文摘gydF4y2Ba

铁电负电容材料现在已经提出了降低电子能量耗散超出基本限制。在本文中,我们提出了负电容的性能分析(NC) FinFET相比与传统门电介质采用分离变量的方法,这是一个最佳quasi-3D数学模型。结果是所指陡峭表面潜力(gydF4y2BaψgydF4y2Ba)、低阈值电压(VgydF4y2BathgydF4y2Ba),1.2 mA的开态电流(离子)和增强免疫力的负电容FinFET对短沟道效应(SCE)像35.3 mV / V drain-induced屏障降低(DIBL), 60 mV / 12月的阈下摇摆(SS)以及当前状态(我最小gydF4y2Ba从gydF4y2Ba)之间的另一个传统的闸极介电层。因此,数控FinFET可能是一个潜在的候选人低功率设备和高性能。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

低功耗问题已经高度关注开发数字技术使用金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet),它遵循摩尔定律,并扩展了半导体器件的规模提高每个芯片的晶体管数量,成倍增加的功能。然而,降低规模晶体管更倾向于短沟道效应(SCE) [gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。明显短通道的现象称为阈值电压辗轧时门长度降低阈值电压下降。短沟道mosfet开关在门电压低于长水道mosfet结果(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。通过降低信道长度,栅氧化层的面积和栅氧化层电容下降了。但是,需要最少的栅氧化层电容改善通道控制(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。这是通过降低栅氧化层的厚度。量子力学隧道效应当SiO的厚度gydF4y2Ba2gydF4y2Ba小于1.2 nm (gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。栅氧化层时栅氧化层漏电流上升进一步扩展。此外,设备的用电增加明显。这个困难时可能会减轻利用high-k介电材料,具有大的介电常数。high-k介电材料的使用允许一个更大的比SiO栅氧化层gydF4y2Ba2gydF4y2Ba同样的氧化物电容。这个短语相当于氧化物厚度或测试结束,指SiO的厚度gydF4y2Ba2gydF4y2Ba电影,必须采用替代的high-k氧化介质达到相同的电容(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。氮化硅SiOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba被用来增加介电常数约5和减少传输结束2海里(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。除此之外,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Badielectric-based场效应晶体管技术使扩展的测试结束0.8 nm最近设备(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。然而,即使测试结束可以减少到零,一些基本限制抵抗V的衰落gydF4y2BaddgydF4y2Ba(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。的限制,解决“玻耳兹曼极限,”,因为它是不可能减少VgydF4y2BaddgydF4y2Ba低于0.5 V (gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。为克服这一限制,带隧道可能是有用的。但是,隧道设备低开态电流(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。此外,提出只要绝缘子电容是负的,那么设备可以克服玻耳兹曼限制通过减少VgydF4y2BaddgydF4y2Ba进一步。负电容(NC),在这种情况下,会导致内部表面放大的潜在的应用栅电压Vg (gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。2016年,瞬态数控测量铁电高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba应用程序与Gd掺杂的低电压(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。同时,类似的数控效果验证了铁电锆掺杂二氧化铪、广泛称为HZO [gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。数控与HZO展览场效应晶体管大开/关配给电流恒定在国家,2018年报告(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。砷化镓/旅馆数控隧道场效应晶体管显示更高的免疫短沟道效应(SCE) [gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。预计,如果栅氧化层被铁电负电容材料,可以提高设备的性能。在本文中,我们使用HZO的铁电负电容材料形式不会让FinFET变成结构。性能参数阈值电压一样,表面潜在的概要文件,开态电流,和短沟道效应(SCE)与硅HZO频道调查与高频振荡器相比gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和艾尔gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba栅氧化层的使用紧凑的数学模型。我们提出了3 d FinFET的物理架构图可以观察到不同方向gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,参数值用于架构已经列在表中gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

(一)gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(c)gydF4y2Ba
(c)gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba
(一)3 d-finfet横断面图。(b) XY方向。(c) XZ方向。gydF4y2Ba
表1gydF4y2Ba
提出设备参数。gydF4y2Ba

2。物理架构gydF4y2Ba

表gydF4y2Ba2gydF4y2BaNC-FinFET研究,描述了从2017年到2020年,负电容的影响材料可以很容易地实现。gydF4y2Ba

表2gydF4y2Ba
先前的研究NC-FinFET。gydF4y2Ba

3所示。数学模型gydF4y2Ba

3.1。表面势模型gydF4y2Ba

一个场效应晶体管(FET)是一个压控半导体器件。静电势在源极和漏极之间引起的场效应晶体管的直流偏置电压。源极和漏极之间的区域被称为通道或Si-body和静电势的通道是由直流电压门。一般来说,FinFET展示三维表面的潜力。表面可能由以下方程可以表示(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba 通道掺杂,gydF4y2Ba 管道材料的介电常数,gydF4y2Ba 是表面的潜力。gydF4y2Ba

总表面潜力可以通过以下方程[表示gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba),gydF4y2Ba

