1 flutuação de dopantes efeitos quánticos problemas variação do v th intersubband scattering

29
1 • Flutuação de Dopantes •Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH •Intersubband scattering

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Page 1: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

1

• Flutuação de Dopantes

•Efeitos Quánticos

ProblemasProblemas

• Variação do VTH

•Intersubband scattering

Page 2: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

2

Electron concentration (Poisson) Electron concentration (Poisson+Schrödinger )

Wsi

tsi

Wsi=tsi=20 nm / MS=0V / VG= 0.0V / VG2=0V / Na=5x1017 cm-3 / T=300K

Page 3: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

3

Wsi=tsi=20 nm / MS=0V / VG= 1.5V / VG2=0V / Na=5x1017 cm-3 / T=300K

Wsi

tsi

Electron concentration (Poisson) Electron concentration (Poisson+Schrödinger )

Page 4: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

4

Electron concentration (Poisson) Electron concentration (Poisson+Schrödinger )

Wsi

tsi

Wsi=tsi= 5 nm / MS=0V / VG=0.0V / VG2=0V / Na=5x1017 cm-3 / T=300K

Page 5: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

5

Electron concentration (Poisson) Electron concentration (Poisson+Schrödinger )

Wsi=tsi= 5 nm / MS=0V / VG=1.5V / VG2=0V / Na=5x1017 cm-3 / T=300K

Wsi

tsi

Page 6: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

6

2D Simulation (Quantum)

Electron concentration

Page 7: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

7

• Flutuação de Dopantes

•Efeitos Quánticos

ProblemasProblemas

• Variação do VTH

•Intersubband scattering

Page 8: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

8

0 5 10 15 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

Silicon width and thickness (nm)

Ene

rgy

abo

ve E

c (eV

) o

r T

hre

shol

d v

olta

ge

(V)

First energy level at flatband (eV)First energy level at threshold (eV)Threshold voltage (V)

First (lowest) subband energy level and Threshold voltage

First (lowest) subband energy level and Threshold voltage

"Quantum-Mechanical Effects in Trigate SOI MOSFETs", J.P. Colinge, J. C. Alderman , W. Xiong, and C. R. Cleavelin, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 53, no 5, pp. 1131-1136, 2006

Page 9: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

9

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.610

-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

Dra

in c

urr

ent

(A)

Gate Voltage(V)

SchrodingerPoisson

Dra

in c

urre

nt (

A)

Gate voltage (V)

W = tsi = 20 nm

10 nm

5 nm3 nm

2 nm

.. P P+S

Corrente de DrenoCorrente de DrenoPoisson equation only (P) or Poisson+Schrödinger solver (P+S)

"Quantum-Mechanical Effects in Trigate SOI MOSFETs", J.P. Colinge, J. C. Alderman , W. Xiong, and C. R. Cleavelin, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 53, no 5, pp. 1131-1136, 2006

Page 10: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

10

• Flutuação de Dopantes

•Efeitos Quánticos

ProblemasProblemas

• Variação do VTH

•Intersubband scattering

Page 11: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

11

Inter-SubbandScattering(2D GaAs)

Inter-SubbandScattering(2D GaAs)

Page 12: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

12

0 1 2 3 4 5

x 1020

-0.56

-0.5598

-0.5596

-0.5594

-0.5592

-0.559

-0.5588

-0.5586

-0.5584

-0.5582

-0.558

Density of States * Fermi distribution (cm-3 eV-1)

En

erg

y a

bove

Ec (

eV)

En

erg

y a

bove

Eco

(eV

)

Density of states (cm-3 eV-1)

150 eV

Silicon

Fin

Polysilicon Gate

Buried Oxide

20 nm

tsi

W

0 0.1 0.2 0.30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4x 10

-7

Cur

rent

(A

)

Gate Voltage (V)

DT=5K, V

S=50mV

DT=150K, V

S=0.2mV

T=28K, VDS

=0.2mV

T=8K, VDS

=0.2mV

T=4.4K, VDS

=0.2mV

(x 0.004)

Efeitos Quánticos: Inter-subband scattering

At low temperature

Page 13: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

13

56.5 nm

11.1 nm

1.7 nm

5.7 nm

4.2 nm

0 2 4 6 8 10

x 1020

-0.775

-0.77

-0.765

-0.76

-0.755

-0.75

Density of States (cm-3 eV-1)

Ene

rgy

ab

ove

Eco

(e

V)

1 meV

5 meV

Density of states (cm-3 eV-1)

Ene

rgy

abov

e E

Co

(e

V)

At room temperature !

