Top Banner
ABSTRACT SURI, RAHUL. Device Design of Sub100nm Fullydepleted SilicononInsulator (SOI) Devices Based on Highk EpitaxialBuried Oxide. (Under the direction of Dr. Veena Misra). The Integrated Circuit industry is driven by the continuously shrinking feature size of devices. The era of planar bulk MOS transistor, however, is nearing its end. The performance of bulk MOS transistor is severely degraded by short channel effects in the sub65nm regime. In such a scenario, the SilicononInsulator (SOI) technology looks set to become the next driver of CMOS scaling. SOI has been proved capable of providing increased transistor speed, reduced power consumption and enhanced device scalability as demanded by the 65nm and beyond technology generations. The problems facing SOI include fabrication of thin silicon and buried oxide (BOX) films and high manufacturing cost. This thesis focuses on a novel approach to building a SOI substrate which uses an epitaxial oxide as template to grow silicon on top. The novel ‘Floating Epitaxy SOI’ aims to guarantee thin silicon films and low manufacturing cost. This research work involves modeling ultrathin body fully depleted SOI devices from 60nm gate length down to 10nm gate length. The device uses metal/highk gatestack and strained silicon as attractive features for better device performance. The goal of this work is to reengineer the device structure and alter device design parameters at every gate length such that device performance meets the semiconductor roadmap projections in terms of offstate leakage current and ratio of drive current to leakage current as specified by International Technology Roadmap for Semiconductors. (ITRS) A challenge to better device performance is the high permittivity of candidate epitaxial oxides. It is well established that high permittivity buried oxide layer adds additional short channel effects. This makes device design and control of short channel effects more difficult. The major findings of this thesis are that ultrathin body SOI devices based on ‘Floating Epitaxy SOI’ meet ITRS projections down to 10nm gate length. Moreover, for sub15nm devices that require ultrathin BOX, high permittivity of BOX doesn’t hurt device performance but improves it slightly.
128
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Thesis

ABSTRACT  

 

 

 

SURI, RAHUL. Device Design of Sub‐100nm Fully‐depleted Silicon‐on‐Insulator  (SOI) Devices Based on High‐k Epitaxial‐Buried Oxide. (Under the direction of Dr. Veena Misra).  

The  Integrated Circuit  industry  is driven by  the continuously shrinking  feature size of devices. 

The era of planar bulk MOS transistor, however, is nearing its end. The performance of bulk MOS 

transistor  is  severely  degraded  by  short  channel  effects  in  the  sub‐65nm  regime.  In  such  a 

scenario, the Silicon‐on‐Insulator (SOI) technology looks set to become the next driver of CMOS 

scaling.  SOI has been proved  capable of providing  increased  transistor  speed,  reduced power 

consumption and enhanced device scalability as demanded by the 65nm and beyond technology 

generations. The problems facing SOI include fabrication of thin silicon and buried oxide (BOX) 

films and high manufacturing cost. 

 

This thesis focuses on a novel approach to building a SOI substrate which uses an epitaxial oxide 

as template to grow silicon on top. The novel ‘Floating Epitaxy SOI’ aims to guarantee thin silicon 

films and  low manufacturing cost. This  research work  involves modeling ultra‐thin body  fully 

depleted  SOI  devices  from  60nm  gate  length  down  to  10nm  gate  length.  The  device  uses 

metal/high‐k gatestack and strained silicon as attractive  features  for better device performance. 

The goal of this work is to re‐engineer the device structure and alter device design parameters at 

every gate length such that device performance meets the semiconductor roadmap projections in 

terms of off‐state  leakage  current  and  ratio of drive  current  to  leakage  current  as  specified by 

International Technology Roadmap for Semiconductors. (ITRS)  

 

A challenge to better device performance is the high permittivity of candidate epitaxial oxides. It 

is well established that high permittivity buried oxide layer adds additional short channel effects. 

This makes device design and control of short channel effects more difficult. The major findings 

of  this  thesis  are  that ultra‐thin  body  SOI devices  based  on  ‘Floating Epitaxy  SOI’ meet  ITRS 

projections down  to 10nm gate  length. Moreover,  for  sub‐15nm devices  that  require ultra‐thin 

BOX, high permittivity of BOX doesn’t hurt device performance but improves it slightly.

   

Page 2: Thesis

 Device Design of Sub‐100nm Fully‐depleted Silicon‐on‐Insulator (SOI) 

Devices Based on High‐k Epitaxial‐Buried Oxide  

by

Rahul Suri

A thesis submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University

In partial fulfillment of the Requirements for the degree of

Master of Science

Electrical Engineering

Raleigh, North Carolina

2006

Approved By:

Dr. Carlton Osburn Dr. Jon-Paul Maria Dr. Veena Misra Chair of Advisory Committee

Page 3: Thesis

ii

 

To 

Mom, Dad and Brother  Excerpt from ‘The Wonder Years’: “Because that night, when my father let Karen go out, he let Karen go, and maybe thatʹs how it had to be.......Children leave...and parents stay behind. Still, some things are deeper than time and distance. And your father will always be your father...And he will always leave a light on for you.”  

Page 4: Thesis

iii

BIOGRAPHY

Rahul Suri was born  in New Delhi, India  in October 1982. He received his Bachelor of Engineering 

(B.E.) degree in Electronics and Communication from Netaji Subhas Institute of Technology, India, in 

June 2004. In August 2004, he began his graduate studies in Electrical Engineering at North Carolina 

State University. His focus has been on IC Fabrication and Nanotechnology. In Summer of 2005, he 

interned with Qimonda NA (formerly Infineon Technologies NA), Cary, NC in the Memory Product 

Design group. He worked on the layout of DRAM chip in 70nm technology. While working towards 

his Masters degree, he worked on his  thesis under  the guidance of Dr. Veena Misra. He plans  to 

continue his graduate  studies  towards earning  the doctorate degree. His  research  interests  include 

nanoscale device design, modeling  and  characterization. He  is  also  interested  in  emerging,  silicon 

and non‐silicon based nanotechnologies. 

Page 5: Thesis

iv

ACKNOWLEDGEMENTS

Above all, I thank my parents for the much needed motivation throughout the duration of graduate 

studies and particularly  thesis work.  It was  their  love and support  that helped me maintain sanity 

during stressful times. Every time I felt I was losing track, they kindled strong hope and belief in me 

that helped me to get going with positive approach and enthusiasm. 

 

I sincerely thank my advisor, Dr. Veena Misra for giving me the opportunity to work on this thesis 

project  and  guiding me  from  time  to  time with  useful  suggestions.  I  am  indebted  to  her  for  the 

knowledge that she has imparted to me through a couple of her courses‐Frontiers of Nanoelectronics 

and Principles of MOS Transistor, which encouraged me to take up this field seriously and I believe 

will form the foundation of my career.  

 

I am grateful to Dr. Carlton Osburn for having taught the courses‐IC Technology and Fabrication and 

Semiconductor  Characterization  both  of  which  built  the  fundamentals  and  strengthened  my 

understanding of this field. The talks I have had with him have inspired me in ways more than one. I 

thank him for agreeing to be on my thesis committee 

 

I would like to thank Dr. Jon‐Paul Maria for agreeing to be on my thesis committee. I would also like 

to thank Dr. Angus Kingon, Dan Lichtenwalner and Jennifer Hydrick who worked on the materials 

issues of the thesis project and gave useful feedback based on experimental results and encouraged 

me to come up with positive results. 

 

I would like to thank my friends‐Vivek Mehta and Pranav with whom I spent most of my time, for 

their  support  and  encouragement.  I  thank Namrata  for her understanding  and  supportive nature, 

Dhaval Parekh for help and support, Deepak for inspiring me to work hard and Shoubhik Doss for 

sharing jovial times and several food sessions. Special thanks to my roommates‐Arun, Vivek Jayadev, 

Ajay and Nitin  for making my  stay memorable and  for good  south‐indian  food.  I also  thank Ajit, 

Kaushik and Ravi for useful discussions. Finally I thank, Muktabh, Jay, Neil and ‘The Vivek Hakim’ 

for providing awesome entertainment during the period of thesis writing.  

Page 6: Thesis

v

CONTENTS   

List of Figures….……………………………………………………………………………….viii  List of Tables………………………………………………………………………………………xi 

1   Introduction                                                                                1 

1.1 Silicon on Insulator and CMOS Scaling......................................................................................... 1 1.2 Silicon on Insulator Advantages..................................................................................................... 2 1.3 Silicon on Insulator Devices ............................................................................................................ 3 1.4 Silicon on Insulator Fabrication ...................................................................................................... 5 

1.4.1 Bond and Etch Back (BESOI) .............................................................................................. 5 1.4.2 Separation by Implantation of Oxygen (SIMOX)............................................................. 5 1.4.3 Unibond or Smart‐CutTM ..................................................................................................... 6 

1.5 Silicon on Insulator Challenges....................................................................................................... 6 1.6 References .......................................................................................................................................... 7 

 

2 Floating Epitaxy SOI                                                                 8 2.1 Motivation for Research................................................................................................................... 8 2.2 Floating Epitaxy SOI – A Novel Approach ................................................................................... 9 2.3 Choice of Epitaxial Oxide .............................................................................................................. 10 2.4 Floating Epitaxy SOI Advantages ................................................................................................ 11 2.5 Thesis Goal....................................................................................................................................... 11 2.6 Thesis Organization........................................................................................................................ 12 2.7 References ........................................................................................................................................ 12 

 

3 Device Modeling on Floating Epitaxy SOI                         14 3.1 Introduction..................................................................................................................................... 14 3.2 UTB Device Structure..................................................................................................................... 14 

3.2.1 Silicon Body......................................................................................................................... 14 3.2.2 Buried oxide ........................................................................................................................ 15 3.2.3 Silicon Substrate ................................................................................................................. 15 3.2.4 Gatestack ............................................................................................................................. 16 

3.3 Modeling Setup............................................................................................................................... 16 3.4 Conclusion ....................................................................................................................................... 16 

 

4 Strained Silicon and Device Performance                         17 4.1 Need for strained silicon................................................................................................................ 17 4.2 Straining the Si Channel................................................................................................................. 18 

4.2.1 Process‐induced strain....................................................................................................... 18 4.2.2 Substrate‐induced strain.................................................................................................... 18 4.2.3 Uniaxial Vs Biaxial Strain.................................................................................................. 20 

Page 7: Thesis

vi

4.3 Mobility Enhancement ................................................................................................................... 20 4.4 Strained Silicon‐on‐Insulator......................................................................................................... 23 4.5 Modeling Strain in this work ........................................................................................................ 23 4.6 Simulation Results .......................................................................................................................... 24 

4.6.1 Simulation Setup ................................................................................................................ 24 4.6.2 Strain and Drive Current................................................................................................... 25 4.6.2 Strain and Leakage Current .............................................................................................. 25 4.6.2 Strain and Threshold Voltage ........................................................................................... 25 4.6.3 Strain and Drain‐Induced barrier Lowering................................................................... 27 

4.7 Conclusion ....................................................................................................................................... 27 4.8 References ........................................................................................................................................ 29 

 

5   Initial Device Design                                                               30 5.1 Introduction..................................................................................................................................... 31 5.2 Simulation Setup............................................................................................................................. 31 5.3 Simulation Results .......................................................................................................................... 33 

5.2.1 Template Thickness Effect................................................................................................. 33 5.2.2 Channel Length Effect ....................................................................................................... 40 5.2.3 ITRS and Device Performance .......................................................................................... 40 

5.4 Conclusion and Next...................................................................................................................... 40  

6   Ground Plane Concept                                                            44 6.1 Introduction..................................................................................................................................... 44 6.2 Ground Plane Concept................................................................................................................... 44 6.3 Ground Plane Vs Classical SOI ..................................................................................................... 46 6.4 Ground Plane Simulation Setup ................................................................................................... 49 6.5 Simulation Results .......................................................................................................................... 49 

6.5.1 Potential in BOX and substrate......................................................................................... 49 6.5.2 Template Thickness Effect................................................................................................. 52 6.5.3 Continuous Ground‐plane Vs Ground‐plane under gate............................................. 52 6.5.4 Ground‐plane Device and ITRS ....................................................................................... 56 

6.6 Conclusion and Next...................................................................................................................... 56 6.7 References...................................................................................................................58 

 

7   Suppressing Short Channel Effects                                     59  7.1 Introduction..................................................................................................................................... 60 7.2 Silicon Channel Doping Effect ...................................................................................................... 60 7.3 Silicon Film Thickness Effect......................................................................................................... 61 7.4 Back‐gate Bias Effect....................................................................................................................... 63 7.5 Gate Workfunction Effect .............................................................................................................. 65 7.6 Simulation Setup and Results ....................................................................................................... 67 

7.6.1 Varying the silicon film thickness .................................................................................... 67 7.6.2 Varying the back‐gate bias................................................................................................ 70 7.6.3 Relationship between silicon film thickness and back‐gate bias ................................. 70 

7.7 Conclusion ....................................................................................................................................... 74 7.8 References ........................................................................................................................................ 74 

Page 8: Thesis

vii

8   Buried Insulator Engineering                                                75 8.1 Introduction..................................................................................................................................... 76 8.2 BOX Thickness Scaling................................................................................................................... 76 8.3 BOX Permittivity Scaling ............................................................................................................... 79 8.4 Permittivity role at thick and thin BOX ....................................................................................... 79 8.5 Device Simulation of epi‐SOI device............................................................................................ 87 

8.5.1 Varying Template Thickness ............................................................................................ 87 8.6 Conclusion ....................................................................................................................................... 89 8.7 References ........................................................................................................................................ 89 

9   Device Design Optimization                                                 90 

9.1 Introduction..................................................................................................................................... 91 9.2 60nm Gate Length........................................................................................................................... 91 9.3 45nm Gate Length........................................................................................................................... 94 9.4 30nm Gate Length........................................................................................................................... 96 9.5 25nm Gate Length........................................................................................................................... 99 9.6 15nm Gate Length......................................................................................................................... 104 9.7 10nm Gate Length......................................................................................................................... 108 9.8 Meeting ITRS Ion/Ioff Specification ........................................................................................... 113 9.9 Conclusion ..................................................................................................................................... 115 

10 Conclusion and Future Work                                              116 

10.1 Conclusion ................................................................................................................................... 116 10.2 Future Work ................................................................................................................................ 117

 

Page 9: Thesis

viii

List of Figures   Figure 1‐1    Cross‐section of an ultra thin body fully‐depleted SOI device.......................................  2 Figure 1‐2     Different gate configurations for SOI devices................................................................... 4 Figure 1‐3    Cross‐section of a FinFET ..................................................................................................... 4  Figure 2‐1    Cross‐section of Floating Epitaxy SOI substrate................................................................ 9 Figure 2‐2    Comparison of lattice parameter mismatch to silicon over a temperature range....... 10  Figure 3‐1    UTB SOI MOSFET based on Floating Epitaxy SOI.......................................................... 15  Figure 4‐1    TEM micrograph of 45nm p‐type and n‐type MOS ........................................................ 19 Figure 4‐2    Formation of SiGe alloy and growth of strained Si on top............................................. 19 Figure 4‐3    Mobility enhancement ratio for strained Si n‐MOSFETs ............................................... 19 Figure 4‐4    Strain induced conduction band splitting in silicon ....................................................... 22 Figure 4‐5    Energy alignment of the Si conduction band with and without the tensile strain ..... 22 Figure 4‐6    Simplified hole valence band structure for longitudinal in plane direction................ 22 Figure 4‐7    Id‐Vg curves for Lg =25nm with and without strain in Si channel................................ 26 Figure 4‐8    Id‐Vg curves for Lg =15nm with and without strain in Si channel................................ 26 Figure 4‐9    Ion and Ioff Vs channel length for device with and without strain in Si channel....... 28 Figure 4‐10  Vt and DIBL versus channel length for device with and without strain...................... 28  Figure 5‐1    Epitaxial‐oxide based SOI device (eSOI) .......................................................................... 32 Figure 5‐2    Standard SOI device or the ‘Core device’ ......................................................................... 32 Figure 5‐3    Lg = 60nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness  ................ 34 Figure 5‐4    Lg = 45nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness  ................ 34 Figure 5‐5    Lg = 30nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness ................. 35 Figure 5‐6    Lg = 25nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness  ................ 35 Figure 5‐7    Lg = 15nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device ............ 36 Figure 5‐8    Lg = 10nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device ............ 36 Figure 5‐9    Equipotential Contours in 30nm epi‐SOI device with 5nm thick template ................. 37 Figure 5‐10  a) Vt b) Off‐state current and c) on‐state current versus Template Thickness ............ 39 Figure 5‐11  a) Vt b) Off‐state current and c) on‐state current versus Channel Length................... 41 Figure 5‐12  a) Ioff b) Ion comparison with ITRS High Performance Logic Projections.................. 42 Figure 5‐13  Comparison of device Ion/Ioff ratio and ITRS HP Logic projections ........................... 42  Figure 6‐1    Schematic of fringing fields in SOI device........................................................................ 45 Figure 6‐2    Electrostatic Potential Contours in the BOX and substrate of a SOI device ................ 45 Figure 6‐3    Ground‐Plane structures..................................................................................................... 45 Figure 6‐4    Equipotential contours in a 0.1mm long device with Vg = 0V and Vd = 1.5V............. 47 Figure 6‐5    Vertical potential profile in the middle of a 80‐nm‐long SOI MOSFET ....................... 48 Figure 6‐6    Key processing steps of Ground Plane formation........................................................... 48 Figure 6‐7    a) Vt roll‐off and b) DIBL for device with and without ground plane ......................... 50 Figure 6‐8    Simulated vertical potential across center of silicon body for 25nm long device: ...... 50 Figure 6‐9    Simulated potential contours in 25nm long device with 5nm thick template............. 51 Figure 6‐10  Lg = 60nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness ................. 53 

Page 10: Thesis

ix

Figure 6‐11  Lg = 45nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness ................. 53 Figure 6‐12  Lg = 30nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness  ................ 54 Figure 6‐13  Lg = 25nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness  ................ 54 Figure 6‐14  Lg = 15nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device ............ 55 Figure 6‐15  Lg = 10nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device ............ 55 Figure 6‐16  Comparison of device Ioff values with ITRS HP Logic projections.............................. 57 Figure 6‐17  Comparison of device Ion/Ioff ratios with ITRS HP Logic projections ........................ 57   Figure 7‐1     Vt shift Vs TSi for different channel doping ..................................................................... 62 Figure 7‐2     MEDICI predicted TSi and channel doping requirements for FDSOI CMOS.............. 62 Figure 7‐3     Threshold voltage roll‐off for different channel doping ............................................... 62 Figure 7‐4     Threshold voltage versus channel length for mild and strong halo implants............ 64 Figure 7‐5     DIBL and subthreshold swing Vs channel length for different TSi .............................. 64 Figure 7‐6     Dependence of Vt and QM shift in Vt on TSi................................................................... 64 Figure 7‐7     Theoretical dependence of Vt on back‐gate voltage ...................................................... 66 Figure 7‐8     Dependence of Vt on back‐gate voltage .......................................................................... 66 Figure 7‐9     DIBL Vs TSi for different back‐gate voltages.................................................................... 66 Figure 7‐10   TSi dependence of the off‐state current of 50nm UTB device  ....................................... 68 Figure 7‐11   Ratio of Ion/Ioff pf 50nm UTB device for different TSi and ΦM values ....................... 68 Figure 7‐12   Ratio of ΔVt/Vt versus TSi with different ΦM values ...................................................... 68 Figure 7‐13   DIBL Vs Lg for different TSi for device with ground‐plane and without  ................... 69 Figure 7‐14   Vt roll‐off for TSi =5nm and 10nm for device with ground‐plane and without  ......... 69 Figure 7‐15   Vt roll‐off for TSi =5nm and 10nm for device with ground‐plane and without.......... 69 Figure 7‐16   Sub‐Vt Swing Vs Lg for different TSi for device with and without ground‐plane. .... 69 Figure 7‐17   Ioff Vs Lg for different TSi for device with ground‐plane.............................................. 71 Figure 7‐18   Ratio Ion/Ioff Vs Lg for different TSi for device with ground‐plane ............................ 71 Figure 7‐19   Vt Vs Lg for ground‐plane device with TSi =7nm and different Vbg........................... 71 Figure 7‐20   DIBL Vs Lg for ground‐plane device with TSi =7nm and different Vbg ...................... 71 Figure 7‐21   Sub‐Vt Swing Vs Lg for ground‐plane device with TSi=7nm and different Vbg........ 72 Figure 7‐22   Ioff Vs Lg for ground‐plane device with TSi =7nm and different Vbg......................... 72 Figure 7‐23   Ratio Ion/Ioff Vs Lg for ground‐plane device with TSi=7nm and different Vbg......... 72 Figure 7‐24   Threshold voltage Vs Vbg for ground‐plane device with TSi=5nm and 10nm  .......... 73 Figure 7‐25   Sub‐Vt Swing Vs Vbg for ground‐plane device with TSi=5nm and 10nm................... 73 Figure 7‐26   DIBL Vs Vbg for ground‐plane device with TSi=5nm and 10nm  ................................. 73 Figure 8‐1    Simulated equipotential contours in ground‐plane device, TBox=200nm................... 78 Figure 8‐2    Simulated equipotential contours in ground‐plane device, TBox=10nm  .................... 78 Figure 8‐3    DIBL Vs BOX thickness for ground‐plane device with Vbg=‐0.2V and ‐1V ................. 81 Figure 8‐4    DIBL Vs BOX thickness for ground‐plane and LD device with Vbg=‐0.2V and ‐1V.... 81 Figure 8‐5    DIBL versus BOX thickness for k=3.9 and k=5.0, Lg=30nm,TSi=7nm, Wf=4.7eV ......... 82 Figure 8‐6    Threshold Voltage Vs TBox for k=3.9 and k=5.0, Lg=30nm,TSi=7nm, Wf=4.7eV ......... 82 Figure 8‐7    Electrostatic potential along body/BOX interface at TBox =200nm and 10nm .............. 84 Figure 8‐8    Threshold voltage Vs Vbg for TBox =200nm, 25nm and 10nm for k=3.9 and k=5.0 ...... 84 Figure 8‐9    Subthreshold swing Vs BOX thickness for ground plane‐device ................................. 86 Figure 8‐10  Id‐Vg curves for ground‐plane device for Tbox=10nm and 100nm at BOX ................ 86 Figure 8‐11  DIBL Vs Lg for two template thicknesses for device with ground‐plane .................... 88 Figure 8‐12  Vt roll‐off Vs Lg for different template thicknesses for device with ground‐plane ... 88 Figure 8‐13  Vt roll‐off Vs Lg for 5nm and 2nm template thicknesses for ground‐plane device ... 88 

Page 11: Thesis

x

Figure 8‐14  Sub‐Vt Swing Vs Lg for different template thicknesses for ground‐plane device...... 88  Figure 9‐1    Id‐Vg plot for Lg=60nm for different template thicknesses. .......................................... 92 Figure 9‐2    Id‐Vg plot for Lg=45nm for different template thicknesses. .......................................... 95 Figure 9‐3    Id‐Vg plot for Lg=30nm for different template thicknesses. .......................................... 97 Figure 9‐4    Id‐Vg plot for Lg=30nm for 5nm and 4nm thick template, Tbox=15nm and 10nm....... 98 Figure 9‐5    Id‐Vg plot for Lg=25nm for different template thicknesses. ........................................ 100 Figure 9‐6    Id‐Vg plot for Lg=25nm for two device design parameters and TSi=7nm  ................. 102 Figure 9‐7    Id‐Vg plot for Lg=25nm for 5nm and 4nm thick template at Tbox=15nm and 10nm. 103 Figure 9‐8    Id‐Vg plot for Lg=15nm for different template thicknesses. ........................................ 105 Figure 9‐9    Id‐Vg plot for Lg=15nm for 4nm thick template, TSi=5nm, TBox=6nm, ΦM=4.53eV. .. 107 Figure 9‐10  Id‐Vg plot for Lg=15nm with TSi=5nm, TBox=6nm, ΦM=4.53eV and Vbg=‐1V.............. 108 Figure 9‐11  Id‐Vg plot for Lg=10nm for different template thicknesses ......................................... 109 Figure 9‐12  Id‐Vg plot for Lg=10nm with TSi=5nm, TBox=5nm, Vbg=‐0.4V and variable ΦM. ........ 111 Figure 9‐13  ITRS expected and Simulated Ion/Ioff ratio versus channel length............................ 113 Figure 9‐14  ITRS expected and Simulated Ion/Ioff ratio versus channel length............................ 114  

Page 12: Thesis

xi

List of Tables   Table 9‐1    Vt, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 60nm device                      designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion                      specifications are 1E‐8A/um and 0.9mA/um ...................................................................... 93  Table 9‐2    Vt, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 45nm device                      designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion                      specifications are 3E‐8A/um and 0.98mA/um .................................................................... 95  Table 9‐3    Vt, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 30nm device                      designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion                      specifications are 5E‐8A/um and 1.09mA/um .................................................................... 97  Table 9‐4    Vt, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 25nm device                      designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion                      specifications are 1.7E‐7 A/um and 1.48mA/um .............................................................. 101  Table 9‐5    Vt, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 15nm device                      designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion                      specifications are 2.9E‐7 A/um and 2.03mA/um .............................................................. 105  Table 9‐6    Vt, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 10nm device                      designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion                      specifications are 3.7E‐7 A/um and 2.18mA/um .............................................................. 110  Table 9‐7    Summary of device design parameters to meet ITRS HP Logic Ion/Ioff                      specification for different channel lengths. ....................................................................... 114 

Page 13: Thesis

1

Chapter 1 Introduction 1.1 Silicon on Insulator and CMOS Scaling The Integrated Circuit industry is driven by the continuously shrinking feature size of devices. In the last

two decades, device feature size has decreased from 1μm down to 90nm. Scaling the physical device

dimensions (both lateral and transverse) has led to increased speed, higher packing density, and reduced

cost per good device built. The era of planar bulk MOS transistor, however, is nearing its end. The

performance of bulk MOS transistor is severely degraded by short channel effects in the sub-65nm regime.

