不同温度下JLNT-FET...T-FET的模拟_射频特性_刘先婷.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202307004570半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月基金项目:国家自然科学基金资助项目(52177185;62174055)不同温度下 JLNT-FET 和 IMNT-FET 的模拟/射频特性刘先婷1，刘伟景1，*，李清华2(1 上海电力大学 电子与信息工程学院，上海200090;2 深圳锐越微技术有限公司，广东 深圳518172)摘要:无结纳米管场效应晶体管(JLNT-FET)和反转模式纳米管场效应晶体管(IMNT-FET)因具有较好的驱动能力和对短沟道效应(SCE)卓越的抑制能力被广泛研究。基于Sentaurus TCAD 数值模拟，分析了环境温度对 JLNT-FET 和 IMNT-FET 的模拟/射频(F)特性的影响，对比研究了 JLNT-FET 和 IMNT-FET 由于掺杂浓度和传导方式不同导致的性能差异。结果表明，随着温度升高，载流子声子散射加剧，器件的寄生电容增加，导致器件的模拟/F 性能下降。体传导的 JLNT-FET 受到声子散射影响较小，所以其漏源电流受温度影响比表面传导的IMNT-FET 小。另外，JLNT-FET 的载流子迁移率受沟道重掺杂影响，导致其驱动能力和模拟/F性能都比 IMNT-FET 差。研究结果对进一步优化这两类器件及其在电路中的应用具有一定的参考意义。关键词:无结纳米管场效应晶体管(JLNT-FET);反转模式纳米管场效应晶体管(IMNT-FET);模拟/射频(F)特性;环境温度;传导模式中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)07057007Analog/F Characteristics of JLNT-FET and IMNT-FETat Different TemperaturesLiu Xianting1，Liu Weijing1，*，Li Qinghua2(1 College of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2 adiawave Technologies Corporation Limited，Shenzhen 518172，China)Abstract:Junctionless nanotube field-effect transistor(JLNT-FET)and inversion-mode nanotubefield-effect transistor(IMNT-FET)have been widely studied for their better driving capability and excel-lent suppression of short-channel effect(SCE)The effects of ambient temperature on the analog/radiofrequency(F)characteristics of JLNT-FET and IMNT-FET were analyzed based on Sentaurus TCADnumerical simulations The performance differences between JLNT-FET and IMNT-FET due to differentdoping concentrations and conduction modes were comparatively investigated The results show that as thetemperature increases，carrier phonon scattering intensifies and the parasitic capacitance of the deviceincreases，leading to a decrease in the analog/F performances of the device The bulk-conductingJLNT-FET is less affected by phonon scattering，so its drain-source current is less affected bytemperature than that of surface-conducting IMNT-FET In addition，the carrier mobility of JLNT-FET isaffected by channel heavy doping，resulting in worse driving capability and analog/F performances ofJLNT-FET than that of IMNT-FET The study results can be references for further optimization of thesetwo types of devices and their applications in circuits刘先婷等:不同温度下 JLNT-FET 和 IMNT-FET 的模拟/射频特性=July2023Semiconductor Technology Vol48 No7571Keywords:junctionless nanotube field-effect transistor(JLNT-FET);inversion-mode nanotubefield-effect transistor(IMNT-FET);analog/radio frequency(F)characteristics;ambient temperature;conduction modeEEACC:2560S0引言在纳米级 CMOS 技术领域，环栅场效应晶体管(GAAFET)是最有前途的器件之一1，它可以抑制短沟道效应(SCE)并在逻辑电路和存储器中实现高速和高封装密度。