Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4235
Zhang, Min
Modelling and fabrication of high performance Schottky-barrier SOI-MOSFET's with low effective Schottky-barriers
102 S., 2006
Modellierung und Herstellung von leistungsfähigen
Schottky-Barrieren SOI-MOSFETs mit niedrigen effectiven
Schottky-Barrieren
Mit der zunehmenden Verkleinerung von MOSFETs wird
deren Skalierung immer schwieriger und Lösungen, die die Anforderungen
der ITRS Roadmap erfüllen werden dringend benötigt. Schottky-Barrieren
MOSFETs (SB-MOSFETs) sind eine vielversprechende Alternative zu konverntionellen
MOSFETs, da sie aufgrund der metallischen source/drain Kontakte
einige inhärente Vorteile haben. Allerdings zeigen Schottky-Barrieren
MOSFETs wegen der hohen Schottky-Barriere an den source/drain-Kontakten
allgemein eine schlechter Leistung als konventionelle MOSFETs. Um dieses
Problem zu lösen, wurde die Absenkung der effektiven Schottky-Barriere
durch Dotierstoffsegregation während der Nickelsilizidierung und durch den
Einsatz ultra-dünner Gateoxide und ultra-dünner SOI-Schichten untersucht.
Vollständig verarmte Einzelgate SOI SB-MOSFETs wurden durch selbstkonsistente
Lösung einer eindimensionalen, modifizierten Poisson-Gleichung
und der Schrödinger-Gleichung modelliert. Ein wesentlicher Unterschied
zwischen Schottky-Barrieren und konventionellen MOSFETs besteht darin,
dat dem Tunnelstrom durch die Schottky-Barriere in SB-MOSFETs eine
wesentliche Rolle zukommt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Schottky-
Barrieren Weite stark von geometrischen Parametern abhängt. Beispielsweise
ist die effektive Schottky-Barrierenhöhe umso niedriger, je dünner das
Gateoxid und je dünner die Siliziumschicht ist. Bauelemente mit einer wenige
Nanometer dünnen, hoch dotierten Schicht an der Silizid-Siliziumkanal Grenzfläche
zeigen eine stark verbesserte Unterschwellensteigung nahe dem thermischen
Limit von 60mV/dec. Zusätzlich wird der Anstrom wesentlich vergrößert.
Die Ursache für die große Verbesserung der Charakteristiken ist eine
starke Verbiegung der Bänder durch die hochdotierte Schicht, wodurch die
Schottky-Barriere für Elektronen sehr transparent wird.
Bevor dieses Konzept auf ein Bauelement übertragen wurde, wurde die
Herstellung von Nickelsilizid auf ultradünnem SOI (-l0nm) und der Einflut
von Dotierstoffsegregation während der Silizidierung auf die Eigenschaften
von Dioden untersucht. Die Ergebnisse zeigen das Nickelsilizid auf SOI
einen geringen spezifischen Widerstand von 16-20μΩcm aufweist. Zusätzlich
wurde beobachtet, dass eine durch Segregatioin entstandene hohe Konzentration
von As/B an der Grenzfläche von Nickelsilizid und Silizium die effektive
Schottky-Barriere absenkt. Die Bedeutung eines ultra-dünnen Gateoxids
und einer ultra-dünnen SOI Schicht für ein gutes Schaltverhalten von
Schottky-Barrieren MOSFETs wurde experimentell bestätigt. Schließlich
wurden Schottky-Barrieren MOSFETs mit Dotierstoffsegration, ultradünnem
Gateoxid und ultradünnen SOI-Schichten hergestellt, die hervorragende
Charakteristiken zeigen. Sowohl n- als auch p-Schottky-Barrieren MOSFETs
mit idealen Unterschwellensteigungen und verbessertem Anstrom wurden
durch den Einsatz von Dotierstoffsegregation realisiert. Temperaturabhängige
Messungen ergaben eine effektive Schottky-Barrierenhöhe für Elektronen
von ∼0l,leV. Die n-Typ Schottky-Barrieren MOSFETs mit L=1mm,
einer Gateoxiddicke von 3,7nm und einer SOI Dicke von 25nm, zeigten eine
Unterschwellensteigung von ≈70mV/dec und ein Ion/Ioff Verhältnis von 107.
