高集成中央双向肖特基结型单管反相器研究.pdf

1引言随着科技的高速发展，集成电路的应用领域如人工智能、智能驾驶、大数据等均取得了很大的突破1，与此同时，这些新兴领域的发展对集成电路技术提出了更高的要求，在此局面之下，持续提升集成电路集成度、尽可能减少其尺寸以及提高性能是必不可少的2-3。CMOS 反相器，作为绝大部分数字集成电路设计中最重要的组成部分，相比于其他器件具有明显的优势，比如噪声容限大、输入电阻高、静态功耗极低、抗干扰能力强等，因此被广泛应用在数字集成电路当中4。近年来，由于集成技术的尺寸已经进入亚 10nm，受到工艺条件的局限，单个晶体管尺寸的减小通常是有限的。随着摩尔定律预言中的极限的临近，简化功能模块，减少功能组件中晶体管的数量是保持集成电路集成度进一步提高的有效方法5。在此提出一种高性能、高集成的中央双向肖特基结型单管反相器，其具有中央肖特基结结构特征，且由单个晶体管所组成，可在相同工艺尺寸下极大提高反相器的集成度。2器件设计与工作原理2.1器件结构与关键参数常规的 CMOS 反相器电路通常包含一个增强高集成中央双向肖特基结型单管反相器研究刘畅，刘溪（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）摘要:针对传统 CMOS 反相器在某些领域中的局限性，提出一种基于高集成中央双向肖特基结型单管的反相器。新器件采用深浅组合肖特基势垒隧道晶体管制造方法，具有中央双向肖特基结结构，该结构可有效隔离源漏两侧半导体内载流子的互通，从而避免隧道电流导致的泄漏电流的产生，并且只需要一个晶体管即可实现反相器的基本功能。通过使用 Silvaco TCAD 对器件进行仿真，分析其工作情况并优化设计参数。仿真结果表明该设计能够实现反向器功能，且与传统 CMOS 反相器相比，具有更高的集成度和更低的功耗。关键词：反相器；肖特基势垒；Silvaco TCAD 仿真DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.006中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）04-0019-03Research on Highly Integrated Central Bidirectional Schottky JunctionSingle Transistor InverterLIU Chang,LIU Xi(School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract:Aiming at the limitations of traditional CMOS inverters in some fields,a novel inverter basedon highly integrated central bidirectional Schottky junction single transistor is proposed.The new deviceadopts the manufacturing method of deep-shallow Schottky barrier tunnel transistor,and has a centralbidirectional Schottky junction structure,which can effectively isolate the communication of carriers in thesemiconductor on both sides of the source and drain,thus avoiding the generation of leakage currentcaused by tunnel current,and only one transistor is needed to realize the basic functions of the inverter.By using Silvaco TCAD to simulate the device,the working condition is analyzed and the design parametersare optimized.The simulation results show that the design can realize the function of inverter,and hashigher integration and lower power consumption than the traditional CMOS inverter.Key words:Inverter;Schottky barrier;Silvaco TCAD simulation作者简介：刘畅（1997），女，满族，辽宁省铁岭市人，硕士研究生，主研方向：微型半导体器件设计。收稿日期：2023-02-16微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.，2023微处理机2023 年型 NMOSFET 和一个增强型 PMOSFET。在此基础上，本设计采用中央双向肖特基结构，实现反相器的功能。经设计，确定各关键参数，在 Silvaco TCAD软件的 Devedit 模块中生成所设计器件的平面示意图，如图 1 所示。结构的关键参数已在图中标出。按照图中的结构特点与尺寸设置，器件主要通过控制栅极电压大小来实现反相器的基本功能。在栅极与硅体之间用 HfO2作为绝缘层，其余金属与硅之间则用 SiO2作为绝缘层。各参数含义及具体数值如表 1 所示。2.2工作原理当栅、源极被施加低电压，漏极被施加高电压，临近源极的单晶硅薄膜和临近漏极的单晶硅薄膜会在场效应的作用下产生聚集空穴，使得左侧单晶硅薄膜和右侧单晶硅薄膜内的多数载流子均为空穴。此时输出极与左边单晶硅薄膜的价带之间所形成的肖特基结处于高阻状态，而输出极与右边单晶硅薄膜的价带之间所形成的肖特基结处于低阻状态，因此位于输出极左侧的在输出极与源极之间所形成的等效电阻远大于输出极右侧的在输出极与漏极之间所形成的等效电阻，漏极与源极之间的电势差降在输出极与源极之间，此时输出极所输出的电压约等于漏极所施加的高电压，即输出极输出高电压。