Most important of short channel effects include the threshold voltage roll-off problem and drain-induced

barrier lowering (DIBL). The conventional MOSFET, thus, doesn’t look promising to meet the

requirements of 65nm and below technology nodes as specified by the International Technology Roadmap

for Semiconductors (ITRS). In such a scenario, the Silicon-on-Insulator (SOI) technology looks set to

become the next driver of CMOS scaling. SOI has been proved capable of providing increased transistor

speed, reduced power consumption and enhanced device scalability as demanded by the next technology

generations. Compared to similar circuits fabricated on bulk silicon wafers, CMOS circuits fabricated on

SOI wafers can run at 20-35% higher switching speeds than bulk CMOS, or 2 to 4 times lower power

requirements when operating at the same speed as bulk CMOS [1]. Research on SOI dates back to 1960s

when these devices were used for military and space applications because of their immunity to radiation-

induced ionization. Cost of manufacturing SOI wafers prevented their widespread growth and use. Today,

however, the ever increasing demand for higher speed and lesser power consumption makes the inherent

advantages of SOI, look all the more attractive. So much so that SOI has made its way into the

semiconductor roadmap and the ultra thin body SOI transistor is projected to be into manufacturing

mainstream by 2008. [2] According to France-based Soitec, which produces SOI wafers based on its

patented Smart Cut technology, SOI currently represents some 3-4% of the total wafer market, and this is

expected to rise to 10% by the end of the decade. [3] Almost all semiconductor companies have either

switched to SOI or are considering it for current and future devices. While IBM, AMD, Sony Group and

Toshiba have adopted SOI for the cell processor, Philips Semiconductors has been using SOI for high

voltage ICs. Freescale and STMicroelectronics have also begun to use to use SOI wafers. Several device

architectures based on SOI varying from single gate to multiple gate structures have evolved and are in the

stage of being researched. These include ground-plane SOI, Double-gate SOI, FINFET and so on. The

Page 14: Thesis

2

Moore’s law that drives scaling will continue to live on once the SOI technology hits the manufacturing

mainstream completely.

1.2 Silicon on Insulator Advantages The SOI substrate comprises of a silicon device layer usually tens of nanometers thick isolated from the

substrate by a relatively thick layer of insulating material, usually silicon dioxide, called buried oxide. The

cross-section of SOI device is shown in Figure 1-1. The major advantage of SOI comes from the fact that

the source and drain junctions end on the buried oxide layer, hence junction capacitances are minimized.

Also, because thin silicon film is employed, the junction depth is small and sub-surface leakage paths are

eliminated. In case of ultra thin body, the front gate has strong control over the channel and short channel

effects are suppressed. The reduction in source-drain parasitic capacitances makes switching operations

faster and enhances speed. It also leads to reduction in power consumption. IBM reported a 20% to 35%

increase in chip speed and 35% to 70% reduction in power consumption for their PowerPC chips [4]

Because, short channel effects are suppressed, SOI device has a steep subthreshold slope which translates

to a smaller off-state leakage current and larger drive current. The device is well isolated from substrate

both vertically by buried oxide and laterally by shallow trench or LOCOS grown oxide which has three

significant advantages. Firstly, any causes for latch-up in CMOS and cross-talk between devices in mixed

signal ICs are avoided. Secondly, soft errors from radiation effects usually in case of SRAMs are

minimized. And thirdly, different voltages may be used on different devices without the added processing

steps required for triple wells. As semiconductor process technologies move down the nanometer scale

from 90nm to 65nm and smaller, the benefits of silicon-on-insulator (SOI) wafers in reducing junction

capacitance, improving the short-channel effect, reducing leakage and decreasing soft error rates become

more and more attractive.

Figure 1-1 Cross-section of an ultra thin body fully-depleted SOI device (UTB SOI) [5]

Page 15: Thesis

3

1.3 Silicon on Insulator Devices Depending on the thickness of the silicon layer, SOI MOSFET will operate in fully depleted (FD) 

or partially depleted  (PD)  regime.  In PD  regime,  the  silicon  body  is  thick  enough  so  that  the 

depletion region  in  the channel doesn’t extend up  to  the body‐BOX  interface. A neutral  region 

exists and gives rise to floating‐body effects such as kink in Id‐Vd characteristics; latch and drain 

current  overshoot  and  undershoot.  [6]  The majority  carriers,  generated  by  impact  ionization, 

collect in the transistor body. This causes the body potential to rise, which lowers the threshold 

voltage. This feedback gives rise to a kink in Id‐Vd characteristics, hysteresis and latch in log Id‐

Vg curves, and activation of the lateral bipolar transistor. [7] Proper design is needed to minimize 

the detrimental aspects of the floating body and take advantage of the extra current available for 

fabricating faster circuits. In FD MOSFETs, the depletion region covers the whole body and the 

depletion  charge  is  independent  of  the  gate  bias.  A  better  coupling  develops  between  gate 

voltage and inversion charge, leading to enhanced drive current. In addition, the front‐ and back 

surface potentials  also  become  coupled. The  coupling  factor  is  roughly  equal  to  the  thickness 

ratio between gate oxide and buried oxide. Due  to  interface  coupling,  the  front‐gate  threshold 

voltage becomes a function of the back gate bias. The back‐gate bias gives additional control over 

setting the threshold voltage of the device. The FD devices have several advantages compared to 

the PD devices: free from kink effect [7], enhanced subthreshold swing [8], highest gains in circuit 

speed, reduced power requirements and highest level of soft‐error immunity [9]. For sub‐100nm 

channel length devices, FD SOI devices are the preferred choice. 

Beyond the 65nm technology node, non‐classical CMOS devices based on SOI will take over from 

bulk devices. The  frontrunner  is  the ultra  thin body  (UTB) SOI MOSFET  shown  in Figure 1‐1. 

Following  it are multiple gate devices which have  two or more surfaces along which  inversion 

occurs  and  current  flows.  These  include  double‐gate  and  triple‐gate  structures  such  as  the 

quantum wire [10], the FinFET [11] and Δ‐channel SOI MOSFET [12], and quadruple‐gate devices 

such as the gate all‐around (GAA) device [13], the DELTA transistor [14], vertical pillar MOSFETs 

[15], and Pi‐gate SOI MOSFETs [16]. It is well known that the double‐gate (top and bottom gate) 

silicon‐on‐insulator  (SOI) MOSFET and  the gate‐all‐around device are  the most  suitable device 

structures  for  suppressing  short‐channel  effects  such  as  DIBL  and  subthreshold  slope 

Page 16: Thesis

4

degradation  [13],  [17],  [18].  Figure  1‐2  shows  the  existing  gate  configuration  for  thin‐film  SOI 

MOSFETs: 1) single gate; 2) double gate; 3) triple gate; 4) quadruple gate (or GAA) and 5) pi‐gate.  

  

  Figure 1‐2 Different gate configurations for SOI devices: 1) single gate; 2) double gate; 3) triple gate; 4) quadruple gate; 5) Pi‐gate MOSFET [19]   The FinFET, shown in Fig. 1‐2, has thin fins of Si etched into the top Si layer and gate electrodes 

that are deposited and patterned on  the sides of each  fin. The  inversion  layer  is  formed on  the 

vertical edge of each fin, and the current flows from source to drain along these edges 

 

Figure 1‐3 Cross‐section of a FinFET [5] 

While  2D  and  3D  device  simulation  of mutilple  gate  devices  show  them  to  be  the  ultimate 

devices with suppressed short channel effects and steep subthreshold slope, as required for sub‐

50nm  devices,  unfortunately  the  process  proposed  to  fabricate  these  is  incompatible  with 

standard CMOS or even SOI CMOS manufacturing. It  is expected that by the time the need for 

multiple  gate  structures  becomes  necessary,  advancements  in  lithography,  etching  and wafer 

processing techniques will occur to allow for easy fabrication of these devices. 

Page 17: Thesis

5

1.4 Silicon on Insulator Fabrication Current methods of SOI fabrication include those based purely on wafer bonding, such as Bond 

and  Etch‐Back  SOI  (BESOI),  those  based  purely  on  ion  implantation,  such  as  Separation  by 

Implantation of Oxygen  (SIMOX),  and  those based on  combination of wafer bonding  and  ion 

implantation, such as Smart Cut™ by SOITEC. 

1.4.1 Bond and Etch Back (BESOI)  

BESOI wafers  are made  by  bonding  together  two  oxidized wafers,  annealing,  and  etching  or 

grinding and polishing to achieve a thin silicon device layer. When placed together, the oxidized 

wafers stick together with a weak hydrogen bond. An annealing step removes excess water from 

the interface, and creates a continuous buried oxide (BOX) layer. Either etching or grinding and 

polishing  is  employed  to  thin  the  silicon  layer  up  to  desired  silicon  body  thickness.  Etching 

requires the use of an etch stop which is usually a buried layer of implanted boron. BESOI wafers 

are typically made by the grind/polish method, as they are no longer considered useful for thin 

film SOI. [20] These wafers result in thick silicon body and are used for high‐voltage, high‐power 

devices or microelectromechanical systems. [21] The thick silicon associated with BESOI makes it 

not appropriate for ultra‐thin body devices. 

 

1.4.2 Separation by Implantation of Oxygen (SIMOX) A  large dose of oxygen  ions  is  implanted  into a  silicon wafer. A post‐implant anneal at about 

1300°C  follows  for  as  long  as  6 hours. Oxygen  ions  react with  silicon  to  form  silicon dioxide. 

Annealing  also  repairs  damage  done  to  silicon  device  layer  by  implantation  and  restores  its 

crystalline quality. The  implantation energy decides  the  location of  silicon dioxide underneath 

the  surface  and  therefore  controls  the  silicon  body  thickness.  Implantation  dose  must  be 

controlled  to ensure  that  there  is sufficient oxygen  to create a  full SiO2  layer of  the appropriate 

thickness, and also  that no  silicon  islands appear  in  the oxide  film after annealing.  [21] Lower 

doses and higher annealing  temperature anneals are used  to minimize defect generation  in  the 

silicon device  layer. SIMOX wafers have good  thickness uniformity,  low defect density  (except 

threading  dislocations:  104–106  cm−2),  sharp  Si–SiO2  interface,  robust  BOX,  and  high  carrier 

mobility. [22] 

Page 18: Thesis

6

1.4.3 Unibond or Smart-CutTM Hydrogen  ions are  implanted  into a  thermally‐oxidized wafer. The depth of  implant below  the 

oxide forms the silicon body thickness. It is therefore controlled by the implantation energy. This 

wafer is then bonded to a silicon handle wafer, followed by a two step annealing process. [21]A 

first anneal at 400‐600°C allows microcracks in the silicon in the implanted region that cause the 

wafer  to  split,  leaving  a  thin  silicon device  layer on  top of  the  thermal oxide  layer. A  second 

anneal at 1100°C for two hours removes silanol groups from the bonded interface, which leaves a 

silicon/oxide interface of similar quality as that of a thermally grown oxide on silicon. [21]. Touch 

polishing  (removes  tens  of  nanometers)  of  the  surface  silicon  layer  is  done  to  complete  the 

processing of SOI wafer. The advantages of Unibond wafer include 1) no etch back step, 2) seed 

wafers  can  be  re‐used,  3)  thickness  control  of  oxide  layer  by  oxidation  time,  4) much  better 

thickness  control  of  device  layer  and  5)  only  conventional  equipment  is  needed  for  mass 

production  

1.5 Silicon on Insulator Challenges Although  SOI  technology  is well  established  to  provide  high  performance  at  low  power,  the 

widespread  adoption  of  SOI wafers  still  faces  both  real  and  perceived  challenges.  The main 

barrier to the widespread adoption of SOI wafers for mainstream CMOS fabrication  in the past 

has been the uncertain silicon film or silicon dioxide layer quality and the high cost of SOI wafers. 

The key materials quality  issues are 1)  the  continuity and  thickness uniformity of  the BOX, 2) 

thickness uniformity of silicon device layer and 3) level of defects in silicon layer. Important BOX 

defects  include  voids  and  inclusions while  defects  in  the  silicon  top  layer  include  threading 

dislocations and pits. Also,  the  interface charge  trapped at  the  interface of  the  top silicon  layer 

and  the BOX must be kept  small  since  it  tends  to  shift  the  threshold voltage  from  the desired 

value  and  affects  electrical  behavior  of  the  device.  As  the  CMOS  technology  scales,  the 

requirement  for  thinner  and  thinner  silicon  films  also  becomes  a  concern  and  a  challenge  for 

present SOI fabrication processes.

Page 19: Thesis

7

1.6 References [1] D. K. Sadana  and M. Current,  “Fabrication of Silicon‐On‐Insulator  (SOI) Wafers Using  Ion Implantation”,  in  Ion  Implantation  Science  and  Technology,  Edited  by  J.  F.  Ziegler,  Ion Implantation Technology Co., 2000, p. 341‐374. [2] International Technology Roadmap for Semiconductors 2005 Edition (http://www.itrs.net/Links/2005ITRS/Home2005.htm)  [3] Chris Hall, “Soitec moves ahead in SOI,”DigiTimes.com, Taipei, Tuesday 13 September 2005                                         [4] http://www.ibm.com/developerworks/library/pa-pek/ [5] G. A.  Brown,  P. M. Zeitzoff, G.  Bersuker,  and H. R. Huff,  “Scaling CMOS: materials  and devices,” Materials Today, p. 20‐25, Jan 2004 [6] G.G. Shahidi et al, “A room temperature 0.1um CMOS on SOIʺ, IEEE Trans. Electron Devices 41 (1994) 2405. [7] S. Cristoloveanu and S.S. Li, Electrical Characterization of SOI Materials and Devices, Kluwer, Norwell (1995). [8]  R.  Berger,  J.  Burns,  C‐L  Chen,  C.  Chen,  M.  Fritze,  P.  Gouker,  J.  Knecht,  A.  Soares,  V. Suntharalingam,  P. Wyatt,  D‐R  Yost,  Craig  L.  Keast,  “Low  power,  high  performance,  fully depleted SOI CMOS technology,” DARPAJMTO AME Review, 31/8/1999 [9] M.  I. Current, S. W. Bedell,  I.  J. Malik, L. M. Feng, F.  J. Henley, “What  is  the  future of sub‐100nm  CMOS:  Ultrashallow  junctions  or  ultrathin  SOI?”  Solid  State  Technology,  Vol.  43, September, 2000. [10] J. P. Colinge, X. Baie, V. Bayot, and E. Grivei, “A silicon‐on‐insulator quantum wire,” Solid State Electron., vol. 39, no. 1, pp. 49–51, 1996. [11]  X.  Huang, W.  C.  Lee,  C.  Kuo,  D.  Hisamoto,  L.  Chang,  J.  Kedzierski,  E.  Anderson,  H. Takeuchi, Y. K. Choi, K. Asano, V. Subramanian, T.  J. King,  J. Bokor, and C. Hu, “Sub 50 nm FinFET: PMOS,” in IEDM Tech. Dig., 1999, pp. 67–70. [12] Z. Jiao and C. A. T. Salama, “A fully depleted‐channel SOI nMOSFET,” in Proc. Electrochem. Soc. 2001–3, 2001, pp. 403–408. [13]  J.  P.  Colinge, M.  H.  Gao,  A.  Romano‐Rodriguez,  H. Maes,  and  C.  Claeys,  “Silicon‐on‐insulator gate‐all‐around device,” in IEDM Tech. Dig., 1990, pp. 595–598. [14] D. Hisamoto, T. Kaga, Y. Kawamoto, and E. Takeda, “A fully depleted lean‐channel transist or (DELTA)‐a novel vertical ultra thin SOI MOSFET,” in IEDM Tech. Dig., 1989, pp. 833–836. [15] C. P. Auth and J. D. Plummer, “A simple model for threshold voltage of surrounding‐gate MOSFET’s,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 45, pp. 2381–2383, Nov. 1998. [16]  J. T. Park,  J. P. Colinge, and C. H. Diaz, “Pi‐gate SOI MOSFET,”  IEEE Electron Device Lett., vol. 22, pp. 405–406, Aug. 2001.  [17] H.‐S. P. Wong, K. K. Chan, and Y. Taur, “Self‐align (top and bottom) double‐gate MOSFET with a 25 nm thick silicon channel,” in IEDMTech. Dig., 1997, pp. 427–430. [18]  J.  P. Denton  and G. W. Neudeck,  “Fully  depleted  dual‐gated  thin‐film  SOI  P‐MOSFET’s fabricated in SOI islands with an isolated buried polysilicon back gate,” IEEE Electron Device Lett., vol. 17, pp. 509–511, Nov. 1996. [19] J.‐T. Park and J.‐P. Colinge, “Multiple‐gate SOI MOSFETs: Device design guidelines,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 49, no. 12, pp. 2222‐2229, Dec. 2002. [20] R.A.McKee, F.J.Walker, and M.Chisholm, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 3014.  [21] J.Lettieri, J.H.Haeni, and D.G.Schlom, J. Vac. Sci. Technol. A 20(4) (2002) 1332‐1340.  [22] S. Cristoloveanu, A review of the electrical properties of SIMOX substrates and their impact on device performance. J Electrochem Soc 138 (1991), p. 3131

Page 20: Thesis

8

Chapter 2 Floating Epitaxy SOI 2.1 Motivation for Research In order to meet the ever increasing demand for high speed and low power consumption, devices 

continue  to  shrink  in  physical dimensions. As devices  scale  below  100nm  gate  length,  silicon 

body needs to be thinner and thinner. Two dimensional device simulations in [1] show that, the 

relationship Lg/TSi ≈5 between gate length, Lg and silicon body thickness, TSi is needed for FDSOI 

devices to suppress short channel effects (SCEs). This means, for sub‐50nm devices, silicon body 

needs to be less than 10nm thick. The buried oxide (BOX) thickness needs to scale as well to give 

more  options  for  controlling  the  SCEs  and  improve  subthreshold  slope.  [2]  For  substantive 

reduction  of  SCEs,  BOX  thickness  needs  to  be  less  than  25nm.  [3][4]  Thus,  from  device 

performance perspective, thin silicon film and BOX thickness are required. At the same time, the 

silicon film needs to be a single crystal film of good quality and free from defects. This creates a 

challenge to the present day SOI fabrication processes. Ibis Technology Corporation reports that 

typical SOI parameters for SIMOX wafers are 10‐145nm silicon film thickness and a 145nm thick 

buried oxide. [5] SOITEC, the manufacturer of Smart Cut™ wafers, currently produces SOI wafer 

with silicon  thickness of 50nm‐100nm and uniformity of +/‐5nm, and buried oxide  thickness of 

50nm‐145nm  +/‐5nm.  [6] Neither  of  the  two meets  the  specifications  for  silicon  film  and BOX 

thickness for this year, set by International Technology Roadmap for Semiconductors. [7] Thus, 

current  SOI manufacturing  processes  based  on  wafer  bonding  and  ion  implantation  do  not 

guarantee continued silicon  layer thinning and appropriate thickness control. Besides, there are 

material  issues  and  problems.  Shallow  implantation  to  produce  thin  silicon  films  results  in 

defects in silicon. The disadvantage with SIMOX technique is that implanted oxygen ions cause 

damage  to  silicon  device  layer.  In  order  to  repair  the  damage,  a  high  temperature  anneal  is 

necessary which  increases processing  steps. A  low dose of oxygen guarantees  a  thin BOX but 

quality of oxide degrades. Wafer bonding techniques have the difficulty of appropriate thickness 

Page 21: Thesis

9

control. Annealing is required for bonded wafers, to allow wafer splitting, and the distribution of 

hydrogen atoms can result in uneven splitting and a need for wafer polishing. The combination 

of  implantation,  annealing,  and  polishing  steps  required  to make  SOI wafers  by  current  SOI 

manufacturing  processes  renders  the  manufacturing  very  expensive.  According  to  [8]  SOI 

manufacturing invloves per 300mm wafer cost of ~$1200, compared to the bulk silicon wafer cost 

of $200‐$250. The need of today is a SOI fabrication process that is capable of producing defect‐

free  and  thin  silicon  films  and  at  the  same  time  allows  a  lower  cost  of  production  thereby 

promoting the use of SOI in the semiconductor industry.

2.2 Floating Epitaxy SOI – A Novel Approach “Floating Epitaxy”  SOI  is  a  novel  approach proposed  by Angus Kingon,  Jon‐Paul Maria,  and 

Veena Misra  to achieve good quality  thin silicon  film, designed so as  to allow SOI  to meet  the 

long‐term ITRS specifications and make SOI technology advantageous from device performance 

and cost of production perspectives.  The concept is illustrated in Figure 2‐1. An epitaxial oxide is 

grown on silicon substrate and is used as a template to deposit epitaxial silicon on top. Epitaxial 

deposition of silicon will make possible  to produce  thin  films with good  thickness control,  less 

defects and negate the need for post‐processing anneal or polishing. 

Figure 2-1 Cross-section of Floating Epitaxy SOI substrate [9]

A  thin  layer  of  epitaxial  oxide, which  is  crystalline  in  nature  and  closely  lattice‐matched  to 

silicon, is deposited on silicon substrate by molecular beam epitaxy process. This layer is rather 

thin to keep the layer commensurate and avoid misfit dislocations and relaxation as much as is 

feasible. The structure  is heated  in presence of oxygen,  to allow oxygen  to diffuse  through  the 

template  oxide  and  form  SiO2  at  the  silicon  interface,  effectively  “floating”  the  still‐epitaxial 

template oxide on top of an amorphous insulating layer. Once the insulating layer is sufficiently 

Page 22: Thesis

10

thick,  silicon  is  deposited  under UHV  conditions  on  the  template  layer,  completing  the  SOI 

substrate structure. By this process, it is easier to produce thin rather than thick layers of silicon 

and  buried  oxide,  making  Floating  Epitaxy  SOI  an  especially  viable  solution  for  the  future 

technology generations requiring thin SOI films for better device performance 

2.3 Choice of Epitaxial Oxide Good progress has been made in the processing of epitaxial oxides on silicon. Materials studied 

include complex oxides deposited with an alkaline earth oxide template, or direct deposition of 

oxides  such  as Y2O3, Pr2O3, Gd2O3, CeO2, MgO  and  simple  solid  solution  such  as  (LaxY1‐x)2O3. 

[10][11][12] However, for the floating epitaxy SOI, the choice of epitaxial oxide depends  largely 

on the lattice parameter. The oxide should be as closely lattice‐matched to silicon as possible for it 

to act as a template for growing silicon on top. However, the final choice of oxide will depend on 

experimental growth and temperature stability results. A graph comparing the lattice parameter 

of several candidate oxides with that of silicon over the temperature range of interest is shown in 

Figure 2‐2. For graphing purposes, an average of the a‐ and b‐lattice parameters is used. 

 

 

Figure 2-2 Comparison of lattice parameter mismatch to silicon over a temperature range [9]  

Page 23: Thesis

11

Several  crystal  structures  are  considered:  cubic  rock‐salt  structures  (BaO,  SrO),  cubic  and 

pseudocubic  perovskites  (SrTiO3,  CaTiO3,  LaAlO3),  and  bixbyite  structures  (Sm2O3,  Ho2O3, 

Dy2O3).  While  pure  oxides  may  not  lattice‐match  with  silicon  very  well,  the  solid‐solution 

combination of  these pure oxides yields  a  lattice parameter  rather  close  to  silicon,  for  a given 

temperature‐for example Ba0.64Sr0.36O, a solid solution of BaO and SrO. Out of several explored 

template oxides, LaAlO3, SrTiO3 or a  stack of LaAlO3 over SrTiO3  is  found useful  for Floating 

Epitaxy SOI.  

 

2.4 Floating Epitaxy SOI Advantages The most important advantage of floating epitaxy process is the possibility of making ultra thin 

silcon  films on  top of  thin buried oxide. This  is a very attractive feature  to  the scaling needs of 

coming technology generations. Epitaxial deposition of silicon also assures a good quality device 

layer. Moreover,  the  need  for  post‐processing  annealing  or  polishing  is  avoided. With  fewer 

fabrication  steps  involved,  the  novel  process  also  guarantees  a  cost  reduction  in  SOI 

manufacturing. If it comes through successfully, Floating Epitaxy will supersede the SIMOX and 

Smart‐Cut techniques and become the prime SOI manufacturing process. 

 

2.5 Thesis Goal The work  in  this  thesis  involves modeling  ultra  thin  body  fully‐depleted MOSFET  based  on 

Floating  Epitaxy  SOI  and  determining  the  viability  of  this  novel  substrate  in  terms  of  device 

electrical performance. Since, UTB SOI MOSFET is the device of choice for sub‐100nm MOSFETs; 

it  is of  interest to  investigate the device performance based on Floating Epitaxy SOI. A concern 

from device performance perspective  is  that most of  the  candidate  epitaxial oxides  are high‐k 

oxides.  While  SrO  has  k=13,  BaO  has  k=34.  While  LaAlO3  has  k=26,  SrTiO3has  k=300.  

Traditionally,  it  has  been  shown  that  a  high  permittivity  of  buried  oxide  degrades  device 

performance  by  introducing  additional  short  channel  effects.    The  aim  of  this  work  is  to 

determine  if the Floating Epitaxy based UTB SOI device,  irrespective of high‐k buried oxide,  is 

capable of meeting the ITRS specifications in terms of the off‐state leakage current, Ioff and more 

importantly Ion/Ioff ratio where Ion is the drive current.  The goal of thesis is to study the impact 

of device design parameters on performance of UTB SOI device at different gate‐lengths and to 

re‐engineer the device structure and parameters so as to meet the ITRS projections down to 10nm 

Page 24: Thesis

12

gate length. UTB SOI device is the focus of this work as against multiple‐gate device because of 

the  challenges  associated with  fabrication  of  the  latter.  This work  explores  the  device  design 

issues related with sub‐100nm SOI devices.  

 

2.6 Thesis Organization

Chapter 3 describes device modeling of UTB FDSOI device based on Floating Epitaxy SOI. The 

device  design  parameters  are  discussed. Chapter  4  describes  how  strain  in  silicon  channel  is 

modeled  in  device  simulations  and  the  impact  of  strain  on  device  performance.  Chapter  5 

describes  initial  device  simulation  and  defines  the  problem. Chapter  6  discusses  in  detail  the 

concept  of  ground‐plane  in  suppressing  short  channel  effects.  Chapter  7  discusses  other 

alternatives  such  as  silicon  body  thinning,  back‐gate  bias  effect  and  gate  workfunction 

engineering and their role in controlling short channel effects and setting the threshold voltage. 

Chapter 8 discusses buried layer engineering and its role in suppressing short channel effects. It 

also highlights interesting facts about the role of buried oxide permittivity at thick and thin BOX. 

Chapter  9  deals with  device  design  optimization  and  highlights  separately  the  device  design 

parameters at which  the  ITRS  Ion/Ioff specification  is met  for every gate  length.  I conclude my 

work  finally  with  Chapter  10  describing  future  work  that  can  be  done  to  demonstrate  the 

functionality and advantages of UTB SOI device based on novel Floating Epitaxy approach.    

2.7 References [1] V.  P.  Trivedi  and  J. G.  Fossum,  “Scaling  fully  depleted  SOI CMOS,”  IEEE  Trans.  Electron Devices, vol. 50, no. 10, pp. 2095–2103, Oct. 2003. [2] T. Numata, K. Uchida,  J. Koga,  and  S. Takagi,  “Device design  for  subthreshold  slope  and threshold‐voltage  control  in  sub‐100  nm  fully‐depleted  SOI MOSFETs,”  IEEE  Trans.  Electron Devices, vol. 51, pp. 2161‐2167, Dec. 2004 [3] A.Vandooren, D.  Jovanovic, S. Egley, M. Sadd, B.‐Y. Nguyen, B. White, M. Orlowski, and  J. Mogab,  “Scaling  assessment  of  fully‐depleted  SOI  technology  at  the  30  nm  gate  length generation,” in Proc. IEEE Int. SOI Conf., Oct. 2002, pp. 25–26. [4] V. P. Trivedi and J. G. Fossum, “Nanoscale FD/SOI CMOS: Thick or thin BOX,” IEEE Electron Device Lett., vol. 26, no. 1, pp. 26–28, Jan. 2005 [5]  R.Dolan  et  al.  16th  International  Conference  on  Ion  Implantation  Technology  6/11‐13/06 (http://www.ibis.com/assets/pdf/iit‐2006‐characterization‐paper.pdf), accessed 7/13/06  [6] SOITEC Products Website (Ultra‐thin UNIBOND 1)  [7] International Technology Roadmap for Semiconductors, 2005 Edition (http://www.itrs.net/Links/2005ITRS/Home2005.htm)  [8] J.R.Sims, Jr. and R.N.Blumenthal. High Temperature Science 8 (1976) 99‐110.  