在 GAAFET 基础上提出的反转模式纳米管场效应晶体管(IMNT-FET)，由内外 2 个栅极控制着沟道载流子，从而具有更出色的栅极静电完整性(EI)2，D.Tekleab 等人3 也已经解决了 IMNT-FET 的制造可行性。然而反转模式器件的自热效应(SHE)以及源和漏突变结仍然是值得关注的问题，因此 J.P.Colinge 等人4 提出了无结(JL)晶体管。源沟道漏区域的均匀掺杂消除了对掺杂梯度的需求，并且降低了结电阻和热预算1。目前已经在 IMNT-FET 的基础上探索了无结纳米管场效应晶体管(JLNT-FET)5。从应用角度看，器件的模拟/射频(F)特性非常重要，目前科研人员已经分别对 JLNT-FET 和IMNT-FET 的 模 拟/F 特 性 展 开 了 深 入 研 究。Y.Pratap 等人6 比较了不同温度下环栅(GAA)MOSFET 和双环栅(DGAA)MOSFET 的性能，由于 DGAA MOSFET 沟道电荷的栅极可控性更高，所以显示出更好的模拟/F 性能，并且抑制了 SCE和谐波失真。N.Kumar 等人7 分析了不同温度下硅基纳米管无结双环栅(NJL-DGAA)MOSFET 的模拟性能、热载流子注入(HCI)退化和线性失真，结果表明即使在高温下 NJL-DGAA MOSFET 也能 在 高 频 应 用 中 提 供 卓 越 的 模 拟 性 能。A.N.Huda 等人8 的研究显示，由于无结晶体管(JLT)沟道采用高掺杂，所以与普通结型 MOSFET相比，其在 模 拟 和 F 应 用 中 没 有 显 著 优 势。JLNT-FET 和 IMNT-FET 在掺杂浓度和传导方式上存在明显的差异，所以对比研究它们的模拟/F 特性异同及其内在物理机理，对 JLNT-FET 和 IMNT-FET 性能的优化，以及电路应用场景的选择都具有重要意义。本文采用 Sentaurus TCAD 数值模拟，分析了200500 K 温度范围内 JLNT-FET 和 IMNT-FET 的模拟/F 特性参数，包括栅源电容、栅漏电容、跨导、电导、跨导生成因子、本征增益、截止频率、跨导频率乘积和增益跨导频率乘积，对比研究了JLNT-FET 和 IMNT-FET 由于掺杂浓度和传导方式不同导致的性能差异。1器件结构和仿真方法在器件结构尺寸相同的情况下，调整器件的掺杂浓度和功函数，使 JLNT-FET 和 IMNT-FET 的关态电流相同9，从而增加二者性能的可比性。结构仿 真 使 用 的 参 数 如 表 1 所 示，JLNT-FET 和IMNT-FET 的 3D 结构图和截面图如图 1 所示。在高介电常数(k)氧化层氧化铪(HfO2)和沟道之间引入了超薄 SiO2和 HfO2夹层，增强栅控的同时提高界面质量10，高 k 栅极电介质还能降低温度变化对器件模拟/F 性能的影响5。侧墙材料是热导率和介电常数都较高的氮化硅(Si3N4)，源极/漏极(S/D)接触采用钨(W)材料，栅电极材料是具有可调性功函数的氮化钛(TiN)。表 1JLNT-FET和 IMNT-FET的仿真参数Tab.1Simulation parameters of JLNT-FET and IMNT-FET仿真参数数值JLNT-FETIMNT-FET源/漏金属接触长度 LCT/nm55沟道长度 LG/nm2020沟道厚度 TSi/nm1010内栅直径 dcore/nm1010等效氧化层厚度 EOT/nm11侧墙长度 LS/nm2525沟道掺杂浓度 NA/cm31015源/漏掺杂浓度 ND/cm310191020功函数/eV5.14.8接触热阻 tc/(cm2KW1)11041104栅源电压 Vgs/V0101漏源电压 Vds/V0101刘先婷等:不同温度下 JLNT-FET 和 IMNT-FET 的模拟/射频特性=572半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月内栅外栅侧墙外氧化层内氧化层纳米管内栅外栅侧墙外氧化层内氧化层纳米管(a)J L N T!F E T 的3 D结构图(b)I M N T!F E T 的3 D结构图(c)J L N T!F E T 的截面图(d)I M N T!F E T 的截面图LC TLSLGLSLC TTS iE O Tdc o r eE O TTS i侧墙侧墙外栅源区源区沟道内栅源区源区沟道侧墙侧墙ND=1 01 9c m-3外栅ND=1 01 9c m-3LC TLSLGLSLC T侧墙侧墙外栅源区源区沟道ND=1 02 0c m-3NA=1 01 5c m-3ND=1 02 0c m-3源区源区沟道ND=1 02 0c m-3NA=1 01 5c m-3ND=1 02 0c m-3侧墙侧墙外栅内栅TS iE O Tdc o r eE O TTS iH f O2S i O2S i3N4T i NWH f O2S i O2S i3N4T i NW图 1JLNT-FET 和 IMNT-FET 的 3D 结构图和截面图Fig.13D structure and cross-section diagrams of JLNT-FET and IMNT-FET仿真采用的物理模型如下:考虑自热效应的影响，将流体动力学(HD)和热力学(TH)载流子传输模型进行耦合;采用与浓度、温度和散射相关的 Philips 统一迁移率模型与 Lombardi 模型;在沟道区域的横向电场中引入高场饱和迁移率模型;考虑沟道重掺杂导致带隙变窄的问题，引入带隙窄化模型;考虑电子空穴复合，使用Shockley-ead-Hall、Auger 复合模型。2结果与讨论电流密度/(A c m-2)电流密度/(A c m-2)2.0 0 1 075.5 8