当栅、漏极被施加高电压，源极被施加低电压，临近源极的单晶硅薄膜和临近漏极的单晶硅薄膜会在场效应的作用下产生聚集电子，使得两个单晶硅薄膜内的多数载流子均为电子。此时输出极与左边单晶硅薄膜的导带之间所形成的肖特基结处于低阻状态，而输出极与右边单晶硅薄膜的导带之间所形成的肖特基结处于高阻状态，因此位于输出极左侧的在输出极与源极之间所形成的等效电阻远小于输出极右侧的在输出极与漏极之间所形成的等效电阻，漏极与源极之间的电势差降在输出极与漏极之间，此时输出极输出的电压约等于源极所施加的低电压，即输出极输出低电压。由此方式，即可实现反相器的基本功能。3仿真与分析按照上述结构设计，使用半导体工艺和器件仿真软件 Silvaco TCAD 对新器件进行仿真，对该器件的部分基本特性进行简单分析，即可判断其是否能够实现反相器的功能。为获得器件特性，在仿真中采用数值计算的方图 1所设计器件结构示意图-1.0V耀1.5V器件总宽度 W栅极长度 lg栅极宽度 wg栅极高度 hg控制栅电压 Vg18nm10nm6nm1nmN+区掺杂浓度1伊1021cm-3参数值参数器件总长度 L36nm源/漏极宽度 ws/d6nmHfO2氧化层厚度 tox1nm输出电极长度 lm8nm输出电极高度 hm5nm源极长度 ls15nm漏极长度 ld15nmP+区掺杂浓度1伊1021cm-3源漏电压 Vds1.0V表 1仿真结构参数及数值(a)俯视图(b)沿 A 切线截面图(c)沿 B 切线截面图窑20窑4 期法，包括 Newton 迭代法和 Gummel 迭代法。采用的物理模型包括载流子统计模型、热载流子注入模型、集成模型、标准模型、俄歇复合模型等6-7。SilvacoTCAD 软件通过三维硅器件模拟器绘制生成器件的立体结构，在 DeckBuild 中启用器件仿真器，直接调用三维结构。编写相应的程序并运行，得到器件的电学特性曲线图，最终经 Tony孕lot 显示8。仿真得到的转移特性曲线如图 2 所示。此时源漏电压为 1.0V。因为新器件右端价带形成的肖特基势垒小，所以该侧为 P 型导通，类似 PMOS；器件左侧则为 N 型导通，类似于 NMOS。由图中可以看到曲线存在一个尖峰，实际上，此尖峰是 N、P 两种模式的交点。如果这两种模式可以平移，整个曲线最大电流可能会大幅度降低。仿真得到的电压传输特性曲线如图 3 所示。此时漏极电压保持 1.0V 不变，栅极电压在-1.0耀1.5V之间变化。由图中可以看出，当输入端栅极输入一个低电压，输出极会输出一个高电压；当栅极输入低电压，输出极输出为高电压，即输入状态为“1”时，输出状态就是“0”；输入状态为“0”时，输出状态则为“1”。输入、输出之间具有明显的逻辑非关系，从而证明该器件具有反相器的功能。如图 4 所示，则为所设计器件在不同源漏电压下的电压传输特性仿真曲线。由图可知该反相器可以工作在 0.6耀1.0V 这样的极低的工作电压之下。4结束语所提出的高集成中央双向肖特基结型单管反相器，通过改变栅极电压极性即可改变器件的导通类型，成功实现了反相器的功能。通过仿真分析，可对器件各方面进行数值优化以达到最佳特性。与现有技术相比，本设计因其自身特点为，能够避免在源、漏极之间直接形成大量泄漏电流，有效降低了反相器的功耗，更有助于器件性能的发挥。参考文献：1孟凡康.隧穿场效应晶体管反相器的研究与设计D.西安:西安电子科技大学,2020.MENG Fankang.Study and design of tunnel field effect tran-sistor invertersD.Xian:Xidian University,2020.2COLINGE J P.Multi-gate SOI MOSFETsJ.Microelectro-nic Engineering,2007,84(9/10):2071-2076.3SARKAR D,XIE Xuejun,LIU Wei,et al.A subthermionictunnel field-effect transistor with an atomically thin chan-nelJ.Nature,2015,526(7571):91-95.4于新海.CMOS 反相器和 GaAs HEMT 器件的 HPM 效应研究D.西安:西安电子科技大学,2015.YU Xinhai.Research on the HPM effects of CMOS inverterand GaAs HEMT deviceD.Xian:Xidian University,2015.5MOORE G E.Cramming more components onto integratedcircuitsJ.Proceedings of the IEEE,1998,86(1):82-85.6韩忠方.隧穿场效应晶体管的模拟研究D.上海:复旦大学,2012.HAN Zhongfang.A simulation study of tunneling field eff-ect transistorsD.Shanghai:Fudan University,2012.7李鑫,刘溪.一种基于高肖特基势垒的高性能隧穿场效应晶体管J.微处理机,2021,42(4):12-15.LI Xin,LIU Xi.A high performance tunneling field effecttransistor based on high Schottky barrierJ.Microprocessors,2021,42(4):12-15.8李权,靳晓诗.导通类型可调的无掺杂 MOS 场效应晶体管J.微处理机,2021,42(5):9-11.LI Quan,JIN Xiaoshi.An undoped MOSFET with adjustableconduction typeJ.Microprocessors,2021,42(5):9-11.图 3电压传输特性曲线图 2Id-Vg转移特性曲线图 4不同源漏电压下电压传输特性曲线刘畅等：高集成中央双向肖特基结型单管反相器研究窑21窑