Design de Espessura Degrau Melhora Eficiência de DG TFET: Estudo de Simulação

Resumo

Transistor de efeito de campo de túnel de porta dupla (DG TFET) espera-se que estenda as limitações de corrente de fuga e inclinação subthreshold. No entanto, também sofre do comportamento ambipolar com arquitetura simétrica fonte/dreno. Para superar a corrente ambipolar, assimetria deve ser introduzida entre fonte e dreno. Neste artigo, investigamos os desempenhos de DG TFET com espessura de canal degrau (SC TFET) utilizando simulação 2D. A assimetria entre fonte e dreno é introduzida através da espessura de canal degrau; logo, o comportamento ambipolar espera-se ser aliviado. Os resultados mostram que o SC TFET exibe redução significativa de corrente ambipolar comparado com DG TFET convencional. Os mecanismos do SC TFET são discutidos profundamente para explorar a visão física. Os impactos introduzidos pelos parâmetros de estrutura na tensão de início, inclinação subthreshold, corrente de dreno em estado ligado e estado ambipolar também são exibidos na determinação da estrutura ótima.

Contexto

À medida que o processo de escala extrema continua, tecnologia CMOS com MOSFET convencional encontra vários desafios como corrente de fuga crescente e inclinação subthreshold (SS). Transistor de efeito de campo de túnel (TFET), que utiliza mecanismos de tunelamento banda-a-banda (BTBT), espera-se que estenda as limitações de corrente de fuga e SS. TFET baseado em silício mostra vantagens como alta confiabilidade e baixo custo. No entanto, TFET convencional baseado em silício exibe corrente de estado ligado relativamente baixa em comparação com MOSFET devido à taxa de BTBT limitada. Para desenvolver o potencial de TFET baseado em silício, várias estruturas inovadoras de TFET têm sido propostas recentemente para aumentar a corrente de estado ligado. O TFET de porta dupla (DG TFET) mostra taxa de BTBT melhorada, levando a corrente de estado ligado aumentada. No entanto, a corrente ambipolar de DG TFET também é aumentada desde que a melhoria da taxa de BTBT é ativada no estado ambipolar também. Para superar ainda mais a corrente ambipolar, assimetria deve ser introduzida entre fonte e dreno. DG TFETs com subposição porta-dreno e menor concentração de dopagem de dreno são métodos comuns para aliviar o problema ambipolar. Mas a subposição porta-dreno requer maior distância S/D e menor concentração de dopagem de dreno aumenta resistências série. Um trabalho prévio mostrou que efeitos ambipolares no TFET com subposição de dreno poderiam ser ainda mais aliviados usando espaçadores low-k e colocando contatos em configuração topo e fundo, sugerindo que estratégias de assimetria combinadas poderiam ser significativas na melhoria do desempenho do TFET. Em nosso trabalho prévio, o FinFET com largura de barbatana assimétrica foi demonstrado para melhorar o desempenho do FinFET. Também acredita-se que a espessura do canal t_si tem impacto significativo na taxa de BTBT de DG TFET; logo, a assimetria entre espessura da fonte e espessura do dreno pode ainda mais aliviar a corrente ambipolar e precisa ser estudada profundamente.

Neste artigo, investigamos os vários desempenhos de DG TFET com espessura de canal degrau (SC TFET), a assimetria entre fonte e dreno é introduzida através da espessura de canal degrau para que a corrente ambipolar seja esperada ser reduzida. O resto deste artigo é arranjado como segue: Seção 2 apresenta estrutura do dispositivo e configuração de simulação. Na Seção 3, os mecanismos do SC TFET são discutidos profundamente. A discussão detalhada sobre os impactos dos parâmetros de estrutura nas curvas de transferência, tensão de início (V_onset), SS médio e corrente de dreno em estado ligado/ambipolar também é apresentada. Finalmente, os achados deste artigo são esclarecidos na seção IV.

