隧穿场效应晶体管的集成研究

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随着半导体器件的特征尺寸的不断等比例缩小,由其构成的芯片尺寸也在不断减小,但是随之而来的是急剧增长的功耗密度。然而,传统的MOSFET器件因其导电机制,在室温下存在亚阈值斜率理论极限(60m V/dec),这使得以MOSFET器件为基础的芯片无法持续降低电源电压来降低芯片的功耗。所以具有低亚阈值斜率的超低功耗新型器件的研究十分重要。其中隧穿场效应晶体管因具有极低的关态电流、超陡的亚阈值斜率SS、与CMOS工艺兼容等优点近些年来广受国内外研究学者们的关注。但是TFET器件在集成时,由于TFET本身的结构特点,无论是NTFET还是PTFET都有P型掺杂区,这些P型掺杂区会通过P型衬底连通,当这些掺杂区之间存在电压差时就会产生衬底漏电。当衬底漏电电流远超过TFET极低的关态电流时,就会掩盖TFET关态电流低和静态功耗低的优势。其次,在器件性能上,TFET也存在一定的问题。比如,由于隧穿几率小而导致的开态电流ION小的问题等,因此对TFET性能的研究也是十分有必要的。针对这两个问题,本论文做了以下两方面的研究:第一,针对上述提到的衬底漏电问题,采用Nwell-Psub和Nwell-Pwell两种隔离方案进行漏电隔离。本论文中首先在Sentaurus TCAD软件上建立由一个NTFET和PTFET组成的简化的三维仿真模型,并在无隔离条件下验证了衬底连通导致的漏电问题;之后,添加两种漏电隔离方案进行了大量的仿真工作。理论分析并仿真了对隔离漏电效果影响比较大的两个参数:Nwell的间距和浓度,通过仿真得出以下结论:随着Nwell间距的增加,P型掺杂区之间的漏电Ipp和N型掺杂区之间的漏电Inn都会减小;随着Nwell浓度的降低,Ipp会增加,Inn会降低;相比于Nwell-Psub方案,Nwell-Pwell方案的性能更加优越。最后,制定测试方案,对按照衬底漏电隔离方案流片回来的反相器在安捷伦1500探针台上进行了大量的测试,整理并分析数据后将测试结果与仿真结果进行了对比,验证了隔离方案的有效性。第二,在TFET器件性能优化上,后续组里会进行一次流片实验,需要先仿真确定相关参数值。本论文中主要对源区LDD注入的能量和剂量做相应仿真。因为工艺顺序的问题,使在薄侧墙之后注入的源区LDD与栅极左侧存在一定距离,需要扩散进去与沟道形成陡结,因此需要合理控制源区LDD注入剂量和能量。对此,在Sentaurus TCAD仿真软件上建立二维仿真模型,大量仿真不同参数条件对器件性能的影响,通过比较器件的转移特性曲线确定源区LDD注入能量和剂量的值,用于对后续流片中TFET器件参数的设定提供参考。
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