使用SiGe材料，器件開(kāi)啟電壓V_OFF將隨Ge組分的增加而減小，導(dǎo)通電流與反向泄漏電流都將隨著Ge含量的增加而增加。

表3.1 三種結(jié)構(gòu)TFET開(kāi)態(tài)電流和平均亞閾值擺幅對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的異質(zhì)結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通過(guò)在外延隧穿區(qū)使用SiGe材料，縱向SiGe -TFET可以在保證低關(guān)態(tài)電流的同時(shí)，有效提升N型TFET和P型TFET的驅(qū)動(dòng)電流，并降低亞閾值擺幅。結(jié)果表明，導(dǎo)通電流由36μA/μm增加到92μA/μm，平均亞閾值擺幅從32mV/dec降低到15mV/dec。同時(shí)，基于此結(jié)構(gòu)的N型TFET和P型TFET可以采用同一種器件結(jié)構(gòu)，僅需要改變相應(yīng)區(qū)域的摻雜類(lèi)型，就可以構(gòu)成類(lèi)似CMOS的互補(bǔ)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這意味著其在未來(lái)超低壓應(yīng)用中具有巨大的潛力。

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