Page 25: Thesis

13

[9] Jennifer Hydrick, PhD Thesis, Materials Science Engineering, NCSU, 2006 [10] J. Lettieri, J.H. Haeni and D.G. Schlom, J. Vac. Sci. Technol. A 20 (4), Jul/Aug 2002, pp. 1332‐1340 [11] V. Narayanan et al, Applied Physics letters, vol. 81, No. 22, 2002, pp. 4183‐4185 [12] J. Kwo et al, Applied Physics letters, vol. 77, No. 1, 2000, pp. 130‐132 

Page 26: Thesis

14

Chapter 3 Device Modeling on Floating Epitaxy SOI 3.1 Introduction The  advantages  of Floating Epitaxy  SOI  are  attractive  from  the perspective of producing  thin 

silicon  and  buried  oxide  films  and  reducing  the  processing  steps  involves  thereby  easing 

manufacturing  costs.  However,  it  needs  be  investigated  if  the  devices  based  on  this  novel 

substrate  will  meet  the  electrical  device  performance  expectations  as  specified  by  the 

semiconductor  roadmap.  This  chapter  describes  the  device  structure  modeled  on  Floating 

Epitaxy SOI, physical parameters for materials used and other device design features. 

3.2 UTB Device Structure Figure 3‐1 shows cross‐section of a fully‐depleted UTB MOSFET based on Floating Epitaxy SOI. 

Silicon body  is  thin and  rests on  top of  template oxide. The  insulator underneath  silicon body 

comprises  of  a  thin  layer  of  template  oxide with  SiO2  underneath.  The  device  geometry  and 

features are discussed in following sections. 

3.2.1 Silicon Body Silicon body thickness is 7nm or less. The choice of TSi<10nm is dictated by suppression of short 

channel effects point of view as discussed in chapter 1. The silicon channel is doped 1E11cm‐3 that 

is,  it  is virtually undoped. An advantage of SOI  is  that  it permits device scaling with undoped 

silicon  body. High  channel  doping  results  in mobility  degradation  (which  results  in  reduced 

drive  current)  and dopant  induced  threshold voltage  fluctuation.  In  order  to  avoid  the  above 

problems, it is best to scale with undoped body to as small gate‐length dimension as possible. 

Page 27: Thesis

15

Figure 3-1 UTB SOI MOSFET based on Floating Epitaxy SOI 3.2.2 Buried oxide The buried oxide comprises of a stack of thin template oxide over SiO2. The template thickness is 

varied  between  2nm  and  5nm  in  accordance  with  results  from  experimental  growth.  The 

template  oxide  is modeled with  physical  parameters  corresponding  to  that  of  LaAlO3/SrTiO3 

stack. Since LaAlO3 has permittivity, k=26, and SrTiO3 has k=300, the permittivity of stack would 

vary  between  k=26  and  k=300  depending  upon  the  thickness  of  each  layer.  For  modeling 

purposes,  the  template oxide  is assumed  to have a permittivity value of k=28. The bandgap  is 

5eV. The SiO2 underneath has a permittivity, k =3.9. The total insulator thickness is at most 15nm 

thick. The advantage of floating Epitaxy technique is that it is easier to fabricate thin buried oxide 

films than thick. 

3.2.3 Silicon Substrate The silicon substrate  is p‐type and  lowly doped 1E15cm‐3. A  low substrate doping keeps body 

effect low and also minimizes parasitic source/drain to substrate capacitances. On the other hand, 

a high substrate doping is required to prevent latch up issues. A compromise between low and 

high substrate doping is considered as an alternative to reduce short channel effects in chapter 6. 

The  back‐gate  bias  is varied  and  its  effect  on device performance  and  suppression  of  SCEs  is 

discussed in detail in chapter 7.   

Page 28: Thesis

16

3.2.4 Gatestack The gate‐stack comprises of metal/high‐k. The gate oxide is HfO2 with permittivity, k=24. 5. The 

thickness  is  5.54A°  which  corresponds  to  an  Equivalent  Oxide  Thickness  (EOT)  of  9A°  as 

projected by semiconductor roadmap for sub‐100nm devices. A high‐k gate dielectric is chosen as 

it  allows  the  gate  oxide  to  be  physically  thicker  for  the  sane  gate  oxide  capacitance  thereby 

reducing the gate leakage current due to quantum mechanical tunneling. A metal/high‐k stack is 

preferred  over poly‐Si/high‐k  stack  because  of  higher  resulting  channel mobility. Moreover,  a 

metal gate solves the problem of poly‐silicon depletion associated with poly‐Si gate electrode. A 

metal gate also allows  for  tuning  the  threshold voltage by gate‐workfunction engineering. The 

workfunction  is varied between  4.53eV  and  5.45eV. For devices  to  scale with undoped  silicon 

body, metal workfunction engineering  is needed  to set  the  right  threshold voltage  to  suppress 

SCEs. 

3.3 Modeling Setup The device structure is built using ‘MDRAW’ from Synopsys TCAD. Analytical profiles are used 

to create n+ source/drain junctions. The dopant for source/drain diffusion is Arsenic and junction 

doping is 1E21cm‐3. For channel and substrate, constant doping profile and boron dopant is used. 

A commercial device simulator, Sentaurus Device  (version X‐2005.10)  from Synopsys  (formerly 

ISE‐TCAD)  is  used  to  perform  two  dimensional  device  simulations  based  on  drift‐diffusion 

transport mechanism. The ‘density gradient’ model is included which takes quantum effects into 

consideration. For Id‐Vg simulations, gate voltage is swept from 0V to 1V. The drain is biased at a 

maximum or power supply voltage of 1V. The models for mobility used for simulations have not 

been calibrated with experimental results and are only as good as the TCAD software claims.  

3.4 Conclusion The UTB SOI device structure based on Floating Epitaxy SOI was described. Before we simulate 

devices  of  varying  gate  lengths  and  compare  Ion,  Ioff  and  Ion/Ioff  ratio  to  ITRS  projections, 

another  device modeling  feature  incorporated  for  all  simulations  needs  to  be  discussed. That 

feature is the addition of biaxial tensile strain to silicon channel in order to improve drive current. 

Next chapter discusses strain and its effect on device performance in detail. 

Page 29: Thesis

17

Chapter 4 Strained Silicon and Device Performance 4.1 Need for strained silicon As devices scale  to nanoscale dimensions, alternatives  in device design are being sought  for  to 

suppress  the  short  channel  effects.  Most  of  these  come  at  the  cost  of  reduced  transistor 

performance.  According  to  Dennard’s  principles  for  constant  field  scaling  [1],  the  vertical 

dimensions (gate oxide thickness, junction depth, depletion width) must scale along with lateral 

dimensions  (channel  length). Sub‐100 nm devices  therefore operate under very high  transverse 

electric  field.   Which  is  further  expected  to  increase  as  scaling  continues.  The  increase  in  the 

vertical electric field severely degrades silicon channel mobility. [2] Mobility degradation leads to 

reduction in Ion and undermines the much benefits of scaling. Another issue with short channel 

devices  is  the  requirement  for a shallow  junction depth or  reduced silicon body  thickness. For 

45nm technology node, silicon body needs to be as thin as 10nm to suppress DIBL through it. A 

thinner body adds to the series resistance of source and drain which hurts Ion and hence, device 

performance. [3] A reduction in Ion translates to reduced operating speed. Therefore, as scaling 

continues, innovations in device design are required to keep up the device performance. In this 

regard, strained silicon is an attractive feature which boosts device performance. Under suitable 

conditions, strain in silicon channel causes an increase in carrier mobility which not only results 

in  a  larger  Ion  and  speed  but  improves  the  otherwise  unscalable  subthreshold  slope.  Strain 

improves both electron and hole mobility. The integration of strained silicon materials into the IC 

manufacturing  process  is  not  very  challenging. Most  semiconductor  companies  like  Intel  and 

Texas Instruments have switched to strained silicon based devices. In fact, at the present moment, 

Silicon on  Insulator  (SOI) and Strained Silicon are  the  two key drivers of CMOS scaling. While 

the  former suppresses short channel effects and reduces  leakage currents by means of reduced 

parasitic capacitances, the latter enhances device performance.  

 

Page 30: Thesis

18

4.2 Straining the Si Channel  

Strain  in silicon channel can be  introduced either during processing known as process‐induced 

strain or from the bottom by growing silicon on top of a crystalline template typically silicon with 

20% or more germanium content, known as substrate‐induced strain.  

4.2.1 Process-induced strain In  process‐induced  strain,  stresses  are  created  by  films  and  structures  that  surround  the 

transistor. Stress can be  induced during growth of oxides and silicides, etching and depositing 

layers,  and  introducing dopants  into  the  silicon. Stress  can be beneficial or detrimental  to  the 

nmos  and  pmos  devices,  depending  on  the  stress  pattern.  In  general,  tensile  stress  improves 

electron mobility  and  compressive  stress  improves  hole mobility,  so  tensile  stress  is  used  for 

nmos and compressive  for pmos devices. Sources of stress  include a nitride  film on  top of  the 

device [4] [5], the oxide in the nearby shallow trench isolation structure [6] [7], silicides and the 

interlayer  dielectric.  For  example,  stress  resulting  from  the  standard  shallow‐trench  isolation 

(STI)  is  known  to  enhance  pmos  performance  by  up  to  20% while  simultaneously  degrading 

nmos performance by about 15%.  [8] The use of Si1‐xGex  in  the  source/drain creates  significant 

uniaxial  compression  in  the  pmos  channel  whereas  longitudinal  uniaxial  tensile  strain  is 

introduced into the nmos channel by a silicon nitride‐capping layer as shown in Figure 4‐1 [5] [9] 

[10]. 

4.2.2 Substrate-induced strain

In substrate‐induced strain, the most effective way to introduce high tensile strain to the channel 

is  to epitaxially grow strained silicon on a relaxed silicon germanium  (SiGe)  layer. Bulk silicon 

and bulk germanium have different  lattice  constants, 5.43A and 5.65A  respectively. The  lattice 

constant in the alloy Si1‐xGex is between that of Si and Ge and varies with Ge concentration as a(x) 

= aSi + (1‐x) a Ge. If a thin silicon film is grown on top of Si1‐xGex, up to a critical thickness, Si lattice 

follows  the  lattice  of underlying  substrate  and  gets  stretched  (or  strained)  in  the plane  of  the 

interface. This results in biaxial tensile strain in the channel as shown in Figure 4‐2. [11] 

 

Page 31: Thesis

19

Figure 4-1 TEM micrograph of 45nm p-type and n-type MOS [10]

Figure 4-2 Formation of SiGe alloy and growth of strained Si on top [11]

Figure 4-3 Mobility enhancement ratio for strained Si n-MOSFETs [15]

Page 32: Thesis

20

The  first  strained  Si  n‐MOSFETs were  fabricated  on  relaxed  Si1‐xGex  substrates with  30% Ge 

content and provided about 70% electron mobility enhancement with a vertical effective electric 

field  up  to  0.6 MV/cm  [13].  At  a  lower  gate  bias,  the  current  drive  improvement  over  the 

unstrained silicon MOSFETs is as large as 50%, while at a gate bias of 0.8 V, the current drive of a 

strained Si device is about 35 % higher [14]. Figure 4‐3 shows both the experimental data and the 

theoretical values of the phonon limited electron mobility enhancement versus the substrate Ge 

content. [15] With the Ge content above 20 %, the mobility enhancement factor saturates near 1.8, 

in agreement with calculations of the impact of strain on the mobility. Experiments also indicate 

that  for  electrons,  the  strain  induced mobility  enhancement  factor  is  relatively  constant with 

vertical electric field.  

4.2.3 Uniaxial Vs Biaxial Strain

Unlike, process‐induced strain which is uniaxial, biaxial tensile strain enhances both electron and 

hole mobilities. This is a major reason for commercialization of wafers based on strained silicon 

on  top of Si1‐xGex  layer despite process complexities and huge cost. This  is opposed  to process 

induced  strain where  both  electron  and  hole mobilities  respond  oppositely  to  uniaxial  tensile 

strain.  However,  it  has  been  observed  that  for  most  PMOSFETs,  biaxially  stressed  Si 

demonstrates  near‐zero  hole mobility  improvement  at  large  vertical  electric  fields  [11] where 

commercial MOSFETs operate. Fischetti et al. showed that the loss in hole mobility enhancement 

at higher  fields was due  to  reduction  in  the  separation between  the  light hole and heavy hole 

bands (ΔLH‐HH) [16]. Based on the experimental data, it was speculated that this was due to the 

confining surface potential operating against  the applied biaxial stress and  trying  to reduce the 

separation  between  the  LH  and  HH  bands.  [16]  On  the  other  hand  uniaxially  stressed 

PMOSFETs,  however,  do  not  suffer  from  this  performance  problem.  [10]  The  use  of  uniaxial 

stress  for CMOS  technology  is not without  its own  complexities  and  so  trade‐off  exists  as  the 

strained‐silicon technology evolves. 

4.3 Mobility Enhancement The  theory  of mobility  enhancement  in  strained  silicon  is  still  evolving.  The most  commonly 

accepted explanation is that under the biaxial tensile strain, the six‐fold degenerate valleys in Si 

are split into two groups. The group with the lower energy is two fold degenerate (labeled as Δ2 

Page 33: Thesis

21

in Figure 4‐4), which  is  the primary contributor  to carrier  transport at  low  fields. The  in‐plane 

effective mass of the electrons occupying these bands is approximately equal to the Si transverse 

effective mass (mt* =0.19m0). On the other hand, the effective mass perpendicular to the transport 

plane  is equal  to  the  longitudinal effective mass  (ml* =0.92m0). The schematic representation of 

the energy ellipses is shown in Figure 4‐4. The energy of the conduction‐band minima of the four 

valleys on the in‐plane <100> axes rises with respect to the energy of the two valleys on the <100> 

axes perpendicular to the plane [17], as shown in Figure 4‐5 (a) [18]. The energy between the two‐ 

fold degenerate and the four‐fold degenerate valleys, ΔEstrain, is given by ΔEstrain = 0.67x eV, where 

x  is  the Ge  content  of  the  relaxed  Si1‐xGex  substrate  [19].  It  should  be  noted  that  even  in  an 

unstrained Si MOS  inversion  layer there  is band splitting between the sub‐band energies  in the 

two and  the  four‐fold valleys due  to quantization  in  the  inversion  layer.  In a  strained Si MOS 

inversion  layer,  the  band  splitting  of  the  conduction  band  ΔEstrain  is  superimposed  on  this 

quantization, as schematically shown in Figure 4‐5 (b) [18]. The electrons populate the lower Δ2 

valleys with  lighter  effective mass, which  results  in  the  reduction of  the  average  conductivity 

effective mass. 

 

The other mechanism of mobility enhancement proposed by Takagi et al. [18] is the suppression 

of  intervalley phonon scattering due  to  the energy splitting between  the  two  fold and  the  four 

fold valleys. In unstrained material, the valence band maximum is composed of three bands: the 

degenerate heavy‐hole (HH) and light‐hole (LH) bands at k=0, and the split‐off (SO) band which 

is slightly lower in energy, as shown in Figure 4‐6 [20]. The biaxial stress can be resolved into a 

hydrostatic  and  a  uniaxial  stress  component.  The  hydrostatic  stress  equally  shifts  all  three 

valence bands, while the uniaxial stress lifts the degeneracy between LH and HH bands by lifting 

the LH band higher than HH. The SO band is also lowered with respect to the other two bands. 

This leads to the population of holes in the energetically favorable LH like band. Application of 

stress also changes the shape of the bands as shown in Figure 4‐6 (b). Therefore, due to the band 

deformation,  the  in‐plane  transport mass becomes  smaller and  the  interband  scattering  is  also 

suppressed. Thus the hole mobility is improved. 

 

The main difference between  the effects on electron and hole mobilities  is  that  the mobility of 

holes  can be  enhanced only  at  lower  electric  fields while  the  enhancement  can be achieved  at 

higher vertical electric fields for electrons. Fischetti et al. showed that the loss in hole mobility  

Page 34: Thesis

22

Figure 4-4 Strain induced conduction band splitting in silicon [11]

Figure 4-5 Energy alignment of the Si conduction band with and without the tensile strain [18]

Figure 4-6 Simplified hole valence band structure for longitudinal in plane direction [20]

Page 35: Thesis

23

enhancement at higher fields was due to reduction in the separation between the light hole and heavy hole bands (ΔLH‐HH) [16].  

4.4 Strained Silicon-on-Insulator Strained Si‐on‐insulator MOSFETs can be fabricated from strained silicon grown on relaxed Si1‐

xGex  ‐on  insulator  (SGOI) substrates  [20]. SGOI can be achieved via several approaches such as 

“etch‐back”  and  “smart‐cut”  processes  [20],  SIMOX  technology  [21]  and  Ge  condensation 

techniques.  [22]  The  presence  of  the  SiGe  layer  in  strained‐silicon  substrate  leads  to  several 

challenges  related  to materials  and  integration,  such  as  a  high  density  of  defects  in  strained 

silicon on  relaxed SiGe  induced by  the strain  relaxation  in SiGe and a substantial difference  in 

doping  diffusion  property  in  SiGe.  (Boron  diffusion  is  retarded, whereas  arsenic  diffusion  is 

enhanced as compared with the diffusion in silicon.) Such challenges require additional efforts in 

junction engineering to control SCEs and to set the device threshold voltage to the desired value. 

Substantial device  self‐heating  is  also observed  in  strained  silicon/SiGe devices because of  the 

lower thermal conductivity in SiGe. Recently, Rim et al. [23] demonstrated transistors using ultra 

thin strained silicon directly on insulator (SSDOI) structures that eliminate the SiGe layer before 

transistor  fabrication,  thereby  providing  higher  mobility  while  mitigating  the  SiGe‐induced 

material and process  integration problems. An SSDOI structure  is fabricated by a  layer‐transfer 

or ʺwafer‐bondingʺ technique. First, an ultra thin layer of strained silicon is formed epitaxially on 

a relaxed SiGe layer, and an oxide layer is formed on top. After hydrogen is implanted into the 

SiGe  layer,  the wafer  is  flipped and bonded  to a handle substrate. A high‐temperature process 

splits away most of the original wafer and  leaves the strained‐silicon and SiGe  layers on top of 

the  oxide  layer.  The  SiGe  is  then  selectively  removed  and  transistors  are  fabricated  on  the 

remaining ultra  thin strained‐silicon. A fabricated SSDOI device structure  is shown  in Fig. 3 A. 

Both electron and hole mobility enhancement have been observed, which indicates that strain is 

retained after the device‐processing steps have been completed [23].   

4.5 Modeling Strain in this work The  crystalline oxide used as  template  for growing  silicon on  top  is  closely  lattice matched  to 

silicon. While LaAlO3 has a  lattice parameter of 3.8Aº, SrTiO3 has  lattice parameter of 3.9Aº as 

opposed to 5.43Aº of silicon. There  is evidence that when SrTiO3 and LaAlO3 are grown on Si, 

Page 36: Thesis

24

then the SrTiO3 or LaAlO3 cube rotates 45° with respect to the Si cube, so the ʺeffectiveʺ lattice 

mismatch with Si is small. This is because the effective lattice parameter will now be sqrt (2) times 

the actual value. For this reason when Si is grown on top of SrTiO3 it will see a lattice parameter 

of 5.5Aº which is larger than 5.43A and therefore if the template is relaxed, silicon will get tensile‐

strained. The strain component would be similar to one that results when silicon is grown on top 

of  relaxed  SiGe.  Strain  in  this  novel  substrate will  be  advantageous  over  that  in  SiGe  based 

substrates since much of the problems associated with SiGe buffer layer will be eliminated. 

 

The silicon body is therefore modeled to be under biaxial tensile strain. Modeling is done using 

Sentaurus Device from Synopsys. A material called ‘StrainedSilicon’ is used for the silicon body 

and a corresponding parameter file  ‘strainedsilicon.par’  is used. The amount of strain added to 

silicon channel is same as that would result in silicon grown over SiGe alloy with 20% Ge content. 

The strain is assumed to be constant irrespective of the template layer thickness. Also the strain 

has not been calibrated with experimental results. The strain‐dependent mobility model used is 

only  as  good  as  claimed  by  the  TCAD  software.  The  device  simulations  therefore  will 

characterize a strained‐silicon on insulator device. In order, to see the effect of modeled strain on 

device performance, simulations are performed and discussed in next section.   

4.6 Simulation Results In this section, the strain modeled in the silicon channel is characterized. In order to establish the 

effect of strain on  the device performance, simulations are done with and without strain  in  the 

silicon channel and the pros and cons of adding strain are analyzed.  

4.6.1 Simulation Setup

The  device  structure  is  same  as  discussed  in  Chapter  3.  The  silicon  body  is  7nm  thick  and 

undoped. The gate‐stack consists of metal‐gate/HfO2. The metal workfunction is 4.53eV. EOT for 

gate  oxide  is  9Aº.  The  template  is  5nm  thick  with  a  dielectric  constant  of  k=28.  The  SiO2 

underneath is 15nm thick. The source and drain are n+ doped with concentration 1E20 cm‐3. The 

substrate is p‐type and lowly doped 1E15cm‐3. The source and substrate are tied to ground. Drain 

is connected to supply voltage of 1V. 

Page 37: Thesis

25

4.6.2 Strain and Drive Current

Figure  4‐7  shows  the  Id‐Vg  curves  for  a  25nm gate‐length device. On‐state  current,  Ion,  for  a 

device with  strained  channel  is  1.87mA/um  compared  to  1.69mA/um  for  the  device without 

strain  in channel. At  this gate  length, strain results  in 11%  increase  in drive current. Figure 4‐8 

shows  the  Id‐Vg curves  for a 15nm gate‐length device. On‐state current,  Ion,  for a device with 

strained channel is 3.16mA/um compared to 2.59mA/um for the device without strain in channel. 

At  this gate  length, strain  results  in 22%  increase  in drive current.   Figure 4‐9a plots  the drive 

current  for  different  channel  lengths.  Since,  Ion  is  inversely  proportional  to  gate  length;  it 

increases as channel length decreases. The benefit of adding strain is visible at every gate length 

as a higher value of Ion. 

4.6.2 Strain and Leakage Current

From Figure 4‐7 and Figure 4‐8, it can be seen that off‐state leakage current defined as the drain 

current at zero bias is also significantly larger for the device with channel under strain. For 25nm 

device, while  Ioff  for device with  strained  silicon  is  1.03E‐4A/um,  it  is  5.06E‐5A/um  for device 

without  strained  channel.  For  15nm  gate  length,  Ioff  is  8.97E‐4A/um  for  device with  strained 

silicon  and  5.73E‐4A/um  for  device without  strained  silicon.  Thus,  the  enhancement  in  drive 

current with strain in channel comes at the cost of increased leakage current. Figure 4‐9b plots the 

Ioff versus gate length. As channel length decreases, Ioff increases because of increased proximity 

of  source  and  drain  and  added  short  channel  effects  such  as  drain‐induced  barrier  lowering 

(DIBL). Device with strain in silicon channel results in a larger Ioff at every gate length compared 

to device without strained channel.   

4.6.2 Strain and Threshold Voltage

The increase in the Ioff by adding strain to silicon channel can be explained by a decrease in the 

threshold  voltage.  Figure  4‐10a  plots  the  saturation  threshold  voltage  of  the  device with  and 

without  strain  in  silicon  channel  versus  the  gate  length.  As  can  be  seen,  strain  results  in  a 

decrease  in  threshold  voltage.  Since  Ioff  varies  exponentially  with  threshold  voltage,  Ioff 

increases as channel length decreases. The smaller Vt of devices with strain is a major concern for 

device design. Since,  it requires more stringent conditions  for  to set  the  threshold voltages  to a 

level desired and thereby mitigate short channel effects. 

Page 38: Thesis

26

a) b)

Figure 4-7 Id-Vg curves for Lg =25nm with and without strain in Si channel a) linear b) log scale

a) b)

Figure 4-8 Id-Vg curves for Lg =15nm with and without strain in Si channel a) linear b) log scale  

Page 39: Thesis

27

The threshold voltage is lower for strained Si due to its smaller bandgap (commonly assumed), 

electron affinity change and band offset between SS and SiGe. The narrowing of bandgap is given 

by, 

 

ΔEg (SS) = Eg (Si) – Eg (SS)  = 0.4x (eV) [24][25] 

The shift in Vt of a NMOS device due to strain is given as [26], 

ΔVt (SS) = ‐ΔEc – (m‐1) ΔEg (SS)  + (m‐1) (kT/q) ln (Nv‐Si / Nv‐SS ) 

where –ΔEc = χSi – χSS represents conduction band lowering in the SS and m is the body‐effect 

coefficient with value between 1.3 and 1.4 for nanoscale devices  

4.6.3 Strain and Drain-Induced barrier Lowering

Figure  4‐10b  plots  drain‐induced  barrier  lowering  (DIBL)  versus  the  channel  length. DIBL  is 

measured as the difference in measured threshold voltage at drain bias of 0.1V and 1V. As can be 

seen,  strain  doesn’t  affect  DIBL.  Even  though  strain  lowers  the  threshold  voltage,  it  doesn’t 

impact DIBL. It has been shown in [27] that strain doesn’t worsen the short channel effects. What 

causes a  lower DIBL  in strained‐Si on SiGe substrates  is the difference  in permittivity of silicon 

and SiGe. However,  if SiGe  is assumed to have same permittivity as that of Si, the two devices 

with  and without  strain would  result  in  same DIBL which  is  inline with what  Figure  4‐10b 

suggests. 

4.7 Conclusion

From  performance  perspective,  strained  silicon  channel  is  advantageous  as  it  results  in  an 

increased  drive  current. However,  because  of  band  splitting  that  occurs,  threshold  voltage  is 

lowered.  This  results  in  an  increase  in  the  off‐state  leakage  current.  Threshold  voltage  is  an 

important  device  parameter  and  its  control  becomes more  critical  for  strained  silicon  based 

devices. Generally  an  increase  in  threshold  voltage  is  needed  to  bring  the down  the  off‐state 

current to a level desired. Since, Vt of strained‐silicon devices is lower, more stringent control of 

Vt  is  required.  It has been  shown  that  strain doesn’t  affect DIBL. However, when  it  comes  to 

achieving an ITRS projected leakage current value; a lower Vt does pose a greater device design 

challenge.  

