基于 TreeFET 与新型 H 形 TreeFET 的热耐受性及掺杂敏感性的从器件到电路层面的性能优化

《Microelectronics Reliability》：Performance optimization through thermal tolerance and doping sensitivity of TreeFET and novel H-shaped TreeFET from device to circuit level

　　

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  本研究探讨了温度及沟道掺杂对 TreeFET 和 H 形 TreeFET 性能的影响。
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  分析侧重于温度如何影响所提器件的直流及模拟/射频性能指标。
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  考察了沟道掺杂浓度在塑造基于 TFET 器件的电气响应中的作用。
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  H 形 TreeFET（HS TreeFET）具有增强的模拟/射频性能，寄生电容更低且驱动能力更高。
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  优化掺杂的标准 TreeFET 表现出更高的直流性能和更低的功耗。
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  本工作展示了在实现低功耗和高性能器件设计时直流与模拟/射频之间的权衡。

引言

互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管的持续缩尺效应促使了创新器件拓扑结构的创建，以解决短沟道效应（SCEs）、栅极控制限制和较低的电流驱动能力。主导先进工艺节点的 FinFET 在 5 nm 以下正面临日益增加的物理和静电限制。堆叠纳米片场效应晶体管（SNSFETs）因其优异的静电控制、高有效沟道宽度和可扩展性而受到广泛关注 [1], [2], [3]。TreeFET 通过垂直堆叠分支纳米片而无需额外的器件占位面积显著提升了电流驱动能力。H 形 TreeFET（HS TreeFET）概括了这一概念，具有对称的沟道结构和增强的静电控制，这对于模拟/射频应用是可取的 [4], [5], [6]。随着晶体管尺寸的缩小，器件特性对温度和沟道掺杂浓度变得敏感，这极大地影响了载流子迁移率、驱动电流、泄漏和模拟/射频性能 [7], [8]。较高的温度导致更多的声子散射，从而降低载流子迁移率、ION 和 gm，而较高的本置载流子浓度可能导致 Vth 偏移和亚阈值泄漏增加 [9], [10], [11]。因此，SS 和 DIBL 可能会恶化，尤其是在堆叠设计中，不同分支的热条件可能不同 [12]。温度还会降低 RF 特性，如 f_T、GBP 和 f_MAX，原因是 gm 降低、寄生电容增加和输出电阻降低 [13], [14], [15]。对于典型的 TreeFET，非均匀温度条件会影响电流分布和频率性能 [16]。相比之下，HS TreeFET 的对称形状和更宽的横向延伸可能改善热行为、电流流动的均匀性以及高温下 gm 和模拟性能的保持 [17]。

沟道掺杂是另一个影响阈值电压（V_th）、泄漏、SCE 免疫力和模拟增益的关键设计要素。较高的掺杂增加了静电控制并减少了泄漏，但也增加了杂质散射，从而降低了迁移率和 gm [18], [19]。较低的掺杂可以提高迁移率，但会导致阈值电压变化并削弱静电控制。垂直堆叠沟道中的均匀掺杂也很困难，并会影响分支性能、g_m/I_d 和输出电导 [20]。因此，适当的掺杂需要考虑载流子迁移率和静电控制之间的权衡 [21]。HS TreeFET 架构可以在保持良好电场控制的同时支持优化掺杂分布 [22]。此外，由于掺杂也会影响输出电阻、增益、f_T 和 GBP，因此数字和射频应用都需要仔细的掺杂工程 [23], [24], [25]。

