FinFET器件在极低温下特性研究

吴钰鑫，刘 军，汪国芳，罗 琳

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

0 引 言

二十世纪末起，随着卫星系统、深空、高能物理、量子计算、超导、天文探测等众多领域的快速发展，互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，COMS)在极低温下的运用需求不断增加。为了满足电路在极低温下复杂多样的应用需求，业界对各类器件如异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)、高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)、鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor，FinFET)在极低温下的特性研究越来越多[1-2]。低温环境下，器件的性能变化较大，得到这些性能参数必须进行多次流片，浪费大量的时间和成本，所以，建立精准的低温器件模型极其必要。建立精准的低温FinFET器件模型必须先了解低温下FinFET的直流(Direct Current，DC)和射频(Radio Frequency，RF)特性。目前关于FinFET在低温下的电学特性的研究，主要集中在面向数字和模拟应用的DC特性方面，对于RF特性的研究比较少[3-4]。所以，本文研究N沟道FinFETs和P沟道FinFETs在温度范围77 K至300 K内DC特性参数温度依赖性和RF特性参数的温度依赖性，分析其基本电参数关于温度的变化规律，为建立低温器件模型提供参考。

1 低温测试

为得到器件准确的低温特性，在5组不同环境温度(77 K，120 K，200 K，250 K，300 K)下对待测试器件进行在片测试。

本文所使用的待测器件是采用16 nm Bulk FinFET工艺制造的4种尺寸N沟道 FinFETs和P沟道 FinFETs，具体器件参数信息如表1所示。测试仪器主要包括Keysight IC-CAP建模软件、型号为Agilent 4156C的半导体参数分析仪、型号为ST-500-2的Janis低温真空探测针台及配套的低温探针、型号为Agilent N5247A的矢量网络分析仪及还有用来存储液氮的杜瓦瓶。测试平台如图1所示。

测试器件时，首先测量DC参数，然后测量S参数及对应的open，short结构，测试完成后进行open-short的去嵌以得到去除寄生参数影响的数据。

图1 低温测试台

表1 4种待测器件参数

2 实验结果与分析

实验将低温下测得的测试数据进行提取，得到器件性能参数如阈值电压，亚阈值斜率等，再将这些低温下器件的性能参数值和常温(300 K)时的性能参数进行比较，本文将从DC和RF两方面进行分析。

2.1 DC参数

通过图2(a)的线性坐标曲线可以观察到：零温度系数(Zero Temperature Coefficient，ZTC)点，随着温度的升高阈值电压降低导致漏极电流增加，而当温度升高的时候因为声子散射增强引起迁移率降低，漏极电流降低，迁移率和阈值电压随温度变化的共同作用正好在这个点抵消了漏极电流受温度的影响，所以呈现ZTC点。还可以观察到：在低温下，P沟道FinFET的ZTC点高于N沟道FinFET的ZTC点。ZTC点对电路设计很重要，因为它被视为低热漂移变化的理想偏置点[6]。4种器件ZTC值及其它重要参数如表2所示。

图2 器件A的转移特性曲线

表2 4种器件不同温度下的重要参数

表2列出并比较了77 K和300 K时的DC特性参数(均未进行归一化处理)。会影响模拟和RF电路性能的参数都有所改善。随着温度降低，最大gm的增加将导致在相同功率预算下带宽更宽，亚阈值斜率减小和归一化Ioff的降低对开关电路有利，从而导致亚阈值区速度的提高和较低的静态功耗。

当VGS=VDS=0.75 V时，器件A的输出特性曲线如图3(a)所示。图3(b)和(c)显示了线性和饱和区域中导通电流的温度依赖性。值得注意的是，对于所有器件，线性温度范围内的导通电流都是随着温度的降低而增加，但是饱和区域内的P沟道FinFET却显示出相反的变化。这种现象被称为热效应反转[7-8]。

图3(d)显示了VGS=0 V和VDS=0.75 V时关断电流的温度依赖性。为了进行定量比较，将关断电流以NFin和NGF归一化。据观察，对于多指结构，截止电流成倍增加，这可能与亚阈值摆幅波动有关，因为对于RF器件来说更多的栅指数，相对应的总宽度就会增加，对应的电流就会增大。在图2线性区和饱和区的对数坐标中也能明显的看出亚阈值斜率越陡则截止电流就会越小。陡峭的亚阈值斜率允许在相同的关断电流下具有较低的Vth，进而允许在较低的电源电压下使用这些器件，从而吸引低功率应用设计者对其的关注。可以看出，对于亚阈值斜率接近理想值的器件C，其泄漏电流较小。

图4 不同温度下的FinFET器件重要参数

2.2 RF参数

图5表示了在器件A，B，C和D的最佳漏极电流下，最大电流增益截止频率(fT)与温度的关系。fT是从MAG(H21)提取的，斜率为-20 dB/DEC[10]。为了进行定量比较，将相应的电流通过NFin和NGF归一化。可以看出，随着N沟道FinFET中温度的升高，fT的峰值下降了约20%，而随着环境温度的升高，fT的峰值上升了约25%。P沟道FinFET中fT的相反趋势是由电流的热效应反转引起的，这也将导致fT中具有零温度系数的唯一点。

图5 最佳电流时，fT关于温度的变化曲线

图6 fmax关于温度的变化曲线

如图6所示为提取的最大振荡频率(fmax)随着温度变化的情况，当温度从室温降低到77 K，fmax增大约20%。在所有的测试器件中fmax都随温度变化而呈现线性变化。

3 结束语

本文研究77～300 K的温度范围内，体硅N沟道和P沟道FinFET的DC和RF特性与温度的关系。相对于室温在低温条件下，阈值电压、亚阈值斜率、开/关电流比和fT/fmax等器件特性有一定的改善，说明FinFET可应用于低温集成电路设计。但是，由于测试器件的数量不够多，不足以建立低温器件模型库，下一步将充实低温FinFET器件的测试数据，建立真正适用于低温电路设计的低温器件模型库。