trudyniisiТруды НИИСИSRISA Proceedings2225-73493033-6422НИЦ «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ» - НИИСИtrudyniisi-96Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКАMICRO- AND NANOELECTRONICSЧувствительность распределения потенциала в канале кремниевых GAA нанотранзисторов к аномальному поведению зернистости металлического затвораSensitivity of the Potential Distribution in the Channel of Silicon GAA Nanotransistors to the Anomalous Behavior of the Metal Gate GrainМасальскийН. В.MasalskyN.

Москва

volkov@niisi.ras.ruНИЦ «Курчатовский институт» – НИИСИРоссия2024091220251444753Copyright © Масальский Н.В., 20252025Масальский Н.В.Masalsky N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.t-niisi.ru/jour/article/view/96

Обсуждается влияние аномальной зернистости металлического затвора кремниевого полевого GAA нанотранзистора с цилиндрической геометрией на распределение потенциала в его рабочей области. На основе аналитического решения 2D уравнения Пуассона разработана аналитическая модель для анализа чувствительности распределения потенциала кремниевых полевых GAA нанотранзисторов к аномальному поведению зернистости металлического затвора. Количественно проанализированы вариации распределения потенциала в транзисторах с короткой и тонкой рабочей областью с длиной от 25 до 11 нм. Показана зависимость возмущения потенциала от расположения аномальной зернистости на затворе. Установлена линейная зависимость амплитуды возмущения от величины скачка работы выхода. Разработана математическая модель флуктуации распределения потенциала, включающая вариации неравномерности границ аномальной области зернистости. Неравномерность границ аномальной области вносит дополнительный вклад в трансформацию потенциала. При примерно одинаковых деформациях границ вклад данного механизма не существенен. При значительной асимметрии границ вклад может превышать 10% от возмущения, сгенерированного идеальным кольцом.

The influence of the anomalous grain size of the metal gate of a silicon field-effect GAA nanotransistor with cylindrical geometry on the potential distribution in its working area is discussed. Based on the analytical solution of the 2D Poisson equation, an analytical model has been developed to analyze the sensitivity of the potential distribution of silicon field GAA nanotransistors to the abnormal behavior of the metal gate grain. The variations of the potential distribution in transistors with short and thin working areas with a length from 25 to 11 nm are quantitatively analyzed. The dependence of the potential perturbation on the location of the abnormal grain on the gate is shown. The linear dependence of the amplitude of the disturbance on the magnitude of the output operation jump is established. A mathematical model of the fluctuation of the potential distribution has been developed, including variations in the unevenness of the boundaries of the anomalous grain area. The nonuniformity of the boundaries of the anomalous region makes an additional contribution to the transformation of the potential. With approximately the same deformations of the boundaries, the contribution of this mechanism is not significant. With a significant asymmetry of the boundaries, the contribution can exceed 10% of the perturbation generated by the ideal ring.