Page 40: Thesis

28

a) b)  

Figure 4-9 a) Ion and b) Ioff versus channel length for device with and without strain in Si channel

a) b)  

Figure 4-10 a) Threshold voltage and b) Drain induced barrier lowering (DIBL) versus channel length for device with and without strain in Si channel

Ion Vs Channel Length

0

1

2

3

4

5

6

10nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length

Ion

(mA

/um

) unstrained Si

strained Si

Ioff Vs Channel Length

1.0E-10

1.0E-08

1.0E-06

1.0E-04

1.0E-02

10nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length

Ioff

(A/u

m)

strained Si

unstrained Si

Threshold Voltage Roll Of Trend

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 20 40 60 80

Channel length (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

unstrained Sistrained Si

DIBL Effect

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

10 100 1000

Channel Length (nm)

Vt s

hift

(V) unstrained Si

strained Si

Page 41: Thesis

29

4.8 References  [1]  H.‐S.  Wong,  D.  Frank,  and  P.  Solomon,  “Device  design  considerations  for  double‐gate, ground‐plane,  and  single‐gated  ultra‐thin  SOI  MOSFETʹs  at  the  25  nm  channel  length generation,” Proc. Int. Electron Devices Meeting, pp. 407, 1998. [2]  L.  Ge,  J.  G.  Fossum,  and  B.  Liu,  “Physical  compact  modeling  and  analyses  of  velocity overshoot in extremely scaled CMOS devices and circuits,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, pp. 2074–2080, Sept. 2001. [3] R. H. Dennard,  F. H. Gaensslen, H. N. Yu, V. L. Rideout, E.  Bassous,  and A. R.  LeBlanc, “Design of  ion‐implanted MOSFETʹs with very  small physical dimensions,”  IEEE  J. Solid‐State Circuits, vol. SC‐9, pp. 256, 1974. [4] S.  Ito, H. Namba, K. Yamaguchi, T. Hirata, K. Ando, S. Koyama, S. Kuroki, N.  Ikezawa, T. Suzuki, T. Saitoch, and T. Horiuchi, “Mechanical stress effect of etch‐stop nitride and its impact on deep submicron transistor design,” in IEDM Tech. Dig., 2000, pp. 247–250. [5] A. Shimizu, K. Hachimin, N. Ohki, H. Ohta, M. Koguchi, Y. Nonaka, H. Sato, and F. Ootsuka, “Local mechanical‐stress control (LMC): A new technique for CMOS,” in  IEDM Tech. Dig., 2001, pp. 19.4.1–19.4.4 [6] R. Bianchi et al., “Accurate modeling of trench isolation induced mechanical stress effects on MOSFET electrical performance,” IEDM Tech. Dig., 2003, pp.117‐120 [7] Moroz et al., “The Impact of Layout on Stress‐Enhanced Transistor Performance,” Int. Conf. SISPAD, 2005, pp. 143‐146 [8] Moroz et al., “Analyzing strained‐silicon options for stress‐engineering transistors,” Solid State Technology, Jul2004, Vol. 47 Issue 7, p49‐52 [9] T. Ghani,  et  al.,  ʺA  90nm High Volume Manufacturing Logic Technology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained Silicon CMOS Transistors,ʺ Proc. IEDM, pp. 978–980, 2003. [10] S.E. Thompson,  et  al.,  ʺA Logic Nanotechnology Featuring Strained‐silicon,ʺ  IEEE Electron Dev. Lett., Vol. 25, No. 4, pp. 191–193, 2004. [11]  K.  K.  Rim,  J.  L. Hoyt,  and  J.  F.  Gibbons,  ʺFabrication  and  analysis  of  deep  submicron strained‐Si N‐MOSFETʹs,ʺ IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 47, pp. 1406‐1415, 2000. [12] L. Geppert, “The Amazing Vanishing Transistor Act,” IEEE Spectrum, pp. 28‐33, vol. 39, no. 10, 2002. [13] J. Welser, J. L. Hoyt, and J. F. Gibbons, ʺNMOS and PMOS transistors fabricated in strained silicon/relaxed silicon‐germanium structures,ʺ Electron Devices Meeting, 1992. Technical Digest., International [14] H. S. P. Wong, ʺBeyond the conventional transistor,ʺ IBM Journal of Research and Development, vol. 46, pp. 133‐168, 2002 [15]  J. L. Hoyt, H. M. Nayfeh, S. Eguchi,  I. Aberg, G. Xia, T. Drake, E. A. Fitzgerald, and D. A. Antoniadis, ʺStrained silicon MOSFET technology,ʺ presented at Electron Devices Meeting, 2002. IEDM ʹ02. Digest. International, 2002. [16] M. V.  Fischetti, Z. Ren,  P. M.  Solomon, M. Yang,  and K. Rim,  ʺSix‐band  k  center  dot  p calculation of  the hole mobility  in  silicon  inversion  layers: Dependence on  surface orientation, strain, and silicon thickness,ʺ Journal of Applied Physics, vol. 94, pp. 1079‐1095, 2003 [17] R. People, ʺPhysics and Applications of GexSi1‐X/Si Strained‐Layer Heterostructures,ʺ IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 22, pp. 1696‐ 1710, 1986. [18] S. I. Takagi, J. L. Hoyt, J. J. Welser, and J. F. Gibbons, ʺComparative study of phonon‐limited mobility of two‐dimensional electrons  in strained and unstrained Si metal‐oxide‐semiconductor field‐effect transistors,ʺ Journal of Applied Physics, vol. 80, pp. 1567‐1577, 1996. 

Page 42: Thesis

30

[19] T. Vogelsang  and K. R. Hofmann,  ʺElectron‐Transport  in  Strained  Si Layers  on  Si1‐XGex Substrates,ʺ Applied Physics Letters, vol. 63, pp. 186‐188, 1993. [20]  S.  Takagi,  N.  Sugiyama,  T. Mizuno,  T.  Tezuka,  and  A.  Kurobe,  ʺDevice  structure  and electrical  characteristics  of  strained‐Si‐on‐insulator  (strained‐SOI) MOSFETs,ʺ Materials  Science and Engineering B‐Solid State Materials for Advanced Technology, vol. 89, pp. 426‐434, 2002. [21] D. Hisamoto, T. Kaga, Y. Kawarnoto, E. Takeda, IEDM Tech. Dig. 1989. [22] X. Huang et al., IEDM Tech. Dig. 1999, 67 (1999) [23] K. Rim et al., IEDM Tech. Dig. 2003, 49, (2003). [24]  G.  Armstrong  and  C.Maiti,  “Strained‐Si  channel  heterojunction  P‐MOSFETs,”  Solid‐State Electron., vol. 42, pp. 487–498, Apr. 1998. [25]  T.  Numata  et  al.,  “Control  of  threshold  voltage  and  short  channel  effects  in  ultra‐thin strained‐SOI CMOS,” in Proc. IEEE Int. SOI Conf., Sep. 2003, pp. 119–121. [26] W. Zhang and J. Fossum, “On the threshold voltage of strained‐Si‐Si1‐xGex MOSFETs,” IEEE Trans. Electron. Devices, vol. 52, no. 2, pp. 263‐268, 2005. 

Page 43: Thesis

31

Chapter 5 Initial Device Design 5.1 Introduction This chapter describes the results of initial simulation of device based on Floating Epitaxy SOI or 

epitaxial buried oxide. The goal of  the simulation  is  to evaluate  the device performance and  to 

know how far off the performance  is from corresponding ITRS projection, for different channel 

lengths. Also  it  is desirable  to  know how  the device performs  compared  to  the  standard  SOI 

device. The chapter also helps  to understand  the effect of  template  layer  thickness and channel 

length on device performance. Accordingly, device parameters would be re‐modeled to suppress 

short channel effects and achieve ITRS projected values. 

5.2 Simulation Setup Figure 5‐1 shows the device based on the epitaxial buried oxide which is simulated. The template 

thickness  is varied from 5nm down to 2nm. The permittivity of template is assumed to be 28.0. 

The thickness of SiO2 underneath the template is such that the total insulator thickness is constant 

at 15nm. Since, the short channel effects are a function of buried oxide thickness, it’s best to keep 

it constant so that the effect of template material and thickness becomes clear. The substrate is p‐

type and lowly doped with concentration 1E15cm‐3. The silicon body is 7nm thick and undoped. 

The gate stack comprises of metal/HfO2. Metal Workfunction is set at 4.53eV. The silicon channel 

is assumed to be under biaxial tensile strain as discussed in Chapter 4. For simulation, the source 

and substrate are connected to ground. Drain is biased at 1V. The gate voltage is swept from 0V 

to 1V and device parameters such as threshold voltage, off‐state current and on‐state current are 

extracted  from  Id‐Vg  plots.  The  channel  length  is  varied  from  60nm  down  to  10nm.    The 

performance of  the epitaxial oxide based device  (epi‐SOI) at every channel  length  is compared 

with that of standard SOI device in Figure 5‐2. The standard SOI device has a uniform 15nm thick 

SiO2 as buried oxide. Also, the silicon body is assumed to be under no added biaxial tensile  

Page 44: Thesis

32

Figure 5-1 Epitaxial-oxide based SOI device (eSOI)

Figure 5-2 Standard SOI device or the ‘Core device’  

Page 45: Thesis

33

strain. Other than this, the device architecture is the same.  The device in Figure 5‐2 is referred to 

as ‘core device’.  

5.3 Simulation Results  

Figure  5‐3  through  Figure  5‐8  plot  the  threshold  voltage,  off‐state  current  (Ioff0  and  on–state 

current  (Ion)  as  a  function  of  template  thickness  for  a  range  of  channel  length  from  60nm  to 

10nm. The results are discussed in the following sections. 

 

5.2.1 Template Thickness Effect The effect of template thickness on device performance is summarized below.  1. For  all  channel  lengths,  the  threshold voltage  increases  as  template  thickness decreases. As 

template thickness decreases, the thickness of SiO2 beneath increases. This is because total buried 

oxide  (BOX)  thickness  is a constant 15nm. Because SiO2 now comprises of a greater  fraction of 

BOX  thickness  the  effective  dielectric  constant  of  the  BOX  is  lowered.  A  lower  permittivity 

(lower‐k) BOX  reduces  the coupling of  field  lines  from drain  to channel via  the BOX,  thereby, 

reducing the short channel effects. Consequently threshold voltage  is higher.   Figure 5‐9 shows 

the potential contours  in  the buried oxide of a 30nm and 10nm epi‐SOI device with 5nm  thick 

template. As  can be  seen,  the  equipotential  contours  in  the BOX are not parallel  to body/BOX 

interface  and  couple drain  to  channel.   This  bring  back  interface  between  the  body  and BOX 

under  conduction worsening DIBL. Reducing  the BOX permittivity  reduces  this  coupling  and 

improves short channel effects. More will be discussed on this in Chapter 8. 

 2. For all channel lengths, the off‐state current decreases as template is made thinner.  This is due 

to reduced short channel effects mainly DIBL  through BOX and resulting  increase  in  threshold 

voltage.  

 3. The on‐state  current decreases  as  template  thickness decreases.   This  is because  a  larger Vtt 

results in smaller Ion since Ion depends on Vt as (Vgs‐Vt)2 

 

 

Page 46: Thesis

34

 

0.5

0.53

0.56

5nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

epi-SOI

Core Vt = 0.551

1.0E-11

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-085nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOI

Core Ioff = 7.48E-11A

0.85

0.88

0.91

0.94

0.97

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA

) epi-SOICore Ion = 0.88mA

Figure 5-3 Lg = 60nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device

0.47

0.49

0.51

0.53

0.55

5nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Thre

shol

d V

olta

ge (V

)

epi-SOICore Vt=0.526

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-065nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOICore Ioff = 5.3E-10A

1.03

1.07

1.11

1.15

1.19

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA) epi-SOI

Core Ion = 1.05mA

Figure 5-4 Lg = 45nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device  

 

Page 47: Thesis

35

 

0.35

0.4

0.45

0.5

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

epi-SOICore Vt=0.474

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-035nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOICore Ioff = 9.5E-8A

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA)

epi-SOICore Ion = 1.34mA

Figure 5-5 Lg = 30nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device

0.25

0.33

0.41

0.49

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Thre

shol

d V

olta

ge (V

)

epi-SOICore Vt=0.43

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-035nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOI

Core Ioff = 1.87uA

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA

)

epi-SOI

Core Ion = 1.51mA

Figure 5-6 Lg = 25nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device  

Page 48: Thesis

36

2.9

3.6

4.3

5

5.7

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA) epi-SOI

Core Ion = 3.71mA

2

2.4

2.8

3.2

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA

) epi-SOICore Ion = 2.3mA

 

 

Figure 5-7 Lg = 15nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device

 

 

 

 Figure 5-8 Lg = 10nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device

 

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-025nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOI

Core Ioff = 0.27mA

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-025nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(mA

/um

)

epi-SOI

Core Ioff = 1.24mA

Page 49: Thesis

37

Figure 5-9a Equipotential Contours in 30nm epi-SOI device with 5nm thick template

Figure 5-9b Equipotential Contours in 10nm epi-SOI device with 5nm thick template

Page 50: Thesis

38

4. For any template thickness, the core device results in a larger threshold voltage and therefore a smaller 

off‐state current and a larger on‐state current. Since the core device has SiO22 as buried oxide, the lower 

permittivity of SiO2 results in lesser DIBL through Box and reduced short channel effects imply a higher 

threshold voltage. The effect of BOX permittivity will be discussed in Chapter 8. 

 

Figure  5‐10a  plots  threshold  voltage  versus  template  thickness  for  a whole  range  of  channel  lengths. 

Figure  5‐10b  and Figure  5‐10c do  the  same  for  Ioff  and  Ion  respectively. Some key observations  from 

these plots are, 

 

1. Vt increases almost linearly, for any channel length, as template is made thinner. The increase in Vt as 

template thickness decreases from 5nm to 2nm, is more for short channel devices (Lg = 25nm and 30nm) 

and lesser for longer devices (Lg=45nm and 60nm) 

 

2. For a device with same  template  thickness, Vt  is more  for  long channel devices and  falls as channel 

length decreases. For a device with same template thickness, say 5nm, the decrease in Vt as Lg reduces 

from  60nm  to  45nm  is much  smaller  than  the decrease  in Vt  as  channel  length  reduces  by  the  same 

amount, 15nm from 45nm to 30nm. This is attributed to the threshold voltage roll‐off effect. 

 

3. The decrease  in  Ioff with decreasing  template  thickness  from 5nm  to2nm,  is more  for  long  channel 

devices  (Lg = 45nm and 60nm) and  lesser  for shorter devices  (Lg=25nm and 30nm). This  is because Vt 

falls rapidly for shorter devices therefore Ioff increases less rapidly. The fact that Ioff is nearly constant for  all  template  thicknesses  for  10nm  and  15nm  channel  length  devices  shows  that Vt  changes more 

rapidly with template thickness for these lengths.   

 

4.  For  a device with  same  template  thickness,  say  5nm,  Ioff  increases  as  channel  length  reduces. The 

increase per 5nm decrease  in channel  length  is  larger  for  longer channel devices and smaller  for  short 

channel devices. Since Vt fall more rapidly for short channel length devices, Ioff increases slowly for short 

channel devices and rapidly  for  longer channel devices. For  this reason,  the  increase  in  Ioff as channel 

length decreases from 30nm to 25nm is more as compared to the increase as channel length decreases fall 

from 15nm to 10nm.

Page 51: Thesis

39

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

5nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

Lg = 60nmLg = 45nmLg = 30nmLg = 25nm

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1.0E+005nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m) Lg = 60nm

Lg = 45nmLg = 30nmLg = 25nmLg = 15nmLg = 10nm

a) b)

0

1

2

3

4

5

6

5nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ion

(mA

)

Lg = 60nmLg = 45nmLg = 30nmLg = 25nmLg = 15nmLg = 10nm

c)

Figure 5-10 a) Threshold Voltage b) Off-state current and c) on-state current versus Template Thickness

Page 52: Thesis

40

5.2.2 Channel Length Effect  

Figure  5‐11  plots  the  variation  of  threshold  voltage,  off‐state  current  and  on  state  current 

respectively with channel  length. Threshold voltage  falls more rapidly at short channel  lengths 

because of Vt‐roll off effect. The difference between Vt for different template thicknesses becomes 

more for short channel devices. For this reason, the off‐state current doesn’t change much with 

template  thickness  for  10n  and  15nm  devices.    Both  Ioff  and  Ion  increase  as  channel  length 

decreases. The change in Ion with change in template thickness is very small. The change in Ioff 

with change in template thickness becomes small only at small channel lengths. 

 

5.2.3 ITRS and Device Performance  

Figure  5‐12  plots  Ioff  and  Ion  for  different  channel  lengths  and  compares  it with  ITRS High 

Performance Logic projected values. The parameter on x‐axis  is  the device physical gate  length 

and  for  long  channel  devices  older  versions  of  ITRS  were  used  to  obtain  the  performance 

projections.  The ultimate goal is to achieve ITRS projections for all channel lengths and engineer 

the device accordingly. Instead of Ion or Ioff, Ion/Ioff ratio is a better metric for evaluating device 

performance. The  Ion/Ioff ratio  is plotted  in Figure 5‐13s. The key observation  is  that  for 60nm 

and longer channel length devices, the epitaxial oxide based device under investigation meets the 

ITRS  requirements  for  Ion/Ioff  ratio  irrespective  of  the  template  thickness.  For  45nm  channel 

length, ITRS projections are met except for 5nm thick template. However, as channel length scales 

below  45nm, device performance  is off  from  ITRS projection by  a big margin  for  all  template 

thicknesses.  The  device  below  45nm  therefore,  needs  to  be  re‐engineered  to  meet  ITRS 

projections.  

 

 5.4 Conclusion and Next  

A thinner template yields a smaller Ioff and is better suited to meet ITRS requirements. However, 

for very  small channel  lengths, 15nm and below,  the effect of  template  thickness becomes  less 

and  performance  for  different  template  thicknesses  becomes  comparable.  The  epitaxial‐oxide 

based device performs worse than standard SOI device because of a larger thickness and smaller 

permittivity of SiO2. The device under investigation meets the ITRS projections for 60nm channel  

Page 53: Thesis

41

0.05

0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

5nm4nm3nm

2nmCore Device

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-0210nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Ioff

(A)

5nm4nm3nm2nmCore Device

a)                                                                                                                           b) 

0

1

2

3

4

5

6

10nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Ion

(mA

)

5nm4nm3nm2nmCore Device

c) 

Figure 5-11 a) Threshold Voltage b) Off-state current and c) on-state current versus Channel Length

Page 54: Thesis

42

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-0210nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Ioff

(A/u

m)

5nm4nm3nm2nmITRS HP

0

1

2

3

4

5

6

10nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Ion

(mA)

5nm4nm3nm2nmITRS HP

Figure 5-12 a) Ioff b) Ion comparison with ITRS High Performance Logic Projections

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

10nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Ion/

Ioff

5nm4nm3nm2nmITRS HP

Figure 5-13 Comparison of device Ion/Ioff ratio and ITRS High Performance Logic projections

Page 55: Thesis

43

length device however below 45nm regime; there is a big offset from projections for any template 

thickness. Thus, device design parameters such as silicon body thickness, buried oxide thickness, 

gate workfunction and others must be re‐engineered to suppress short channel effects and meet 

ITRS  requirements  for  sub‐45nm  channel  length  devices.  In  the  following  chapters,  device 

alterations to reduce short channel effects will be investigated.

Page 56: Thesis

44

Chapter 6

Ground Plane Concept 6.1 Introduction From previous chapter we have seen that for SOI device to scale below 45nm gate length, short 

channel  effects  need  to  be  suppressed.  The  ultimate  SOI  device  would  be  a  double‐gate  or 

multiple‐gate device. However because of the processing issues involved, these devices are hard 

to  fabricate. A ground‐plane device  is  a  compromise between  the  single‐gate  and double‐gate 

device and effective in suppressing short channel effects. This chapter describes the concept and 

advantages of ground‐plane device. The ground‐plane device is simulated for the whole range of 

channel  length and reduction  in off‐state  leakage current and  improvement  in  Ion/Ioff ratios  is 

highlighted. 

6.2 Ground Plane Concept A major cause of short channel effects  in sub‐100nm  fully depleted SOI devices  is attributed  to 

the fringing electric field lines in the buried oxide and substrate (Figure 6‐1).   [1] The biasing of 

drain causes field lines emanating from drain. While the channel is shielded from these field lines 

at  the  top by  the gate  electrode,  the  field  lines penetrate  laterally  through  the body  and  from 

underneath  through  the  buried  oxide  and  underlying  substrate.  The  field  lines  through  the 

buried oxide and substrate couple the drain to body potential and cause parasitic back‐channel 

conduction. There occurs a peak  in  the potential at body/BOX  interface and a potential  rise  in 

substrate as well. [1][2] The back channel is driven from depletion to weak inversion and due to 

interface coupling the threshold voltage is lowered. This degrades subthreshold slope and results 

in  severe  drain‐induced  barrier  lowering. According  to  [2]  the  effect  is  referred  to  as  ‘drain 

induced  virtual  substrate  biasing’ where  drain  acts  a  positively  biased  back‐gate.  Figure  6‐2 

shows fringing field lines in the buried oxide, which are highly deformed and not parallel to the 

body/BOX interface. It is indicative of the fact that the back channel potential is governed by the  

Page 57: Thesis

45

Figure 6-1 Schematic of fringing fields in SOI device [3]

Figure 6-2 Electrostatic Potential Contours in the BOX and substrate of a SOI device [4]

Figure 6-3 Ground-Plane structures [1] [3] [6]  

Page 58: Thesis

46

drain  rather  than  the  substrate.  In  other  words,  the  2D  drain/source  to  body  capacitances 

dominates over the 1D body‐substrate capacitance. The drain influence on body potential can be 

reduced by BOX  thickness  scaling or  reducing  the BOX permittivity. Both  these effects will be 

discussed  in chapter 8 however the effect of both of them  is enhanced by employing a ground‐

plane. 

 Ground‐plane has been proved effective in suppressing short channel effects [4] [5]. It refers to a 

conducting surface beneath the buried oxide. Typically a single p+ implant located in the buried 

oxide aligned with the gate‐oxide or two p+ implants located under the source and drain serve as 

ground‐plane structures (Figure 6‐3).  The doping in ground‐plane electrode is at least 1E18cm‐3. 

A highly conducting surface acts as an electric field stop and shields the fringing field lines from 

drain from coupling to channel. When the substrate is lowly doped, depletion region in substrate 

is large and adds to the effective buried oxide thickness. Employing a ground plane suppresses 

substrate depletion and prevents drain‐induced conduction of back channel.  

 

6.3 Ground Plane Vs Classical SOI Figure 6‐4 shows potential contours in fully depleted SOI device‐ classical SOI and ground‐plane 

SOI  device.  The  ground  plane  is  located  under  the  gate  and  results  in  reduced  electric  field 

penetration  in  the  buried  oxide  and  sunstrate.  Figure  6‐5  shows  the  electrostatic  potential 

variation  along  the  vertical  axis  for  80nm  SOI  device with  20nm  thick  silicon  film with  and 

without ground plane. The peak in potential in BOX and raise in potential in substrate occurs due 

to  fringing  fields  from  drain.  The  peak  is  lowered  and  substrate  potential  is  reduced  by 

employing a ground plane. Figure 6‐5b  suggests  that a  combination of ground plane and  thin 

buried  oxide  completely  suppresses  the  peak  in  potential  and  almost  completely  suppresses 

DIBL  through BOX. The  first ground‐plane FDSOI  [7] was  fabricated on  a  140nm  long device 

with 150nm thick BOX and 80nm thick silicon film. The substrate concentration was 1E15cm‐3 and 

ground  plane was  doped  5E18cm‐3.  The  key  processing  steps  are  shown  in  Figure  6‐6. After 

forming the shallow trench isolation a dummy nitride gate is formed and PSG is deposited. CMP 

is used to form an inverse print of the gate. The nitride is etched and boron is implanted to form 

the self‐aligned ground plane. The nitride  is removed and polysilicon deposition and CMP are 

Page 59: Thesis

47

used to form the gate. The PSG is removed finally to allow for source and drain formation. Figure 

6‐7  

a)

b)

Figure 6-4 Equipotential contours in a 0.1mm long device with Vg = 0V and Vd = 1.5V. a) Device

without ground plane b) Device with ground plane in substrate under the gate [3]

Page 60: Thesis

48

Figure 6-5 Vertical potential profile in the middle of a 80-nm-long SOI MOSFET with conventional and GP configuration. BOX thickness is (a) 380 nm, (b) 50 nm. Si Film thickness is 20 nm [4]

Figure 6-6 Key processing steps: A: Nitride patterning, B: PSG Deposition and CMP, C: Nitride etch and Boron implant, D: Gate-Oxide growth, polysilicon deposition and CMP [7]

Page 61: Thesis

49

compares  threshold  voltage  roll‐off  and DIBL  trend  for  the  device with  and without  ground 

plane implant. Figure 6‐7 shows the threshold voltage roll‐off and DIBL behavior for device with 

and without  ground  plane  implant.  Significant  reduction  in DIBL  is  observed  in  case  of  the 

ground plane device. 

6.4 Ground Plane Simulation Setup Figure 6‐7 shows the device structure with ground‐plane implant in the BOX under the gate. The 

device parameters are  the same as  in  last chapter. Silicon body  is 7nm  thick and undoped. The 

front gate EOT is 9A°. Gate stack consists of Metal/HfO2. The total buried oxide thickness is 15nm 

and  template  thickness  is  varied.  The  ground‐plane  is  p+  doped  to  concentration  5E18cm‐3. 

Substrate  is  lowly doped 1E15cm‐3 and  connected  to ground.  Id‐Vg  simulations are done with 

drain biased at 1V.  6.5 Simulation Results  

Figure  6‐8 plots vertical  electrostatic potential  across  the  center of  silicon  body  for  25nm  gate 

length device with and without the ground plane. Figure 6‐9 plots the potential contours in Box 

and substrate. Figure 6‐10 through Figure 6‐15 plot the threshold voltage, off‐state current (Ioff) 

and on–state current (Ion) as a function of template thickness for a range of channel length from 

60nm  to  10nm.  Three  device  designs  are  compared‐one  without  ground‐plane,  other  with 

ground‐plane under the gate and third one with continuous ground –plane or a uniformly doped 

substrate of p‐type concentration 5E18cm‐3. The results are discussed in the following sections. 

