侧壁设计对双环栅场效应晶体管电热性能的研究

章徐国 许洁

上海电力大学，中国·上海 200090

1 引言

High-k 侧壁可以通过栅边缘效应增强器件的电流驱动[1]，但这会引入较大的栅极电容（Cgg），且High-k 材料的低热导率会引入严重的自热效应，对载流子迁移率产生不利影响[2]。

论文通过TCAD 软件研究了不同侧壁设计对DGAA 器件电热特性的影响，从而更好地进行热管理和器件设计。

2 器件结构

图1（a）、（b）分别为DGAA FET 的三维模型示意图及xz 平面的二维示意图。其源漏区设计为长方体[3]。因为块状衬底（bulk）相比于SOI 结构成本更低且对SHE 抗扰性更强，这里选用块体结构作为衬底。由于二氧化硅、氮化硅、氧化铝和二氧化铪的热导率对温度的依赖性较小，论文将它们设置为常数。论文所涉及的器件参数与热学参数分别如表1 所示。

图1 n 型DGAA FET 结构示意图

表1 仿真涉及的器件参数及热学参数

3 仿真结果分析

本节采用控制变量法，固定侧壁总长度为6nm，通过调整侧壁材料和外层侧壁长度（Lsp,out）研究双层侧壁与单层侧壁对DGAA 器件电热性能的影响。图2（a）为Cgg与τ在不同侧壁材料与Lsp,out的变化曲线。因为侧壁电容正比于介电常数，所以Cgg与τ随着Lsp,out的增加呈下降趋势。如图2（b），ION随着Lsp,out的增加先趋于饱和而后又缓慢减小，且ION趋于饱和的范围与内层侧壁（二氧化铪）所占比例及外层侧壁材料相关。对于介电常数较大的外层侧壁（氧化铝、氮化硅），维持ION饱和的条件是二氧化铪所占比例≥40%，而对于介电常数较小的外层侧壁（二氧化硅、空气），二氧化铪所占比例≥50%时才能维持稳定的ION，即由栅边缘效应引起的ION增加达到饱和。上述现象的原因是外层侧壁对栅边缘效应也有一定的贡献，因此具有较大介电常数外层侧壁的设计受Lsp,out的影响最小且其ION始终是所有双层侧壁设计中最大的。当Lsp,out＞3.5nm 后，由于栅边缘效应的减弱，ION随Lsp,out的增加而恶化。如图2（c），由于氧化铝和氮化硅热导率较高，所以对于氧化铝/二氧化铪与氮化硅/二氧化铪侧壁，Rth随Lsp,out的增加而改善；而二氧化硅与空气热导率与二氧化铪相近，所以二氧化硅/二氧化铪与空气/二氧化铪侧壁对DGAA FET 的热学性能几乎没有改善。虽然氧化铝/二氧化铪侧壁的ION是所有dual-k 设计中最大的，但其凭借最小的Rth得到了最小的Tmax，极大地改善了自热效应，兼顾了DGAA FET 的电热性能；而得到最小ION的空气/二氧化铪侧壁的Tmax却是最高的，如图2（d）所示。

图2 不同侧壁设计，Lsp,out 对（a）Cgg、τ、（b）ION、（c）Rth 及（d）Tmax 的影响

当Lsp,out＜3nm 时，由氧化铝/二氧化铪侧壁的栅边缘效应导致的ION提升达到饱和，继续减少Lsp,out只会增加Cgg与Rth，所以分别取Lsp,out=3、3.5、5、6nm 下的氧化铝/二氧化铪侧壁与单层二氧化铪侧壁的进行比较。

图3 为不同Lsp,out下，氧化铝/二氧化铪侧壁相比于单层二氧化铪侧壁Cgg、τ、ION及Rth的下降率。由于DGAA FET 优秀的栅控能力使其处于体反型，继续增加Lsp,out对ION的提升有限，但能极大地改善Cgg、τ与Rth。

图3 不同Lsp,out 下，氧化铝/二氧化铪侧壁相比于单层二氧化铪侧壁Cgg、τ、ION 及Rth 的下降率

相比于栅边缘效应刚饱和的氧化铝/二氧化铪侧壁（Lsp,out=3.5nm），单层氧化铝侧壁的ION恶化了3.7%，而Rth与τ分别改善了9.76%和16.6%，所以对于DGAA 器件，采用单层氧化铝侧壁能够更好地做到电热折衷。

4 结论

论文通过TCAD 仿真研究了侧壁设计对DGAA FET 中自热效应的改善程度。仿真结果表明，相比于栅边缘效应刚饱和的氧化铝/二氧化铪侧壁，单层氧化铝侧壁的ION仅下降了3.7%，而Rth与τ分别改善了9.76%和16.6%，即单层氧化铝侧壁能够更好地做到电热折衷。