硅纳米线不同的掺杂浓度对无结场效应晶体管性能的影响

隋德生++靳晓诗++隋东硼

摘 要：根据摩尔定律（集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍），集成电路的基本单元MOSFET的尺寸会越来越小，随之而来不仅在制作工艺上的难度加深，短沟道效应也愈发凸显，功耗也越来越大。为了解决以上问题，无结场效应晶体管（Junctionless Field Effect Tansistor）被广泛提出。该器件的源、漏沟道具有相同的掺杂类型和掺杂浓度，沿着沟道方向，不存在“结”。研究结果表明，无结场效应晶体管具有开关比高、沟道迁移率高等优点，并有效抑制了短沟道效应。该论文利用三维数值模拟软件SILVACO对立体栅进行了仿真，研究了硅纳米线不同的纵向掺杂浓度对器件性能的影响。

关键词：亚阈值斜率 无结场效应晶体管 泄漏电流

中图分类号：TN38 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0114-03

无结场效应晶体管被提出以后，使微电子技术有了质的提高，为医疗、军事、科技等人类生活的方方面面都做出了巨大的贡献。传统的无结场效应晶体管具有高掺杂浓度，并且均匀掺杂，而在实际工艺中，由于人工或机器误差，非常可能出现偏差，使理论上均匀掺杂的无结场效应晶体管也可能出现不均匀掺杂的情况。论文将基于实际工艺基础之上，讨论硅纳米线在不均匀掺杂时，何种掺杂方式对器件性能提升最大。

为了增强栅电极对载流子的控制能力，论文采用立体栅结构（Triple-Gate）、超薄的SOI材料对无结场效应晶体管进行模拟仿真。

为了研究硅纳米线掺杂浓度对无结场效应晶体管器件电学特性的影响，对不同的硅纳米线掺杂浓度的立体栅器件进行了仿真研究。仿真中，假设沟道的掺杂浓度是突变的。其中，立体栅的仿真参数如下：沟道长度为10 nm，体厚度为8 nm，氧化物长度为8 nm，厚度为1 nm，栅极厚度长度为8 nm，厚度1.5 nm。栅极电压为-1.5～1.5 V，以0.05 V为步长，漏极电压为0.7 V。

1 掺杂浓度由源区到漏区依次升高

将硅纳米线平均分成10份，每份长度为1 nm，分别给以不同掺杂浓度，掺杂浓度范围为0.5×1019～1.5×1019 cm-3。首先对硅纳米线均匀掺杂的器件进行仿真，掺杂浓度为1×1019 cm-3（记为reference ND）。然后分别对10份区域掺杂。掺杂浓度由源区到漏区依次升高，为5×1018 cm-3、5×1018 cm-3、8×1018 cm-3、9×1018cm-3、1×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1.2×1019 cm-3、1.4×1019 cm-3、1.5×1019 cm-3（记为modified ND01）。对以上两种掺杂分别仿真，得到图1。仿真得到的亚阈值斜率曲线由图5所示。

从图1中可以看出，随着漏区掺杂浓度的提高，modified ND01这条曲线器件的反向泄漏电流明显有减小的趋势。从图5中可以看出，其亚阈值斜率（SS=63 mv/dec）要小于reference ND（68 mv/dec）。因此，掺杂浓度由源区到漏区逐渐增加可降低反向泄漏电流，并且拥有更小亚阈值斜率，所以这种掺杂方式对器件性能的提升能够起到促进作用。

2 掺杂浓度由源区到漏区依次降低

硅纳米线掺杂浓度由源区到漏区依次降低，掺杂浓度为1.5×1019 cm-3、1.4×1019 cm-3、1.2×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1×1019 cm-3、9×1018 cm-3、8×1018 cm-3、5×1018 cm-3、5×1018 cm-3（记为modified ND02）。将reference ND与modified ND02仿真得到图2。

从图2中可以看出，随着漏区掺杂浓度的提高，modified ND02这条曲线器件的反向泄漏电流明显有增加的趋势。从图5中可以看出，其亚阈值斜率（SS=70 mv/dec）要大于reference ND（68 mv/dec）。因此，掺杂浓度由源区到漏区逐渐降低使器件的反向泄漏电流增加，亚阈值斜率增加，所以这种掺杂方式对器件性能的提升起到抑制作用。

3 掺杂浓度中间低，源漏区高

硅纳米线掺杂浓度中间低，源漏区高。掺杂浓度分别为1.5×1019 cm-3、1.2×1019 cm-3、1×1019 cm-3、9×1018 cm-3、5×1018 cm-3、5×1018 cm-3、8×1018 cm-3、1.1×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1.4×1019 cm-3（记为modified ND03）。掺杂浓度为1.4×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、8×1018 cm-3、5×1018 cm-3、5×1018 cm-3、9×1018 cm-3、1×1019 cm-3、1.2×1019 cm-3、1.5×1019 cm-3记为modified ND04）。将reference ND、modified ND03、modified ND04仿真得到图3。

从图3中可以看出，modified ND03、modified ND04这两条曲线器件的反向泄漏电流明显有减小的趋势。从图5中可以看出，其亚阈值斜率（SS=62 mv/dec）要小于reference ND（68 mv/dec）。因此，硅纳米线掺杂浓度中间低，源漏区高这种掺杂方式使器件的反向泄漏电流减小，亚阈值斜率减小，所以这种掺杂方式对器件性能的提升能够起到促进作用。

4 掺杂浓度中间高，源漏区低

硅纳米线掺杂浓度中间高，源漏区低。掺杂浓度分别为5×1018 cm-3、8×1018 cm-3、1×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1.4×1019 cm-3、1.5×1019cm-3、1.2×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、9×1018cm-3、5×1018 cm-3（記为modified ND05）。掺杂浓度为5×1018 cm-3、9×1018cm-3、1.1×1019 cm-3、1.2×1019 cm-3、1.5×1019 cm-3、1.4×1019 cm-3、1.1×1019 cm-3、1×1019 cm-3、8×1018 cm-3、5×1018 cm-3（记为modified ND06）。将reference ND、modified ND05、modified ND06仿真得到图4。

从图4中可以看出，modified ND05、modified ND06这两条曲线器件的反向泄漏电流明显有增加的趋势。从图5中可以看出，其亚阈值斜率（SS=72 mv/dec）要大于reference ND（68 mv/dec）。因此，硅納米线掺杂浓度中间高，源漏区低这种掺杂方式使器件的反向泄漏电流增加，亚阈值斜率增加，所以这种掺杂方式对器件性能的提升起到抑制作用。

5 结语

综上所述，通过分析对比无结场效应晶体管亚阈值斜率、IV特性等基本性能，得出硅纳米线掺杂浓度由源区到漏区掺杂浓度依次升高与中间低、源漏区高的掺杂方式相较于其他的掺杂方式，亚阈值斜率更小，开关速度更快，反向泄漏电流更小，功耗更小，对器件性能的提升具有促进作用。

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