Tree-FET中双k介质间隔层的创新集成：泄漏抑制与性能优化的突破性研究

为应对纳米级晶体管中短沟道效应(SCEs)和寄生电容的挑战，研究人员首次系统研究了Tree-FET中双k介质间隔层(HfO2 +Air等六种组合)的性能。研究表明，HfO2 +Air构型在20nm沟道长度下可实现24.13mV/V的DIBL和60.96mV/dec的SS，ION /IOFF 达108 ，为下一代半导体器件设计提供了关键解决方案。

　　

随着晶体管尺寸逼近物理极限，半导体行业正面临量子隧穿导致的泄漏电流和自热效应(SHE)等严峻挑战。传统FinFET和纳米片晶体管(NS-FET)虽在7nm节点表现优异，却受限于复杂制造工艺和驱动电流下降。在此背景下，具有树状鳍片结构的Tree-FET因其独特的垂直堆叠纳米片与中间桥(IB)设计脱颖而出，既能提升有效沟道宽度(Weff)30%，又可缓解SHE问题。然而，如何通过优化栅极侧壁间隔层(spacer)进一步平衡静电控制与寄生电容，成为突破5nm以下技术节点的关键瓶颈。

研究人员通过TCAD仿真系统对比了六种双k间隔层组合在12-20nm沟道Tree-FET中的表现。研究发现，HfO₂
+Air构型展现出卓越的静电控制能力：在20nm沟道下，其漏致势垒降低(DIBL)仅24.13mV/V，亚阈值摆幅(SS)达60.96mV/dec，显著优于传统单k-HfO₂
间隔层(29.02mV/V DIBL，61.79mV/dec SS)。更值得注意的是，该配置的开关比(I_ON
/I_OFF
)突破10⁸
量级，同时gm(跨导)提升和gds(输出电导)降低使其在模拟/射频应用中表现突出。

【关键技术方法】

1. 采用Visual TCAD工具构建三维Tree-FET模型，设定纳米片高度5nm、宽度23nm，中间桥高度5nm/宽度8nm
2. 系统评估六种双k间隔层组合(HfO₂
   /Al₂
   O₃
   分别与Air/Si₃
   N₄
   /SiO₂
   配对)
3. 通过变沟道长度(12-20nm)实验分析短沟道效应抑制效果

【研究结果】

1. 静电控制优化：双k间隔层中高k材料(HfO₂
   )增强栅极调控，低k材料(Air)降低边缘电容，协同作用使DIBL改善16.8%
2. 泄漏电流抑制：HfO₂
   +Air组合的关态电流(I_OFF
   )比单k设计降低2个数量级
3. 频率响应提升：截止频率(f_T
   )优化使器件在低频应用场景表现突出

【结论与意义】
该研究首次证实双k间隔层策略在Tree-FET中的普适优势：高k组分(HfO₂
)通过强化栅极耦合抑制SCEs，低k组分(Air)则有效降低C_gd
(栅漏电容)。这种"刚柔并济"的设计理念为3nm以下节点提供了新思路，其核心价值在于：

1. 突破传统单材料间隔层的性能天花板
2. 通过材料组合实现参数精准调控
3. 为GAA(全环绕栅极)晶体管发展提供过渡方案
   Dharavath Parvathi和P. Prithvi的研究成果发表于《Micro and Nanostructures》，标志着间隔层工程从单一介质向功能化组合的重大转变，对延续摩尔定律具有重要实践意义。