降低击穿电压的新型肖特基隧穿源碰撞电离MOS的解析模型

工程科学与技术，国际期刊19（2016）421全长文章降低击穿电压Sangeeta Singh*，P.N. 孔代卡尔纳米电子学和VLSI实验室，印度信息技术、设计和制造研究所（IIITDM），印度贾巴尔普尔A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：2015年5月18日收到，2015年7月15日收到修订2015年7月22日接受2015年9月19日在线发布保留字：碰撞电离肖特基势垒隧穿Wentzel–Kramers–Brillouin电离积分（M）阈下摆幅（SS）为了降低传统碰撞电离MOS（IMOS）的击穿电压，本文研究了一种新型肖特基隧穿源碰撞电离MOS（STS-IMOS），并建立了其解析模型。在STS-IMOS中，存在碰撞电离和源致势垒隧穿的累积效应。硅化物源极提供非常低的寄生电阻，其结果是对于相同的施加偏压，本征区两端的电压降增加这降低了工作电压，因此，它在击穿电压和阈值电压方面都有显著降低STS-IMOS显示出对热电子损伤的高免疫力。因此，设备的可靠性大大提高。基于电离积分M的积分，建立了碰撞电离电流Iii的解析模型。同样地，为了得到肖特基隧穿电流（ITun）的表达式，采用WKB近似。阈值电压和亚阈值斜率的分析模型进行了优化，对肖特基势垒高度的变化。漏极电流的表达式通过积分表达式计算为栅极到漏极偏置的函数。通过与工艺计算机辅助设计（TCAD）仿真结果的比较，验证了该方法的有效性。从本质上讲，这一分析框架提供了更好地理解STS-IMOS及其性能估计的物理背景。© 2015 ， Karabuk University. Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在最近的研究中，它们需要电源电压缩放，因此为了实现这种绿色晶体管，需要克服传统MOS的基本热力学极限（kT/q）的为了克服这种理论上的暴政并实现超陡的亚阈值斜率（SS），已经提出了基于替代电荷注入机制的各种基于电荷的CMOS非常规MOS器件，即隧道场效应晶体管（TFET）[1，2]和碰撞电离MOS（IMOS）[3，4]。 IMOS已发展为潜在候选产品，报告的SS为5mV/dec，I ON I OFF比约等于10 7[5-7]。IMOS是栅控p-i-n结构，其栅极半重叠在本征区上。它工作在反向偏置状态，其电荷注入机制基于碰撞电离倍增过程[8有趣的是，它具有与CMOS共集成的潜力* 通讯作者。联系电话：+91 761 2632236;传真：+91 761 2632524。电子邮件地址：gmail.com（S. Singh）。由Karabuk大学负责进行同行审查。技术[12]。在IMOS中，栅控有效沟道长度调制发生，在本征区产生高电场，引发碰撞电离过程。由于IMOS中电荷注入的碰撞电离机制需要很高的电场，并且具有很高的源区寄生电阻，因此它提供了很高的击穿电压和阈值电压。针对传统IMOS存在的上述问题，提出了一种硅化物（NiSi）源肖特基隧穿源碰撞电离MOSFET（STS-IMOS）。STS-IMOS的制造工艺与CMOS制造工艺流程兼容有两种机制，即碰撞电离和源诱导势垒隧穿的累积效应漏极电流的分析框架是通过整合碰撞电离积分（M）（碰撞电离电流分量）和WKB近似（隧道电流分量）。为了验证所开发的模型，它是比较技术的计算机辅助设计仿真结果。解析模型与TCAD器件数值模拟结果吻合较好，验证了模型的有效性。仿真结果还表明，STS-IMOS的阈值电压和击穿电压都比IMOS低，I ON I OFF比提高，SS陡。本文的结构安排如下：第二部分介绍了器件结构和研究器件的仿真方法http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.07.0142215-0986/© 2015，Karabuk University.由Elsevier B. V.制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch422S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421Fig. 1. （a）常规IMOS和（b）STS-IMOS的示意性横截面图。性能参数第三节介绍了STS-IMOS的阈值电压和亚阈值斜率的分析模型。部分4 讨论了所获得的结果，并验证了开发的模型。最后，第5节从已开发的分析框架中得出重要结论，并强调了主要发现。2. 