对环境监测、医疗保健、工业自动化和物联网应用的需求不断增长，推动了对微型化和低功耗传感系统的需求，从而促进了基于 FET 传感器的发展。JLFETs、TFETs 和 GAA 器件表现出良好的静电控制、较低的 SCEs 和更好的可扩展性 [26]。诸如异质结构沟道、氧化物工程、功函数调制和高 k 介电质等技术可以进一步增强传感性能 [27]。DFT 和 TCAD 仿真的结合有助于理解真实环境下的气体吸附、表面相互作用和载流子传输 [28]。然而，基于 FET 的传感器仍限于器件级分析。传统的堆叠 NSFET 和 GAA 器件的静电控制非常出色，但电流驱动受限于纳米片沟道的可用性。TreeFET 的互连桥沟道增强了有效导电宽度，缓解了这种限制。所提出的 HS TreeFET 利用 H 形互连桥改善栅极 - 沟道耦合、载流子传输、减少 SCEs 并提高温度耐受性。本文包括直流和模拟/射频特性、电场和能带分析、温度和掺杂灵敏度、动态功耗、传播延迟、PDP 以及 CMOS 反相器性能的完整器件到电路研究。据我们所知，此前尚未报道过 HS TreeFET 的完整温度和电路级评估 [7], [21], [22]。未来的缩尺将需要温度感知设计和掺杂感知器件工程，特别是对于在动态热条件下或具有宽工艺变化下运行的电路。对这些特性的准确协同优化可以使 TreeFET，特别是其 H 形架构，成为下一代 CMOS 平台、射频系统和 3D 集成电路的使能技术。第 2 节概述了器件结构和仿真设置。第 3 节展示了关于温度和沟道掺杂浓度对直流及模拟/射频性能影响的结果和讨论。第 4 节提供了电路级分析，第 5 节总结本研究。

章节摘要

器件结构与仿真策略

图 1 显示了 TreeFET 和 HS TreeFET 的 X-Z 横截面视图。TreeFET 呈现均匀的沟道厚度和放置在沟道之间的互连桥 (IB)。HS TreeFET 通过在三个堆叠纳米片沟道（CH1, CH2, CH3）上集成 H 形互连桥 (IB) 和可变沟道厚度排列（5–3-5）nm，在传统 TreeFET 的基础上进行了创新的架构改进。这种互连桥提供了分支之间稳健的机械和电气通信

温度和掺杂浓度对直流特性的影响

图 6(a)-(c) 和图 7(a-c) 分别显示了 TreeFET 和 HS-TreeFET 在不同温度 250 K, 300 K, 350 K 和 400 K 以及各种沟道掺杂浓度 1 × 10¹⁵ cm^?3, 1 × 10¹⁶ cm^?3 和 1 × 10¹⁷ cm^?3 下的传输特性。TreeFET 和 HS TreeFET 器件的线性区和饱和区电流是在栅源电压 (V_gs) = 0.75 V 和栅漏电压 (V_ds) = 0.7 V 下测量的。在 TreeFET 中，漏极电流分别为 80.2 μA, 74 μA,

电路级分析

图 25(a) 显示了 n 型和 p 型 TreeFET 及 HS TreeFET 器件传输特性的对齐。与传统 TreeFET 相比，HS TreeFET 展示了 n 型和 p 型特性之间更优异的对称性，标志着更均匀的阈值电压和更均衡的驱动强度。这种对称性对于 CMOS 反相器功能至关重要，因为它保证了准确的逻辑电平恢复，最小化静态功耗，并增强噪声容限。更大的

结论

本工作呈现了在不同沟道掺杂浓度和工作温度下 TreeFET 和 HS TreeFET 架构的直流及模拟/射频性能的全面评估。调查表明，在 300 K 工作温度下，10¹⁶ cm^?3 的沟道掺杂浓度相对于较低 (1 × 10¹⁵ cm^?3) 和较高 (1 × 10¹⁷ cm^?3) 的掺杂水平，以及极端温度条件 (250 K, 350 K 和 400 K)，提供了更优越的性能。在 CDC 为 10¹⁶ cm^?3 时，

作者声明

题为“通过 TreeFET 和新型 H 形 TreeFET 从器件到电路级的热耐受性和掺杂灵敏度进行性能优化”的手稿修订是在与所有共同作者协商后开发的，每位作者都已批准了本次修订的最终形式。此外，作者证明该手稿是一篇原创文章，未由任何其他期刊考虑，且此前未发表过。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

M. Balasubrahmanyam|Ekta Goel|G. Erna