一種非易失可重置單柵場效應晶體管

張瀚爽，劉 溪

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

1 引 言

在現有的CMOS 技術應用當中，常需要P 型場效應晶體管和N 型場效應晶體管互補實現功能[1]，為使器件工作特性穩定，通常器件源區漏區的長度都較長，并需要采用漏極輕度摻雜技術來降低器件的靜態功耗和解決反向漏電流過大等問題[2]，這無疑違背了當今集成電路技術的發展趨勢[3]。由于進行小尺寸摻雜的場效應管在制備工藝上較復雜[4]，便產生了利用肖特基勢壘的可重置型晶體管RFET（Reconfigurable Field-Effect Transistor）[5]，通過在操作期間重置施加在輔助的編程柵電極上的電壓來靈活控制器件工作在N 型或P 型模式[6]。然而，額外的編程柵電極需引入外部金屬引線，從本質上增加了金屬互連的難度[7]，且常規RFET 的導電類型在斷電后無法保存記錄，需引入額外非易失晶體管[8]，這不利于簡化操作和增加集成度。鑒于此類問題，在此重新進行設計，提出一種非易失可重置單柵場效應晶體管，簡稱NV-RFET。

2 器件結構及工作機理

2.1 設計結構與參數

新設計引入了非易失性電荷存儲層作為浮動控制柵極，在源電極和漏電極之間施加電勢差對浮柵中存儲的電荷進行重置，從而切換器件的工作類型，并能夠在斷電后依然記錄保持導電類型。

以N 型為例，所設計的NV-RFET 器件的結構如圖1 所示。所有重要的參數都已經在圖中標明。具體參數及取值如表1 所示。

表1 NV-RFET 設計參數

圖1 NV-RFET 結構圖

結構底部為SOI 晶圓，源/漏極分別在硅體區左右兩側，與硅體區的左右兩側表面形成具有肖特基勢壘的阻擋型接觸，源極底部在溝道內為嵌入式結構。柵電極位于絕緣層左側的上方和側表面，可重置浮柵位于柵電極絕緣層右側的上方和側表面，并通過絕緣介質層與柵電極、源極、漏極彼此絕緣隔離。可重置浮柵上方左右兩側分別與重置隧穿層a與重置隧穿層b 相接觸；重置隧穿層a 的左側面與源極相接觸；重置隧穿層b 的右側面與漏極相接觸；重置隧穿層a 左右兩側之間的厚度小于重置隧穿層b 左右兩側之間的厚度。

2.2 器件工作原理

在源極和漏極之間施加正電勢差時，自源極經重置隧穿層a 流入到可重置浮柵的正電荷多于自可重置浮柵經重置隧穿層b 并流出到漏極的正電荷，由此增加可重置浮柵內的凈剩正電荷量，當可重置浮柵內的凈剩電荷為正電荷時，會對硅體區產生電場效應并阻擋溝道內的空穴在源漏電極兩側之間流動，由此控制NV-RFET 工作在N 型模式。

當器件開啟時，電子空穴對大多由源區的帶帶隧穿而產生，在可重置浮柵和柵電極的正電壓作用下，溝道能帶向下彎曲，源極中的電子經過隧穿來到導帶，通過導帶流向漏極，此時在源極和漏極間有導電溝道，因此可以產生較大的正向導通電流。當器件關閉時，電子空穴對大多由漏極區的帶帶隧穿而產生，在可重置浮柵內部正電荷的作用下，溝道內會對空穴形成一個潛在的勢壘，因此可以有效阻止空穴從漏極向源極的流動，從而減少反向漏電流的產生。

3 仿真分析

以器件工作在N 型模式為例，通過在NV-RFET的非工作狀態下向可重置浮柵內部充入適量的正電荷，在常規RFET 的工作狀態時向編程柵電極上持續不斷地施加相應的正電壓，由此控制兩個器件的工作模式。使用Silvaco Tools 器件模擬仿真軟件對所提出的NV-RFET 與同尺寸下常規RFET 的性能進行仿真，得到兩個場效應晶體管所對應的轉移特性曲線，進行對比，結果如圖2 所示。

圖2 N 型模式下轉移特性曲線對比

通過曲線對比可知，器件在柵電極施加較大正電壓時的漏極電流明顯高于器件在柵電極施加負電壓時的漏極電流，即場效應管參與導電的多數載流子為電子，器件工作在N 型模式，并且呈現良好的開關特性。

此外還可以看出，在開啟狀態時，兩個器件的正向導通電流基本保持一致。而在關閉狀態時，相比于常規RFET，NV-RFET 具有較低的反向泄露電流。由此證明，相比引入額外編程柵電極的常規RFET，引入了非易失性電荷存儲層作為浮動控制柵極的NV-RFET 不僅結構更加簡化，而且能實現更低的反向泄漏電流和靜態功耗。

為進一步解釋兩種場效應晶體管的特性優化差異，對NV-RFET 和常規RFET 在N 型模式下不同工作狀態時硅體導電溝道內的能帶示意圖進行對比分析，如圖3 所示。

圖3 N 型模式下的能帶圖對比

由圖3(a)可以看出，場效應晶體管在正向導通狀態下，由于控制器件工作在N 型模式，并且在柵電極上施加正電壓，所以靠近源端和漏端的接觸能帶向上彎曲，漏端較高的接觸勢壘阻止了大量空穴流向溝道內，而由于源端形成的接觸勢壘較窄，所以電子可以在勢壘區發生隧穿效應從而產生隧穿電流，與熱電子發射電流一起形成正向導通電流，實現場效應管的開啟。兩個器件在正向導通狀態時的能帶示意圖基本一致，可以證明兩者在開啟時具有同等的性能。

由圖3(b)可以看出，場效應晶體管在反向截止狀態下，由于在柵電極上施加了負電壓，所以靠近源端的接觸能帶向下彎曲，在源端形成了較高的接觸勢壘，從而阻止電子發生隧穿效應，由此減少流向溝道內的電子，實現場效應管的關閉。但同尺寸下的RFET 的能帶圖更為彎曲，這是由于RFET 的編程柵電極需要單獨提供電壓，并時刻保持在高電壓下，從而導致編程柵電極所對應部分的能帶更加彎曲，由此降低漏端的接觸勢壘，導致大量空穴從漏端流向溝道內，形成漏電流，引起反向電流的增大。而NV-RFET 由于可重置浮柵已經存儲了電荷，在器件關閉狀態下并無持續加壓，不會致使能帶更加彎曲而導致大量空穴流入溝道內，所以能更好的抑制反向泄漏電流。

4 結 束 語

重新設計的非易失可重置單柵場效應管，對比已有技術，引入了非易失性電荷存儲層作為浮動控制柵極，利用對源漏電極之間施加電勢差進行重置，以此來改變器件的工作類型，無需額外供電的編程柵，實現了器件斷電后導電類型的非易失性，僅通過單個柵電極即可實現器件開關控制功能。相比于傳統可重構場效應管，新設計降低了靜態功耗和反向泄露電流，并且所實現的單元結構互連簡單更易于集成，適應當今集成電路技術的發展趨勢。