[论文解读] Estimation and Compensation of Process Induced Variations in Nanoscale Tunnel Field Effect Transistors (TFETs) for Improved Reliability

Sneh Saurabh, M. Jagadesh Kumar|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2010

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design参考文献 26被引用 11

一句话总结

本文提出一种采用高-k介质的受拉双栅隧道场效应晶体管（SDGTFET），以估算并补偿纳米尺度双栅隧道场效应晶体管（DGTFET）中的工艺诱导变化，特别是沟道长度和薄膜/栅氧化层厚度的变化。通过二维器件仿真，结果表明SDGTFET设计能有效稳定开启电流、阈值电压和亚阈值摆幅，显著提升器件在工艺变化下的可靠性。

ABSTRACT

Tunnel Field Effect Transistors (TFET) have extremely low leakage current, exhibit excellent subthreshold swing and are less susceptible to short channel effects. However, TFETs do face certain special challenges, particularly with respect to the process induced variations in (i) the channel length and (ii) the thickness of the silicon thin-film and the gate oxide. This paper, for the first time, studies the impact of the above process variations on the electrical characteristics of a Double Gate Tunnel Field Effect Transistor (DGTFET). Using two dimensional device simulations, we propose the Strained Double Gate Tunnel Field Effect Transistor (SDGTFET) with high-k gate dielectric as a possible solution for effectively compensating the process induced variations in the on-current, threshold voltage and subthreshold-swing improving the reliability of the DGTFET.

研究动机与目标

• 分析工艺变化（特别是沟道长度和薄膜/栅氧化层厚度）对双栅隧道场效应晶体管（DGTFET）电学性能的影响。
• 识别由这些工艺诱导变化引起的纳米尺度隧道场效应晶体管的可靠性挑战。
• 提出一种新型器件结构——受拉双栅隧道场效应晶体管（SDGTFET），并采用高-k栅介质作为补偿此类变化的解决方案。
• 评估SDGTFET在工艺变化下稳定关键电学特性方面的有效性。

提出的方法

• 采用二维（2D）器件仿真，模拟并分析在工艺变化下DGTFET的电学行为。
• 在硅沟道中引入机械应变，以调节带对带隧穿并改善载流子输运。
• 在栅堆叠中采用高-k介质材料，以增强栅控能力并减少漏电流。
• 在相同工艺变化条件下，对比标准DGTFET与SDGTFET的电学特性（开启电流、阈值电压、亚阈值摆幅）。
• 通过不同工艺角下器件参数的统计分析，量化变化的敏感性。
• 利用SDGTFET结构实现对沟道长度和薄膜厚度变化的更强鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 沟道长度和薄膜/栅氧化层厚度的工艺变化如何影响DGTFET的开启电流、阈值电压和亚阈值摆幅？
• RQ2 沟道中的机械应变在多大程度上可减轻工艺变化对DGTFET性能的影响？
• RQ3 在栅堆叠中集成高-k介质材料是否能增强DGTFET对工艺诱导变化的鲁棒性？
• RQ4 在工艺变化下，SDGTFET相较于传统DGTFET的可靠性改善程度如何？
• RQ5 SDGTFET结构如何在不同工艺角下稳定关键电学参数？

主要发现

• SDGTFET设计显著降低了开启电流对沟道长度和薄膜厚度变化的敏感性。
• 由于高-k介质带来的增强栅控能力以及应变工程的协同作用，阈值电压的变化得到有效抑制。
• 亚阈值摆幅在不同工艺角下得到改善并保持稳定，表明开关特性更优。
• 应变与高-k介质的结合使器件在工艺变化下表现出更均匀、更可预测的响应。
• 所提出的SDGTFET通过最小化工艺诱导波动导致的性能退化，实现了更高的可靠性。
• 二维仿真结果证实，SDGTFET结构在纳米尺度下相比传统DGTFET展现出更优的鲁棒性。