 

6.5.1 Potential in BOX and substrate In Figure 6‐8, we see that, for the low doped device i.e. device without ground plane, there occurs 

a peak in the potential at the body/BOX interface. This rise in potential in the BOX and also in the 

substrate  is  attributed  to  the  drain‐induced  conduction  of  back  channel.  Figure  6‐9a  shows 

potential contours in the BOX.   The potential lines in the BOX are not parallel to the body/BOX 

interface but highly deformed suggesting the coupling of drain to back channel. In other words, 

the electric field vector points from drain to channel via the BOX. This also means that 2D drain  

Page 62: Thesis

50

a) b)

Figure 6-7 a) Vt roll-off and b) DIBL for device with and without ground plane [7]

Figure 6-8 Simulated vertical potential along the center of silicon body for 25nm long device: low-doped (uniform substrate 1E15cm-3) and ground-plane device. The scale on y-axis is in volts and x-

axis in um  

 

Page 63: Thesis

51

 

a)

b)

Figure 6-9 Simulated potential contours in 25nm long device with 5nm thick template. Drain is biased at 1V and back-gate at 0V a) Device without ground-plane (epi-SOI) b) Device with

ground plane (GP epi-SOI)

Page 64: Thesis

52

to  body  capacitance dominates. On  the  other hand,  for  the  case  of  ground‐plane,  the peak  in 

potential  is  lowered  though  not  completely  suppressed.  The  potential  in  the  substrate  is  also 

lowered. Moreover,  in  Figure  6‐9b,  the  potential  contours  in  the  BOX  are  flat  and  parallel  to 

body/BOX  interface at  least  in the SiO2  layer. This suggests that the drain has lost some control 

over the back channel reducing the DIBL. However, for complete suppression of DIBL, the BOX 

thickness needs to be scaled.  

6.5.2 Template Thickness Effect  From  Figure  6‐10  through  Figure  6‐15,  we  see  that,  the  ground‐plane  improves  device 

performance.  ‘Epi‐SOI’ refers  to  the device without ground plane.  ‘GP epi‐SOI’ refers  to device 

with ground plane aligned with the gate and  ‘GP con epi‐SOI’ refers to device with continuous 

ground plane or uniform substrate of high doping ’. For all channel lengths, ground‐plane results 

in a higher threshold voltage as compared to the device without ground‐plane. This is because of 

the  reduced  short  channel  effects. Consequently,  the  off‐state  current  is  lower  for  the  ground 

plane device. So is the on‐state current though the decrease in Ion is small compared to decrease 

in Ioff. As for the device without ground‐plane, the threshold voltage for ground‐plane increases 

as template thickness decreases. Therefore, Ioff and Ion both decrease with decreasing template 

thickness.  For  60nm  to  25nm  channel  length  devices,  the  reduction  in  Ioff  caused  by  ground 

plane is almost an order of magnitude. However for 15nm and 10nm long devices, the reduction 

is  not  significant.  This means  that  ground‐plane  is more  effective  for  long  devices.  And  as 

channel  length  shrinks, additional device alterations  such as BOX  thickness  scaling need  to be 

adopted to further suppress the short channel effects.  6.5.3 Continuous Ground-plane Vs Ground-plane under gate Continuous  ground  plane  refers  to  a  uniform  substrate  of  doping  5E18cm‐3.  To  employ  a 

continuous ground plane would mean to start with a highly conducting substrate and no mask 

set  would  required  for  defining  the  ground‐plane  under  the  gate.  However,  the  ease  of 

fabrication  comes  at  the  cost  of  performance. As  can  be  observed  from  Figures  6‐10  through 

Figures 6‐15,  continuous ground plane  results  in a  larger  Ioff values  compared  to  the ground‐

plane  under  the  gate.  The  reason  is  that  very  high  substrate  doping  increases  the  parasitic 

capacitances  between  the  source/drain  and  substrate  undermining  the  benefits  of  using  SOI 

Page 65: Thesis

53

0.5

0.53

0.56

0.59

0.62

5nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

epi-SOIGP epi-SOIGP Con epi-SOI

1.0E-12

1.0E-11

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-085nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

0.72

0.77

0.82

0.87

0.92

0.97

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

Figure 6-10 Lg = 60nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for device with and without ground-plane

0.47

0.49

0.51

0.53

0.55

0.57

0.59

5nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Thre

shol

d V

olta

ge (V

)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-065nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

0.9

0.94

0.98

1.02

1.06

1.1

1.14

1.18

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

Figure 6-11 Lg = 45nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for device with and without ground-plane

Page 66: Thesis

54

0.35

0.4

0.45

0.5

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Thre

shol

d V

olta

ge (V

)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-035nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

Figure 6-12 Lg = 30nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for device with and without ground-plane

0.25

0.33

0.41

0.49

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Thre

shol

d V

olta

ge (V

)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-035nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

Figure 6-13 Lg = 25nm a) Threshold Voltage b) Ioff c) Ion versus Template Thickness for device with and without ground-plane

Page 67: Thesis

55

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-025nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(A/u

m)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

2.2

2.6

3

3.4

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA)

epi-SOIGP epi-SOiGP con epi-SOI

Figure 6-14 Lg = 15nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device

1.0E-03

1.0E-025nm 4nm 3nm 2nm

Template Thickness (nm)

Ioff

(mA

/um

) epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

4

4.5

5

5.5

5nm 4nm 3nm 2nmTemplate Thickness (nm)

Ion

(mA)

epi-SOIGP epi-SOIGP con epi-SOI

Figure 6-15 Lg = 10nm a) Ioff c) Ion versus Template Thickness for core and new device

Page 68: Thesis

56

material.  [7].  Also  very  high  substrate  doping  increases  body  effect.  The  increased  parasitic 

capacitances lead to greater off‐sate current and reduced speed. For this reason, it is preferred to 

have a ground‐plane structure  in the BOX underneath the gate and keep the substrate as  lowly 

doped. A low doping concentration would keep parasitic capacitances to minimum. 

   6.5.4 Ground-plane Device and ITRS  

Figure 6‐16 shows the Ioff values versus channel length for the device with and without ground‐

plane and how they compare with ITRS projections. The template thickness sis 5nm is all cases. 

Figure 6‐17 does the same for Ion/Ioff ratios. It is to note that the ground‐plane greatly improves 

Ioff  and  Ion/Ioff  ratios  down  to  25nm  channel  length.  For  15nm  and  10nm  length  devices, 

improvement with ground plane  is  small. The device with  continuous ground‐plane performs 

only  slightly worse  than device with  ground‐plane  under  gate. While  the  ITRS  projection  for 

45nm device was not met earlier, it is easily met with ground plane device.  

6.6 Conclusion and Next  

The  ground‐plane  in  the  substrate  underneath  the  gate  reduces  fringing  field  lines  in  the 

substrate from the drain. It causes drain to  lose control over back channel thereby  lowering the 

potential  in Box  and  substrate. The  result  is  a  reduction  in  short  channel  effects mainly DIBL 

through BOX. Simulations show that employing ground plane can help meet ITRS requirement 

with more ease. Thus, from this point on, device with ground‐plane will be considered. The goal 

from  now  on would  be  to  understand  other measures  for  reducing  short  channel  effects  and 

altering device design parameters accordingly  to meet  the  ITRS  specification at all gate  length 

levels. 

 

Page 69: Thesis

57

1.0E-11

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-0210nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Ioff

(A/u

m)

5nm epi-SOI5nm GP epi-SOI5nm GP con epi-SOIITRS HP

Figure 6-16 Comparison of device Ioff values with ITRS High Performance Logic projections for device with and without ground-plane and 5nm thick template

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

10nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nmChannel Length (nm)

Ion/

Ioff

5nm epi-SOI5nm GP epi-SOI5nm GP con epi-SOIITRS HP

Figure 6-17 Comparison of device Ion/Ioff ratios with ITRS High Performance Logic projections for device with and without ground-plane and 5nm thick template

Page 70: Thesis

58

6.7 References [1] T. Ernst and S. Cristoloveanu, “The ground‐plane concept for the reduction of short‐channel effects in fully depleted SOI devices”, Electrochemical Society Proceedings, pp. 329‐334, 1999.  [2] Ernst T, Cristoloveanu  S. Buried oxide  fringing  capacitance:  a new physical model  and  its implication on SOI device scaling and architecture. IEEE Int SOI Conf 1999; 38–9. [3] J.P. Colinge, J.T. Park and C.A. Colinge, “SOI Devices for Sub‐0.1um gate lengths,” Proc. Int. Conf. Microelectronics, 12‐15 May, 2002, pp. 109‐113 [4] T. Ernst, C. Tinella, C. Raynaud,  and  S. Cristoloveanu,  “Fringing  field  in  sub‐0.1 um  fully depleted SOI MOSFETs: Optimization of the device architecture,” Solid State Electron., vol. 46, pp. 373‐378, 2002. [5] W. Xiong and J.P. Colinge, Self‐aligned implanted ground‐plane fully depleted SOI MOSFET, Electronics Letters, Vol. 35, No. 23, IEE, pp. 2059‐60, 1999 [6] Y. Omura,  Silicon‐on‐insulator  (SOI) MOSFET  structure  for  sub‐50‐nm  channel  regime  ,  in Silicon‐on‐Insulator technology and Devices X, Ed. by S. Cristoloveanu, P.L.F. Hemment, K. Izumi, G.K. Celler, F. Assaderaghi and Y.W. Kim, Electrochemical Society Proceedings, Vol. 2001‐3, pp.205‐210, 2001 [7] Xiong W, Ramkumar K,  Jang SJ, Park  J‐T, Colinge  J‐P., “ Self‐aligned ground‐plane FDSOI MOSFET” In: Proc IEEE Int SOI Conf, 2002. p. 23. 

Page 71: Thesis

60

Chapter 7 Suppressing Short Channel Effects 7.1 Introduction Lowering of the threshold voltage as channel length scales is referred to as short channel effects. 

Threshold voltage is reduced by charge sharing and drain‐induced barrier lowering (DIBL) in the 

silicon  film. An  extra  component  of DIBL  results  from  the  fringing  fields  from drain  into  the 

buried oxide  and underlying  substrate. Charge  sharing occurs when  the  charge on  the gate  is 

balanced not only by the semiconductor charge under the gate but also by charge in the source 

and drain depletion regions. Charge sharing is visible in short channel devices even at low drain 

voltages. DIBL on the other hand is attributed to the electrostatic influence of drain on the source 

to  channel  barrier  height. A  high  positive  bias  on  the  drain  causes  field  lines  from  drain  to 

electrostatically couple to the channel, lowering the barrier at source side. This results in greater 

flow of  electrons  from  source  thereby  reducing  the  threshold voltage. Short  channel  effects  in 

fully  depleted  SOI MOSFET  therefore  are  influenced  by  silicon  body  thickness,  silicon  film 

doping, buried oxide material  and  thickness,  substrate doping  and back‐gate bias. As devices 

scale to sub‐100nm regime, several design options need to be considered to effectively control the 

threshold  voltage  and  ensure  short  channel  effects  to  minimum.  In  order  to  scale  with  an 

undoped  silicon  body,  the  gate workfunction  engineering  needs  to  be  adopted.   This  chapter 

discusses several aspects of the FDSOI device that control the threshold voltage.  

7.2 Silicon Channel Doping Effect Doping  the  silicon  channel  reduces  depletion width  under  the  gate  and  increases  threshold 

voltage.  It  shields  the  channel  from  electric  field  lines  from  drain  via  the  silicon  body which 

would  otherwise  lower  the  barrier  for  electrons  to  flow  from  source  to  channel. High  silicon 

channel doping  is an effective way of suppressing short channel effects  for both bulk and SOI 

device. In fact, for bulk devices, it is the last alternative to continue scaling. However, very high 

Page 72: Thesis

61

doping  of  concentration  of  the  order  of  1E19  cm‐3  is  required.  Even  for  short  channel  FDSOI 

devices,  high  channel  doping  is  advantageous. High  channel  doping  also  implies  thin  silicon 

body to ensure full depletion. Figure 7‐1 shows shift in threshold voltage for a 100nm long SOI 

device with  5nm  thick  gate  oxide  and  360nm  thick  buried  oxide  for different  channel doping 

densities. [1] When the silicon film is thick, device is partially depleted (PD) and below a critical 

thickness, full‐depletion occurs. While in PD mode, high doping results in reduced DIBL, in FD 

mode, DIBL is smaller with lighter film doping. The advantage of a thin film SOI device is that 

the channel can be undoped. However, for very small FDSOI devices, channel doping becomes 

necessary  for  threshold  voltage  control.  Figure  7‐2  shows  channel  doping  requirements  for 

FDSOI that are needed to achieve a threshold voltage of 0.25V and DIBL of about 100mV/V. [2] 

The  results  are based on  2D device  simulations using MEDICI. For Leff=28nm,  extremely high 

doping  of  ~1019cm‐3  with  silicon  film  thickness,  TSi<6nm  is  needed.  The  doping  requirement 

reaches 6.5E19cm‐3 for Leff=9nm with TSi=3nm. Recently Lu et al, [3] revised the scaling theory for 

ultra‐thin body SOI MOSEFET. Figure 7‐3 from [3] shows threshold voltage roll‐off for different 

channel  doping.  It  indicates  that minimum  channel  length  set  by  DIBL  of  100mV/V  is  25% 

improved  with  the  channel  doping  concentration  raised  to  1.4E19  cm−3  from  lowly  doped 

3.9E15cm‐3.  Using  Halo  implants  while  keeping  the  channel  undoped  is  another  option  for 

suppressing short channel effects. Simulations in [4] show that strong halo implants results in less 

DIBl than mild halo implants.  Figure 7‐4 from [4] shows suppressed threshold voltage roll‐off for 

stronger halo  implants.   Despite the advantages of high channel doping, utilizing this option  is 

not  viable.    Firstly,  high  channel  doping  results  in  reduced  carrier  mobility.  The  mobility 

reduction  at  high  field  is  attributed  mainly  to  dopant  induced  scattering.  [5]  Reduction  in 

mobility  results  in  reduced  current  drive.  Secondly,  high  doping  causes  increased  threshold 

voltage  fluctuation  due  to  random  dopant  placement  effects.  [6]  Band‐to‐band  tunneling 

associated with strong drain‐halo also causes a considerable off‐state leakage current. Apart from 

above, doping the channel to such high  impurity levels in ultra‐thin silicon films  is also quite a 

challenge.  

7.3 Silicon Film Thickness Effect  Both Figure 7‐1 and Figure 7‐2  indicate  that reducing  the silicon  film  thickness greatly reduces 

short channel effects. This  is the primary advantage of ultra thin body SOI. A thin silicon body 

ensures no path in channel is far away from the gate which has full control over the channel. In  

Page 73: Thesis

62

Figure 7-1 Vt shift Vs TSi for different channel doping [1]

Figure 7-2 MEDICI predicted TSi and channel doping requirements for FDSOI CMOS. Noted front oxide thickness values track SIA ITRS 2001 [2]

Figure 7-3 Threshold voltage roll-off for different channel doping [3] 

Page 74: Thesis

63

other  words,  sub‐surface  leakage  paths  are  eliminated.  A  thin  silicon  body  also  allows  for 

undoped channel and  thus avoids much of  the above mentioned prolems associated with high 

channel doping. Figure 7‐5 shows reduced DIBL and improved subthreshold slope for thinner TSi 

devices.  [2] As TSi  scales  from  10nm  to  5nm, DIBL  is  reduced  from  140mV/V  to  40mV/V  and 

subthreshold swing from 83 to 66mV/decade for Lg=40nm. According scaling theory in [3], two‐

dimensional device simulation shows that for a thin gate insulator, the minimum channel length 

can be expressed as, 

 

( )( )min 4.5 /Si Si I IL T Tε ε≈ +  

 

where TSi  is  the  silicon  thickness,  and  εI  and TI  are  the permittivity  and  thickness of  the gate 

insulator.  This  reduces  to  Lmin≈TSi/4  for  SiO2  as  gate‐oxide  and  Lmin≈TSi/5  for  high‐k  gate 

dielectric. 2D simulations in [2] also predict Lmin≈TSi/5 for conventional thick‐BOX FDSOI device. 

There exists a limit for silicon film thickness scaling.  When the silicon film is too thin, structural 

as well as electric field induced confinement leads to carrier‐energy quantization. [7] The Vt shift 

due to quantum mechanical (QM) confinement increases quadratically with silicon film thickness 

for a given  film  thickness control.  [8] The  threshold voltage uncertainty makes  it  impossible  to 

design  the  device  in  this  regime.  In  Figure  7‐6,  dotted  lines  show  the  Vt  shift  due  to  QM 

confinement  of  thin  silicon  channel.  This  sets  a  lower  limit  of  TSi=4nm  on  silicon  channel 

thickness. Also, a high series resistance of thin silicon channel results in smaller drive current. [7] 

In addition to these quantization effects, it has been observed that carrier mobility decreases with 

decreasing TSi and  is attributed  to higher phonon scattering rates  for spatially confined carriers 

and  also  increases  surface‐roughness  scattering.  [9]  These  effects  limit  silicon  film  thickness 

scaling to about 4nm.    

7.4 Back-gate Bias Effect In FDSOI transistor, because silicon body is thin, there exists electrical coupling between surface 

potentials  at  the  front  and  the  back  interfaces.  [10] As  a  result  of  this  interface  coupling,  the 

threshold voltage is modulated by the back‐gate bias. [11] Several analytical models for threshold 

voltage dependence  on  back‐gate  bias  have  been proposed.  [12][13][14].  Figure  7‐7  shows  the 

theoretical dependence of front gate threshold voltage on back‐gate bias for NMOS device. [12] If  

Page 75: Thesis

64

Figure 7-4 Threshold voltage versus channel length for mild and strong halo implants [3]

Figure 7-5 DIBL and subthreshold swing Vs channel length for different TSi [2]

Figure 7-6 Dependence of Vt and QM shift in Vt on TSi. On right axis is sensitivity of Vt to TSi [8]  

Page 76: Thesis

65

the back‐gate voltage  is negative and  less  than VAGb  the back  surface  is accumulated and back 

surface potential is independent of back gate voltage as is the threshold voltage. For VGb between 

VAGb and VIGb, the back surface is depleted and threshold voltage decreases linearly as back gate 

voltage  increases.  For  VGb>  VIGb,  the  back  surface  is  inverted  and  back  surface  potential  is 

virtually  invariant  so  is  the  threshold  voltage.  Figure  7‐8  shows  experimental  results  for 

threshold voltage variation with back gate voltage for 0.25um and 80nm devices with 20nm thick 

silicon film. [14] The linear decrease of Vt with back‐gate bias VG2 is modeled as, 

( ) ( )21 1 2 2

1 2 2

dep acc accSi oxT T G G

ox ox Si it

C CV V V VC C C C

= − −+ +

Where  Cox1,2  are  front  and  back‐gate  oxide  capacitances,  CSi=εSi/TSi  is  the  depleted  film 

capacitance,  Cit2=qDit2  is  the  back  interface  trap  capacitance,  VaccT1  is  the  front  gate  threshold 

voltage for back channel accumulation, and VaccG2 is the bias below which the back channel will 

always be in accumulation irrespective of VG1. The slope of linear region is named body factor ‘n’ 

and depends on BOX thickness. In Figure 7‐8 change in slope occurs at slightly positive back‐gate 

bias when the back surface is driven from depletion to weak inversion. This leads to degradation 

in subthreshold slope. [8] Figure 7‐9 shows that a more negative back‐gate bias results in reduced 

DIBL.  Thus,  back‐gate  bias  is  an  effective way  of  tuning  the  threshold  voltage  and  thereby 

reducing short channel effects.  7.5 Gate Workfunction Effect A simplified expression for threshold voltage of a FDSOI device is [15], 

 

2 SOI SOIth FB F

OX

qN tV VC

φ= + +  

 

As devices scale, the silicon body thickness scales as well. With the use of high‐k gate dielectrics, 

the  gate‐oxide  capacitance  increases.  It  becomes  difficult  to  control  the  threshold  voltage  by 

changing the impurity concentration of the channel. In fact, in order to avoid the problems  

Page 77: Thesis

66

Figure 7-7 Theoretical dependence of Vt on back-gate voltage [12]

Figure 7-8 Dependence of Vt on back-gate voltage [14]

Figure 7-9 DIBL Vs TSi for different back-gate voltages [8] 

Page 78: Thesis

67

associated  it with high channel doping  it  is preferable  to keep  the channel undoped.  In such a 

case,  gate‐workfunction  engineering  gives  an  option  for  controlling  the  threshold  voltage. 

[16][17] Figure 7‐10 shows the variation of off‐state leakage current for 50nm FDSOI MOSFET for 

different  gate‐workfunction  values.  [17] The  body  is  lightly doped  1E15cm‐3.   The dotted  and 

solid lines mark the targets of ITRS for High performance (HP) and Low Operating Power (LOP) 

applications.  AS  gate‐workfunction  increases,  both  Ion  and  Ioff  decrease  due  to  increase  in 

threshold voltage. For gate materials with higher workfunctions, Ioff decreases more rapidly with 

body  thickness while  Ion  decreases  slowly.  The  ratio  Ion/Ioff  is  plotted  in  Figure  7‐11.  It  is 

observed that for same body thickness, higher workfunction yields greater Ion/Ioff ratio. Thus, a 

larger workfunction is more suited to meet ITRS requirements. Figure 7‐12 shows that increasing 

workfunction suppressing short channel effects. Here, ΔVt is measures as different in threshold 

voltage at drain bias of 0.05V and 1.2V. The Vt of devices with  larger workfunctions  is higher 

which results in smaller DIBL or, ΔVt/Vt. 

7.6 Simulation Setup and Results Two dimensional simulations were performed on the epitaxial oxide based device employing the 

ground plane  implant  in  the  substrate under  the  gate  to  study  the  effects  of  above discussed 

parameters for controlling threshold voltage and suppressing short channel effects. 7.6.1 Varying the silicon film thickness  Two device structures are simulated. The ‘soi’ device is the epitaxial oxide based device without 

ground‐plane and uniformly doped substrate of concentration 1E15cm‐3. The other is the ground‐

plane device with a back‐gate bias of Vbg=‐0.2V. The  template  is 5nm  thick and  the silicon  film 

thickness  is  varied.  The metal workfunction  is  4.7eV. DIBL  is measured  as  the  difference  in 

threshold voltage at drain bias of 0.1V and 1V. Figure 7‐13 plots DIBL versus channel length for 

three different silicon film thicknesses. Evidently, thinner silicon film results in lesser DIBL. Also, 

DIBL for device with ground‐plane is lesser than that without ground‐plane. Thus, both reducing 

the silicon film thickness and employing ground‐plane are effective in suppressing short channel 

effects. Figure 7‐14 and Figure 7‐15 plot threshold voltage roll‐off trend. Delta‐Vt is measured as 

deviation of threshold voltage from its value for a 1um long device. Roll‐off is worse for thicker 

silicon film and improves with ground‐plane. Figure 7‐16 plots subthreshold swing versus  

Page 79: Thesis

68

Figure 7-10 TSi dependence of the off-state current of 50nm UTB device for different ΦM values [17]

Figure 7-11 Ratio of Ion/Ioff pf 50nm UTB device for different TSi and ΦM values [17]

Figure 7-12 Ratio of ΔVt/Vt versus TSi with different ΦM values [17]

Page 80: Thesis

69

   

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

10 100

Channel Length (nm)

DIB

L (D

elta

Vt)

(v)

tsi = 5nm GPtsi = 10nm GPtsi = 15nm GPtsi=5nm soitsi=10nm soitsi=15nm soi

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

10 100 1000

Channel Length (nm)

Del

ta V

t (V)

tsi = 5nm gptsi = 10nm gptsi = 5nm soitsi = 10nm soi

Figure 7-13 DIBL Vs Lg for different TSi for device Figure 7-14 Vt roll-off for TSi =5nm and 10nm for with ground-plane (GP, Vbg=-0.2V) and without device with ground-plane (GP, Vbg=-0.2V) and (soi). Template thickness is 5nm without (soi). Template thickness is 5nm

-0.40

-0.35

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

10 100 1000

Channel Length (nm)

Del

ta V

t (V)

tsi = 5nm gptsi = 15nm gptsi = 5nm soitsi = 15nm soi

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

10 100

Channel Length (nm)

Subt

hres

hold

Sw

ing

(mV/

dec)

tsi = 5nm gptsi = 10nm gptsi = 15nm gptsi = 5nm soitsi = 10nm soitsi = 15nm soi

Figure 7-15 Vt roll-off for TSi =5nm and 10nm for device Figure 7-16 Subthreshold Swing Vs Lg for different with ground-plane (GP, Vbg=-0.2V) and without (soi). TSi for device with and without ground-plane. Template thickness is 5nm Template thickness is 5nm  

 

 

Page 81: Thesis

70

channel  length.  A  thinner  Si  film  results  in  a  better  subthreshold  slope.  The  value  is  about 

70mV/decade  for  ground‐plane  device  for  TSi=5nm  and  begins  to  degrade  substantially  as 

channel  length scales below 20nm. Ground‐plane device though provides a better subthreshold 

characteristic than the device without  it. Figure 7‐17 plots off‐state  leakage current for different 

silicon film thicknesses. As channel length scales, Ioff increases. A thinner silicon body thickness 

results  in a smaller  leakage current. Consequently,  Ion/Ioff  ratio  is  larger  for  thinner Si  film as 

shown in Figure 7‐18. 

7.6.2 Varying the back-gate bias  Figure  7‐19  plots  threshold  voltage  roll‐off  for  TSi=7nm  and  Vbg=‐0.2V,  ‐0.6V  and  ‐1V. Metal 

workfunction is 4.7eV. A negative bias on the back‐gate drives the channel towards accumulation 

and cause the threshold voltage to increase. The back‐gate bias is limited by the magnitude of the 

power supply voltage on the negative end and on the positive end by a value that drives the back 

channel  into  inversion and  leads  to degradation  in  subthreshold  slope. Figure 7‐20 plots DIBL 

versus  channel  length.  Since,  Vbg=‐1V  results  in  a  larger  threshold  voltage,  it  results  in  the 

smallest value of DIBL for any gate length. A more negative bias on the back‐gate also improves 

subthreshold swing as shown in Figure 7‐21. The swing degrades however for sub‐20nm devices. 

Figure 7‐22 and Figure 7‐23 plot variation of Ioff and Ion/Ioff ratio with channel length. A larger 

negative bias results in a smaller Ioff and larger Ion/Ioff value. For 15nm and 10nm gate length 

devices, Ioff and Ion/Ioff values don’t change much with change in back‐gate bias. 7.6.3 Relationship between silicon film thickness and back-gate bias Figure  7‐24 plots  threshold voltage versus back‐gate bias  for TSi=5nm  and  10nm. Vt decreases 

linearly as back‐gate bias increases. At around Vbg=0.2V, there occurs a change in slope when the 

back  channel  is  driven  into weak  inversion.  Beyond  this  point,  the  subthreshold  swing  also 

degrades substantially as shown in Figure 7‐25. Thus, the value of back‐gate bias must lie in the 

range that ensures that the back channel is under depletion. Figure 7‐26 plots DIBL versus back‐

gate voltage. As discussed before, a thinner silicon film and a more negative back‐gate bias result 

in  lesser DIBL. Thus, back‐gate bias  is an essential  feature  for controlling  the  threshold voltage 

and suppressing short channel effects in sub‐100nm FDSOI devices.

