三维Saddle FET的温度特性仿真及量子仿真验证

夏正亮，刘 溪

（沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110870）

1 引言

随着集成电路产业的飞速发展，在提高产品性能的同时，缩小产品体积也是近年来的主要发展方向之一，而最直接的方法之一就是缩小基本器件单元的尺寸。为了提高器件的集成度，减小单个微纳器件尺寸，有很多的科研团队通过深入研究提出了各种新的器件结构，其中无结场效应晶体管就是最有发展前景的器件类型之一[1-2]。无结场效应晶体管的优势体现在简单的工艺制作流程和较好的电学特性[3-6]。此后研究人员又提出了多栅结构，包括最开始的双栅结构，以及后来出现的各种三维结构如FinFET、I形栅无结场效应晶体管、Saddle无结场效应晶体管以及H形栅无结场效应晶体管等[7-8]。然而随着器件尺寸的不断缩小，相应的，很多负面反应，如短沟道效应，ION-IOFF比降低和器件在不同温度、压力等环境下性能不稳定等状况相继出现。其中，Saddle和H型栅无结场效应晶体管等是部分团队近年来为了保证器件在集成度不降低的情况下保持较好的电学特性而提出的新型无结场效应晶体管结构，其主要相似处在于U形沟道的设计，使得器件集成度提高的同时保持了有效沟道长度，同时通过设计栅极的位置、形状等来增强对沟道的控制能力，从而提高器件的性能[9]。

基于上述现状，本研究针对相同极限尺寸（沟道宽度5nm）下，新型Saddle无结场效应晶体管与已经比较成熟的FinFET在温度变化时各自的电学性能及稳定情况，进行对比分析，同时运用量子模型仿真展开验证，以避免在过小尺度下经典仿真出现较大的误差。

2 无结场效应晶体管结构

FinFET和Saddle无结场效应晶体管的器件结构分别如图1(a)和图1(b)所示。所有器件结构图均使用Silvaco TCAD软件中的Devedit3D工具绘制。

图1 两种无结场效应晶体管结构图

FinFET和Saddle无结场效应晶体管的器件仿真参数如表1所示，两个器件各对应参数尺寸大小相同。

表1 仿真参数

3 经典仿真分析

为了研究FinFET和Saddle无结场效应晶体管在不同温度下的电学特性，分别选取温度变量为300K、340K和380K，用到的仿真模型有Thomas(ANALYTIC)、Arora's Model(ARORA)、Shockley Read Hall(SRH)、Auger(AUGER)、Concentration dependent lifetime SRH(CONSRH)、Band Gap Narrowing(BGN)以及带带隧穿模型（bbt.std）等。所有仿真通过软件Silvaco TCAD中的deckbuild工具完成，仿真结果如图2所示。

图2 经典仿真结果

图2中的(a)、(b)、(c)分别是 FinFET 和 Saddle 无结场效应晶体管在不同温度下的线性特性曲线、亚阈值摆幅和ION-IOFF比，不难看出随着温度的上升，器件的反向泄漏电流呈增大趋势，而正向导通电流呈下降趋势，导致ION-IOFF比降低；同时亚阈值摆幅SS也在增大，说明温度的上升会导致器件的工作性能下降。在器件尺寸如此小的情况下，FinFET的反向泄漏电流比Saddle无结场效应晶体管大近3个数量级，两者正向电流相差不大，导致FinFET的ION-IOFF比要比Saddle无结场效应晶体管低3个数量级左右；同时FinFET的亚阈值摆幅也比Saddle无结场效应晶体管大很多，说明具有更大的有效沟道长度的Saddle无结场效应晶体管在极限尺寸下可能有更好的电学特性。

4 量子仿真验证

为验证在极限尺寸下经典仿真的准确性，设计用量子仿真来检测FinFET和Saddle无结场效应晶体管在不同温度下的特性，需要在原有经典模型基础上添加的量子物理模型有The Bohm Quantum Potential(bqp.n)、hcte和费米（fermi、fermi.ni）。仿真结果如图3所示。

图3中的(a)、(b)、(c)分别是量子仿真下 FinFET和Saddle无结场效应晶体管在不同温度下的线性特性曲线、亚阈值摆幅和ION-IOFF，对比图2可以看出，量子仿真下两种器件的线性特性都有所下降，尤其是亚阈值摆幅SS比经典仿真要大得多。其中FinFET的正向和反向电流均有增大，Saddle无结场效应晶体管只有正向导通电流增大，且其亚阈值摆幅SS增大相对较小。

图3 量子仿真结果

仿真对比实验的结果说明，在沟道宽度仅5nm的极限尺寸下，器件中的工作电子的运动状态已经偏离经典范围较大，需要考虑量子效应，进行量子仿真来检测器件的性能。随着温度的升高，两种器件亚阈值会增大，而ION-IOFF比会减小，其中有效沟道较长的Saddle无结场效应晶体管受影响相对较小。

5 结束语

对Saddle无结场效应晶体管器件在极限尺寸5nm沟道宽度下的温度特性做了上述仿真分析，通过与相同尺寸的FinFET结构对比仿真，发现新型Saddle场效应晶体管在高集成度的极限尺寸下依然可以保留比较好的电学特性，并且在温度较高环境下也只受轻微的影响。同时也证明了在沟道宽度不大于5nm情况下，经典仿真结果已经具有较大误差，量子效应不能忽略，应添加量子模型进行修正，以完成更为精确的仿真。