带场板结构的TFET设计研究

发布时间：2020-05-01 22:00

【摘要】：在摩尔定律的指导下,集成电路中MOS器件的栅长在不断减小,目前已经减小到10nm左右。随着集成电路中关键尺寸的不断减小,小尺寸带来的许多问题开始显现,如关态泄漏电流增大导致的静态功耗增加已经成为制约集成电路继续发展的主要瓶颈之一。为了延续摩尔定律,科研人员做了一系列的努力,包括寻找可以替代MOS器件的新型器件。基于量子隧穿原理的TFET由于具有极低的关态泄漏电流以及在室温下可以获得低于60mV/dec的亚阈值摆幅等优点,引起了研究人员的极大兴趣。随着对于TFET研究的深入开展,研究人员的关注点主要集中在改进TFET的结构以获得较大的开态电流和较低的亚阈值摆幅方面。人们已经提出了多种新颖的TFET结构,如在隧穿区域使用窄禁带材料。通过这种方法减小电子隧穿势垒,可以有效增大隧穿几率,从而提高隧穿电流,但这种方法同时会造成TFET的关态泄漏电流显著增大。另一种方法是使用垂直沟道,如U形栅或L形栅结构,可以在不增加器件面积的情况下显著增加隧穿区域面积,但这种方法会导致制作TFET的工艺难度显著增加。提高开态电流的一种比较有效的方法是增强隧穿区域电场,基于这一想法,本论文中提出一种使用场板结构增强TFET隧穿区域电场的新型TFET结构。本论文的主要研究内容如下:为了研究造成TFET性能退化的主要原因,分别仿真分析了TFET栅上外加不同偏压时的隧穿机理,发现纵向TFET源区尖角处的电场集中会造成尖角处的隧穿提前开启,从而导致TFET的电流-电压曲线中出现明显的台阶,器件的阈值电压显著减小,亚阈值摆幅增大,关断窗口减小甚至导致器件无法关断。为了分析各种结构参数和工艺参数对本文中提出的GFP-TFET的电学性能的影响,分别仿真了器件尺寸、掺杂浓度、外延区掺杂类型、金属电极功函数以及介质材料相对介电常数对器件性能参数的影响。研究发现,通过改变介质材料相对介电常数和金属电极功函数可以调节外延区和本征区的电场分布,从而达到抑制源区尖角处的隧穿的目的。针对GFP-TFET中存在的一些问题,本论文中提出了两种有效的解决方案。在纵向TFET中普遍存在的源区尖角处隧穿提前开启的问题可以通过使用截角TFET结构来避免。外延区使用SiGe材料可以有效提高开态电流并获得较低的平均亚阈值摆幅,同时对双极电流几乎没有影响。
【图文】：

商用集成电路中最小栅长与商品器件出现年份的关系

WooYoungChoi等人提出的TFET的结构图
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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本文编号：2647109