3.2。阈值电压模型gydF4y2Ba

阈值电压MOSFET的另一个重要参数,它可以定义所需的最小电压打开MOSFET。阈值电压可以由以下方程:gydF4y2Ba

可以计算如下(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

3.3。漏极电流模型gydF4y2Ba

阈下的电流,少量的漏极电流,这可以通过以下渠道流阈值电压,为确定MOSFET的性能是一个重要的参数,它可以由以下方程表达(gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

3.4。跨导gydF4y2Ba

跨导,直接关系到收益,决定迅速晶体管可能席卷栅电压时激活。(gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。由于表面电荷的变化,更高的跨导值导致更高的漏极电流,负责设备的敏感性增加。操作的一个传感器可以由使用的最大跨导门电压。大多数的设备测试最大跨导大于10gydF4y2Ba 。gydF4y2Ba(gydF4y2Ba35gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

跨导可以由以下方程:gydF4y2Ba

3.4.1。排水感应势垒降低(DIBL)gydF4y2Ba

DIBL降低了纳米金属氧化物半导体阈值电压通过修改source-to-drain势垒。这允许设备通道进行较小的栅电压。(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba]。计算DIBL的比例阈值电压的差异观察到最小值的最大优先级漏极电流。改变阈值电压(VgydF4y2BathgydF4y2Ba在漏极电压(V)改变gydF4y2BadsgydF4y2Ba)的特点是低drain-induced障碍(gydF4y2Ba37gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

3.4.2。阈下的秋千gydF4y2Ba

低功率数字设备的开关功效可以评估的特点在阈下的漏极电流区域的设备,这是通常被称为阈下。阈下摇摆的分析模型是由求解泊松方程在英吉利海峡地区在标题位置gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba (gydF4y2Ba38gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

根据(gydF4y2Ba39gydF4y2Ba],阈下的表达式gydF4y2Ba

3.5。从当前gydF4y2Ba

从电流直接取决于阈下的斜率(SS)。它可以通过方程计算gydF4y2Ba40gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

3.6。在NC-FinFET短沟道效应gydF4y2Ba

负电容是用来抵消短沟道效应在高度按比例缩小的场效应晶体管(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba]。关键短的逆阈下信道参数可以写成gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba 是表面的潜力,gydF4y2Ba 是乘法Boltzman常数和温度,gydF4y2Ba 和gydF4y2Ba 耗尽层电容和栅氧化层电容。传统MOSFET的因素gydF4y2Ba 总是高于统一。通过氧化物电容-本质上是一个方法来降低阈下摇摆的价值。如果铁电材料,采用负电容的特性,选择,这将是可以实现的gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba44gydF4y2Ba]。氧化等效电容gydF4y2Ba 在NCFET是通过添加铁电gydF4y2Ba 和介质电容gydF4y2Ba 在系列。gydF4y2Ba

因此,NCFET的阈下的摇摆可以表示为gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba 玻耳兹曼的条件可以降低极限。gydF4y2Ba

排水引起屏障降低(DIBL)可以计算出方程(所gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。DIBL取决于阈值电压,阈值电压NCFET计算以下表达式:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba DIBL的因素吗gydF4y2Ba 在零漏电压阈值电压。传统MOSFET DIBL系数是积极的,另一方面不利于NCFET [gydF4y2Ba45gydF4y2Ba]。漏极电压的增加,阈值电压增加NCFET与传统MOSFET。这个结果负DIBL因素。因此,DIBL NCFET较低。gydF4y2Ba

4所示。结果和讨论gydF4y2Ba

性能参数如表面潜力,阈值电压与短沟道效应研究了负电容铁电氧化锆铪(HZO) FinFET (NC-FinFET)。表面电位沿通道长度不同的介电材料,如图所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,考虑到漏极电压1 V。与HZO FinFET潜力高约0.9 V,而其他dielectric-based FinFET同时有0.79 V和0.6 V。此外,潜在的兴起为NC-FinFET排水通道是陡峭的。这是由于铁电负电容的通道,导致更快的表面电位的上升gydF4y2Ba46gydF4y2Ba]。同时,曲线斜率增加总电场随着电子速度的速度,因此,明显高于开态电流,如图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。0到1 V的范围的漏极电压,NC-FinFET排水管HZO显示3到4倍电流比FinFETgydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba和高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,分别。此外,潜在的限制增加了载体表面速度急剧变化。因此,速度饱和问题是大大降低。gydF4y2Ba


图2gydF4y2Ba
表面比较潜在的HZO概要文件,gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba基于FinFET通道长度gydF4y2Ba 。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
比较使用状态饱和电流氧化特性的变化,HZO,艾尔gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba在FinFET。gydF4y2Ba

不同闸极介电层的阈值电压概要图所示gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。HZO-based NC-FinFET展品低阈值电压,进一步结果高开态电流与高运算速度的设备(gydF4y2Ba47gydF4y2Ba),而这三种介质的阈值电压常数衰减通道的长度。铁电厚度(gydF4y2Ba48gydF4y2Ba)和温度(gydF4y2Ba49gydF4y2Ba铁电电容上产生重大影响。阈值电压下降时,铁电厚度增加因为铁电电容减少铁电厚度的增加。除此之外,消极的氧化物电容NCFET也可能导致阈值电压下降(gydF4y2Ba50gydF4y2Ba]。后来,传输特性对不同的氧化物在图绘制gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,考虑到漏极电压1.2 V,描绘了最高最低阈值电压和阈值电流后HZO-based NC-FinFET。gydF4y2Ba