Estrutura e Simulação

O diagrama esquemático do SC TFET considerado neste artigo é mostrado na Fig. 1a. A espessura do canal próximo à região da fonte não é igual à espessura do canal próximo à região do dreno. A espessura do canal muda em degrau em um certo ponto na região do canal. A altura do degrau e a posição do degrau são denotadas como H e L_s respectivamente. t_si1 e t_si2 são a espessura do canal próximo à região da fonte e região do dreno respectivamente. A espessura efetiva de óxido (EOT) é 1 nm em nossa simulação. A região da fonte é altamente dopada tipo-p (10²⁰ átomos/cm³) e a região do dreno é altamente dopada tipo-n (10²⁰ átomos/cm³) para reduzir resistência série, a região do canal é levemente dopada tipo-n (10¹⁷ átomos/cm³). Para analisar a tensão de início com várias configurações de espessura de canal, a função de trabalho do gate metálico é fixada em 4,5 eV, o comprimento do gate é igual ao comprimento do canal L_ch e definido como 50 nm. As simulações são realizadas usando Sentaurus TCAD release I-2013.12. O modelo de dependência de dopagem e modelo de mobilidade dependente de campo são modelo de mobilidade unificado Philips e modelo de mobilidade Lombardi, respectivamente. Estatísticas Fermi-Dirac, recombinação Shockley-Read-Hall e modelo de recombinação Auger também são utilizados. Para contabilizar as regiões fonte/dreno altamente dopadas, o modelo de estreitamento de banda proibida é ativado. O modelo de BTBT não-local baseado na aproximação de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) ajustado com resultados experimentais e modelo de quantização de gradiente de densidade são habilitados para alcançar simulação precisa. A tensão de início é definida como a tensão de gate na qual a inclinação subthreshold é máxima. O SS médio é extraído da corrente de estado desligado para I_d = 10⁻¹¹ A/μm.

Resultados e Discussão

Curvas de Transferência e Mecanismo

A Figura 1b mostra as curvas de transferência do SC TFET e DG TFET convencional em escala log e linear, respectivamente. Marcamos o estado ligado, estado desligado e estado ambipolar na Fig. 1b. Para TFETs, uma corrente mais alta de estado ligado e uma corrente mais baixa de estado ambipolar são sempre desejadas, o que requer que V_onset e SS sejam baixos enquanto o estado desligado deve ter ampla faixa de tensão. Como mostrado na Fig. 1b, o V_onset de DG TFET convencional com espessura de canal de 10 nm são menores que o de DG TFET com espessura de canal de 20 nm. O V_onset extraído de DG TFET com t_si = 10 nm é 0,04 V e seu SS médio extraído é 44,8 mV/dec, o V_onset e o SS médio de DG TFET convencional com t_si = 20 nm é 0,1 V e 50,6 mV/dec, respectivamente. A corrente de dreno de DG TFET convencional com t_si = 10 nm é melhorada em 94,7% comparado ao DG TFET convencional com t_si = 20 nm. A principal razão desta melhoria de corrente de dreno é o SS reduzido e V_onset. No entanto, a faixa de estado desligado do DG TFET convencional com t_si = 10 nm é apenas 0,17 V. O DG TFET convencional com t_si = 20 nm, em comparação, exibe faixa de estado desligado de 0,45 V. Como resultado, a corrente de estado ambipolar do DG TFET convencional com t_si = 20 nm é reduzida em 3 ordens de magnitude comparada ao DG TFET convencional com t_si = 10 nm.

Para comparação justa, t_si1 e t_si2 de SC TFETs são iguais às espessuras de canal dos DG TFETs convencionais acima, respectivamente. A espessura de canal mais estreita t_si1 de SC TFET é 10 nm e a espessura de canal mais larga t_si2 de SC TFET é 20 nm. A posição do degrau é assumida no meio do canal e L_s é 25 nm. Pode-se observar que o SC TFET mostra características promissoras incluindo alta corrente de dreno no estado ligado bem como ampla faixa de estado desligado. A corrente de dreno de SC TFET no estado ligado é similar comparada ao DG TFET convencional com t_si = 10 nm, o SS médio é 45,8 mV/dec e o V_onset é 0,03 V. No entanto, a faixa de estado desligado de SC TFET é melhorada em até 123,5% e a corrente de estado ambipolar também é reduzida em 3 ordens de magnitude em comparação com DG TFET convencional com t_si = 10 nm. Como resultado, as características de estado ligado de SC TFET é similar ao DG TFET convencional com espessura de canal estreita, o SC TFET também mostra curvas de estado desligado/ambipolar quase paralelas ao DG TFET convencional com espessura de canal larga. Logo, o SC TFET pode alcançar SS baixo, V_onset reduzido e ampla faixa de estado desligado simultaneamente.