器件结构和模拟参数图1中示出了具有相同器件尺寸的常规IMOS和STS-IMOS的示意性横截面图。在这里，我们已经分析了绝缘体上硅（SOI）实现的两个设备。各种模拟参数为：硅膜厚度TSi（10），栅氧化层厚度<T_（10），总沟道长度将栅极长度（LG）和本征区长度（L）取为15 nm、3 nm、100 nm、60 nm和40 nm。对于传统的IMOS，源极掺杂（NA）的数量级为10 20 cm −3。然而，STS-IMOS具有硅化镍（NiSi）源极，如[14两种器件的漏极掺杂（ND）均被认为是1020cm−3。为了模拟STS-IMOS中的源致隧穿效应，包括非局域隧穿模型，其中非局域距离为2nm使用Synopsys[17]。为了获得准确的器件模拟，使用碰撞电离模型和带带隧穿（BTBT）模型。此外，还结合了300 K下的带隙窄化模型（BGN）、STS-IMOS的电荷注入机制是基于碰撞电离，因为栅极控制的有效沟道长度调制和源极诱导隧穿，如图2所示。在施加高的源极-漏极偏置（VSD）和低的栅极-漏极偏置（V GD）的情况下，在栅极下的区域中没有反转，因此有效的沟道长度是整个本征区。因此，该区域中的电场不足以启动碰撞电离过程。当施加大的V GD时，将在栅极重叠区域下形成反型层，因此有效沟道长度现在减小到栅极外部的i区域，并且电场在该区域上增强。这反过来又导致其两端的V SD压降更大，从而显著增加了本征区的压降，并引发雪崩倍增。此外，在STS-IMOS中，当施加大的V GD时，它也调制有效势垒高度和隧穿距离。因此，电子从源极到漏极的隧穿启动雪崩倍增，因此将存在栅极调制电流放大。图二. STS-IMOS传导机制。S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）42142322然后受到沟道电阻的限制。区域I中的二维Pois-sonx，y<$1x，y<$1<$qNi;0μ/mL; 0个月（二）X2第二次世界大战SiG Si考虑抛物型势函数近似，可以得到λ1图三. STS-IMOS和IMOS在ON状态下的等效电路图。10μxμLG;0Si（三）为了全面了解器件的工作情况，其导通状态下的等效电路图如图所示。3.第三章。并在上述方程中施加以下边界条件，这里，RSource和RDrain是源极和漏极的寄生电阻年月x，y年月日，美国国家航空航天局（）宣布，美国国家航空航天局（）将于年月日在美国华盛顿举行的第二次世界大战期间，对美国进行为期3天的正式访问。（四）分别用于这两个设备。V S，eff是启动雪崩倍增过程所需的本征区上的有效V SD电位降。 R Intrinsic和R Channel分别是本征区和沟道提供的电阻。为了优化器件性能， 源极和漏极，阿克斯年月x，y阿克斯y= 0yTSiSi0Tox中国（五）必须尽可能小，并且VS，eff必须大，以同时启动雪崩倍增和隧穿。由于硅化物源，STS-IMOS的R源极比R源极高度降低上述微分方程的解的一般形式为在相同的源漏偏置电压下，STS-IMOS的VS，eff大于IMOS的VS，eff。因此，STS-IMOS的操作电压显著降低。其中，xAexp （六）埃克塞特奥克斯（）qNioxVGms（七）3. STS-IMOS的解析建模SiToxTSiSiSiToxTSi通过STS-IMOS的净电流有三个组成部分：高电场引起的碰撞电离电流（Iii由于硅化物源极，导致的击穿电流和击穿电流（ITherm）。由于高电场和硅化物-半导体界面碰撞离子，类似地，区域II中的电势函数和电场可以通过假设虚拟电极中的电势分布如下来表示，离子化电流和隧穿电流是电流的主要成分，而负离子电流可以忽略不计。xqNix2;EqNiSi（八）IDI（一）其中，A′、A″、θ和φ是常数，其值可以通过施加以下边界条件3.1. 碰撞电离电流（Iii）由于STS-IMOS本征区的高电场，电离电流将起重要作用这里，STS-IMOS中的所有施加偏压都是相对于漏极的。为了量化-1x1000G22016年月22日x1000Gx424S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421阿罗辛黄嘌呤G （9）（10）为了确定STS-IMOS中碰撞电离过程的电流贡献，我们采用了Mayer等人[18]为IMOS开发的分析技术。在STS-IMOS中的模型III，ini-利用上述边界条件计算了结构中的电场，这取决于所施加的偏压和器件的几何形状的力量--11G（十一）电场取决于器件尺寸，即栅极长度（LG）、本征长度（Lin）、栅极氧化物厚度（Tox）和硅膜厚度（TSi）。