圆柱形垂直双环绕栅a-IGZO FET的TCAD仿真研究与几何参数优化

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：TCAD Simulation Study of Cylindrical Vertical Double-Surrounding-Gate a-InGaZnO FETs and Geometric Parameter Optimization

本刊推荐：为解决非晶In-Ga-Zn-O场效应晶体管(a-IGZO FET)阈值电压控制难题，研究人员通过三维TCAD仿真开展了圆柱形垂直双环绕栅(DSG)器件研究。结果表明通过调节外栅电压可实现阈值电压动态调制，外栅长度缩放至2nm仍保持良好调控能力，栅极位置优化可显著提升短沟道器件性能。这项研究为高密度三维单片集成存储器提供了关键器件设计指导。

　　

在当今集成电路技术飞速发展的浪潮中，非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)场效应晶体管凭借其非晶态高迁移率、超低漏电流以及与后端工艺(BEOL)的良好兼容性，在显示驱动、柔性电子和人工突触等领域展现出巨大潜力。特别值得注意的是，a-IGZO FET在无电容动态随机存取存储器(DRAM)中的应用正引发广泛关注。与传统平面晶体管构建的约20F²大位单元面积相比，采用垂直环栅(CAA)结构的IGZO FET可将三维单片集成位单元面积缩小至4F²，为未来超大规模高密度存储器应用开辟了新途径。

然而，a-IGZO FET的阈值电压控制和亚阈值优化始终是制约其发展的关键瓶颈。材料组成的复杂性使得通过成分调整实现精确阈值控制变得异常困难，而循环间和器件间的可靠性波动更是雪上加霜。此前研究中，平面双栅IGZO晶体管已被用于补偿阈值变化，但将双栅结构融入垂直器件以进一步增强栅控能力、抑制短沟道效应(SCEs)并实现动态阈值电压控制的研究仍属空白。

针对这一技术挑战，发表于《IEEE Journal of the Electron Devices Society》的最新研究提出了一种创新的圆柱形垂直双环绕栅(DSG) a-IGZO FET结构。该研究通过三维技术计算机辅助设计(TCAD)仿真，系统探究了这种新型器件的阈值调制灵活性与几何参数优化策略。

研究团队首先通过校准基于物理的参数，建立了与单栅垂直晶体管实验数据吻合的仿真模型。随后，他们在不同外栅(G2)电压下扫描内栅(G1)偏置电压，成功观察到明显的阈值电压调制能力。为进一步理解尺寸依赖性，研究人员深入分析了外栅长度缩放和位置变化对晶体管性能指标的影响，并通过考察空间和几何效应，系统研究了超薄外栅电极下的沟道表面电势和电极附近电场分布。

关键技术方法包括：采用SILVACO TCAD的VICTORYDEVICE仿真器进行三维器件模拟；基于密度态(DOS)模型、Fermi-Dirac统计和Abe电子迁移率模型描述IGZO沟道中的载流子分布与传输机制；通过与实际制备的CAA FET实验数据对比验证模型准确性；系统研究外栅长度(L_G2)从2nm到40nm的缩放效应以及栅极位置(近源极、中心、近漏极)对器件性能的影响。

几何参数优化

外栅长度(L_G2)

研究表明，随着L_G2的减小，在同一V_g2下的阈值电压偏移绝对值(ΔV_th=V_th,DSG-V_th,CAA)相应减小，表明G2对沟道的控制能力减弱。这种退化效应在正V_g2时比负V_g2时更为显著。即使L_G2缩放至2nm，通过改变V_g2仍能观察到明显的阈值电压偏移。有趣的是，在固定L_G2/L_CH比例下，随着沟道长度L_CH增加，V_g2=4V时的ΔV_th绝对值显著减小，而V_g2=-4V时则基本保持不变。

深入分析发现，即使L_G2极端缩小时，G2上下表面的边缘电场仍能对沟道提供额外控制。

这种边缘电场效应使得器件在极端栅长缩放下仍保持可观的阈值调制能力。在短沟道器件中，边缘电场覆盖的额外沟道控制长度(L_Fr)占整个沟道长度的比例更大，从而显著增强了G2的栅控能力。

外栅位置

栅极位置对器件性能的影响表现出明显的不对称性。在V_g2负压区域，不同位置引起的ΔV_th变化不大，中心栅配置呈现最大的ΔV_th。然而当V_g2转为正压时，三种栅配置中的ΔV_th都变得更加明显，近源极栅器件显示最大的阈值电压偏移，而近漏极栅器件则最小。

物理机制分析表明，在短沟道器件和正V_g2条件下，近源极栅配置在沟道背表面的电子浓度显著高于其他位置，这是由表面电势分布差异所致。

同时，G2在不同偏压条件下的有效栅电容(C_g2)也存在差异：正压下C_g2仅由外栅绝缘层电容(C_ox2)构成；而负压下G2发出的电场线需要垂直穿越有源层到达前沟道，导致C_g2由C_ox2和有源层电容(C_igzo)串联组成，这种电容结构的不对称性也导致了器件电学特性曲线的非对称性。

研究结论表明，圆柱形垂直双环绕栅a-IGZO FET通过三维TCAD仿真验证了其优异的阈值电压调制能力。极端缩放的栅极在短沟道器件中表现出更好的栅控特性，而在短沟道和正V_g2条件下，近源极栅配置展现出最优的阈值电压控制能力。其他情况下，中心栅配置在阈值电压控制方面更具优势。这些特性通过电势和电场分布预测得到了合理解释，为阈值调制的高密度三维单片集成无电容DRAM应用奠定了坚实基础。

该研究的重要意义在于为未来高可靠性、高密度存储器应用提供了一种创新的器件解决方案。通过系统研究关键几何参数对器件性能的影响规律，为垂直双栅FET的结构优化和三维单片集成应用中的跨层设计提供了重要指导。特别在追求更高存储密度的技术发展路径上，这种可动态调制阈值电压的垂直双环绕栅结构为实现多值存储和多比特编程等未来技术奠定了基础，有望推动新一代存储技术的发展。