Para explorar o mecanismo físico do SC TFET, comparamos as taxas de BTBT e diagramas de banda de energia no estado ligado, próximo ao ponto de início e estado ambipolar, respectivamente. A Figura 2a mostra as taxas de BTBT do SC TFET e DG TFETs convencionais. Pode-se ver que a taxa de BTBT depende fortemente da espessura do canal. De fato, a relação entre espessura do canal e corrente BTBT I_BTBT pode ser expressa como:

Equação (1): I_BTBT ∝ exp(-4λ√(2m*E_g²ᐟ³) / 3ħ(ΔΦ + E_g))

onde λ = (ε_si t_si t_ox / 2ε_ox)¹ᐟ² é o comprimento natural, ε_si e ε_ox são as permitividades do silício e óxido respectivamente e t_ox é a espessura do óxido. ΔΦ é a faixa de energia sobre a qual o tunelamento pode ocorrer, E_g é a banda proibida na junção de tunelamento, e m* é a massa de tunelamento. A Equação (1) indica que I_BTBT deve aumentar à medida que t_si reduz. Portanto, a taxa de BTBT de DG TFET convencional com t_si = 10 nm deve ser maior que a de DG TFET convencional com t_si = 20 nm. O SC TFET mostra distribuição similar de taxa de BTBT ao DG TFET convencional com t_si = 10 nm. Isto é porque o BTBT ocorre principalmente próximo à junção da fonte no estado ligado, logo a espessura do canal próximo à junção da fonte determinará a taxa de BTBT de estado ligado. Figura 2b mostra o diagrama de banda de energia do SC TFET e DG TFETs convencionais. Como a taxa de BTBT é fundamentalmente relacionada à distância de tunelamento, o diagrama de banda de energia, que pode apresentar a distância de tunelamento claramente, explicará a origem da variação das taxas de BTBT. Na Fig. 2b, a distância mínima de tunelamento do SC TFET está localizada próximo à junção da fonte e é mais ou menos igual à do DG TFET convencional com t_si = 10 nm. A distância mínima de tunelamento de DG TFET convencional com t_si = 20 nm é significativamente mais larga; logo, sua taxa de BTBT é reduzida comparada ao SC TFET e DG TFET convencional com espessura de canal mais fina.

A Figura 3a mostra as taxas de BTBT quando a tensão de gate é zero e está próxima à tensão de início. Pode-se ver que o SC TFET possui a maior taxa de BTBT, seguido pelo DG TFET convencional com t_si = 10 nm. O DG TFET convencional com t_si = 20 nm mostra a menor taxa de BTBT. Figura 3b exibe o diagrama de banda de energia correspondente. Pode-se observar que a localização da distância mínima da banda de valência para banda de condução está no centro da região do canal. Além disso, a distância mínima do DG TFET convencional com espessura de canal mais larga é mais longa que a do SC TFET e DG TFET convencional com espessura de canal mais fina. Indica que a espessura do canal também tem impacto significativo na taxa de BTBT no ponto de início. Logo, V_onset também é dependente da espessura do canal. Outro fato é que o SC TFET exibe taxa de BTBT maior que a do DG TFET convencional com t_si = 10 nm mesmo que suas espessuras mínimas de canal sejam iguais. Este fenômeno é atribuído à variação da distribuição de potencial introduzida pelo canto do eletrodo de gate, como também pode ser observado em outros trabalhos. Como resultado, o SC TFET mostra o menor V_onset, seguido pelo DG TFET convencional com espessura de canal fina, e o DG TFET convencional com espessura de canal larga exibe o maior V_onset.

A Figura 4a mostra a comparação de taxas de BTBT no estado ambipolar. Como a taxa de BTBT é fortemente dependente da espessura do canal, o TFET convencional com t_si = 10 nm mostra a taxa de BTBT mais significativa comparada às outras duas estruturas de TFET. O SC TFET, no entanto, mostra taxa de BTBT similar ao DG TFET convencional com t_si = 20 nm. É porque o tunelamento é principalmente gerado próximo à região do dreno e o SC TFET tem espessura de canal mais larga próximo à região do dreno. Na Fig. 4b, o diagrama de banda de energia no estado ambipolar também é exibido. Pode-se ver claramente que a distância mínima de tunelamento está localizada próxima à região do dreno. Além disso, as distâncias de tunelamento de SC TFET e DG TFET convencional com espessura de canal mais larga são maiores que a do DG TFET convencional com espessura de canal mais fina, resultando na baixa corrente ambipolar de SC TFET e DG TFET convencional com espessura de canal mais larga.