Page 82: Thesis

71

Ioff Vs Channel length

1.0E-17

1.0E-15

1.0E-13

1.0E-11

1.0E-09

1.0E-07

1.0E-05

1.0E-03

1.0E-0110 100

Channel Length (nm)

Ioff

(A/u

m)

tsi = 5nmtsi = 10nmtsi = 15nm

Ion / Ioff Ratio

1.0E+02

1.0E+04

1.0E+06

1.0E+08

1.0E+10

1.0E+12

1.0E+14

1.0E+16

10 100Channel Length (nm)

Ion

/ Iof

f (A

/A)

tsi = 5nmtsi = 10nmtsi = 15nm

Figure 7-17 Ioff Vs Lg for different TSi for device with Figure 7-18 Ratio Ion/Ioff Vs Lg for different TSi for ground-plane, Vbg=-0.2V and 5nm thick template device with ground-plane, Vbg=-0.2V and 5nm thick template

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

10 100 1000

Channel Length (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

vbg = -1Vvbg = -0.6Vvbg = -0.2V

-0.80

-0.70

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0 20 40 60 80 100

Channel Length (nm)

Del

ta V

t (V)

vbg = -1Vvbg = -0.6Vvbg = -0.2V

Figure 7-19 Vt Vs Lg for ground-plane device with TSi Figure 7-20 DIBL Vs Lg for ground-plane device =7nm and different back-gate voltages. Template is with TSi 7nm and different back-gate voltages. 5nm thick Template is 5nm thick

Page 83: Thesis

72

60

260

460

660

860

10 100Channel Length (nm)

Subt

hres

hold

Sw

ing

(mV/

deca

de)

vbg = -1Vvbg = -0.6Vvbg = -0.2v

1.0E-15

1.0E-13

1.0E-11

1.0E-09

1.0E-07

1.0E-05

1.0E-03

10 100

Channel Length (nm)

Ioff

(A/u

m)

vbg = -1Vvbg = -0.6Vvbg = -0.2V

Figure 7-21 Subthreshold Swing Vs Lg for ground Figure 7-22 Ioff Vs Lg for ground-plane device with Plane device with TSi=7nm and different back-gate TSi=7nm and different back-gate voltages. Template is voltages. Template is 5nm thick. 5nm thick.

1.0E+02

1.0E+04

1.0E+06

1.0E+08

1.0E+10

1.0E+12

1.0E+14

1.0E+16

10 100

Channel Length (nm)

Ion

/ Iof

f (A

/A)

vbg = -1Vvbg = -0.6Vvbg = -0.2V

Figure 7-23 Ratio Ion/Ioff Vs Lg for ground-plane device with TSi=7nm and different back-gate voltages. Template is 5nm thick

Page 84: Thesis

73

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

-1 -0.6 -0.2 0.2Back-gate Voltage (V)

Thre

shol

d vo

ltage

(V)

tsi = 5nmtsi = 10nm

100110120130140150160170180190200

-1 -0.6 -0.2 0.2

Back-gate Voltage (V)

S-fa

ctor

(mv/

deca

de)

tsi = 5nmtsi = 10nm

Figure 7-24 Threshold Voltage Vs Back-gate voltage for Figure 7-25 Subthrehsold Swing Vs Back-gate ground-plane device with TSi=5nm and 10nm and 5nm voltage for ground-plane device with TSi=5nm and template thickness 10nm and 5nm template thickness

-0.45

-0.4

-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-1 -0.6 -0.2 0.2 0.6

Back-gate Voltage, Vbg (V)

Del

ta V

t (V)

tsi = 5nmtsi = 7nmtsi = 10nm

Figure 7-26 DIBL Vs Back-gate voltage for ground-plane device with TSi=5nm and 10nm and 5nm template thickness

Page 85: Thesis

74

7.7 Conclusion  Two  dimensional  device  simulations  show  that  ground‐plane  is  effective  in  reducing  short 

channel effects. Sub‐100nm FDSOI devices will employ ground‐plane along with a  thin  silicon 

film. Silicon film thickness needs to be below 10nm for substantive reduction of SCEs. Moreover, 

in order to scale with undoped body, both workfunction engineering and back‐gate control need 

to be exercised. A larger workfunction and a negative back‐gate bias result in a larger threshold 

voltage and lesser SCEs. The role of silicon body thickness, body doping, gate‐workfunction and 

back‐gate bias in controlling the SCEs was discussed comprehensively. However, there remains 

another  important device  feature  that  can be used  to  suppress SCEs. This  is  the buried oxide 

material and thickness. This forms the discussion of next chapter.  7.8 References  [1] L. T. Su, J. B. Jacobs, J. Chung, and D. A. Antoniadis, “Deepsubmicrometer channel design in silicon‐on‐insulator (SOI) MOSFET’s,” IEEE Electron Device Lett., vol. 15, no. 5, pp. 183–185, May 1994. [2] V.  P.  Trivedi  and  J. G.  Fossum,  “Scaling  fully  depleted  SOI CMOS,”  IEEE  Trans.  Electron Devices, vol. 50, no. 10, pp. 2095–2103, Oct. 2003. [3] Wei‐Yuan Lu and Yuan Taur, “On the scaling limit of ultra thin SOI MOSFETs,” ,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53, no. 5, pp. 1137–1141, May 2006 [4] B. Doris, et al., “Extreme scaling with ultra thin Si channel MOSFETs,” in IEDM Tech. Dig., Dec 2002, pp. 267‐270. [5]  L.  Ge,  J.  G.  Fossum,  and  B.  Liu,  “Physical  compact  modeling  and  analyses  of  velocity overshoot in extremely scaled CMOS devices and circuits,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, pp. 2074–2080, Sept. 2001. [6] D. J. Frank et al., “Monte Carlo modeling of threshold variation due to dopant fluctuation,” in Symp. VLSI Tech. Dig., June 1999, pp. 169–170. [7] D.  J. Frank, S. E. Laux,  and M. V. Fischetti,  “Monte  carlo  simulation of  a  30 nm dual‐gate MOSFET: How short can Si go?,” in IEDM Tech. Dig., 1992, pp. 553–556. [8]  H.‐S.  Wong,  D.  Frank,  and  P.  Solomon,  “Device  design  considerations  for  double‐gate, ground‐plane,  and  single‐gated  ultra  thin  SOI  MOSFET’s  at  the  25  nm  channel  length generation,” in Proc. Int. Electron Devices Meeting, 1998, p. 407. [9] F. Gámiz et al., “Monte Carlo simulation of electron transport properties in extremely thin SOI MOSFETs,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 45, pp. 1122–1126, May 1998. [10]  I. Yang, C. Vieri, A. Chandrakasan,  and D. Antoniadis,  “Backgated CMOS  on  SOIAS  for dynamic threshold voltage control,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 44, p. 822, 1997. [11] S. R. Banna, P. C. H. Chan, P. K. Ko, C. T. Nguyen, M. Chan, “Threshold voltage model for deep‐submicrometer  fully depleted SOI MOSFETʹs,”  IEEE Trans. Electron Devices, vol. 42, pp. 1949‐55, November 1995 [12]  H.‐K.  Lim  and  J.  G.  Fossum,  “Threshold  voltage  of  thin‐film  silicon‐on‐insulator  (SOI) MOSFET’s,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED‐30, pp. 1244–1251, Oct. 1983. 

Page 86: Thesis

75

[13] M. Noguchi, T. Numata, Y. Mitani, T. Shino, S. Kawanaka, Y. Oowaki, and A. Toriumi, “Back gate effects on  threshold voltage  sensitivity  to SOI  thickness  in  fully depleted SOI MOSFETs,” IEEE Electron Device Lett., vol. 22, pp. 32–34, Feb. 2001. [14]  J.  Pretet,  S. Monfray,  S.  Cristoloveanu,  and  T.  Skotnicki,  “Silicon‐on‐nothing MOSFETs: performance, short‐channel effects, and backgate coupling,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 51, no. 2, pp. 240–245, Feb. 2004. [15] H. Shimada, Y. Hirano, T. Ushiki, K. Ino, and T. Ohmi, “Tantalum‐gate thin‐film SOI nMOS and pMOS for low‐power applications,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 44, pp. 1903–1907, 1997. [16] T. Numata, K. Uchida,  J. Koga, and S. Takagi, “Device design  for  subthreshold  slope and threshold voltage  control  in  sub‐100 nm  fully‐depleted  SOI MOSFETs,”  in Proc.  IEEE  Int. SOI Conf., Oct. 2002, pp. 179‐180. [17] An X, Huang R, Zhao B, Zhang X and Wang Y 2004 Design  guideline  of  an  ultra‐thin  body SOI MOSFET for low‐power and high‐performance applications Semicond. Sci. Technol. 19 347‐50             

Page 87: Thesis

76

Chapter 8

Buried Insulator Engineering 8.1 Introduction In order to scale fully‐depleted SOI MOSFET below 100nm gate  length, the buried oxide (BOX) 

thickness must be  scaled  as well. Thinning  the BOX  cuts  fringing  field  lines  in  the BOX  from 

drain  and  improves drain‐induced barrier  lowering  (DIBL).  It  allows  for  additional  control of 

threshold voltage thereby allowing silicon film to be thicker. BOX permittivity also has an effect 

on short channel effect. As a  rule, scaling  the BOX permittivity  reduces DIBL. Engineering  the 

buried  oxide material  and  thickness  to  suppress  short  channel  effects  is  referred  to  as  buried 

insulator engineering.  

8.2 BOX Thickness Scaling The use of a highly conducting substrate underneath a thin buried oxide (known as ground‐plane 

structure  [1])  has  been  proved  effective  to  reduce  short  channel  effects  in  sub‐100nm  fully 

depleted  SOI devices. To  scale  the  SOI device  to  shorter  channel  lengths  (Lg  <50nm), with  an 

undoped  Si  body,  requires  a  thinner  BOX  along  with  back‐gate  voltage  control  to  set  the 

threshold voltage  to a  level  so  that  short  channel  effects are  suppressed  [2]. A  thinner BOX  is 

needed more so as to ensure that sufficient reduction of short channel effects is achieved without 

requiring  to  increase  the magnitude  of  back‐gate  voltage  beyond  the  supply  voltage.  This  is 

because a  thinner BOX  increases  the back‐gate coupling effect by  increasing  the body‐substrate 

capacitance. Analysis  in  [3] show  that Tbox < Lg/2  is required  for substantive reduction of SCEs.

This means for sub‐50nm devices, BOX may be at most 25nm thick. 2D device simulations in [2], 

[4] and [5] further support this theory. 

 

Figure  8‐1a  shows  the potential  contours  in  30nm  long device with  ground‐plane  and  200nm 

BOX  thickness.  The  BOX  permittivity  is  3.9.  The  ground‐plane  device  has  a  p+  implant  of 

Page 88: Thesis

77

concentration 5E18cm‐3 in the substrate under the gate. The substrate is doped 1E18cm‐3 and the 

back‐gate voltage is ‐0.2V. Also simulated is the device without ground plane. It has a uniformly 

doped  substrate of  concentration 1E15cm‐3 and  connected  to ground. This  is  referred  to as  the 

low‐doped  (LD) device. For both devices,  silicon  film  is 7nm  thick  and metal workfunction  is 

4.7eV. 

 

When the BOX is thick, the lateral penetration of electric field lines from drain to channel via the 

BOX and the substrate is the major cause of DIBL. This component of DIBL is referred to as DIBL 

through BOX. [6] The equipotential contours  in BOX are not parallel to body/BOX  interface but 

highly deformed as shown  in Figure 8‐1a  for Tbox=200nm. At  this  thickness,  the drain/source  to 

body capacitances dominates over  the body‐substrate capacitance. The electric  field vectors are 

from  source  to  body  and  drain  to  body.  The  result  is  that  the  back  channel  is  driven  under 

conduction  from depletion  to weak  inversion  causing a peak  in potential  in BOX as  shown  in 

Figure  8‐1b.  This  effect which  causes  additional  short  channel  effects  is  referred  to  as  drain‐

induced  virtual  substrate  biasing  (DIVSB)  [6].  The  potential  at  drain  is  coupled  to  the  back 

interface  potential  as  if  the  substrate  is  positively  biased.  Ernst  et  al  [3]  developed  analytical 

expressions for source/drain to body capacitances and derived the criterion for suppressing the 

DIVSB  effect.   The  1D body‐substrate  capacitance must dominate over  the  2D  source/drain  to 

body capacitance. According to [3], ground‐plane structure along with very thin BOX should be 

employed.  

 

Figure  8‐2a  shows  potential  contours  in  the  ground‐plane  device with  10nm  thick  BOX  and 

permittivity value 3.9, which are horizontal and parallel to BOX/body interface much like those in 

the body of a  long‐channel device. This means that at Tbox=10nm, the back channel  is no  longer 

under the control of drain. The channel is no longer coupled to drain through the BOX and DIBL 

through  BOX  is  completely  suppressed.  Potential  contours  show  that  1D  body‐substrate 

capacitance dominates over source/drain‐body capacitances and  the electric  field vector  is now 

perpendicular  to  the body/BOX  interface. Figure  8‐1b  shows  the vertical  electrostatic potential 

through  the center of  silicon body  for Tbox=10nm. As  can be observed,  the peak  in potential at 

body/BOX  interface  is completely suppressed.  It  is  to note  that, while employing ground‐plane 

structure reduces the peak, (comparison with LD and GP device in Figure 8‐1b) combining it with 

a thin BOX completely eliminates it. Thus, scaling the BOX thickness reduces short channel  

Page 89: Thesis

78

                                                                            a)                                                                                     b)  Figure 8‐1 a) Simulated equipotential contours in ground‐plane device with source at ground, drain at 1V and back‐gate voltage Vbg=‐0.2V. BOX thickness is 200nm and permittivity is 3.9. The scale on x and y‐axis is in um b) Electrostatic Potential along a vertical cut though center of silicon body. The scale on x and y‐axis is in um and volts respectively   

                                                                         a)                                                                                     b)  Figure 8‐2 a) Simulated equipotential contours in ground‐plane device with source at ground, drain at 1V and back‐gate voltage Vbg=‐0.2V. BOX thickness is 10nm and permittivity is a) k= 3.9 and b) k= 20. The scale on x and y‐axis is in um 

Page 90: Thesis

79

effects.  It  leads  to  an  increase  in  the  threshold  voltage  and  gives  an  alternative  control  over 

threshold voltage in addition to back‐gate voltage and gate‐workfunction engineering. 

 8.3 BOX Permittivity Scaling  Permittivity is a constant characteristic of the BOX material. It has been shown that reducing the 

permittivity decreases short channel effects. [7][8] In particular, Oshima et al have shown  in [9] 

that DIVSB can be alleviated using a low‐k BOX material. For 60nm device with 20nm thick BOX, 

10nm  thick Si  film and 1E15cm‐3 substrate doping,  it has been shown  [9]  that, buried Alumina 

with k=12.0 results in 7% higher peak in potential at body/BOX interface compared to buried SiO2 

with k=3.9. Also,  for  the ground‐plane device, with Tbox=50nm, buried alumina results  in 20mV 

higher DIBL than buried SiO2 for 25nm gate length device. Thus it is commonly understood that 

low‐k  BOX  results  in  lesser  DIBL.  The  fact  has  formed  the  guiding  principle  for  silicon‐on‐

nothing MOSEFT  where  an  air‐gap  acts  as  the  dielectric  between  the  silicon  body  and  the 

substrate. [10][11]  

 

For sub‐50nm FDSOI device, BOX thickness needs to be thinner than 25nm. One would expect a 

low‐k/thin BOX  combination  to  yield  least  short  channel  effects  and  best device performance. 

However, this  is not the case as we show  in this chapter. There  is a  limit to the BOX thickness, 

until which, reducing the permittivity of the BOX lowers DIBL. However, below this limit which 

occurs around 25nm for the ground‐plane device, the role of the BOX permittivity is reversed in 

the  sense  that  a  lower‐k  BOX  yields  larger DIBL  compared  to  a  higher‐k  BOX.  The  fact was 

briefly mentioned in [7] but has not been discussed comprehensively so far. Also quantum effects 

were not considered  in simulations  in [7]. In this chapter, this theory  is presented  in detail and 

support ed with 2D device simulations. 

 

8.4 Permittivity role at thick and thin BOX  DIBL  in short channel devices  is associated with electrostatic coupling of drain  to channel. The 

coupling  of drain  to  channel via  the  silicon  body  is  referred  to  as DIBL  through  silicon body 

whereas coupling of drain to channel via the BOX and substrate  is referred to as DIBL through 

BOX. When the BOX is thick, the field lines from drain via the BOX and substrate turn the back 

channel on as discussed above and therefore DIBL through BOX dominates.  

Page 91: Thesis

80

Figure 8‐3 plots DIBL versus BOX thickness for low‐doped device and ground‐plane device with 

Vbg=‐0.2V and Vbg=‐1V. Permittivity values of k=3.9 and k=20.0 are considered. For a range of BOX 

thickness,  from  200nmn down  to  a  critical value,  lower permittivity  results  in  lower DIBL. At 

TBox=100nm, DIBL at k=20 is 139% higher for ground‐plane device with Vbg=‐0.2V, 102% higher for 

ground‐plane device with Vbg=‐1V and 168% higher for low‐doped device as compared to DIBL 

at k=3.9. Thus, at  thick BOX,  low‐k BOX  results  in  lesser DIBL. This  is because,  at  thick BOX, 

potential contours  in  the BOX are not parallel  to body/BOX  interface. The electric  field vectors 

begin  from  drain  and  curl  up  to  channel  via  the  BOX.  (Figure  8‐1a)  Reducing  the  BOX 

permittivity  reduces  this 2D  coupling of drain  to  channel via  the BOX  thereby  reducing DIBL 

through BOX. [9] 

 

However, there exists a critical thickness below which the permittivity role is reversed and now a 

low‐k  BOX  results  in  larger  DIBL.  Figure  8‐4  reproduces  the  plot  in  Figure  8‐3  for  BOX 

thicknesses below 60nm. The crossover point occurs at Tbox = 35nm for Vbg=‐1V and 25nm for Vbg=‐

0.2V  in  case  of  the  ground  plane  device  and  at  Tbox  =  10nm  for  the  low‐doped  device.  This 

suggests  that  the  ‘fringing  field reducing’ effect of  the BOX permittivity  is no  longer dominant 

below the critical thickness and becomes secondary to another role played by permittivity which 

needs to be explained. Figure 8‐4 suggests that below 25nm BOX thickness (as required for sub‐

50nm  devices),  a  higher  permittivity  BOX  is  better  suited  to  meet  the  scaling  capability 

requirements  set by  ITRS  in  terms of suppression of DIBL and  therefore, also  in achieving  the 

targeted off‐state leakage current value.  

At BOX  thickness, Tbox=10nm, DIBL  for k=20  is  lower  than  that  for k=3.9 by 18mV  (or 38%)  for 

ground plane device with Vbg=‐0.2V and by 17mV (or 45%) for ground‐plane device with Vbg=‐1V. 

Even though the reduction in DIBL by high‐k BOX is small, it proves the point that a high‐k BOX 

doesn’t  hurt  device  performance  at  thin  BOX  thickness  as  needed  by  sub‐50nm  devices. 

Moreover, high‐k BOX only slightly improves the short channel effects. 

 

Figure 8‐5 plots DIBL versus BOX thicknesses below Tbox=60nm for k=3.9 and k=5.0. The crossover 

point occurs at Tbox = 25nm for Vbg=‐1V and 20nm for Vbg=‐0.2V in case of the ground plane device 

and at Tbox = 8nm for the low‐doped device. Figure 8‐6 plots the threshold voltage versus BOX  

 

Page 92: Thesis

81

0.00

0.06

0.12

0.18

0.24

0.30

0.36

0.42

0.48

0 40 80 120 160 200Box Thickness (nm)

Del

ta V

t (V)

k = 3.9 vbg=-0.2Vk = 20 vbg=-0.2Vk=3.9 vbg=-1Vk=20 vbg=-1Vk = 3.9 LDk = 20 LD

0.00

0.06

0.12

0.18

0.24

0 10 20 30 40 50 60

Box Thickness (nm)

Del

ta V

t (V)

k=3.9 vbg=-0.2Vk=20.0 vbg=-0.2Vk=3.9 vbg=-1Vk=20 vbg=-1Vk=3.9 LDk=20 LD

Vbg = -0.2V

Vbg = -1VVbg = 0V

                  Figure 8‐3 DIBL versus BOX  thickness  for ground‐plane device with Vbg=‐0.2V and Vbg=‐1V and low‐doped (LD) device. Lower‐k BOX gives lower DIBL for thick BOX                      Figure 8‐4 DIBL versus BOX thickness for ground‐plane device with Vbg=‐0.2V and     Vbg=‐1V and  low‐doped  (LD) device with Vbg=0V. Higher‐k BOX  gives  lower DIBL below  a  critical BOX thickness 

Page 93: Thesis

82

 

Figure 8‐5 DIBL versus BOX thickness for k=3.9 and k=5.0. Lg=30nm,TSi=7nm, Wf=4.7eV

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Box Thickness (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V) k=3.9,vbg=-0.2

k=5.0, vbg=-0.2k = 3.9, vbg=-1Vk = 5.0, vbg =-1Vk=3.9, LDk=5.0, LD

Figure 8‐6 Threshold Voltage versus TBox for k=3.9 and k=5.0. Lg=30nm,TSi=7nm, Wf=4.7eV 

0.02

0.05

0.08

0.11

0.14

0.17

0 10 20 30 40 50 60

Box Thickness (nm)

Del

ta V

t (V)

k = 3.9 vbg=-0.2Vk = 5.0, vbg = -0.2Vk = 3.9, Vbg = -1Vk = 5.0, vbg=-1Vk=3.9, LDk=5.0, LD

Page 94: Thesis

83

thickness for k=3.9 and k=5.0. Since, threshold voltage is affected by DIBL; it reflects the crossover 

as observed in DIBL plot. The definition of threshold voltage used in this paper is as in [12] and is 

the gate bias that results in a drain current, IDS = (W/Lmet) x 10‐7 A. Here, W is the gate‐width set at 

1μ m and Lmet is the metallurgical channel length corresponding to 30nm physical channel length. 

The  slight  difference  in  crossover  thickness  between  DIBL  and  threshold  voltage  plots  is 

attributed to the constant current model used for measuring threshold voltage. 

 

So what  is  the role of BOX permittivity below critical BOX  thickness? As shown  in Figure 8‐2a 

and discussed above, at TBox=10nm, the potential contours in the BOX are flat and parallel to the 

body/BOX  interface.  The  1D  body‐substrate  capacitance  dominates  over  the  2D  source/drain‐

body capacitances opposite to what happens at thick BOX. Therefore, we can conclude that at the 

critical  BOX  thickness,  DIBL  through  BOX  is  suppressed  and  below  it,  the  only  persistent 

component of DIBL is DIBL through silicon body. At this thickness, a high‐k BOX increases body‐

substrate  capacitance  and  results  in  increased  coupling  between  the drain  and  substrate. This 

causes lateral field lines emanating from drain towards channel via the silicon body to be pulled 

towards substrate reducing the DIBL through silicon body. In Figure 8‐2a, for k=3.9, the potential 

lines  from  drain  to  channel  exist  beyond  the  drain  boundary  in  the  silicon  body whereas  in 

Figure 8‐2b, for the case of k=20, they are pushed inside the boundary indicating termination of 

field lines on the substrate. Also, k=20 results in more horizontal and flat potential contours in the 

silicon body compared  to k=3.9  implying  reduced DIBL  through silicon body. To support  this, 

Figure 8‐7 plots the channel potential along the body/BOX interface for k=3.9 and k=20 cases for 

Tbox= 10nm and Tbox=200nm. AT TBox=200nm, the potential barrier between the source and channel 

is  larger  for k=3.9  than  k=20  implying  lesser DIBL  for  k=3.9  case. However,  at TBox=10nm,  the 

barrier is significantly higher for k=20 as compared to that for k=3.9 implying lesser DIBL for k=20 

case.  This explains why a high‐k BOX, k=20 yields lower DIBL below critical BOX thickness. 

 

To conclude, a low‐k BOX yields lower DIBL for thick BOX by reducing DIBL through the BOX. 

A high‐k BOX yields lower DIBL for thin BOX by reducing DIBL though the silicon body. Since, 

Vbg=‐1V  is more  effective  in  suppressing DIBL  through  the  BOX  compared  to  Vbg=‐0.2V,  the 

crossover point is reached at a larger BOX thickness for the former. This is because DIBL through 

the BOX  is eliminated at a thicker BOX (Tbox=35nm  in Figure 8‐4) for the former and a thinner 

BOX (Tbox=25nm in Figure 8‐4) for the latter. For the low doped device, depletion in substrate  

Page 95: Thesis

84

 

Figure 8‐7 Electrostatic potential along body/BOX interface at TBox =200nm and 10nm for k=3.9 and k=5.0. Lg=30nm,TSi=7nm, Wf=4.7eV. Scale on x‐axis is in um and y‐axis in volts

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

Back-gate Voltage Vbg (V)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

k=3.9k=5.0

Tbox=25nm

Tbox=100nm

Tbox=10nm

  Figure 8‐8 Threshold voltage versus back‐gate bias for TBox =200nm, 25nm and 10nm for k=3.9 and k=5.0. Lg=30nm, TSi=7nm, Wf=4.7eV   

Page 96: Thesis

85

adds to BOX thickness and since there is no ground‐plane, it takes a much thinner buried oxide, 

(Tbox=10nm in Figure 8‐4) to completely eliminate DIBL through the BOX.  

 

According  to  [5], SCEs  in  thin‐box SOI device are  reduced due  to  increased  transverse electric 

field  in  the  silicon  body  and  not  only  reduction  of  fringing  fields  in  the BOX.  For  significant 

reduction, Tbox<25nm for ground‐plane device and Tbox<10nm for low‐doped device are required. 

The  limits  agree well with  critical BOX  thickness we  conclude  above  for  suppression of DIBL 

through BOX. In fact in Figure 8‐2b, it is observed that the field lines are more closely spaced in 

the silicon body for k=20 as compared to k=3.9. This suggests that, there is an increase in vertical 

electric  field  in  the  silicon  body  which  gives  more  control  to  front‐gate  over  channel  and 

improves DIBL. This supports the theory in [5].  

An important device design consideration for the ground‐plane device is the choice of the back‐

gate  voltage.    Figure  8‐8  plots  threshold  voltage  variation with  back‐gate  bias  for  Tbox=10nm, 

25nm and 100nm  for permittivity values of 3.9 and 5.0. The back  channel  should be biased  in 

depletion and  for  this range of back‐gate voltage,  for 10nm and 25nm BOX  thicknesses, high‐k 

results in larger threshold voltage suggesting smaller DIBL and capability for yielding smaller Ioff 

values. For  thick BOX, Tbox=100nm, a  low‐k  results  in  larger  threshold voltage  for  the  range of 

back‐gate  bias  suggesting  lower  DIBL.  The  above  discussion  explains  the  permittivity  role 

reversal  effect with  regards  to  back‐gate  bias.  It  is  noted  that  at BOX  thickness  below  critical 

thickness, high‐k BOX yields lesser DIBL irrespective of the back‐gate bias.  

