Avaliação de desempenho elétrico em dispositivos tridimensionais horizontalmente empilhados

Abstract

Neste trabalho, o desempenho dos dispositivos de canais empilhados ou multicanais (iFinFET – (Inserted-oxide Fin Field Effect Transistor) e GAA FET (Gate All Around Field Effect Transistor)) e do bulk FinFET convencional é investigado através de simulações numéricas tridimensionais TCAD (Technology Computer-Aided Design). Os parâmetros simulados, como corrente de dreno (IDS), tensão de limiar (VTH), inclinação de sublimiar (SS), redução de barreira induzida por dreno (DIBL) e transcondutância (gm) foram usados como parâmetros de comparação para avaliar o desempenho do dispositivo de canal empilhado sobre dispositivo FinFET. Os resultados demonstraram que para uma mesma área da região ativa, um dispositivo multi-gate possui o melhor desempenho devido à maior área de contato da porta em relação à superfície do canal e apresentando assim um melhor acoplamento eletrostático e, consequentemente, maior IDS. Tomando os parâmetros do dispositivo FinFET como referencial (comprimento de canal (L) = 12 nm) de resultados obtidos, IDS para os dispositivos iFinFET e GAA FET foi 18,6% e 37%, respectivamente, maior que a referência (FinFET). Para a tensão de limiar (VTH), observou-se redução no percentual para os dispositivos iFinFET e GAA FET (2,6% e 5,0% respectivamente). A inclinação de Sublimiar (SS) apresentou redução percentual de seus valores (1,3% para iFinFET e 2,6% para GAA FET), bem como redução do ganho intrínseco de tensão (VEA) (27,9% para iFinFET e 45,3% para GAAFET). O DIBL se destacou por apresentar também diminuição de valor, iFinFET com 9,4% e GAA FET com 0,6%. Por outro lado, observou-se aumento nos percentuais da transcondutância (gm) do dispositivo iFinFET e GAA FET (23,6% e 53,6% respectivamente). Outro parâmetro com aumento substancial em relação a referência foi a condutância de dreno (gD), com aumento de 78,5% para iFinFET e 192,0% para GAAFET. Além disso, este trabalho mostra o potencial promissor de dispositivos de múltiplos canais empilhados para substituir dispositivos convencionais de canal único em circuitos eletrônicos integrados modernos.

In this work, the performance of stacked channel or multi-channel devices (iFinFET – Inserted-oxide Fin Field Effect Transistor and GAA FET – Gate All Around Field Effect Transistor) and conventional bulk FinFET is investigated through three-dimensional numerical TCAD (Technology Computer-Aided Design) simulations. The simulated parameters, such as drain current (IDS), threshold voltage (VTH), subthreshold slope (SS), drain-induced barrier lowering (DIBL), and transconductance (gm), were used as comparison elements to evaluate the performance of the stacked channel device over the FinFET device. The results demonstrated that for the same area of the active region, a multi-gate device has better performance due to the larger gate contact area relative to the channel surface, thus presenting better electrostatic coupling and consequently higher IDS. Using the FinFET device parameters as a reference (channel length (L) = 12 nm) from obtained results, IDS for the iFinFET and GAA FET devices was 18.6% and 37% higher, respectively, than the reference (FinFET). For the threshold voltage (VTH), a percentage reduction was observed for the iFinFET and GAA FET devices (2.6% and 5.0%, respectively). The subthreshold slope (SS) showed a percentage reduction in its values (1.3% for iFinFET and 2.6% for GAA FET), as well as a reduction in the intrinsic gain voltage (VEA) (27.9% for iFinFET and 45.3% for GAA FET). The DIBL also showed a decrease in value, with iFinFET at 9.4% and GAA FET at 0.6%. On the other hand, an increase in the transconductance (gm) percentage was observed for the iFinFET and GAA FET devices (23.6% and 53.6%, respectively). Another parameter with a substantial increase compared to the reference was the drain conductance (gD), with an increase of 78.5% for iFinFET and 192.0% for GAA FET. Additionally, this work shows the promising potential of multi-stacked channel devices to replace conventional single-channel devices in modern integrated electronic circuits.