кремниевый цилиндрический нанотранзистор с полностью охватывающим затвороманомальная зернистость металлического затворараспределение потенциалауравнение Пуассонамоделированиеsilicon cylindrical nanotransistor with a surrounding gateanomalous grain size of a metal gatepotential distributionPoisson's equationmodelingПубликация выполнена в рамках НИР ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН по теме № FNEF-2024-0003 "Методы разработки аппаратно-программных платформ на основе защищенных и устойчивых к сбоям систем на кристалле и сопроцессоров искусственного интеллекта и обработки сигналов".ReferencesInternational Roadmap for Devices and Systems (IRDS), More Moore. 2017. Available online: https://irds.ieee.org/roadmap-2017 (accessed on 15 September 2022).International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), More Moore. 2017. Available online: https://irds.ieee.org/roadmap-2017 (accessed on 15 September 2022).J.S. Yoon, T. Rim, J. Kim, K. Kim, C.K. Baek, Y.H. Jeong. Statistical variability study of random dopant fluctuation on gate-all-around inversion-mode silicon nanowire field-effect transistors // “Appl. Phys. Lett.”, (2015), V. 106, 103507J.S. Yoon, T. Rim, J. Kim, K. Kim, C.K. Baek, Y.H. Jeong. Statistical variability study of random dopant fluctuation on gate-all-around inversion-mode silicon nanowire field-effect transistors // “Appl. Phys. Lett.”, (2015), V. 106, 103507D. Nagy, G. Indalecio, A.J. Garcia-Loureiro, M.A. Elmessary, K. Kalna, N. Seoane. FinFET versus gate-all-around nanowire FET: performance, scaling, and variability. // “IEEE Journal of the Electron Devices Society”, (2018), V. 6, 332-40.D. Nagy, G. Indalecio, A.J. Garcia-Loureiro, M.A. Elmessary, K. Kalna, N. Seoane. FinFET versus gate-all-around nanowire FET: performance, scaling, and variability. // “IEEE Journal of the Electron Devices Society”, (2018), V. 6, 332-40.M. Onobajo, J. Silva-Martinez. Analog circuit design for process variation-resilient systems-on-achip. Dordrecht: Springer, 2012.M. Onobajo, J. Silva-Martinez. Analog circuit design for process variation-resilient systems-on-achip. Dordrecht: Springer, 2012.M.M. Tehranipoor, U. Guin, D. Forte. Counterfeit integrated circuits: Detection and Avoidance. Springer, 2015.M.M. Tehranipoor, U. Guin, D. Forte. Counterfeit integrated circuits: Detection and Avoidance. Springer, 2015.I. Ferain, C.A. Colinge, J. Colinge. Multigate transistors as the future of classical metal–oxide– semiconductor field-effect transistors // “Nature”, (2011), V. 479, 310–316.I. Ferain, C.A. Colinge, J. Colinge. Multigate transistors as the future of classical metal–oxide– semiconductor field-effect transistors // “Nature”, (2011), V. 479, 310–316.K. Kuhn, C. Kenyon, A. Kornfeld, M. Liu, A. Maheshwari, W.K. Shih, S. Sivakumar, G. Taylor, P. VanDerVoorn, K. Zawadzki. Managing process variation in Intel’s 45nm CMOS technology // “Intel Technology Journal”, (2008), V. 12, 93-109.K. Kuhn, C. Kenyon, A. Kornfeld, M. Liu, A. Maheshwari, W.K. Shih, S. Sivakumar, G. Taylor, P. VanDerVoorn, K. Zawadzki. Managing process variation in Intel’s 45nm CMOS technology // “Intel Technology Journal”, (2008), V. 12, 93-109.J. A. Croon, W. Sansen, H.E. Maes. Matching properties of deep sub-micron MOS transistors, Springer, 2005J. A. Croon, W. Sansen, H.E. Maes. Matching properties of deep sub-micron MOS transistors, Springer, 2005S.K. Saha. Modeling process variability in scaled CMOS technology. // “IEEE Design Test of Computers”, (2010), V. 27, 8–16.S.K. Saha. Modeling process variability in scaled CMOS technology. // “IEEE Design Test of Computers”, (2010), V. 27, 8–16.K. K Young. Analysis of conduction in fully depleted SOI MOSFETs // “IEEE Trans. Electron Devices”, (1989), V. 36, No. 3, 504-506.K. K Young. Analysis of conduction in fully depleted SOI MOSFETs // “IEEE Trans. Electron Devices”, (1989), V. 36, No. 3, 504-506.Н.В. Масальский. Влияние зернистости металлического затвора кремниевых конических GAA нанотранзисторв на флуктуации порогового напряжения // “Труды НИИСИ РАН”, (2023), Т. 60, № 6, 387-393Н.В. Масальский. Влияние зернистости металлического затвора кремниевых конических GAA нанотранзисторв на флуктуации порогового напряжения // “Труды НИИСИ РАН”, (2023), Т. 60, № 6, 387-393Н.В. Масальский. Моделирование ВАХ ультратонких КНИ КМОП нанотранзисторов с полностью охватывающим затвором // “Микроэлектроника”, (2021), Т. 60, № 6, 387-393Н.В. Масальский. Моделирование ВАХ ультратонких КНИ КМОП нанотранзисторов с полностью охватывающим затвором // “Микроэлектроника”, (2021), Т. 60, № 6, 387-393

The authors declare that there are no conflicts of interest present.