一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管及其单粒子辐照效应仿真优化方法

摘要

本发明公开了一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管，包括：源区、pocket区、沟道区、漏区、极化栅、控制栅、源极、漏极、第一介质层、第二介质层和第三介质层；源区与源极连接和pocket区连接，且采用高斯轻掺杂的InAs材料；pocket区与沟道区连接，且为InAs/GaAsSb异质结结构；沟道区与漏区连接；漏区与漏极连接；第一介质层位于源区的两侧上；极化栅位于第一介质层上；第二介质层位于沟道区的一部分的两侧上；第三介质层位于沟道区的另一部分的两侧上；控制栅，包括隧穿栅和辅助栅。本发明还公开了一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管的单粒子辐照效应仿真优化方法，能够提供较为全面的仿真数据，器件优化效果更佳。

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管及其单粒子辐照效应仿真优化方法。

背景技术

纳米集成电路中，随着器件特征尺寸的不断缩小和集成度的不断提高，泄露电流呈指数级增长。TFET器件由于带隧穿的工作机制，泄露电流小，亚阈值特性好，非常适用于低功耗电路应用中。因此，对TFET器件前期的辐照可靠性研究是十分有意义的。

目前，意大利帕多瓦大学的Lili Ding等对Si材料TFET进行了辐照研究，辐照源选择为10-keV的X-射线。研究结果表明，在辐照效应影响下，栅介质中的氧化物陷阱电荷发生变化，导致器件的阈值电压和隧穿电压发生改变。但是，这种改变在大的电应力条件下退化明显，实验中无法在Vgs＝3.0V时观察到器件的电特性退化现象。该研究还将Si基TFET和FDSOI nMOSFET进行了对比，结果显示TFET器件有着优于FDSOI器件的抗辐照特性。Avashesh Dubey等对SOI TFET进行了总剂量效应(Total Ionizing Dose,TID)仿真研究。结果表明，辐照环境产生的阈值电压漂移和界面陷阱电荷不可忽视，它们对器件的电学性能产生了很重要的影响。

TFET器件的辐照损伤机制不同于MOSFET，因此，对TFET进行辐照研究对于该类器件的实际应用具有很重要的指导意义。对III-V族化合物半导体TFET器件的单粒子效应辐照损伤机制，帕克大学和德黑兰大学的研究者进行了电路级仿真，然而，该仿真方法较为简单，且基于器件结构限制，得到的实验数据有限，TFET器件优化效果不佳。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管及其单粒子辐照效应仿真优化方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例的第一方面提供一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管，包括：源区、pocket区、沟道区、漏区、极化栅、控制栅、源极、漏极、第一介质层、第二介质层和第三介质层；

所述源区，一端与源极连接，另一端与pocket区的一侧连接，且采用高斯轻掺杂的InAs材料；

所述pocket区，另一侧与所述沟道区的一端连接，且为InAs/GaAsSb异质结结构；

所述沟道区，另一端与所述漏区的一端连接，且采用N型重掺杂的GaAsSb材料；

所述漏区，另一端与所述漏极连接；

所述第一介质层，位于所述源区的两侧上；

所述极化栅位于所述第一介质层上；

所述第二介质层，位于所述沟道区的一部分的两侧上，与所述第三介质层相连，且位于第一介质层和第三介质层之间；

所述第三介质层，位于所述沟道区的另一部分的两侧上；

所述控制栅，包括隧穿栅和辅助栅；

所述隧穿栅位于所述第二介质层上，所述辅助栅位于所述第三介质层上，所述隧穿栅的功函数大于所述辅助栅的功函数。

在本发明的一个实施例中，所述源区的掺杂峰值为1×10

在本发明的一个实施例中，所述pocket区的掺杂浓度为1×10

在本发明的一个实施例中，所述沟道区的掺杂浓度为1×10

在本发明的一个实施例中，所述漏区采用N型重掺杂的GaAsSb材料，掺杂浓度为1×10

在本发明的一个实施例中，所述第一介质层和所述第二介质层的材料均为HfO

本发明实施例的第二方面提供一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管的单粒子辐照效应仿真优化方法，用于确定本发明实施例的第一方面提供的场效应晶体管的各项参数，包括以下步骤：