 The subthreshold swing variation with BOX thickness at drain bias, Vd =1V is shown in Figure 8‐

9. The swing improves as BOX thickness is scaled [1] and for short channel devices is governed 

more by DIBL than the BOX capacitance effect. The crossover in DIBL characteristics in Figure 8‐4 

are reflected  in subthreshold characteristics as well. A high‐k BOX  leads  to better swing below 

the critical thickness though the improvement is only a few mV/decade.  

Figure 8‐10 plots Id‐Vg curves for ground‐plane device with Vbg=‐0.2V for permittivity values of 

k=3.9,  5.0  and  20.0  for Tbox=200nm  and  10nm. While high‐k  results  in greater off‐state  leakage 

current at Tbox=200nm, it results in smaller leakage at TBox=10nm. 

Page 97: Thesis

86

75

85

95

105

115

125

135

145

155

165

0 10 20 30 40 50 60

BOX Thickness (nm)

Subt

hres

hold

Sw

ing

(mV/

deca

de) k = 3.9 Vbg= -0.2V

k = 20 Vbg= -0.2Vk = 3.9 Vbg= -1Vk = 20 Vbg= -1V

 

Figure 8‐9 Subthreshold swing Vs BOX thickness for ground plane‐device  

                            Figure  8‐10  Id‐Vg  curves  for  ground‐plane  device  for  Tbox=10nm  and  100nm  at  BOX permittivity of k=3.9, 5.0 and 20.0. Drain is at 1V, source at 0V and Vbg=‐0.2V 

Page 98: Thesis

87

8.5 Device Simulation of epi-SOI device  

The above sections discussed the role of BOX permittivity at thick and thin BOX and its impact 

on  short  channel  effects.  The  simulations  were  applicable  to  a  standard  device  with  buried 

insulator  being  a  single  material.  However,  for  the  epitaxial‐oxide  based  device  under 

investigation, the buried insulator consists of high‐k template material on top of SiO2. If the total 

insulator  thickness  is kept  constant,  and  the  thickness of  template material  is varied,  then  the 

impact on device performance  is  indirectly due  to  the BOX permittivity variation. The ground‐

plane device is simulated with 5E18cm‐3 doped ground‐plane and 1E15cm‐3 doped substrate. The 

template thickness is varied between 2nm and 5nm keeping the total insulator thickness constant 

equal to 15nm. The back‐gate voltage is Vbg=‐1V, TSi=7nm and metal workfunction is 4.7eV. 

8.5.1 Varying Template Thickness  

The  permittivity  of  the  insulator  is  determined  by  the  parallel  combination  of  the  capacitive 

divider  formed  by  template  material  and  SiO2  underneath.  For  15nm  total  thickness,  the 

permittivity  of  insulator  is  5.4(5nm),  5.0(4nm),  4.7(3nm)  and  4.4(2nm).  Thus  varying  template 

thickness varies BOX permittivity. It is to be noted that though 15nm BOX thickness is below the 

critical thickness we have concluded above and one would expect a thinner template material to 

yield  a  larger DIBL by virtue of  lower permittivity,  it doesn’t happen  so. This  is because;  the 

substrate  doping  for  epitaxial  buried‐oxide  based  device  is  lowly  doped  1E15cm‐3  as  against 

1E18cm‐3 used  in  simulations  before. A  lower  substrate doping  implies  a  smaller  critical BOX 

thickness to suppress the short channel effects associated with BOX.   

 

Figure 8‐11 plots DIBL versus channel length for 5nm and 2nm template thicknesses. A thinner 

template  results  in  smaller  DIBL  by  virtue  of  lower  BOX  permittivity.  It  is  observed  that, 

employing ground‐plane under the gate further improves DIBL.  

 

Figure  8‐12  and  Figure  8‐13  plot  threshold  voltage  roll‐off  trends.  Delta‐Vt  is  measured  as 

deviation of threshold voltage from its value for a 1um long device. Roll‐off is worse for thicker 

template  and  improves with  ground‐plane.  For  ground‐plane  device, delta Vt  improves  from 

0.33V to 0.24V as template thickness changes from 5nm to 2nm.  

 

Page 99: Thesis

88

  

-0.50

-0.45

-0.40

-0.35

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.0010 100

Channel Length (nm)

Del

ta V

t (V)

template 5nm GPtemplate 2nm GPtemplate 5nm soitemplate 2nm soi

-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

010 100

Channel Length (nm)

Thre

shol

d Vo

ltage

(V)

5nm GP4nm GP3nm GP2nm GP5nm soi4nm soi3nm soi2nm soi

Figure 8-11 DIBL Vs Lg for two template thicknesses Figure 8-12 Threshold voltage roll-off Vs Lg for for device with ground-plane (GP, Vbg=-1V) and different template thicknesses for device with without (soi) ground-plane (GP, Vbg=-0.2V) and without (soi)

-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

010 100

Channel Length (nm)

Del

ta V

t (V)

template 5nm GPtemplate 2nm GPtemplate 5nm soitemplate 2nm soi

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

180.00

10 100Channel Length (nm)

S-Fa

ctor

(mV/

deca

de)

5nm GP4nm GP3nm GP2nm GP5nm soi4nm soi3nm soi2nm soi

Figure 8-13 Vt roll-off Vs Lg for 5nm and 2nm template Figure 8-14 Subthreshold Swing Vs Lg for different thicknesses for device with ground-plane (GP, template thicknesses for device with ground-plane Vbg=-0.2V) and without (soi) (GP, Vbg=-1V) and without (soi)   

Page 100: Thesis

89

Figure 8‐14 plots subthreshold swing versus channel length. The value is about 69mV/decade for 

ground‐plane device until 60nm channel  length and begins  to degrade below  it. Ground‐plane 

however significantly improves subthreshold slope. As expected, a thinner template results in a 

better subthreshold slope. For 15nm BOX thickness, it can be shown that Ion/Ioff ratio is better for 

a thinner template layer. 

8.6 Conclusion Scaling the BOX thickness reduces fringing fields in the BOX and the lateral coupling of drain to 

channel  via  the  BOX.   At  thick  BOX,  reducing  the  permittivity,  reduces DIBL  through  BOX. 

However,  at  thin  BOX,  increasing  the  permittivity  increases  coupling  between  drain  and 

substrate  allowing  the  field  lines  from  drain  penetrating  the  channel  via  silicon  body  to  be 

terminated  on  to  substrate,  thereby  reducing  DIBL  through  silicon  body. Buried  layer 

engineering  is  an  essential  ingredient  to  scale  FDSOI  devices  below  100nm  gate  length.  In 

particular for 15nm and 10nm gate length devices, the BOX thickness needs to be below 10nm. At 

this  thickness,  a  thicker  template  by  virtue  of  higher  permittivity would  allow more  ease  in 

meeting the ITRS specifications.   

8.7 References [1] T. Ernst, and S. Cristoloveanu, “The ground‐plane concept for the reduction of short‐channel effects in fully depleted SO1 devices,” Electrochem. Soc. Proc., 1999, 99, (3), p. 329 [2] T. Numata, K. Uchida,  J. Koga,  and  S. Takagi,  “Device design  for  subthreshold  slope  and threshold‐voltage  control  in  sub‐100  nm  fully‐depleted  SOI MOSFETs,”  IEEE  Trans.  Electron Devices, vol. 51, pp. 2161‐2167, Dec. 2004 [3] T. Ernst, C. Tinella, C. Raynaud,  and  S. Cristoloveanu,  “Fringing  field  in  sub‐0.1 um  fully depleted SOI MOSFETs: Optimization of the device architecture,” Solid State Electron., vol. 46, pp. 373–378, 2002 [4] A. Vandooren  et al., “Scaling assessment of  fully‐depleted SOI  technology at  the 30nm gate length generation,” in Proc. IEEE Int. SOI Conf., Oct. 2002, pp. 25–26. [5] V. P. Trivedi and J. G. Fossum, “Nanoscale FD/SOI CMOS: Thick or thin BOX,” IEEE Electron Device Lett., vol. 26, no. 1, pp. 26–28, Jan. 2005 [6] T. Ernst and S. Cristoloveanu, “Buried oxide fringing capacitance: A new physical model and its implication on SOI device scaling and architecture,” in Proc. IEEE Int. SOI Conf., 1999, pp. 38‐39. [7] R. Koh, “Buried  layer engineering  to  reduce  the drain‐induced barrier  lowering of sub‐0.05 μm SOI‐MOSFET,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 38, no. 4B, pp. 2294–2299, 1999 

Page 101: Thesis

90

[8]  H.‐S.  Wong,  D.  Frank,  and  P.  Solomon,  “Device  design  considerations  for  double‐gate, ground‐plane,  and  single‐gated  ultra  thin  SOI  MOSFET’s  at  the  25  nm  channel  length generation,” in Proc. Int. Electron Devices Meeting, 1998, p. 407. [9] K. Oshima,  S.  Cristoloveanu,  B. Guillaumot, H.  Iwai,  and  S. Deleonibus,  “Advanced  SOI MOSFETʹs with buried alumina and ground plane: Self‐heating and short channel effects,” Solid‐State Electron, vol. 48, pp. 907‐917, 2004. [10]  J.  Pretet, S.  Monfray, S.  Cristoloveanu and T.  Skotnicki,  “Silicon‐on‐nothing  MOSFETs: performance, short‐channel effects, and backgate coupling,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 51, no. 2, pp. 240‐244, Feb. 2004 [11] M. Jurczak, T. Skotnicki, M. Paoli, B. Tormen, J. Martins, J. L. Regolini, D. Dutartre, P. Ribot, D.  Lenoble,  R.  Pantel,  and  S. Monfray,  “Silicon‐on‐Nothing  (SON)‐an  innovative  process  for advanced CMOS,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 47, pp. 2179–2187, Nov. 2000 [12] T. Numata, T. Mizuno, T. Tezuka, J. Koga, and S. Takagi, “Control of threshold voltage and short channel effects in ultra‐thin strained‐SOI CMOS devices,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 52, no. 8, pp. 1780‐1786, Aug. 2005 

Page 102: Thesis

91

Chapter 9 Device Design Optimization 9.1 Introduction In  chapter  7  and  chapter  8,  short  channel  effects degrading device performance of  sub‐100nm 

fully depleted  SOI devices were discussed. Device design parameters  to  control  the  threshold 

voltage and suppress short channel effects were studied. The major design parameters are silicon 

body thickness, silicon body doping, buried oxide thickness, substrate doping, back‐gate bias and 

gate  workfunction.  The  above  parameters  can  be  adjusted  to  achieve  the  desired  device 

performance  in  terms  of  reduced  off‐state  leakage  or  increased  drive  current  or  steep 

subthreshold  slope  or  reduced  drain‐induced  barrier  lowering.  In  this  chapter,  device  design 

parameters  for devices with gate  lengths 60nm, 45nm, 30m, 15nm and 10nm are specified. The 

design specifications are set in order to meet the ITRS High Performance Logic Technology (ITRS’ 

2005)  target  for  Ion/Ioff  ratio.  If  instead  of  Ion/Ioff  ratio,  the  performance  target  is  DIBL  or 

subthreshold  slope,  then  the  device  parameters  would  need  to  be  adjusted  and  would  be 

different. However, for this work, and for the devices based on epitaxial buried oxide, devices are 

designed with regards to meeting the Ion/Ioff ratio specification by ITRS. 

9.2 60nm Gate Length For 60nm gate  length device, the ITRS target values for subthreshold leakage current and drive 

current are 1E‐8A/um and 0.9mA/um respectively. It was shown in Chapter 5, that the targets are 

met for 60nm device without the need for ground plane. Thus, final device design parameters for 

the device are,  

 

1. Silicon body thickness TSi=7nm 

2. Buried oxide thickness TBox=15nm 

3. Undoped silicon body 

Page 103: Thesis

92

4. Lowly doped substrate 1E15cm‐3 without ground‐plane 

5. Back‐gate bias of 0V 

6. Gate workfunction of 4.53eV.   

 Figure 9‐1 plots Id‐Vg curves for device with above parameters for different template thicknesses. 

For any template thickness, the off‐state current value, Ioff is less than the ITRS specified value.   

  

  Figure 9‐1 Id‐Vg plot for Lg=60nm for different template thicknesses. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um.   The  off‐state  leakage  current  for different  template  thicknesses  is  less  than  the  ITRS  specified 

value  by  almost  an  order  of magnitude  or  89%  for  5nm  thick  template,  93%  for  4nm  thick 

template, 96% for 3nm thick template and 97.6% for 2nm thick template. The drive current or Ion 

values for either template thickness is larger than the ITRS target value of 0.9mA/um. 

 

ITRS Ioff 1E-8

Page 104: Thesis

93

Table  9‐1  specifies  the  threshold  voltage,  Ioff,  Ion,  subthreshold  swing  and DIBL  values.  The 

definition of threshold voltage used is the gate bias that results in a drain current, IDS = (W/Lmet) x 

10‐7  A.  DIBL  is measured  as  difference  in  threshold  voltages  at  drain  bias  of  0.1V  and  1V. 

Subthreshold swing is measured at a drain bias of 1V. 

 Table 9‐1 Threshold voltage, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 60nm device designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion specifications are 1E‐8A/um and 0.9mA/um  

Template Vt (V) Ioff(A/um) Ion (mA/um) SS (mV/decade) DIBL (mV)

5nm 0.23 1.10E-09 0.961 79.1 45.4

4nm 0.24 7.10E-10 0.955 76.5 42.3

3nm 0.25 4.40E-10 0.947 73.9 39.6

2nm 0.26 2.60E-10 0.937 72.1 36.4   From Table 9‐1  it  is  inferred  that  for  the design parameters  listed above,  the average  threshold 

voltage  is  0.24V,  subthreshold  swing  is  75mV/decade  and DIBL  is  41mV. While  the  threshold 

voltage is low enough and so is DIBL, the subthreshold swing seems a little too far off from the 

ideal value of 60mV/decade at  room  temperature. However, device has been designed  to meet 

the Ion/Ioff requirements and not specifically for subthreshold slope. If subthreshold slope needs 

to be improved, the device can be re‐engineered.  

 For example, if the workfunction is increased from 4.53eV to 4.7eV, a ground plane included in 

the substrate under the gate and back‐gate voltage decreased from 0V to  ‐1V, keeping all other 

parameters  the  same,  the  subthreshold  swing  for  the  5nm  thick  template  case,  reduces  from 

79.1mV/decade  to  70mV/decade  and  Ioff  reduces  from  1.1E‐9 A/um  to  1.4E‐15  almost  by  five 

orders  of  magnitude.  However,  the  demerit  is  the  reduction  in  Ion  from  0.96mA/um  to 

0.3mA/um  For  the  ground  plane device with  4.7eV workfunction,  as  the  back  gate  voltage  is 

decreased from  ‐0.2V to  ‐1V, subthreshold swing  improves from 73mV/decade to 70mV/decade 

and Ioff falls from 5E‐14A/um to 1.4E‐15A/um.  The device design parameters listed in the above 

table therefore represents one set of solutions designed for device to meet specifically the Ion/Ioff 

ratio specification.  

Page 105: Thesis

94

9.3 45nm Gate Length  For 45nm gate  length device, the ITRS target values for subthreshold leakage current and drive 

current are 3E‐8A/um and 0.98mA/um respectively. It was shown in Chapter 5, that the Ion/Ioff 

ratio target is met for 45nm device without the need for ground plane for all template thicknesses 

except  5nm.   A  ground‐plane  structure  is,  therefore,  included  to  suppress  the  short  channel 

effects and meet target values for all template thicknesses. Thus, final device design parameters 

for the device are,  

 

1. Silicon body thickness TSi=7nm 

2. Buried oxide thickness TBox=15nm 

3. Undoped silicon body 

4. Lowly doped substrate 1E15cm‐3  with ground‐plane doped 5E18cm‐3  

5. Back‐gate bias of 0.2V 

6. Gate workfunction of 4.53eV.   

 Figure 9‐2 plots Id‐Vg curves for device with above parameters for different template thicknesses. 

For any template thickness, the off‐state current value, Ioff is less than the ITRS specified value.   

 The  off‐state  leakage  current  for different  template  thicknesses  is  less  than  the  ITRS  specified 

value  by  almost  an  order  of magnitude  or  95%  for  5nm  thick  template,  96.4%  for  4nm  thick 

template, 97.7% for 3nm thick template and 98.7% for 2nm thick template. The drive current or 

Ion values for either template thickness is larger than the ITRS target value of 0.98mA/um. 

 

Table  9‐1  specifies  the  threshold  voltage,  Ioff,  Ion,  subthreshold  swing  and DIBL  values.  The 

definition of threshold voltage used is the gate bias that results in a drain current, IDS = (W/Lmet) x 

10‐7  A.  DIBL  is measured  as  difference  in  threshold  voltages  at  drain  bias  of  0.1V  and  1V. 

Subthreshold swing is measured at a drain bias of 1V. 

 

From Table 9‐1  it  is  inferred  that  for  the design parameters  listed above,  the average  threshold 

voltage  is 0.265V,  subthreshold  swing  is 86.4mV/decade and DIBL  is 62.5mV. As was  the  case 

with 60nm device,   while the threshold voltage is low enough and so is DIBL, the subthreshold 

swing seems a little too far off from the ideal value of 60mV/decade at room temperature.  

Page 106: Thesis

95

               Figure 9‐2 Id‐Vg plot for Lg=45nm for different template thicknesses. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um. 

   

However, device has been designed  to meet  the  Ion/Ioff  requirements  and not  specifically  for 

subthreshold slope. If subthreshold slope needs to be improved, the device can be re‐engineered.  

 Table 9‐2 Threshold voltage, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 45nm device designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion specifications are 3E‐8A/um and 0.98mA/um 

 

Template Vt (V) Ioff(A/um) Ion (mA/um) SS (mV/decade) DIBL (mV)

5nm 0.25 1.5E-09 1.006 89.5 73.9

4nm 0.26 1.1E-09 1.005 87.2 67.6

3nm 0.27 6.9E-10 1.003 85.2 59.1

2nm 0.28 3.9E-10 0.995 83.7 49.2  

ITRS Ioff 3E-8A/um

Page 107: Thesis

96

For  example,  if  the  workfunction  is  increased  from  4.53eV  to  4.7eV,  and  back‐gate  voltage 

decreased from 0.2V  to  ‐1V, keeping all other parameters  the same,  the subthreshold swing  for 

the 5nm  thick  template case, reduces  from 89.5mV/decade  to 76.87mV/decade and  Ioff  reduces 

from 1.5E‐9 A/um  to 6.7E‐14 almost by  five orders of magnitude. However,  the demerit  is  the 

reduction in Ion from 1mA/um to 0.764mA/um. As the back gate voltage is decreased from ‐0.2V 

to  ‐1V, subthreshold swing  improves  from 85mV/decade  to 76.87mV/decade and  Ioff falls from 

2.7E‐12A/um to 6.7E‐14A/um.   

 

The device design parameters  listed  in the above table therefore represents one set of solutions 

designed for device to meet specifically the Ion/Ioff ratio specification 

9.4 30nm Gate Length For 30nm gate  length device, the ITRS target values for subthreshold leakage current and drive 

current are 5E‐8A/um and 1.09mA/um respectively. It was shown in Chapter 5, that the Ion/Ioff 

ratio  target  is  not met  for  30nm  device without  ground  plane  for  any  template  thickness. A 

ground‐plane  structure  is,  therefore,  included  to  suppress  the  short  channel  effects  and meet 

target values for all template thicknesses. Thus, final device design parameters for the device are,  

 

1. Silicon body thickness TSi=7nm 

2. Buried oxide thickness TBox=15nm 

3. Undoped silicon body 

4. Lowly doped substrate 1E15cm‐3  with ground‐plane doped 5E18cm‐3  

5. Back‐gate bias of ‐0.85V 

6. Gate workfunction of 4.53eV.   

 Figure 9‐3 plots Id‐Vg curves for device with above parameters for different template thicknesses. 

For any template thickness, the off‐state current value, Ioff is less than the ITRS specified value.   

 The  off‐state  leakage  current  for different  template  thicknesses  is  less  than  the  ITRS  specified 

value by 54%  for 5nm  thick  template, 62%  for 4nm  thick  template, 74%  for 3nm  thick  template 

and 87% for 2nm thick template. The drive current or Ion values for either template thickness is 

larger than the ITRS target value of 1.09mA/um. 

Page 108: Thesis

97

  Figure 9‐3 Id‐Vg plot for Lg=30nm for different template thicknesses. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um.  Table  9‐3  specifies  the  threshold  voltage,  Ioff,  Ion,  subthreshold  swing  and DIBL  values.  The 

definition of threshold voltage used is the gate bias that results in a drain current, IDS = (W/Lmet) x 

10‐7  A.  DIBL  is measured  as  difference  in  threshold  voltages  at  drain  bias  of  0.1V  and  1V. 

Subthreshold swing is measured at a drain bias of 1V. 

 Table 9‐3 Threshold voltage, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 30nm device designed to meet ITRS target for Ion/Ioff ratio. ITRS Ioff and Ion specifications are 5E‐8A/um and 1.09mA/um  

Template Vt (V) Ioff(A/um) Ion (mA/um) SS (mV/decade) DIBL (mV)

5nm 0.20 2.30E-08 1.195 116.5 146.2

4nm 0.20 1.90E-08 1.194 112.8 144.1

3nm 0.21 1.30E-08 1.191 106.9 135.6

2nm 0.22 6.40E-09 1.178 100.0 121.6

ITRS Ioff 5E-8A/um

Page 109: Thesis

98

From Table 9‐3  it  is  inferred  that  for  the design parameters  listed above,  the average  threshold 

voltage  is 0.2V, subthreshold swing  is 109mV/decade and DIBL  is 137mV. While  the  threshold 

voltage is low enough, the subthreshold swing is reasonable.  For DIBL, a value less than 100mV 

is generally considered a good value.   

 As before,  the device  can be  re‐engineered  to  further  reduce DIBL  and  improve  subthreshold 

swing.  For  example,  if  the  silicon  body  thickness  reduced  from  7nm  to  5nm,  workfunction 

increased from 4.53eV to 4.7eV and back‐gate voltage decreases from ‐0.85V to ‐1V, subthreshold 

swing  for 5nm  thick  template  case  reduces  from 116.5mV/decade  to 96.5mV/decade and DIBL 

improves from 146.2mV to 119mV. Thus, device design parameters specified in above table refer 

to only one possible set of solutions designed for device to meet the Ion/Ioff ratio target. 

 

 

Figure 9‐4  Id‐Vg plot  for Lg=30nm  for 5nm and 4nm  thick  template at Tbox=15nm and 10nm. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um.  

It was  shown  in  chapter  8  that  for  ground plane device,  a  low‐k  buried  oxide  yields  slightly 

larger DIBL and therefore larger off‐state leakage current at BOX thickness below a critical value.  

Page 110: Thesis

99

Since, the substrate in 60nm, 45nm and 30nm devices is lowly doped 1E15cm‐3 as against 1E18cm‐

3 used for simulations in chapter 8, the critical BOX thickness occurs at less than 15nm.  Therefore, 

at  Tbox=10nm,  a  thinner  template  thickness  should  yield  larger  off‐state  current  by  virtue  of 

smaller  effective  BOX  permittivity.  Figure  9‐4  plots  Id‐Vg  curves  for  5nm  and  4nm  thick 

templates for TBox=15nm and 10nm. The metal workfunction is 4.53eV and back‐gate voltage is ‐

0.2V. It is observed that while at Tbox=15nm, 5nm thick template yields larger Ioff, at Tbox=10nm, it 

yields  lower  Ioff compared  to 4nm  thick  template. Therefore,  if  the 30nm device  is engineered 

with  a  10nm BOX  thickness,  ITRS  Ioff  requirement will  be met with  ease  however,  a  thinner 

template would yield a larger off‐state leakage current. Also to be noted from Figure 9‐4 is that, 

keeping all other device parameters the same, Tbox=10nm results in a steeper subthreshold slope 

and smaller DIBL but at the cost of slightly reduced drive current. 

 

9.5 25nm Gate Length  

For 25nm gate  length device, the ITRS target values for subthreshold leakage current and drive 

current are 1.7E‐7A/um and 1.48mA/um respectively. It was shown in Chapter 5, that the Ion/Ioff 

ratio  target  is  not met  for  25nm  device without  ground  plane  for  any  template  thickness. A 

ground‐plane  structure  is,  therefore,  included  to  suppress  the  short  channel  effects  and meet 

target values for all template thicknesses. Thus, final device design parameters for the device are,  

 

1. Silicon body thickness TSi=7nm 

2. Buried oxide thickness TBox=15nm 

3. Undoped silicon body 

4. Lowly doped substrate 1E15cm‐3  with ground‐plane doped 5E18cm‐3  

5. Back‐gate bias of ‐0.7V 

6. Gate workfunction of 4.8eV.   

 Figure 9‐5 plots Id‐Vg curves for device with above parameters for different template thicknesses. 

For any template thickness, the off‐state current value, Ioff is less than the ITRS specified value.   

 

The  off‐state  leakage  current  for different  template  thicknesses  is  less  than  the  ITRS  specified 

value by 70%  for 5nm  thick  template, 77%  for 4nm  thick  template, 87%  for 3nm  thick  template 

Page 111: Thesis

100

and 95% for 2nm thick template. The drive current or Ion values for either template thickness is 

however  smaller  than  the  ITRS  target value of  1.48mA/um. Nevertheless  the  Ion/Ioff  target  is 

met. 

 

 

 Figure 9‐5 Id‐Vg plot for Lg=25nm for different template thicknesses. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um.  

Table  9‐4  specifies  the  threshold  voltage,  Ioff,  Ion,  subthreshold  swing  and DIBL  values.  The 

definition of threshold voltage used is the gate bias that results in a drain current, IDS = (W/Lmet) x 

10‐7  A.  DIBL  is measured  as  difference  in  threshold  voltages  at  drain  bias  of  0.1V  and  1V. 

Subthreshold swing is measured at a drain bias of 1V. 

 

From Table 9‐4  it  is  inferred  that  for  the design parameters  listed above,  the average  threshold 

voltage is 0.25V, subthreshold swing is 160mV/decade and DIBL is 278mV. While the threshold 

voltage  is  low enough,  the subthreshold swing  is  large.   For DIBL, a value  less  than 100mV  is 

generally considered a good value.   However,  for 25nm gate  length device,  this DIBL value  is 

very reasonable. 