Impactos de H e L_s nas Características DC

A Figura 5a mostra as curvas de transferência do SC TFET com vários H e t_si1 = 10 nm. Pode-se ver que H tem menor impacto na corrente de estado ligado. A corrente ambipolar, no entanto, reduz significativamente à medida que H aumenta, a faixa de estado desligado melhora com o aumento de H também. Pode-se também ver que a redução da corrente ambipolar diminui à medida que H aumenta. A razão para isto é que o efeito de acoplamento da estrutura de porta dupla tende a ser menos significativo com maior espessura de canal. Portanto, à medida que H aumenta, as taxas de BTBT tornam-se mais independentes da espessura do canal, levando à saturação da corrente ambipolar. Para explorar ainda o parâmetro de estrutura ótimo, os efeitos de H variando de 0 a 15 nm nos desempenhos do dispositivo são extraídos e mostrados na Fig. 5b-d. Figura 5b exibe a variação de V_onset e taxa de BTBT com diferentes H e t_si1. Pode-se ver que V_onset diminui monotonicamente com o aumento de H. Isto é porque o canto do eletrodo de gate introduziria variação da distribuição de potencial na região do canal, resultando na alteração da taxa de BTBT e V_onset. Figura 5b demonstra que a taxa de BTBT aumenta à medida que H melhora. Como resultado, V_onset diminuído pode ser encontrado com H aumentado. Também pode-se observar que V_onset aumenta à medida que t_si1 aumenta. A principal razão é que o aumento de t_si1 enfraquece a taxa de BTBT, resultando em V_onset mais alto. Na Fig. 5c, o SS médio extraído de SC TFET com vários H e t_si1 é mostrado. A tendência do SS com diferentes H é oposta à de V_onset. Em outra palavra, o SS sobe à medida que H aumenta. Mencionamos que a corrente de dreno de estado ligado é dependente de t_si1, de modo que SC TFETs com diferentes H mas com mesmo t_si1 devem ter corrente de dreno similar no estado ligado. Além disso, também é conhecido que V_onset diminui com o aumento de H. Isto implica que a faixa de tensão de gate para conduzir a mesma corrente de dreno é melhorada à medida que H aumenta. Como resultado, o SS médio aumenta monotonicamente com o aumento de H. Pode-se também ver que o aumento de t_si1 prejudicará o SS, que é devido à capacidade de controle de gate reduzida. Figura 5d mostra a corrente de dreno no estado ligado e ambipolar com diferentes H e t_si1, respectivamente. A corrente de estado ligado é quase independente de H, mas é grandemente afetada por t_si1, que corresponde ao nosso resultado prévio de que o tunelamento de estado ligado ocorre principalmente próximo à região da fonte e é fortemente dependente da espessura do canal próximo à região da fonte. A corrente ambipolar, no entanto, reduz à medida que H aumenta. Como o tunelamento de estado ambipolar é dominado próximo à região do dreno, o aumento de H melhorará a espessura do canal no lado do dreno e assim enfraquecerá a corrente ambipolar. Pode-se também ver que a corrente ambipolar cai mais significativamente quando H é menor que 10 nm, que é devido ao maior efeito de acoplamento com espessura de canal mais fina.

Na Fig. 6a, as curvas de transferência de SC TFET com diferentes L_s são apresentadas respectivamente. L_s = 0 nm representa DG TFET convencional com t_si2 correspondente e L_s = 50 nm representa DG TFET convencional com t_si1 correspondente. Pode-se ver que a localização do degrau tem impacto significativo na corrente ambipolar e faixa de estado desligado. SC TFETs com L_s menor que 30 nm mostram corrente ambipolar e faixa de estado desligado similares. À medida que L_s excede 30 nm, a corrente ambipolar é grandemente aumentada. Fig. 6b mostra a variação de V_onset e taxa de BTBT com vários L_s e t_si1, a tendência de que V_onset aumenta à medida que t_si1 melhora pode ser claramente observada também. O ponto de inflexão da mudança em L_s = 10 nm é resultado da variedade de t_si1. Como L_s = 0 nm é DG TFET convencional com maior espessura de canal, a taxa de BTBT reduziria, levando a V_onset aumentado e corrente de estado ligado diminuída. Exceto o caso de DG TFET convencional, V_onset de SC TFET aumenta monotonicamente à medida que L_s sobe, que é devido à taxa de BTBT reduzida induzida pela estrutura de canal degrau. Figura 6c exibe os impactos de L_s e t_si1 no SS de SC TFETs. O aumento de t_si1 resulta em SS degradado. De acordo com a Eq. (1), uma espessura de canal elevada baixaria os efeitos de acoplamento entre os eletrodos de gate, levando a capacidade de controle de gate reduzida e SS aumentado. À medida que L_s cai, a região com maior espessura de canal se expandirá e enfraqueceria a capacidade de controle de gate geral. Como resultado, um L_s reduzido prejudicará o SS de SC TFETs, que pode ser claramente observado na Fig. 6c. Figura 6d apresenta a corrente de dreno no estado ligado e ambipolar com diferentes L_s e t_si1, respectivamente. Pode-se observar que a corrente de estado ligado de SC TFET é mais ou menos igual ao DG TFET convencional com t_si1 correspondente. Quanto à corrente ambipolar, SC TFETs com L_s menor que 30 nm mostram corrente similar aos DG TFETs convencionais com t_si2 correspondente. Quando L_s aumenta para 40 nm, a corrente ambipolar sobe dramaticamente. De fato, para o caso de SC TFET com L_s = 40 nm e t_si1 = 20 nm, sua corrente ambipolar é até maior que a do DG TFET convencional com t_si1 = 20 nm. Isto é porque a parte vertical do eletrodo de gate pode aumentar a área de tunelamento especialmente quando a parte vertical do eletrodo de gate está próxima à junção PN. Indica que L_s deve ser menor que 40 nm para o propósito de reduzir corrente ambipolar.