它还取决于漏极掺杂浓度（ND）、源极侧由于硅化物、本征区掺杂Ni，材料参数，如栅极材料功-其中，我的天2019年月日函数（Vm）和偏置条件，即源极到漏极电压（VSD）和栅漏电压（VGD）。计算的电场LGexpLG（十二）在碰撞区域中，然后将电离并入电离积分（M）中。STS-IMOS的阈值电压由 2个月前GLG31全电离积分M。M的值也定义了设备的状态。对于M1，器件处于关断状态，电流将受到反向偏置pin二极管的限制对于M= 1，ava-在该装置中刚刚开始Lanche过程与IMOS类似，1VV电压2V公司简介联系我们（十三）STS-IMOS还具有两个关键的阈值电压，即从I-V雪崩击穿电压（V公司简介 pk10开奖结果S bi DG（十四）BRDSD特性和栅极阈值电压（VGT）提取的 联系我们GI-V特色对于M> 1，器件导通，电流为SiMS DGDS. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）4214252个月 *B00公司简介隧道感应电流放大效应。隧道电流势垒的特征在于传输函数T（ E ） [19] ， 并 且 可 以 通 过 使 用 Wentzel-Kramers-Brillouin（WKB）近似假设三角形势分布来描述，TexpB 年，其中，一个3000万欧元选举（十七）其中A表示理查森常数120A cm2K2，m * 是半导体的有效质量，Eelect是电场。现在，隧道电流可以通过下式建模：见图4。 硅化物源诱导隧穿宽度和势垒高度调制。I4eBTf1fEdE屯qVGTunms现在，作为电离积分，M由下式给出：2014年5月24日HCIBBMGTunexpB年12月日 1 ML（单位：）  dxdx（十五）11expE k TdE0n，n pn p， n p（十六）其中，λB表示肖特基势垒高度，fs和fm是半导体的半导体能级的费米狄拉克分布函数  其中，αn和αp表示位置和电场相关电介质和金属分别。近似上述表达式，我们有分别为电子和空穴的电离系数，Io表示亚阈值漏电流。代入E2（x）的值伊屯2014年5月24日HCIBBMGTunexpB年12月日由方程（8）在Eqns。并且由于空穴和电子而求解Iii可以计算为：III Iii, nI ii, pIoLinnxexpxnpdxdx1expE kB TdE通过使用泰勒级数展开项，并且仅考虑Linpxexpxpndxdx4EA320  0 伊吞阿丹32A23CIBB年2月3日qVGTunB B组评估上述表达式，Iii为E2 A32EE 2CIBB2013年2月3日年1月1日I Iexp1 VG24BKBT2019年10月日，4exp12 121进一步近似的表达，它出来是，1  4e3 Aexp1VG5exp12X426S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421B1 2 1一吞mBBE2（十八）1S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421427KB TBqVGTunexp1VG 428S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421在简化隧道电流出来是S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421429联系我们430S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421expEITun41VGTun2V2（十九）S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）4214311例，n1 3 critc，n1999年，p1 3critc，p432S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421hGTun2Si（）年月24日S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421433其中，434S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421qNineSiS. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421435436S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421年1月日B;（二十）453.2. 