側(cè)壁設(shè)計(jì)對(duì)雙環(huán)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管電熱性能的研究

章徐國(guó) 許潔

上海電力大學(xué)，中國(guó)·上海 200090

1 引言

High-k 側(cè)壁可以通過(guò)柵邊緣效應(yīng)增強(qiáng)器件的電流驅(qū)動(dòng)[1]，但這會(huì)引入較大的柵極電容（Cgg），且High-k 材料的低熱導(dǎo)率會(huì)引入嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，對(duì)載流子遷移率產(chǎn)生不利影響[2]。

論文通過(guò)TCAD 軟件研究了不同側(cè)壁設(shè)計(jì)對(duì)DGAA 器件電熱特性的影響，從而更好地進(jìn)行熱管理和器件設(shè)計(jì)。

2 器件結(jié)構(gòu)

圖1（a）、（b）分別為DGAA FET 的三維模型示意圖及xz 平面的二維示意圖。其源漏區(qū)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體[3]。因?yàn)閴K狀襯底（bulk）相比于SOI 結(jié)構(gòu)成本更低且對(duì)SHE 抗擾性更強(qiáng)，這里選用塊體結(jié)構(gòu)作為襯底。由于二氧化硅、氮化硅、氧化鋁和二氧化鉿的熱導(dǎo)率對(duì)溫度的依賴性較小，論文將它們?cè)O(shè)置為常數(shù)。論文所涉及的器件參數(shù)與熱學(xué)參數(shù)分別如表1 所示。

圖1 n 型DGAA FET 結(jié)構(gòu)示意圖

表1 仿真涉及的器件參數(shù)及熱學(xué)參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

本節(jié)采用控制變量法，固定側(cè)壁總長(zhǎng)度為6nm，通過(guò)調(diào)整側(cè)壁材料和外層側(cè)壁長(zhǎng)度（Lsp,out）研究雙層側(cè)壁與單層側(cè)壁對(duì)DGAA 器件電熱性能的影響。圖2（a）為Cgg與τ在不同側(cè)壁材料與Lsp,out的變化曲線。因?yàn)閭?cè)壁電容正比于介電常數(shù)，所以Cgg與τ隨著Lsp,out的增加呈下降趨勢(shì)。如圖2（b），ION隨著Lsp,out的增加先趨于飽和而后又緩慢減小，且ION趨于飽和的范圍與內(nèi)層側(cè)壁（二氧化鉿）所占比例及外層側(cè)壁材料相關(guān)。對(duì)于介電常數(shù)較大的外層側(cè)壁（氧化鋁、氮化硅），維持ION飽和的條件是二氧化鉿所占比例≥40%，而對(duì)于介電常數(shù)較小的外層側(cè)壁（二氧化硅、空氣），二氧化鉿所占比例≥50%時(shí)才能維持穩(wěn)定的ION，即由柵邊緣效應(yīng)引起的ION增加達(dá)到飽和。上述現(xiàn)象的原因是外層側(cè)壁對(duì)柵邊緣效應(yīng)也有一定的貢獻(xiàn)，因此具有較大介電常數(shù)外層側(cè)壁的設(shè)計(jì)受Lsp,out的影響最小且其ION始終是所有雙層側(cè)壁設(shè)計(jì)中最大的。當(dāng)Lsp,out＞3.5nm 后，由于柵邊緣效應(yīng)的減弱，ION隨Lsp,out的增加而惡化。如圖2（c），由于氧化鋁和氮化硅熱導(dǎo)率較高，所以對(duì)于氧化鋁/二氧化鉿與氮化硅/二氧化鉿側(cè)壁，Rth隨Lsp,out的增加而改善；而二氧化硅與空氣熱導(dǎo)率與二氧化鉿相近，所以二氧化硅/二氧化鉿與空氣/二氧化鉿側(cè)壁對(duì)DGAA FET 的熱學(xué)性能幾乎沒(méi)有改善。雖然氧化鋁/二氧化鉿側(cè)壁的ION是所有dual-k 設(shè)計(jì)中最大的，但其憑借最小的Rth得到了最小的Tmax，極大地改善了自熱效應(yīng)，兼顧了DGAA FET 的電熱性能；而得到最小ION的空氣/二氧化鉿側(cè)壁的Tmax卻是最高的，如圖2（d）所示。

圖2 不同側(cè)壁設(shè)計(jì)，Lsp,out 對(duì)（a）Cgg、τ、（b）ION、（c）Rth 及（d）Tmax 的影響

當(dāng)Lsp,out＜3nm 時(shí)，由氧化鋁/二氧化鉿側(cè)壁的柵邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的ION提升達(dá)到飽和，繼續(xù)減少Lsp,out只會(huì)增加Cgg與Rth，所以分別取Lsp,out=3、3.5、5、6nm 下的氧化鋁/二氧化鉿側(cè)壁與單層二氧化鉿側(cè)壁的進(jìn)行比較。

圖3 為不同Lsp,out下，氧化鋁/二氧化鉿側(cè)壁相比于單層二氧化鉿側(cè)壁Cgg、τ、ION及Rth的下降率。由于DGAA FET 優(yōu)秀的柵控能力使其處于體反型，繼續(xù)增加Lsp,out對(duì)ION的提升有限，但能極大地改善Cgg、τ與Rth。

圖3 不同Lsp,out 下，氧化鋁/二氧化鉿側(cè)壁相比于單層二氧化鉿側(cè)壁Cgg、τ、ION 及Rth 的下降率

相比于柵邊緣效應(yīng)剛飽和的氧化鋁/二氧化鉿側(cè)壁（Lsp,out=3.5nm），單層氧化鋁側(cè)壁的ION惡化了3.7%，而Rth與τ分別改善了9.76%和16.6%，所以對(duì)于DGAA 器件，采用單層氧化鋁側(cè)壁能夠更好地做到電熱折衷。

4 結(jié)論

論文通過(guò)TCAD 仿真研究了側(cè)壁設(shè)計(jì)對(duì)DGAA FET 中自熱效應(yīng)的改善程度。仿真結(jié)果表明，相比于柵邊緣效應(yīng)剛飽和的氧化鋁/二氧化鉿側(cè)壁，單層氧化鋁側(cè)壁的ION僅下降了3.7%，而Rth與τ分別改善了9.76%和16.6%，即單層氧化鋁側(cè)壁能夠更好地做到電熱折衷。