基于PIN的IMOS与TFET器件研究

【摘要】集成电路(IC)技术遵循“Moore定律”的发展进入了纳米尺度，来自短沟道效应、寄生效应以及量子隧穿等问题的挑战使得传统的微电子器件技术越来越难以满足IC技术持续发展的要求，特别是日益严重的功耗问题，已经成为延续“Moore定律”的最大瓶颈。为解决现阶段IC发展中遇到的“功耗限制”问题，基于PIN结构的超陡峭亚阈值斜率器件IMOS和TFET成为了当前国际上的研究热点。IMOS和TFET器件具有超陡峭的亚阈值斜率，在高速、高性能以及低功耗器件和电路中有极大的应用前景。然而，由于IMOS和TFET器件的特殊工作原理，关于这两种新原理器件的工作机制、电学特性、物理模型等方面仍然有许多问题亟待解决。本文以基于PIN结构的IMOS和TFET器件为研究对象，详细的分析了器件的工作机制，优化了器件的结构参数，建立了器件参数阈值电压的物理模型，并且提出了改善器件电学特性的新型器件结构。具体的研究工作和成果如下：1)IMOS和TFET器件工作机制及基本电学特性研究。在分析构成IMOS和TFET器件的基本单元PIN结构基本特性的基础上，利用TCAD工具，深入、系统的研究了这两种器件的工作机制以及基本电学特性，研究结果表明：a）基于PIN结构的IMOS器件利用雪崩击穿物理机制，通过栅极状态调节PIN击穿电压，最终实现器件工作状态的改变；b）基于PIN结构的TFET器件利用带带隧穿物理机制，通过栅极电压调节工作区的能带结构，以提高或降低载流子隧穿几率，最终实现器件工作状态的改变。2)IMOS和TFET器件阈值电压物理模型研究。基于IMOS和TFET器件的工作机制，提出并采用分区求解不同区域电场、电势的方法，分别建立了SOIIMOS、小尺寸SOIN-TFET和小尺寸双栅N-TFET的阈值电压模型，探讨了栅长、栅介质、硅层厚度等器件物理参数以及源漏偏压与阈值电压的关系。通过与器件仿真工具的结果作比较，验证了所建模型的正确性。本文所建立的阈值电压模型可为IMOS和TFET器件的设计、仿真、制造提供重要的理论指导。3)IMOS和TFET器件结构参数优化。利用TCAD工具，分析了器件的结构参数以及源漏偏压与器件电学特性的关系，提出了IMOS和TFET器件性能优化方案。研究结果表明：a)栅介质层厚度的减薄、栅介质层介电常数、Lg/Lin以及源漏偏压的增大，都可以使IMOS器件电学特性得到极大的改善。b)采用双栅结构、高K栅介质、高的源区掺杂浓度、低的漏区掺杂浓度以及尽量薄的体Si层厚度的TFET器件的电学特性最佳。4)SSOIIMOS和SSOITFET结构器件研究。针对IMOS和TFET器件存在的缺点，将应变硅技术应用于IMOS和TFET器件，创新性的提出SSOIIMOS和SSOITFET器件结构，通过TCAD工具分析和验证了这两种结构器件的电学特性。结果显示：采用应变硅技术可以有效的降低IMOS器件的工作电压、增强TFET器件的驱动电流。同时，随着应力的引入，IMOS和TFET器件的阈值电压、亚阈值摆幅等电学特性也获得了极大改善。5)PNIN型SSOITFET结构器件研究。考虑“掺杂工程”对隧穿几率的影响，在SSOITFET本征层中引入P+或N+区，创新性的提出PNIN或PIPN型SSOITFET结构器件，通过TCAD工具分析和验证了PNIN型SSOITFET结构器件的电学特性，并且讨论了器件的关键参数对其特性的影响。结果显示：引入N+区可以有效的调节TFET器件的隧穿几率，从而优化该器件的开关电流比、亚阈值摆幅以及阈值电压等电学特性。另外，在一定的范围内增加N+区的掺杂浓度和长度可进一步优化PNIN型SSOITFET结构器件的电学特性。综上所述，本文对IMOS和TFET器件做了大量和深入的分析，并且，针对这两种器件存在的缺点提出了几种新型器件结构，得到了有意义的结果，对IMOS和TFET器件的深入研究有重要指导意义。
【作者】李妤晨；
【导师】张鹤鸣；张玉明；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】PIN二极管；IMOS器件；TFET器件；应变Si；亚阈值斜率；

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