步骤一，对如权利要求1所述的场效应晶体管进行电学特性仿真实验，确定所述场效应晶体管的初始参数信息；

步骤二，基于所述初始参数信息确定的场效应晶体管设置单粒子辐照效应仿真实验的器件偏置条件为关态；

步骤三，基于多个不同的LET值、预设入射角度、预设入射完成时间、预设漏极偏置电压、预设入射深度和所述初始参数信息从辅助栅入射单粒子进行瞬态仿真；

步骤四，基于预设LET值、所述初始参数信息、多个不同的入射角度、多个不同的入射位置、多个不同的入射深度、多个不同的入射完成时间和多个不同的漏极偏置电压入射单粒子进行瞬态仿真；

步骤五，基于所述预设LET值、所述预设入射角度、预设入射完成时间、预设漏极偏置电压、多个不同的第三介质层的材料类型、多个不同的隧穿栅的栅长、多个不同的场效应晶体管的总厚度和多个不同的入射深度从漏极入射单粒子进行瞬态仿真，确定所述第三介质层的目标材料类型、隧穿栅的目标栅长和场效应晶体管的目标总厚度。

在本发明的一个实施例中，所述多个不同的LET值包括：1MeV.cm

所述预设入射角度为90°，所述预设入射完成时间为2ps，预设漏极偏置电压为0.5V，预设入射深度为5nm。

在本发明的一个实施例中，所述预设LET值为10MeV.cm

所述多个不同的入射角度包括0°、30°、45°、60°和90°；

所述多个不同的入射位置包括：所述极化栅、所述pocket区、所述隧穿栅、所述第二介质层和所述第三介质层的界面、所述辅助栅和所述漏区；

所述多个不同的入射完成时间包括：0ps、2ps、4ps、6ps、8ps和10ps；

所述多个不同的漏极偏置电压包括：0.2V、0.4V、0.5V、0.6V和0.8V；

所述多个不同的第三介质层的材料类型包括：SiO

所述多个不同的隧穿栅的栅长包括：从3nm增加至17nm，以步长2nm增加；

所述多个不同的场效应晶体管的总厚度包括：从5nm增加到10nm，以步长1nm增加；

所述多个不同的入射深度包括：从1nm增加到5nm，以步长1nm增加。

本发明的有益效果：

第一，本发明的一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管结构上有三方面的特点：一是在源区和沟道区之间采用了InAs/GaAsSb异质结，该异质结中可以产生闪锌矿晶体晶格结构失配带来的内部极化电场，它可以促进源区和沟道区之间电子的隧穿，提高导通电流；二是源区采用了高斯轻掺杂，轻掺杂源对改善器件的电学性能有一定的作用，可以通过高斯分布来模拟杂质可能发生的扩散；三是隧穿栅(TG)和辅助栅(AG)分别采用了不同功函数的金属材料，通过合理选择两者的功函数，能同时优化导通电流和关断电流，提高开关比。

第二，本发明的一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管的单粒子辐照效应仿真优化方法，补充和扩展了TFET单粒子辐照效应研究内容，能够详细分析不同LET值所带来的单粒子辐照效应和单粒子辐照效应随不同入射角度、入射位置、入射完成时间和漏极偏置电压的变化规律及单粒子辐照效应与隧穿栅、器件总厚度和入射深度之间的优化关系，能够获取较为全面的仿真实验数据，器件的优化效果较佳，使得本发明对于TFET器件的单粒子辐照特性和优化具有一定的实践指导意义。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管的单粒子辐照效应仿真优化方法的90°入射角度示意图；

图3为本发明实施例提供的一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管的单粒子辐照效应仿真优化方法的多个不同入射位置示意图。

附图标记说明：

10-源极；20-源区；30-pocket区；40-沟道区；50-漏区；60-漏极；70-极化栅；81-隧穿栅；82-辅助栅；91-第一介质层；92-第二介质层；93-第三介质层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

如图1所示，一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管，包括：源极10、源区20、pocket区30、沟道区40、漏区50、极化栅70、控制栅、漏极60、第一介质层91、第二介质层92和第三介质层93；

源区20的一端与源极10连接，源区20的另一端与pocket区30的一侧连接，且源区20采用高斯轻掺杂的InAs材料，掺杂峰值为1×10

pocket区30的另一侧与沟道区40的一端连接，且pocket区30为InAs/GaAsSb异质结结构；pocket区30为均匀掺杂，掺杂浓度为1×10

沟道区40的另一端与漏区50的一端连接，且沟道区40采用均匀掺杂的N型重掺杂的GaAsSb材料，掺杂浓度为1×10

漏区50的另一端与漏极60连接；漏区50采用均匀掺杂的N型重掺杂的GaAsSb材料，掺杂浓度为1×10

第一介质层91位于源区20的两侧上，极化栅70位于第一介质层91上。极化栅70位于源区20，采用功函数较大的金属材料，它诱导形成P

第二介质层92位于沟道区40的一部分的两侧上，第二介质层92与第三介质层93相连，且第二介质层92位于第一介质层91和第三介质层93之间；第三介质层93位于沟道区40的另一部分的两侧上。沟道区40采用了异质介质，第二介质层92和第三介质层93的材料不同，第一介质层91和第二介质层92的材料均为HfO