Bei einer Gatespannung von Vgs=1,4V und einer Source-Drain Spannung
von Vds=2V betrug der Anstrom 180mA/mm und die Steilheit 135mS/mm.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die hergestellten Bauelemente in ihren Anströmen
und Leckströmen mit den besten publizierten Schottky-Barrieren MOSFETs
vergleichbar sind. Ein großer Tunnelstrom für Löcher mit steigendem
Vds in n-Typ SB-NIOSFETs bestätigt, dass die hochdotierte Schicht an der
Silizid/Siliziumkanal Grenzfläche nur wenige Nanometer dick ist, in Übereinstimmung
mit Simulationsergebnissen. Derart abrupte Übergänge sollten
die Skalierbarkeit bis in den Bereich von weit unter 100nm ermöglichen.
Die neue Technologie der Dotierstoffsegregation zur Absenkung der Silizid
und Silizium Schottky-Barriere an Source und Drain kann in einem nächsten
Schritt auf Kanalmaterialien mit einer höheren Ladungsträgermobilität, z.B.
verspanntes Silizium, übertragen und mit high-k Dielektrika kombiniert werden,
um die Leistung der Bauelemente weiter zu steigern.
Modelling and fabrication of high performance Schottky-barrier SOI-MOSFETs with low effective Schottky barriers
As continued MOSFETs scaling becomes increasingly challenging,
solutions are urgently needed to meet the requirements of the ITRS
roadmap. Schottky barrier-MOSFETs are promising alternative devices to
current conventional MOSFET because the metallic source/drain contacts
has many inherent advantages. However, generally Schottky barrier-MOSFET
devices exhibit an inferior performance due to the high Schottky barrier at
the source/drain contacts. In order to overcome this problem, lowering of
the effective Schottky barrier of nickel silicide was investigated by dopant
segregation at the silicide/Si interface, by the use of ultra-thin gate oxide
and ultra-thin body SOI.
Modelling of single-gated, fully depleted ballistic SOI Schottky barrier-
MOSFET were performed with a self-consistent solution of the one-dimensional
modified Poisson and Schroedinger equations. An essential difference be
tween Schottky barrier and conventional MOSFET is that tunneling currents
through the Schottky barriers play a crucial role. The simulation results show
that the Schottky barrier width is strongly influenced by geometrical parameters,
i .e., the thinner the gate oxide and the Si channel, the lower the effective
Schottky barrier height. Devices with a few nanometers spatially extended
highly doped layer directly at the simulated silicide/Si channel interface has
a further improved inverse subthreshold slope close to the thermal limit
60mV/dec. In addition, the on-currents were significantly increased. The
reason for the dramatic improvement is that the conduction/valence bands
are strongly bent due to the highly doped layer and hence the Schottky barriers
for electrons becomes highly transparent resulting in an improved onas
well as offcurrents.
Before transforming this concept on the device, we investigated the fabrication
of nickel silicide on ultra-thin SOI (-10nm) and the effect of silicidation
induced dopant segregation on diode characteristics. Experimental
results show that fully silicided nickel silicide on SOI has a low specific resistivity
of 16-20 μΩcm. In addition, we observed that a high concentration
of As/B segregated at the interface of nickel silicide and Si which lowers
the effective Schottky barrier height. Next, we experimentally confirmed
the importance of ultra-thin gate oxide and ultra-thin Si channel to realize
good switching behavior on Schottky-barrier MOSFET. Finally, we used
dopant segregation in combination with a thin gate oxide and thin SOT film
to realize high performance Schottky barrier-MOSFETs. Both, n and ptype
Schottky barrier-MOSFETs with ideal inverse subthreshold slope and
increased on current have been successfully realized by using dopant segregation
. Temperature dependent measurements showed an effective Schottky
barrier height as low as ∼0.leV for electrons . For n-type Schottky barrier
MOSFETs with a gate length of L=1/μm, a gate oxide thickness of 3.7nm
and a Si channel thickness 25nm, nearly ideal inverse subthreshold slope
of ≈70mV/dec and a Ion/Ioff ratio of 107 were achieved. The on-current
amounts to 180mA/mm and the transconductance 135mS/mm with a 1.4V
gate overdrive and 2V Vds. These results show that our devices have drive
and leakage currents comparable to the state-of-the-art. A large tunneling
current for holes with increasing Vds in the n-type SB-MOSFET device indicates
that dopants at the silicide/Si channel interface are restricted to a few
nanometers, in agreement with the simulated results. Such abrupt junction
should enable down-scaling to the decananometer gate length.
The new technology of dopant segregation for efficient lowering of the
silicide/Si Schottky barrier of source and drain can now be applied to high
mobility channel materials e .g, strained Si and high-k dielectrics to achieve
a further boost of device performance.
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