硅化物源极感应隧穿电流（ITun）由于硅化物-半导体界面（肖特基接触）和本征区中的高电场，将存在电子从源极到本征区的隧穿。在这里，栅极通过改变电场分布和隧道宽度来调节源极边缘的肖特基势垒高度，从而控制电子从源极侧的隧穿。因此，将存在隧道电流。图4展示了栅极偏置对源极到沟道隧穿的影响。栅极通过改变结处的场、隧穿宽度和可用态密度来现在，必须量化这种隧穿电流并研究VGTun是出现在内部的有效阈值栅极偏置。SiC区启动隧穿机制，它具有线性依赖于所施加的栅极偏置VG。因此，V G Tun=VG，其中μ是拟合参数，理论上其值小于1。物理上，参数μ反映了在相邻的非栅控本征区中施加的栅偏置的影响。因为这个电位不直接由栅极偏置控制，而是部分地取决于施加在栅极的偏置。这种间接的电势变化也调节肖特基隧穿势垒和隧穿宽度。这将在源极侧启动肖特基隧穿。通过分析非栅区电位对栅区偏压的间接依赖关系，经验地计算出了非栅区电位μ的经验值取为0.7。等式（19）和Eqn. （20）清楚地证明了对隧穿电流的影响。S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421437第一章HG1（G1 1 2 2 121Si图五. STS-IMOS在（a）热平衡，即，（VGD<$0 V，VSD<$0V）（b）OFF状态，即，（VGD<$0 V，VSD<$0 V）（c）ON状态，即，（VGD<$0 V，VSD<$0 V）沿器件长度，切割线为X−X3.3. Total drain current（ID）源极隧穿累积效应引起的总有效电流和影响电离过程可以被写为3.5. 阈下斜率（SS）亚阈值斜率（SS）定义为：logI 1党卫队DG （二十五）屯二1 I 1D2014年5月24日V第二章I expVHM1GTun2GTun年2月1日IDG4exp12 121exp 1VG 因此，对总有效电流ID的方程进行1把它代入上面的方程SS，  exp是51 211G电子邮件SS104eH1VGTun2GTunIo2002联系我们 12得到用一阶近似表示指数，我们4e 2V Io2002 4e布勒姆12GTun实验室11 2I电压1VGTunV2O2VGhGTun联系我们（二十一）Io2002V2V联系我们1G1 2G3 24 2G 4exp 1 3VG2VG2 5exp(14VG 2VG2)其中，   其中，σ1和σ 2值由下式给出： 31 21 21（22）14121111211（二十三）4. 模拟结果和讨论图图5a描绘了沿着器件长度的能带图，其中水平切割线（X-X '）位于STS的硅膜的中心。3.4. Threshold voltage（V GT）STS-IMOS的阈值电压（VGT）定义为区域II中的电场必须等于临界电场Ecrict的最小栅极电压。因此，为了导出STS-IMOS的阈值电压的表达式，区域II中的电场被替换为E2Ecrict。（8），则VG变为VGT。在热平衡状态下，IMOS和常规IMOS。 在热平衡条件下，IMOS的能带图符合p~+-i-n ~+结构. 而对于STS-IMOS，它表示硅化物-i-n+结构。图5 b显示了两种器件沿硅膜中心水平切割线（X-X '）的关断状态能带图。在关断状态下，在栅极下没有形成反型层因此，有效沟道长度是整个本征区。因此，本征区的电场强度不足以引发碰撞电离qNiLE1（二十四）过程一个正的栅极电压通过在-GTGcric1在栅极下方形成一层反转层，有效沟道长度减小，非栅极本征区电电压2VM438S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421场增强。这是-其中，χ1、η1和τ在等式中定义（12）和（13）。泰兹碰撞电离过程。ON态能带图沿S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421439见图6。（a）在导通状态下，沿器件长度的分析和模拟电场E（x）与切割线X-X '的比较（b）STS-IMOS和IMOS的分析和模拟传输特性（I D V GD）的比较。两种器件的硅中心切割线（X-X '）的器件长度如图所示。 5c.4.1. 分析模型验证图6a比较了沿器件长度的分析和模拟电场E（x）与导通状态下的切割线X-X分析模型高估了沟道处的栅极偏置效应。这导致分析上更高的电场和更低的阈值电压。 