Efeitos Quánticos: Inter-subband scattering

Page 14: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

•150nm Buried oxide

•65 nm top silicon layer thickness (HFIN)

•gate dielectric = 2.3 nm HfSiON on 1 nm SiO2

•midgap metal gate:5 nm TiN layer + 100nm thick polysilicon capping

•1 x1015cm-3 channel concentration

Experimental ResultsFinFET/Tri-Gate Technology

Page 15: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

USP - University of Sao Paulo

2*

22

2 ...2

.

..

...2ln

.

finfini

OXmith WmqWnq

TkC

q

TkV

15

*T. Poiroux et al., Microelectronics Engineering, 80, 378 (2005).

For MuGFETs Devices (*):

Threshold Voltage - MuGFET

The influence of side gates areconsiderably higher than the top gate for Wfin = 20 nm (almost double gate)

Top gate

Side gate

Side gate

Page 16: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

USP - University of Sao Paulo

2*

22

2 ...2

.

..

...2ln

.

finfini

OXmith WmqWnq

TkC

q

TkV

16

*T. Poiroux et al., Microelectronics Engineering, 80, 378 (2005).

For MuGFETs Devices (*):

Threshold Voltage - MuGFET

Workfunction difference Between the gate and silicon film

Page 17: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

USP - University of Sao Paulo

2*

22

2 ...2

.

..

...2ln

.

finfini

OXmith WmqWnq

TkC

q

TkV

17

Tk

Eg

i eTn ..22

316 ..10.9,3

For MuGFETs Devices:

Threshold Voltage - MuGFET

Potential in the channel

Page 18: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

USP - University of Sao Paulo

2*

22

2 ...2

.

..

...2ln

.

finfini

OXmith WmqWnq

TkC

q

TkV

18

Confinement inducedby the quantum wellWFIN = 20 nm

For MuGFETs Devices:

Threshold Voltage - MuGFET

*T. Poiroux et al., Microelectronics Engineering, 80, 378 (2005).

variation of the minimum energy in the conduction band

Page 19: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

USP - University of Sao Paulo

2*

22

2 ...2

.

..

...2ln

.

finfini

OXmith WmqWnq

TkC

q

TkV

19

Confinement inducedby the quantum wellWFIN = 20 nm

Therefore the last term can be neglected due to the Wfin used in this study has 20 nm

For MuGFETs Devices:

Threshold Voltage - MuGFET

Page 20: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

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When WFin decreases

Better control of the back channel by side walls

gm ramp disappears

WFin Vth

[6] T. Poiroux et al., Micr. Eng., vol. 80, p. 378, 2005.

gmmax reduction is due to the electron mobility

degradation in sidewall (110) crystal orientation with respect to the (100) plane

WFin Sidewalls conduction

Page 21: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

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Triple-Gate nFETStrain Technology

Vth

gm,max

Strain

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University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

NiSi

Si channel

poly

NiSi NiSi

HfSiO/TiN

spac

er

NiSi

Si channel

poly

NiSi NiSi

HfSiO/TiN

spac

erMetal Gate - TiN

IMEC/Belgium:

Gate dielectric : 1 nm SiO2 chemical oxide2.3 nm MOCVD HfSiOtoxb = 150nmHfin = 65nmNa = 1x1015 cm-3

Metal Gate – TiN

2nm (64 ALD cycles)5nm (160 ALD cycles)

10nm (320 ALD cycles)

n type MuGFETs

10 finsWfin = 2, 1, 0.5, 0.2, 0.17mWfin,eff = Wfin - 0.13mmL = 10m

*I. Ferain et al., ESSDERC, p. 202-205, 2008.