Para determinar os parâmetros de estrutura ótimos do SC TFET, uma simulação ortogonal é conduzida estudando o efeito combinado de H e L_s no desempenho do dispositivo. t_si1 é fixado em 10 nm para alcançar maior corrente de estado ligado. Na Fig. 7a, a corrente ambipolar é extraída como função de L_s com vários H. Pode-se ver claramente que a corrente ambipolar reduz significativamente à medida que H aumenta, o que sugere que um H maior é promissor em termos de alcançar menor corrente ambipolar. No entanto, pode-se observar que o benefício de um H maior é menos significativo. Portanto, H = 15 nm seria o valor ótimo considerando que um H maior poderia apenas aumentar a área do dispositivo. Enquanto isso, um L_s diminuído também baixará a corrente ambipolar especialmente com H maior. Logo, um L_s menor é desejado para o propósito de corrente ambipolar mínima. No entanto, um L_s menor também poderia levar a aumento da inclinação subthreshold, como pode ser observado na Fig. 7b. A inclinação subthreshold aumenta lentamente com H maior mas sobe rapidamente com L_s menor, indicando que L_s cerca de 25 nm seria o valor de compromisso. Como resultado, os parâmetros de dispositivo ótimos seriam H = 15 nm e L_s = 25 nm onde tanto a corrente ambipolar quanto a inclinação subthreshold são relativamente baixas.

Método de Fabricação

Um processo de fabricação viável do SC TFET é exibido na Fig. 8. Devido à forma única do canal, a espessura de canal degrau pode ser alcançada mais facilmente adotando estrutura vertical. O processo começa preparando substrato de silício com deposição de SiN e fotorresiste, como mostrado na Fig. 8a. Na Fig. 8b, a padronização de SiN é alcançada por litografia, seguida pela gravação para formar a região do canal, então a região N⁺ é introduzida por implantação vertical de As e recozimento. Após isso, óxido de isolamento é depositado para prevenir a região do dreno de gravação no processo seguinte, como mostrado na Fig. 8c. Na Fig. 8d, cinza e aparamento são adotados utilizando gravação por íons reativos para reduzir espessura e largura de SiN. A espessura de canal degrau é então introduzida por gravação, como mostrado na Fig. 8e. Os processos restantes são similares ao TFET vertical convencional, envolvendo formação de óxido de gate, deposição de gate, planarização de gate e implantação da região da fonte, como mostrado na Fig. 8f.

Conclusão

Investigamos os desempenhos elétricos de DG TFET com espessura de canal degrau (SC TFET) utilizando simulação 2D. A assimetria entre fonte e dreno é introduzida através da espessura de canal degrau; logo, o comportamento ambipolar é significativamente aliviado. O SC TFET exibe características de estado ligado similares ao DG TFET convencional com t_si1 correspondente e curvas de estado desligado/ambipolar paralelas ao DG TFET convencional com t_si2 correspondente. Como resultado, o SC TFET pode alcançar ampla faixa de estado desligado, baixa corrente ambipolar e manter baixo SS simultaneamente. Os mecanismos do SC TFET são discutidos profundamente para explorar a visão física. Os impactos introduzidos pelos parâmetros de estrutura na tensão de início, inclinação subthreshold, corrente de dreno em estado ligado e estado ambipolar também são estudados para determinar a estrutura ótima. O SC TFET com H de 15 nm e L_s de 25 nm mostra os desempenhos ótimos. Além disso, a arquitetura de espessura de canal degrau fornece método de assimetria alternativo. Como estratégias de assimetria combinadas são provadas eficazes, nosso trabalho poderia fornecer ainda mais melhoria de desempenho do TFET.