随着金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）发展到纳米尺度，严重的短沟道效应（SCE）引起的性能下降已成为主要的挑战。许多新的器件结构已经被提出来增加栅控能力，从而抑制短沟道效应。环栅晶体管（gate-all-around, GAA FET)，包括横向和纵向环栅器件，被认为是最有希望在3 nm及以下技术节点取代FinFET的候选器件。由于手持便携设备和无线设备的普遍使用，在保持SOC速度性能的同时降低功耗已成为设计上首要考虑的问题。体偏压或背栅偏压方案已成为多阈值电压或动态阈值电压管理的关键技术。通过采用衬偏效应或背栅偏压效应，可以动态调节阈值电压来同时获得在开态模式下的高性能和在待机模式下的低功耗，拓宽了电路设计的灵活性。但是目前环栅器件还没有有效的方法来实现阈值电压的动态调节。

近日，中国科学院朱慧珑研究员课题组基于已提出的自对准栅的垂直纳米环栅器件，提出了一种新型的阈值电压可以动态调节的自对准栅垂直纳米片/纳米线场效应晶体管，包括体硅环栅晶体管（Bulk-HC VNWFET）和全耗尽SOI环栅晶体管（FD-SOI-HC VNWFET）。通过Sentaurus TCAD对两种器件进行电学仿真，两种器件都可以实现阈值电压的动态调节并且较大的体效应系数可以实现较大范围内的阈值电压调节。纳米线直径20 nm和5 nm的Bulk-HC VNWFET漏电流可以分别降低两个和半个数量级。纳米线直径20 nm和5 nm的FD-SOI-HCVNWFET漏电流可以分别降低三个和一个数量级，同时开态电流可以分别增加22%和8%。表明两种器件可以通过阈值电压的动态调节进行性能和功耗的优化，同时实现低功耗和高性能。Bulk-HC VNWFETs 的初步实验结果也证实了该器件的阈值电压动态调节能力。该方案为纳米线和纳米片的电路设计提供了灵活性。

图1.（a）不同体偏压或背栅电压下Bulk-HC and FD-SOI-HC VNWFETs 的转移特性曲线；(b) 不同体偏压或背栅电压下的Ion (VG = 0.8 V, VDS= 0.8 V) 和 Ioff (VG = 0 V, VDS = 0.8 V)。LHC = 80 nm，LVC = 60 nm，Dnw = 20 nm。

图2. Bulk-HC VNWFET的TEM和EDX图。

Vertical nanowire/nanosheet FETs with horizontal channel for threshold voltagemodulation

Yongbo Liu, Huilong Zhu, Yongkui Zhang, Xiaolei Wang, Weixing Huang, Chen Li, Xuezheng Ai, Qi Wang

J. Semicond. 2022, 43(1): 014101

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/014101

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/1/014101