图4gydF4y2Ba
比较阈值电压估计HZO,艾尔gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba对不同的通道长度的FinFET。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
为HZO转移特征,比较gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba基于FinFET由不同的栅电压。gydF4y2Ba

DIBL意味着不同的阈值电压和漏极电压的变化。在图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba、DIBL是绘制三栅极电介质HZO,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,艾尔。gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba。这些曲线描述增量的DIBL通道长度的偏差。DIBL最大程度的降低通道的长度HZO-based NC-FinFET大约是35.3 mV / V,它大约是54.5 mV /高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba的FinFET。这是因为反向DIBL负电容材料的影响。的总负责与漏极电压上升通道减少负面得出流动的指控。因此,减少DIBL触发(gydF4y2Ba51gydF4y2Ba]。因为DIBL低,输出电阻将成为NCFET更高。此外,漏极电压诱导击穿是NCFET显著降低的gydF4y2Ba52gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba


图6gydF4y2Ba
比较DIBL HZO,gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba基于FinFET的保持通道厚度,gydF4y2Ba 固定在4海里和有效的通道长度,gydF4y2BalgydF4y2Ba effgydF4y2Ba从2到16 nm不等。gydF4y2Ba

最大斜率的倒数的转移特征产生了阈下的斜率(SS)。较小的党卫军展品低泄漏电流状态。在图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,这是证明了降低SS通道长度较大时发生。这是因为有相反的比例通道长度和漏极电流。随着HZO铁电负电容特性和较高的介电常数,因此党卫军HZO-based NC-FinFET达到60 mV /十年的理论极限。因此,这更低的价值提出了更高的免疫SCE的(gydF4y2Ba53gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba


图7gydF4y2Ba
比较阈下摇摆HZO (SS),gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba基于FinFET的。gydF4y2Ba

场效应晶体管跨导的导数是转移特征和意味着速度的装置。在图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba阈值电压后,它可以观察到,跨导HZO-based装置显著上升,传统高频振荡器的4倍左右gydF4y2Ba2gydF4y2Ba的设备。这里,漏极电压从0到2 V通过考虑不同的步长为0.5 V。gydF4y2Ba


图8gydF4y2Ba
比较HZO跨导的gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba基于FinFET的加大门电压,VgydF4y2BaggydF4y2Ba从0到2 V。gydF4y2Ba

门长度降低,流失损耗区和源耗尽区慢慢接触和相互渗透,减少障碍高度。降低源障碍增加电荷载体通过短通道,注入和门可能会失去控制,因此断开的电流增加。从图可以看出gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,FinFET HZO断开的电流高频振荡器相比少了gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,艾尔。gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Badielectric-based FinFET。gydF4y2Ba


图9gydF4y2Ba
比较HZO跨导的gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba,高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba基于FinFET的保持通道厚度,gydF4y2Ba 固定在4海里和有效的通道长度,LgydF4y2BaeffgydF4y2Ba从2到16 nm不等。gydF4y2Ba

表gydF4y2Ba3gydF4y2Ba从数学分析描述了图的优点比较three-gate氧化物从这个工作和近期文献。看到,漏极电流HZO大约是2,与高频振荡器从FinFET高出10倍gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和艾尔gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba随后。此外,40gydF4y2BaμgydF4y2Ba年代的跨导,这是比传统的高频振荡器高出4倍左右gydF4y2Ba2gydF4y2Ba门氧化物设备和DIBL明显降低。此外,与HZO FinFET相对减少电流断开的设备与其他栅氧化层。gydF4y2Ba

表3gydF4y2Ba
比较不同的场效应晶体管技术的特点。gydF4y2Ba

5。结论gydF4y2Ba

在本研究工作中,与HZO NC-FinFET的性能参数对比gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba和高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba基于FinFET的调查。表面潜力,阈值电压、DIBL阈下的秋千,电流,输出和转移特征彻底调查所有的三个频道电介质。的步进表面潜力HZO-based NC-FinFET的主要原因是速度饱和的可控性。NC-FinFET担保中的0.3 V阈值电压高电流状态,这是FinFET的16倍gydF4y2Ba 介质。除此之外,35.3 mV / V DIBL和60 mV / 12月阈下摇摆(SS)揭示价值NC-FinFET HZO的在不会让非常低变成全维度。NC-FinFET的截止态电流低于约98%和35.04%gydF4y2Ba 电介质和艾尔gydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba同时dielectric-based FinFET。因此,铪zirconium-based负电容FinFET设备优于传统FinFET AlgydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3gydF4y2Ba和高频振荡器gydF4y2Ba2gydF4y2Ba介质的抑制SCE和断开的电流。因此,它可以潜在的候选人低功率和高速设备制造。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

参数数据用于支持本研究的结果包括在本文中。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba