Electrical Сharacterization of Ge-FinFET Transistor Based on Nanoscale Channel Dimensions

Abstract

Nano-electronic applications have benefited enormously from the great advancement in the emerging Nano-technology industry. The tremendous downscaling of the transistors’ dimensions has enabled the placement of over 100 million transistors on a single chip thus reduced cost, increased functionality and enhanced performance of integrated circuits (ICs). However, reducing size of the conventional planar transistors would be exceptionally challenging due to leakages electrostatics and other fabrication issues. Fin Field Effect Transistor (FinFET) shows a great potential in scalability and manufacturability as a promising candidate and a successor to conventional planar devices in nanoscale technologies. The structure of FinFET provides superior electrical control over the channel conduction, thus it has attracted widespread interest of researchers in both academia and industry. However, aggressively scaling down of channel dimensions, will degrade the overall performance due to detrimental short channel effects. In this paper, we investigate the impact of downscaling of nano-channel dimensions of Germanium Fin Feld Effect Transistor (Ge-FinFET) on electrical characteristics of the transistor, namely; ION/IOFF ratio, Subthreshold Swing (SS), Threshold voltage (VT), and Drain-induced barrier lowering (DIBL). MuGFET simulation tool was utilized to conduct a simulation study to achieve optimal channel dimensions by considering channel length (L), width (W), and oxide thickness (TOX) individually. In addition, the effects of simultaneous consideration of all dimensions by exploiting a scaling factor, K was evaluated. According to the obtained simulation results, the best performance of Ge-FinFET was achieved at a minimal scaling factor, K  0.25 with 5 nm channel length, 2.5 nm width, and 0.625 nm oxide thickness.

Застосування наноелектронних приладів надзвичайно виграло від стрімкого прогресу в галузі нанотехнологій. Колосальне зменшення розмірів транзисторів дозволило розмістити більше 100 млн транзисторів на одному чіпі, що, в свою чергу, призвело до зниження витрат, збільшення функціональності та підвищення продуктивністі інтегральних мікросхем. Проте, зменшення розміру звичайних планарних транзисторів було б надзвичайно складним через електростатичні втрати та інші виробничі питання. Польовий транзистор Fin Field Effect Transistor (FinFET) показує великий потенціал у масштабованості та технологічності як перспективний кандидат та наступник звичайних планарнихпристроїв у нанотехнологіях. Структура FinFET забезпечує чудовий електричний контроль над провідністю каналів, і, таким чином, привертає широкий інтерес дослідників як з наукової, так і з прикладної точок зору. Однак різке зменшення розмірів каналів призводить до погіршення загальної продуктивності за рахунок шкідливих ефектів короткого каналу. У даній роботі досліджено вплив зменшення розмірів каналів транзистора з германію (Ge-FinFET) на електричні характеристики транзистора, а саме на відношення ION/IOFF, підпорогове коливання, порогову напругу та індуковане стоком зниження бар’єру. MuGFET був використаний у моделюванні для досягнення оптимальних розмірів каналу, враховуючи індивідуальну довжину каналу, ширину і товщину оксиду. Крім того, були оцінені ефекти одночасного розгляду усіх вимірів, використовуючи коефіцієнт масштабування. Згідно з отриманими результатами моделювання, найкраща продуктивність Ge-FinFET була досягнена за мінімального коефіцієнта масштабування K  0.25 з довжиною каналу 5 нм, шириною 2.5 нм і товщиною оксиду 0.625 нм.