高開關(guān)電流比隧穿場效應(yīng)晶體管器件機理與結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、隨著MOSFET特征尺寸不斷減小，器件短溝道效應(yīng)等負(fù)面影響日益加劇。傳統(tǒng)MOSFET器件亞閾值擺幅由于受到KT/q的理論限制,已經(jīng)接近60mV/dec的極限值而無法進(jìn)一步減小。因此伴隨著器件閾值電壓降低，亞閾區(qū)泄漏電流卻在不斷地升高，器件的動態(tài)功耗也變得不可忽視，逐漸成為制約集成電路發(fā)展的重要因素。
　　研制新型的低功耗器件是解決功耗問題的一條出路，基于帶-帶隧穿電流機制的隧穿場效應(yīng)晶體管TFET，因其超低的亞閾值擺幅成為了研究的

2、熱點。根據(jù)計算，在室溫下，TFET的亞閾值擺幅可以遠(yuǎn)低于60mV/dec，突破了MOSFET亞閾值擺幅的極限值，在低功耗領(lǐng)域擁有巨大的潛力。盡管隧穿場效應(yīng)晶體管的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但已有的 Si TFET晶體管開態(tài)電流比還遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期，而窄禁帶材料TFET的泄漏電流量級過大，并且在器件生產(chǎn)過程中，許多工藝難題仍未解決，TFET器件還未能實現(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化。因此，研發(fā)一種具有高開關(guān)電流比并具有工藝生產(chǎn)可行性的隧穿場效應(yīng)晶體管是一個十分

3、有價值的課題。
　　通常，人們提升TFET性能的方式都是僅僅從結(jié)構(gòu)上入手，或者只從材料特性上入手，如采用“口袋區(qū)結(jié)構(gòu)”或者利用窄禁帶材料來制造TFET。這些手段都可以在一定程度上提升器件性能，但都存在著一些相應(yīng)的問題。本文的創(chuàng)新性的提出了一種新型的隧穿場效應(yīng)晶體管，結(jié)合了材料特性與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，采用應(yīng)力放大結(jié)構(gòu)，在外延層引入較大的應(yīng)力以激活特殊材料的壓電極化效應(yīng)，而壓電極化效應(yīng)又能給TFET提供性能上的優(yōu)化。
　　首先，對利用了

4、壓電極化特性的縱向隧穿場效應(yīng)晶體管進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果表明，在縱向隧穿場效應(yīng)晶體管的源區(qū)和本征區(qū)上外延一層具有壓電特性的材料，并結(jié)合外加應(yīng)力，可以在外延層的上、下界面處引入均勻分布的極化電荷，極化電荷的存在，在外延層中形成一個內(nèi)建電場，這個電場與柵電場共同作用，可以極大的增強隧穿幾率，器件的開態(tài)電流 Ion增大了2.5個數(shù)量級；此外，引入極化電荷的TFET對于源摻雜濃度的敏感程度大大降低了，即便是源區(qū)摻雜濃度較低或者隧穿結(jié)是非理想的緩

5、變結(jié)，器件依然能保持極佳的性能，大大降低了對工藝水平的依賴。
　　其次，分析了應(yīng)力大小對于器件性能的影響，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)控制應(yīng)力大小使極化量處在一個適當(dāng)?shù)闹?。若極化量過高會導(dǎo)致器件柵控能力弱，難以關(guān)斷，漏電流大，亞閾值擺幅高；若極化量過低，則對開態(tài)電流的提升太小，器件性能的優(yōu)化不夠明顯。所以，應(yīng)當(dāng)控制應(yīng)力和極化量處在一個恰當(dāng)?shù)闹?，才能最大限度的發(fā)揮極化電荷對器件性能的提升作用。
　　最后，提出了一種基于 SiO2介質(zhì)塊的應(yīng)力增強結(jié)