控制栅位于沟道区40，被分为隧穿栅TG和辅助栅AG两部分；偏置电压VGS＝2V。隧穿栅81位于第二介质层92上，辅助栅82位于第三介质层93上，隧穿栅81的功函数Φ

本实施例中，在源区20和沟道区40之间采用了InAs/GaAsSb异质结，该异质结中可以产生闪锌矿晶体晶格结构失配带来的内部极化电场，它可以促进源区20和沟道区40之间电子的隧穿。源区20采用了高斯轻掺杂，轻掺杂源对改善器件的电学性能有一定的作用，本发明源区20仍采用轻掺杂，但是通过高斯分布来模拟杂质可能发生的扩散。控制栅划分为两部分，分别是隧穿栅81和辅助栅82，它们采用了不同功函数的金属材料，通过合理选择两者的功函数，能同时优化导通电流和关断电流。

优选地，源区20的长度为20nm，pocket区30的长度为5nm，沟道区40的长度为20nm，漏区50的长度为20nm，隧穿栅81和辅助栅82的长度分别为3nm和17nm，场效应晶体管的总厚度为5nm。

实施例二

一种高斯轻掺杂源无结型隧穿场效应晶体管的单粒子辐照效应仿真优化方法，用于确定实施例一中的场效应晶体管的各项参数，包括以下步骤：

步骤一，对场效应晶体管进行电学特性仿真实验，确定场效应晶体管的初始参数信息。

具体地，将未确定器件参数的实施例一的场效应晶体管的源极10和极化栅70接地，漏极60偏置设定为VDS＝1.0V，隧穿栅81和辅助栅82短接后电压偏置为VGS＝2.0V。然后，进行工艺参数和器件参数扫描，能够明确极化栅70功函数、隧穿栅81功函数、辅助栅82功函数和掺杂浓度改变对电学特性的影响，并确定最优的初始参数信息。其中初始参数信息包括各个部分的长度、厚度、掺杂浓度、介质材料、栅极功函数、电流和电压等各项器件的参数信息。

步骤二，基于初始参数信息确定的场效应晶体管设置单粒子辐照效应仿真实验的器件偏置条件为关态。单粒子效应主要研究入射重离子对器件性能的影响，这种影响来源于入射时产生的非平衡电子-空穴对引起的瞬态电流，因此，仿真偏置条件选择为器件关态，即Vgs＝0V，Vds＝0.5V，并设置初始参数信息。

步骤三，基于多个不同的LET值、预设入射角度、预设入射完成时间、预设漏极偏置电压、预设入射深度和初始参数信息从辅助栅82入射单粒子进行瞬态仿真，可以获取漏极60瞬态电流随时间的变化曲线、电荷随时间的变化曲线、沿Cutline方向的电场变化曲线和沿Cutline方向的电势变化曲线，为器件实际应用和仿真研究提供数据支持。

其中，如图2所示，设置预设入射角度为90°，预设入射完成时间为2ps，预设漏极偏置电压为0.5V，预设入射深度为5nm，分别选择LET＝1MeV.cm

步骤四，基于预设LET值、初始参数信息、多个不同的入射角度、多个不同的入射位置、多个不同的入射深度、多个不同的入射完成时间和多个不同的漏极偏置电压入射单粒子进行瞬态仿真。具体地，将仿真偏置条件选择为器件关态，即Vgs＝0V，Vds＝0.5V，并设置固定LET＝10MeV.cm

步骤五，对场效应晶体管进行进一步优化：基于预设LET值、预设入射角度、预设入射完成时间、预设漏极偏置电压、多个不同的第三介质层93的材料类型、多个不同的隧穿栅81的栅长、多个不同的场效应晶体管的总厚度和多个不同的入射深度从漏极60入射单粒子进行瞬态仿真，确定第三介质层93的目标材料类型、隧穿栅81的目标栅长和场效应晶体管的目标总厚度。具体地，将仿真偏置条件选择为器件关态，即Vgs＝0V，Vds＝0.5V，并设置LET＝10MeV.cm

优化后器件的目标栅长为3nm，入射深度的最大值为目标总厚度，场效应晶体管的目标总厚度为5nm，第三介质层93的目标材料采用SiO

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。