Page 23: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

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University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

Thinner TiN reduces slightly the onset of GIFBE

IG

Back interface accumulated (Fully depleted) to see GIFBE

VT increases

VT decreases

Thinner TiN metal gate

VFB

eWF

*Rodrigues M, Martino JA, Collaert N, Mercha A, Simoen E, Claeys C (2009)EuroSOI 2009

Page 24: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

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Devices Characteristics – Gate Stackn type MuGFETs

•Wfin = 2m

•10 fins•L = 10m

•toxb = 145nm

•Hfin = 65nm

•Na = 1x1015 cm-3

REF(1) (2) (3) (4) (5)

NiSi

Si channel

poly

NiSi NiSi

HfSiO/TiN

spac

er

NiSi

Si channel

poly

NiSi NiSi

HfSiO/TiN

spac

er

1 nm RTO (IL)

2.3nm HfSiO

PE-ALD TiN

Poly-Si

TiN

HfSiO

SiO2

5nm Dy2O3 Cap Layer HfSiO

SiO2

HfSiO

SiO2

2nm

3nm

Poly-Si

1 nm

Poly-Si

HfSiO

SiO2

Poly-Si

HfSiO

SiO2

4 nm

1 nm

1 nm

Poly-Si

HfSiO

SiO2

Poly-Si

HfSiO

SiO2

1 nm

4 nm

0.5 nm

Poly-Si

HfSiOSiO2

5 nm

0.5 nm

IMEC/Belgium:

*VLSI Symp. Dig. Techn. Papers, p. 14 (2008)- IMEC process

Page 25: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

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Gate Stack Influence on gm (*)*Martino JA, et al (2009), SOI Symposium, ECS Transactions.

VT

(eWF)

GIFBE (higher VGF)( IG)

Page 26: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

0 1 2 3 4 50

10

20

30

40

50

NA= 5 x 1019 cm-3

Triple-Gate FinFET

g m (S

)

VGF (V)

0 1 2 3 4 5

0

20

40

60

80NA= 5 x 1019 cm

-3

(dgm

/ dV

G)

(A

/ V

2 )

Triple-Gate FinFET

VT,SGVT,TG

VT,TCVT,BC

VGF

(V)0 1 2 3 4 5

0

20

40

60

80

100

NA= 5 x 1019 cm-3

Triple-Gate FinFET

I D

S)

VG (V)

FinFET/Tri-Gate Technology (High NA) (*)

*Andrade MGC, Martino JA (2008), Solid-State Electronics, 52, 1877–1883.

Page 27: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

USP - University of Sao Paulo

University of Sao Paulo, Brazil - Imec, Belgium

0 1 2 3 4 5

0

20

40

60

80 NA= 5 x 1019 cm-3

(dgm

/ dV

G)

(A

/ V

2 )

Triple-Gate FinFET

VG (V)

VT,SGVT,TG

VT,TCVT,BC

Higher NA - three peaks are observed.

VT,TC : Top Corners

VT,BC : Bottom Corners

VT,SG VT,TG :Sidewall and Top

surfaces at the same time

FinFET/Tri-Gate Technology (High NA)

Page 28: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

28

• Uso de isolantes de porta com alta constante dielétrica e/ou uso de Múltiplas Portas (FinFET)

• Incrementar a corrente (Silício tensionado, SiGe, Ge, Múltiplas Portas (FinFET)).

• Modificar a estrutura do MOSFET para melhorar o acoplamento eletrostático: MOS conv.SOI Múltiplas Portas (FinFET)

Para seguir a Lei de Moore é necessário:Para seguir a Lei de Moore é necessário:

CONCLUSÕESCONCLUSÕES

Page 29: 1 Flutuação de Dopantes Efeitos Quánticos Problemas Variação do V TH Intersubband scattering

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• Jean-Pierre Colinge

• Alunos de Mestrado e Doutorado da EPUSP.

• Colegas Professores e Doutores da USP, FEI e UNICAMP.

• FAPESP: Projeto Temático

• CNPq – INCT-NAMITEC : Prof. Jacobus Swart

AgradecimentosAgradecimentos