图图6 b绘制了STS-IMOS和IMOS的传输特性（I D/V GD）。图7示出了STS-IMOS和IMOS的击穿特性ΔIDΔVSDΔ。TCAD模拟表明STS-IMOS的VGT为0.25V，阈值电压的解析计算值为0.21V，而常规IMOS的阈值电压则为了图7.第一次会议。本发明公开了STS-IMOS和IMOS的计算机辅助设计系统。为0.53 V（TCAD）。此外，仿真结果观察到STS-IMOS的击穿电压（V Br）为4.1V，并且分析其值为4.3V。对于常规IMOS，击穿电压为4.9V（TCAD）。因此，从模拟结果可以推断，在阈值电压和击穿电压方面有显著的改善，具有可比的I ON I OFF比（约为100%）。STS-IMOS的亚阈值斜率为8.3 mV/dec，而常规IMOS的亚阈值斜率为4.7 mV/dec该模型与TCAD结果的协议是足够好的，在整个范围内施加的电压，并观察到平滑过渡的亚阈值和ON区域之间的边界。TCAD结果和我们的模型之间存在微小差异的主要原因是我们的模型低估了朝向漏极的栅极边缘，这导致了后来的击穿。TCAD和模型之间不匹配的另一个原因是我们假设电荷载流子直接从源极行进到漏极，靠近前界面，而电离积分（M）必须沿着实际电流线计算。STS-IMOS的SS与传统IMOS相比略有增加是由于肖特基隧穿机制。STS-IMOS显示出对热电子损伤的高免疫力，因为在它中，最大电场的位置已经向源极移动，现在它远离栅极氧化物。因此，器件可靠性增加，因为热电子损伤引起的弓形V Th波动不再是问题。这种结构提供了低的背空穴注入，因为不对称的结构和良好的免疫力，对闩锁，基本上消除了寄生双极行动。4.2. 肖特基势垒高度（SCHB）优化由于肖特基势垒高度是硅化物材料的一个重要参数，因此需要对其进行优化以获得更好的器件性能了图8.第八条。（a）模拟STS-IMOS和IMOS的特性（ID _ID 变异440S. Singh，P.N.Kondekar/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）421见图9。 STS的模拟和分析（a）亚阈值斜率（SS）、（b）阈值电压（V Th）、（c）击穿电压（V Br）和（d）截止电流（I OFF）的比较。 I M O S ，带有CNOB变异。行为 图图8a示出了STS-IMOS 的I DΔV GD曲线，其具有ΔB变化。图 8b 示 出 了 对 于 不 同 的 击 穿 电 压 B ， STS-IMOS 的 击 穿 特 性（ID_V_DS）的曲线图。阈值电压和击穿电压均随掺 杂 量 的增加而降低。为了获得器件工作的物理洞察力，我们比较了模拟的器件性能参数和解析计算值。在图9a中示出了针对不同的STS-IMOS的模拟和计算的SS。类似地，在图9 b中比较了用于不同势垒高度的STS-IMOS的阈值电压VTh的两个值。该图清楚地表明，SS和VTh都随着的增加而降低。这是因为，对于较高的值的载流子隧穿被阻挡，从而导致较少的SS退化所造成的源极感生肖特基隧穿的事实。VTh随γB增大而减小的原因是，碰撞电离开始后，本征区电位相对恒定，γB的变化表现为沟道表面电位的变化，因而VTh随γB增大而减小。图9c中示出了针对不同的模拟和计算的IOFF变化。如图所示，I OFF首先随着BFB的增加而减少，然后增加。9便士当λB=0.55eV时，它达到过低的势垒高度导致增强的热发射，因此即使在过低的势垒高度下也导致较高的漏电流。B.微幅增加 可控制热辐射，而I OFF则减小。然而，过高的势垒高度导致不期望的空穴隧穿电流。因此，在较高的势垒高度值时，由于较高的空穴隧穿电流，I OFF增加。这表明优化的对于最小化I OFF是必不可少的。因此，为了评估器件性能，我们在图10a中绘制了I ON I OFF和I（g m）与IB的变化。为了分析器件的SCE ， 其 漏 极 感 应 电 流 增 强 （ DICE ） 和 栅 极 感 应 势 垒 降 低（GIBL）相对于图10b中绘制的DICE变化。由于沟道和源极之间没有能垒，因此用“DICE”来量化IMOS中发生的漏极感应电流增强。它对应于传统MOS的漏致势垒降低（DIBL）概念.这两个参数都随着CQB的增加而改善。因此，STS-IMOS是一种很有潜力的降低IMOS工作电压的器件。5. 结论本文研究了一种具有较低击穿电压的硅化物源肖特基隧穿源碰撞电离MOSFET它表现出增强的器件性能和降低的见图10。 （a）ION 关断比和关断比相对于关断比B的变化，（b）漏极感应电流增强（DICE）和栅极感应势垒降低（GIBL）相对于关断比B的变化。