深亚微米三栅FinFET短沟道效应和拐角效应计算机模拟分析_王洪涛

FinFET短沟道效应介绍

724 2009年第5期(40)卷

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深亚微米三栅FinFET短沟道效应和拐角效应计算机模拟分析

王洪涛1,3,王 茺1,李 亮1,胡伟达2,周 庆3,杨 宇1

(1.云南大学工程技术研究院光电信息材料研究所,云南昆明650091;2.中国科学院上海技术物理研究所,红外物理国家重点实验室,上海200083;

3.云南大学物理科学技术学院,云南昆明650091)

摘 要: 利用三维器件模拟软件,研究了深亚微米三栅FinFET的短沟道效应,并模拟了阈值电压和亚阈值摆幅随硅鳍(fin)厚度和高度的变化情况。通过优化硅鳍厚度或高度,可以有效的控制短沟道效应。在进一步对深亚微米三栅FinFET的拐角效应进行二维数值模拟的过程中,并未观察到由拐角效应引起的泄漏电流。与传统的体硅CMOS结构有所不同,拐角效应并未使得深亚微米三栅FinFET性能变差,反而提高了其电学性能。

关键词: 三栅FinFET;短沟道效应;亚阈值摆幅;拐

角效应

中图分类号: TP211;TP391.9文献标识码:A文章编号:1001-9731(2009)05-0724-04

用2-D数值模拟,计算了亚50nm平面结构FinFET

控制短沟道效应的最佳硅鳍宽度,未考虑硅鳍高度对短沟道效应的影响[6~8]。我们利用器件模拟软件对深亚微米三栅FinFET的短沟道效应进行3-D数值模拟,研究了不同硅fin厚度和高度对器件短沟道效应的影响,模拟数据与文献中的实验数据能够较好地相符。已报道文献中对拐角效应的研究主要集中在其产生机理以及如何消除等方面,研究了通过增大拐角的曲率半径和减小沟道掺杂来抑制拐角效应。本文通过数值模拟,进一步研究了拐角效应对深亚微米三栅Fin-FET器件性能的影响。

2 器件结构与物理模型

图1显示了本文所讨论的三栅FinFET的三维结构模型,其中硅鳍是器件的核心部分,硅鳍部分包括两个区域,栅极下方为有效沟道区,两端为漏源外延区。栅极包围在沟道区的3个表面,栅极材料为多晶硅,栅极和硅鳍之间为SiO2氧化层,其目的是为了抑制栅极漏电流。Tfin为硅鳍的厚度,Hfin为硅鳍的高度,Lext为漏源外延长度,Lg为沟道长度,Leff为有效沟道长度。三栅FinFET的几何沟道宽度定义为:

W=2#Hfin+Tfin

若在硅鳍的上表面外延生长1层Si3N4使顶栅和沟道隔离,这样硅鳍上表面就不能作为几何沟道宽度的一部分,器件结构就变成了自对准双栅FinFET结构,因此双栅FinFET的几何沟道宽度[9~11]

深亚微米三栅FinFET短沟道效应和拐角效应计算机模拟分析_王洪涛

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1 引 言

随着CMOS按比例缩小技术进入深亚微米尺度,传统的体硅CMOS器件面临很多困难。由短沟道效应引起的阈值电压下跌、漏场感应势垒下降(DIBL)以及本体贯穿(punch-through)效应变得更加难以控制,这将严重影响器件的性能。目前采用离子注入沟道的方法可以调整MOSFET的阈值电压,而沟道重掺杂会引起沟道内杂质散射,从而导致载流子的迁移率下降。双栅MOSFET具有较强的抗短沟道效应的能力,并且数值模拟也表明其在尺寸按比例缩小方面具有较大的潜力,但是由于其制作过程过于复杂,目前双栅MOSFET很难在广泛应用的硅平面工艺上实现[1~4]。1998年,Hisamoto等人引入了FinFET,它是在硅鳍(fin)上淀积多晶硅材料,形成的栅极骑跨在硅鳍结构之上[5]。与传统的单栅MOSFET相比,Fin-FET增强了栅极对沟道的控制能力,在控制短沟道效应、改善亚阈值特性和抑制栅极泄漏电流等方面具有明显的优势,它还具有与平面工艺相兼容的特点。

目前,国内外对三栅FinFET的工艺制作、栅极隧穿电流、漏源寄生电阻等方面都进行了深入的研究。然而,在短沟道效应的研究方面,大都基于设定器件参数和边界条件求解三维泊松方程,对器件的性能进行理论上的近似计算。而在计算机模拟方面也主要是采

图1 三栅FinFET三维结构模型

Fig13-Ddevicestructureoftriple-gateFinFET

深亚微米三栅FinFET短沟道效应和拐角效应计算机模拟分析_王洪涛

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基金项目:国家自然科学基金资助项目(60567001);云南大学/中青年学术骨干培养基金0资助项目(w33010000)

收到初稿日期:2008-10-20收到修改稿日期:2008-12-30通讯作者:杨 宇: ),男,

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