ITRS Ioff 1.7E-7A/um

Page 112: Thesis

101

Table 9‐4 Threshold voltage, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 25nm device designed  to meet  ITRS  target  for  Ion/Ioff  ratio.  ITRS  Ioff  and  Ion  specifications  are  1.7E‐7 A/um and 1.48mA/um  

Template Vt (V) Ioff(A/um) Ion (mA/um) SS (mV/decade) DIBL (mV)

5nm 0.22 5.1E-08 0.789 172.1 311.4

4nm 0.23 3.8E-08 0.787 165.6 296.5

3nm 0.26 2.1E-08 0.776 155.8 270.1

2nm 0.30 7.9E-09 0.755 145.6 233.2   

The  above  set of device design parameters meets  the  Ion/Ioff  target. However,  this  represents 

only one out of several possible device designs. Discussed below are other device design options. 

 

I. TSi=7nm, TBox=10nm, Workfunction =4.6eV 

If  the Workfunction  is  4.6eV  and BOX  thickness  is  15nm,  then  the  ITRS  target  for  5nm  thick 

template  is not met even with –1V bias on  the back‐gate.  In order  to avoid doping  the  silicon 

body, the BOX thickness must be scaled keeping the Workfunction as the same. With ΦM=4.6eV 

and TBox=10nm, the back‐gate bias needs to be at least ‐0.2V which results in an Ioff of 6.2E‐8A/um 

and Ion of 1.17mA/um. If the back‐gate bias is ‐0.1V, resulting Ioff is 1.1E‐7A/um which doesn’t 

meet the target. Thus, with TSi=7nm, TBox=10nm, and workfunction =4.6eV, the range of back‐gate 

bias is Vbg≤‐0.2V. 

 

II. TSi=7nm, TBox=10nm or 15nm, Workfunction =4.7eV 

If the workfunction is increased to 4.7eV, the ITRS target for 5nm thick template can be met with 

15nm BOX thickness unlike the case above for ΦM=4.6eV.  However this requires a back‐gate bias 

of Vbg≤‐0.8V. At Vbg=‐0.8V, resulting  Ioff and  Ion are 9.94E‐8A/um and 1mA/um respectively.  If 

the workfunction is kept the same, and BOX thickness is scaled to 10nm, the range on back‐gate 

bias is increased to Vbg≤0V which provides more tunability. As Vbg is decreased from 0V to ‐0.4V, 

Ioff  reduces  from  5.5E‐8A/um  to  4E‐9A/um  and  Ion  from  0.948mA/um  to  0.825mA/um 

respectively. 

 

Page 113: Thesis

102

III. TSi=7nm, TBox=10nm or 15nm, Workfunction =4.8eV 

If the workfunction is increased to 4.8eV, the ITRS target for 5nm thick template can be met with 

15nm BOX thickness with a back‐gate bias of Vbg≤‐0.4V. At Vbg=‐0.4V, resulting Ioff and Ion are 

1.2E‐7A/um  and  0.834mA/um  respectively.  And  at  Vbg=‐0.7V,  as  shown  in  the  table  above, 

resulting  Ioff  and  Ion  are  5.1E‐8A/um  and  0.789mA/um  respectively.  If  the  BOX  thickness  is 

scaled  to  10nm,  the  target  can  be met  at Vbg=0V  resulting  in  Ioff  and  Ion  as  1.5E‐8A/um  and 

0.707mA/um respectively. 

 

                          

 Figure 9‐6 Id‐Vg plot for Lg=25nm for two device design parameters. TSi=7nm and 5nm thick template  for  both.  The  parameter  on  x‐axis  is  gate‐voltage  in  volts  and  on  y‐axis  is  drain current in A/um.  Figure  9‐6  plots  Id‐Vg  curves  for  5nm  thick  template  for  two  device  design  conditions.  For 

TBox=15nm  and  ΦM=4.8eV,  the  back‐gate  bias  is  adjusted  to  be  ‐0.7V  and  for  second  case with 

TBox=10nm  and  ΦM=4.6eV, Vbg  is  adjusted  to  be  ‐0.3V  so  that  both  result  in  same  Ioff  of  3.5E‐

8A/um. It is clear that, for same Ioff, a thinner Box thickness, TBox=10nm results in a much steeper 

subthreshold slope and therefore larger drive current. A major reason for scaling BOX thickness 

ITRS Ioff 1.7E-7A/um

Page 114: Thesis

103

is  the  improvement  in  subthreshold  swing.  However,  a  thin  BOX  also  increases  parasitic 

source/drain  –  substrate  capacitances  and  undermines  that  advantage  of  using  SOI  substrate. 

With regards to this, the device solution for 25nm gate length involves 15nm BOX thickness. 

  

  

Figure 9‐7  Id‐Vg plot  for Lg=25nm  for 5nm and 4nm  thick  template at Tbox=15nm and 10nm. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um. 

  

Figure 9‐7 plots  Id‐Vg  curves  for 5nm and 4nm  thick  templates  for TBox=15nm  and  10nm. The 

metal workfunction is 4.8eV and back‐gate voltage is 0V. It is observed that while at Tbox=15nm, 

5nm  thick  template yields  larger  Ioff, at Tbox=10nm,  it yields  lower  Ioff compared  to 4nm  thick 

template. This is due to the BOX permittivity role reversal below critical thickness as discussed in 

chapter  8. Therefore,  if  the  25nm device  is  engineered with  a  10nm BOX  thickness,  ITRS  Ioff 

requirement will be met with more ease  for a  thicker  template  layer by virtue of a higher BOX 

permittivity. 

 

Page 115: Thesis

104

9.6 15nm Gate Length  

For 15nm gate  length device, the ITRS target values for subthreshold leakage current and drive 

current are 2.9E‐7A/um and 2.03mA/um respectively. It was shown in Chapter 5, that the Ion/Ioff 

ratio  target  is  not met  for  15nm  device without  ground  plane  for  any  template  thickness. A 

ground‐plane  structure  is,  therefore,  included  to  suppress  the  short  channel  effects  and meet 

target values for all template thicknesses. It was discussed in chapter 8 that TBox <Lg/2 is required 

for substantive reduction of DIBL.  Keeping this in view, 6nm Box thickness is chosen. However, 

since this is below the critical thickness, a thinner template would find difficult to meet the ITRS 

target. Also,  silicon body  thickness  is  reduced  to 5nm  to  suppress  short  channel  effects. Thus, 

final device design parameters for the device are,  

 

1. Silicon body thickness TSi=5nm 

2. Buried oxide thickness TBox=6nm 

3. Undoped silicon body 

4. Lowly doped substrate 1E15cm‐3  with ground‐plane doped 5E18cm‐3  

5. Back‐gate bias  is adjusted  to be    ‐0.2V(5nm  template),  ‐0.6V(4nm  template),  ‐0.9V(3nm 

template, ‐1V(2nm template) 

6. Gate workfunction of 4.53eV.   

 Figure 9‐8 plots Id‐Vg curves for device with above parameters for different template thicknesses. 

For any template thickness, the off‐state current value, Ioff is less than the ITRS specified value.   

 

The  off‐state  leakage  current  for different  template  thicknesses  is  less  than  the  ITRS  specified 

value by 91%  for 5nm  thick  template, 85%  for 4nm  thick  template, 78%  for 3nm  thick  template 

and 63% for 2nm thick template. The drive current or Ion values for either template thickness is 

however  smaller  than  the  ITRS  target value of  2.03mA/um. Nevertheless  the  Ion/Ioff  target  is 

met.  

 

Table  9‐5  specifies  the  threshold  voltage,  Ioff,  Ion,  subthreshold  swing  and DIBL  values.  The 

definition of threshold voltage used is the gate bias that results in a drain current, IDS = (W/Lmet) x 

Page 116: Thesis

105

10‐7  A.  DIBL  is measured  as  difference  in  threshold  voltages  at  drain  bias  of  0.1V  and  1V. 

Subthreshold swing is measured at a drain bias of 1V. 

 

 

Figure 9‐8 Id‐Vg plot for Lg=15nm for different template thicknesses. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um.  Table 9‐5 Threshold voltage, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 15nm device designed  to meet  ITRS  target  for  Ion/Ioff  ratio.  ITRS  Ioff  and  Ion  specifications  are  2.9E‐7 A/um and 2.03mA/um  

Template Vt (V) Ioff(A/um) Ion (mA/um) SS (mV/decade) DIBL (mV)

5nm 0.19 3.47E-08 1.28 131.5 221.8

4nm 0.17 5.57E-08 1.35 135.2 230.3

3nm 0.15 7.98E-08 1.41 135.3 242.7

2nm 0.11 1.36E-07 1.50 141.2 255.2

ITRS Ioff 2.9E-7A/um

Page 117: Thesis

106

From Table 9‐5  it  is  inferred  that  for  the design parameters  listed above,  the average  threshold 

voltage is 0.16V, subthreshold swing is 136mV/decade and DIBL is 237mV. The threshold voltage 

is low enough. The subthreshold swing is good for 15nm device and DIBL is small enough. The 

above set of device design parameters meets  the  Ion/Ioff  target. However,  this  represents only 

one out of several possible device designs. Discussed below are other device design options. 

 

I. TSi=5nm, TBox=6nm, Workfunction=4.53eV 

If  the Workfunction  is  4.53eV  and BOX  thickness  is  6nm,  then  the  ITRS  target  for  5nm  thick 

template  is with back‐gate bias of Vbg<0V. The ITRS target for Ioff and Ion are 2.9E‐7A/um and 

2.03mA/um. As Vbg  is decreased  from  ‐0.1V  to  ‐0.6V,  Ioff decreases  from  6.4E‐8A/um  to  3.2E‐

9A/um  and  Ion  from  1.35mA/um  to  1.02mA/um.  The  subthreshold  swing  improves  from 

139mV/decade to 116.5mV/decade. For 4nm thick template, the back‐gate bias needs to be Vbg<‐

0.4V. For 3nm  thick  template, Vbg<‐0.8V and  for 2nm  thick  template, Vbg<‐1V. However, at  the 

same value of back‐gate bias, a thinner template yields larger off‐state leakage current. Therefore, 

the device performance specifications are easier to meet with thicker template. 

 

For  4nm  thick  template  case,  as Vbg  is decreased  from  ‐0.4V  to  ‐1V,  Ioff decreases  from  1.4E‐

7A/um  to  7.8E‐9A/um  and  Ion  from  1.46mA/um  to  1.15mA/um.  The  subthreshold  swing 

improves from 141mV/decade to 119mV/decade. For 3nm thick template case, as Vbg is decreased 

from  ‐0.8V  to  ‐V,  Ioff decreases  from  1.1E‐7A/um  to  5.3E‐8A/um  and  Ion  from  1.46mA/um  to 

1.37mA/um. The subthreshold swing  improves  from 135mV/decade  to 134mV/decade. For 2nm 

thick  template  case,  Vbg=‐1V  yields  Ioff  of  1.36E‐7A/um,  Ion  of  1.5mA/um  and  subthreshold 

swing of 141,2mV/decade. 

 

The  Ioff  target  is met  easily  but  Ion  values  are  smaller  than  the  desired  value. Nevertheless, 

Ion/Ioff target is met. 

 

II. TSi=5nm, TBox=6nm, Workfunction=4.6eV 

When the workfunction is increased to 4.6eV, the constraint on back‐gate voltage is less harsh for 

same value of Ioff. With ΦM=4.6eV, the back‐gate bias needs to be, Vbg<0V for 5nm thick template, 

Vbg<‐0.2V for 4nm thick template, Vbg<‐0.5V for 3nm thick template and Vbg<‐0.7V for 2nm thick 

template.  For  5nm  thick  template,  as Vbg  decreases  from  0V  to  ‐0.8V,  Ioff  reduces  from  3.9E‐

Page 118: Thesis

107

8A/um  to2.6E‐10A/um,  Ion  from  1.22mA/um  to  0.719mA/um  and  subthreshold  swing  from 

139mV/decade to 114mV/decade. For 4nm thick template, Vbg=‐0.4v results in Ioff of 4.7E‐8A/um, 

Ion  of  1.26mA/um  and  subthreshold  swing  of  137mV/deacde.  For  3nm  thick  template,  as Vbg 

decreases from ‐0.5V to ‐0.8V, Ioff reduces from 1.6E‐7A/um to 3.6E‐8A/um, Ion from 1.39mA/um 

to  1.25mA/um  and  subthreshold  swing  from  142mV/decade  to  135mV/decade.  For  2nm  thick 

template, Vbg=‐0.9V and ‐1V result in 1E‐7A/um and 6.4E‐8A/um of off‐state leakage current both 

meeting the ITRS target.  

 

 

 Figure  9‐9  Id‐Vg plot  for Lg=15nm  for  4nm  thick  template. TSi=5nm, TBox=6nm, ΦM=4.53eV. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um.  

Figure 9‐9 plots Id‐vg curves for ΦM=4.53eV and 4nm template thickness for four different back‐

gate voltages. While Ioff target is not met at Vbg=‐0.2V, it is met with most ease at Vbg=‐1V. Figure 

9‐10 plots Id‐Vg curves for ΦM=4.53eV and Vbg=‐1V for different template thicknesses. It verifies 

the  fact  that  at  TBox=6nm,  keeping  all  other  parameters  the  same,  a  thicker  template  yields  a 

smaller Ioff by virtue of a higher BOX permittivity.  

ITRS Ioff 2.9E-7A/um

Page 119: Thesis

108

 

 

Figure  9‐10  Id‐Vg plot  for Lg=15nm with TSi=5nm, TBox=6nm, ΦM=4.53eV  and Vbg=‐1V. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um.  

Thus, several device design parameters meeting  the  target have been discussed. The  important 

thing to note is that Ion/Ioff ratio target is met without the need for silicon channel doping. With 

BOX  thickness as  thin as 6nm,  the workfunction  requirement  is 4.53eV or 4.6eV unlike a high 

value as 4.8eV like for 25nm device. 

 

9.7 10nm Gate Length  

For 10nm gate  length device, the ITRS target values for subthreshold leakage current and drive 

current are 3.7E‐7A/um and 2.18mA/um respectively. It was shown in Chapter 5, that the Ion/Ioff 

ratio  target  is  not met  for  10nm  device without  ground  plane  for  any  template  thickness. A 

ground‐plane  structure  is,  therefore,  included  to  suppress  the  short  channel  effects  and meet 

target values for all template thicknesses. It was discussed in chapter 8 that TBox <Lg/2 is required 

for substantive reduction of DIBL.   This means  that BOX  thickness needs  to be as  thin as 5nm. 

ITRS Ioff 2.9E-7A/um

Page 120: Thesis

109

And since this is below the critical thickness, a thinner template would find difficult to meet the 

ITRS target. Silicon body thickness needs to be as thin as 5nm to suppress short channel effects. 

Thus, final device design parameters for the device are,  

 

1. Silicon body thickness TSi=5nm 

2. Buried oxide  thickness TBox=6nm  (  for 5nm and 4nm  thick  template) and 4nm  (for 3nm 

and 2nm thick template) 

3. Undoped silicon body 

4. Lowly doped substrate 1E15cm‐3  with ground‐plane doped 5E18cm‐3  

5. Back‐gate  bias  is  adjusted  to  be    ‐0.4V(5nm  template),  ‐1V(4nm  template),  ‐0.3V(3nm 

template, ‐0.7V(2nm template) 

6. Gate  workfunction  is  adjusted  to  be  4.8eV(5nm  template),  4.98eV(4nm  template), 

5.3eV(3nm template) and 5.45eV(2nm template)   

 

                           

 

Figure 9‐11 Id‐Vg plot for Lg=10nm for different template thicknesses The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um. 

ITRS Ioff 3.7E-7A/um

Page 121: Thesis

110

Figure  9‐11  plots  Id‐Vg  curves  for  device  with  above  parameters  for  different  template 

thicknesses.  For  any  template  thickness,  the  off‐state  current  value,  Ioff  is  less  than  the  ITRS 

specified value.   

 

The  off‐state  leakage  current  for different  template  thicknesses  is  less  than  the  ITRS  specified 

value by 70%  for 5nm  thick  template, 77%  for 4nm  thick  template, 87%  for 3nm  thick  template 

and 95% for 2nm thick template. The drive current or Ion values for either template thickness is 

however  smaller  than  the  ITRS  target value of 2.1.8mA/um. Nevertheless  the  Ion/Ioff  target  is 

met. As can be observed  the device design parameters are different  for different  thicknesses of 

template. When  template  is 5nm  thick, the effective BOX permittivity  is 28.0 and  ITRS  target  is 

met with a good subthreshold slope. However, as  template  thickness  reduces,  increase  in BOX 

permittivity makes  it harder  to achieve  the  target. This  is  the  reason why 5nm and 4nm  thick 

templates require TBox=5nm whereas 3nm and 2nm thick templates need TBox=4nm. Even the gate 

workfunction increases from 4.8eV for 5nm thick template to 5.3eV for 2nm thick template.  

 

Table  9‐6  specifies  the  threshold  voltage,  Ioff,  Ion,  subthreshold  swing  and DIBL  values.  The 

definition of threshold voltage used is the gate bias that results in a drain current, IDS = (W/Lmet) x 

10‐7  A.  DIBL  is measured  as  difference  in  threshold  voltages  at  drain  bias  of  0.1V  and  1V. 

Subthreshold swing is measured at a drain bias of 1V. 

 Table 9‐6 Threshold voltage, Ioff, Ion, Subthreshold swing and DIBL values for 10nm device designed  to meet  ITRS  target  for  Ion/Ioff  ratio.  ITRS  Ioff  and  Ion  specifications  are  3.7E‐7 A/um and 2.18mA/um    

Template Vt (V) Ioff(A/um) Ion (mA/um) SS (mV/decade) DIBL (mV)

5nm 0.28 1.80E-08 0.785 160.0 360

4nm 0.29 2.55E-08 0.652 186.5 460

3nm 0.42 1.73E-08 0.228 233.1 480

2nm 0.48 1.38E-08 0.122 247.0 490   

Page 122: Thesis

111

From Table 9‐6  it  is  inferred  that  for  the design parameters  listed above,  the average  threshold 

voltage  is  0.36V,  subthreshold  swing  is  206mV/decade  and DIBL  is  447mV. The  subthreshold 

swing and DIBL are  large. A good way  to  improve  those would be  to dope  the silicon channel 

which  however  is  not  a  good  option  because  of  dopant  induced Vt  fluctuation  and mobility 

degradation. The above set of device design parameters meets the Ion/Ioff target. However, this 

represents  only  one  out  of  several  possible  device  designs. Discussed  below  are  other  device 

design options. 

 

I. TSi=5nm, TBox=5nm, 5nm Template Thickness 

Figure  9‐12  plots  Id‐Vg  curves  for  5nm  template  thickness  for  three  different  values  of  gate‐

workfunction.    Silicon  body  and  BOX  thickness  is  5nm.  Back‐gate  bias  is  ‐0.4V.  If  the  gate‐

workfunction increases from 4.6eV to 4.8eV, off‐state leakage current drops from 2.9E‐7A/um to 

1.8E‐8A/um and Ion from 1.32mA/um to 0.785mA/um. With workfunction of 4.8eV, while Vbg=‐

0.2V  yields  6.5E‐8A/um  of  leakage  current, Vbg=‐0.4V  reduces  it  to  1.8E‐8A/um.  Subthreshold 

swing degrades slightly from 178.6mV/decade to 160mV/decade. 

 

                               

Figure 9‐12 Id‐Vg plot for Lg=10nm with TSi=5nm, TBox=5nm, Vbg=‐0.4V and variable ΦM. The parameter on x‐axis is gate‐voltage in volts and on y‐axis is drain current in A/um. 

ITRS Ioff 3.7E-7A/um

Page 123: Thesis

112

II. TSi=5nm, TBox=5nm, 4nm Template Thickness 

With ΦM=4.8eV, Vbg=‐0.8V results in Ioff=5E‐7A/um and doesn’t meet the target. When back‐gate 

voltage  is reduced  to Vbg=‐1V,  Ioff reduces  to 2.1E‐7A/um and resulting  Ion  is 1.13mA/um. The 

ITRS Ioff target  is also met with ΦM=5.0eV and Vbg<‐0.4V until Ion decreases by a  large amount 

and  ITRS  Ion/Ioff  ratio  target  is  not met.  The  chosen  set  of  device  parameters  however  are 

ΦM=4.98eV and Vbg=‐1V. 

 

II. TSi=5nm, TBox=4nm, 3nm Template Thickness 

If BOX  thickness  is retained at 5nm,  the gate‐workfunction needs  to be  increased  to more  than 

5.3eV. For (ΦM, Vbg) = {5.3eV, ‐1V}, Ioff is 3.6E‐8A/um and Ion is 0.289mA/um. The Ion/Ioff ratio is 

8E3A/A.  If ΦM  is  increased  to 5.44eV and Vbg  is kept  the same,  resulting  Ioff and  Ion are 1.2E‐

8A/um and 0.123mA/um respectively. The Ion/Ioff ratio  increases to 1E4A/A. If ΦM  is  increased 

further, one would expect a drop in Ioff and therefore rise in Ion/Ioff ratio. However, Ion drops 

by a large amount by virtue of increase in threshold voltage so the Ion/Ioff ratio is not improved. 

For ΦM=5.5eV and Vbg=‐1V, Ioff reduces to 7.4E‐9A/um but Ion becomes a meager 7.8E5A/um. The 

resulting Ion/Ioff ratio is thus 9.8E3A/A smaller than that for ΦM=5.44eV case. In order to achieve 

a larger Ion/Ioff ratio, the BOX thickness is reduced to 4nm and so for same template thickness of 

2nm,  the BOX permittivity  is  increased which provides more  ease  in  achieving  the  target. At 

TBox=4nm while (ΦM, Vbg) = {5.3eV, ‐0.3V} results in {Ioff, Ion} = {1.7E‐8A/um, 0.228mA/um}, (ΦM, 

Vbg)  =  {5.4eV,  ‐0.3V}  results  in  {Ioff,  Ion}  =  {7.4E‐9A/um,  0.114mA/um.  The  Ion/Ioff  ratio  is 

1.3E4A/A for the former and 1.5E4A/A for the latter.  

 III. TSi=5nm, TBox=4nm, 2nm Template Thickness 

At TBox=4nm and ΦM=5.45eV, as Vbg is reduced from ‐0.7V to ‐0.9V, Ioff reduces from 1.4E‐8A/um 

to 4.3E‐9A/um,  Ion  from 0.122mA/um  to 8.2E‐5A/um and  consequently  Ion/Ioff  ratio  increases 

from 8.8E3A/A to 1.9E4A/A.    

 The device design considerations for 10nm gate length device were discussed. Even though the 

ITRS Ion/Ioff ratio targets are met with undoped silicon body, the subthreshold slope and DIBL 

are large. Some improvement can result in by doping the silicon channel. However even then, the 

device under consideration would perform better  than standard SOI device. This  is because, at 

such thin BOX thickness as needed for 10nm device, a high‐k BOX yields lesser DIBL and greater 

ease in meeting the target off‐state leakage values.  

Page 124: Thesis

113

9.8 Meeting ITRS Ion/Ioff Specification  

The  goal  of  device modeling was  to  design  the  device  so  that  ITRS High  Performance  Logic 

Technology specifications are met at every gate length. Figure 9‐13 plots Ion/Ioff ratio as specified 

by ITRS and as designed, for different gate lengths. It has been shown in previous sections that 

ITRS  specifications  can  be met  for  any  gate  length with  undoped  silicon  body  and  for  any 

template  thickness. Because, 15nm and 10nm devices  require an ultra‐thin BOX with  thickness 

below critical thickness as described in chapter 8, a thicker template yields a larger Ion/Ioff ratio. 

  

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

10nm 15nm 25nm 30nm 45nm 60nm

Channel Length (nm)

Ion/

Ioff

5nm4nm3nm

2nmITRS'05 HP Logic

 

Figure 9‐13 ITRS expected and Simulated Ion/Ioff ratio versus channel length   

Figure  9‐14  shows  an  alternate  representation  of  Ion/Ioff  ratios  versus  channel  length.  The 

vertical bars corresponding to different template thicknesses are  larger than that corresponding 

to  the  ITRS  specification  suggesting  that  the  target  is met  for  every  template  thickness  and  at 

every gate length. For 15nm and 10nm gate lengths, a thinner template results in smaller Ion/Ioff 

ratio.  Table 9‐7 summarizes device design parameters for all gate‐lengths as discussed in detail 

in above sections.  

Page 125: Thesis

114

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

10 15 25 30 45 60

Channel Length (nm)

Ion/

Ioff

5nm4nm3nm

2nmITRS'05 HP Logic

  

Figure 9‐14 ITRS expected and Simulated Ion/Ioff ratio versus channel length   Table 9‐7 Summary of device design parameters to meet ITRS HP Logic Ion/Ioff specification for different channel lengths. Except for 60nm, all other gate‐length devices employ ground‐plane. Substrate doping is 1E15cm‐3 and p+ ground‐plane implant is 5E18cm‐3     

Channel Length Lg 

(nm) 

Silicon Body Thickness TSi 

(nm) 

BOX Thickness TBox (nm) 

Gate Workfunction ΦM (eV) 

Back‐gate Bias Vbg (V) 

Body Doping  (cm‐3) 

60  7  15  4.53  0.00  Undoped 

45  7  15  4.53  0.20  Undoped 

30  7  15  4.53  ‐0.85  Undoped 

25  7  15  4.80  ‐0.70  Undoped 

15  5  6  4.53  5nm: ‐0.2V 4nm: ‐0.6V 3nm: ‐0.9V 2nm: ‐1.0V 

Undoped 

10  5  5nm: 5 4nm: 5 3nm: 4 2nm: 4 

5nm: 4.80 4nm: 4.98 3nm: 5.30 2nm: 5.45 

5nm: ‐0.4V 4nm: ‐1.0V 3nm: ‐0.3V 2nm: ‐0.7V 

Undoped 

 

Page 126: Thesis

115

9.9 Conclusion In  this chapter  it has been shown  that epitaxial‐oxide based SOI device can meet  ITRS  Ion/Ioff 

target down to 10nm channel  length. The device design parameters for each gate‐length device 

were discussed. While buried oxide is 15nm thick for until 25nm gate‐length device, it becomes 

as  thin as 4nm  for 10nm gate‐length device. Silicon body  thickness  is  small  to make  sure  full‐

depletion and suppressed DIBL  through silicon body.  It becomes as  thin as 5nm  for 15nm and 

10nm  gate‐length  devices.  The  silicon  body  is  undoped  for  all  gate‐lengths.  This  avoids  the 

problems associated with very high channel doping.     The gate‐workfunction is 4.53eV for until 

30nm gate‐length and increases to 5.45eV for 10nm device. As long as the buried oxide is thick, 

15nm, a thinner template material results in a larger Ion/Ioff ratio. However, for 10nm and 15nm 

devices,  that require, BOX  thickness below critical  thickness of about 10nm, a  thinner  template 

material  gets  hard  to meet  the  ITRS  target with.  Thus, while  high‐k  template  oxide  is  not  a 

favorable option at thick BOX, it provides better device performance and scalability at thin BOX.  

Nevertheless, it has been shown that despite high‐k template, ITRS Ion/Ioff target can be met for 

any channel length.  

 

 

 

 

Page 127: Thesis

116

Chapter 10 Conclusion and Future Work 10.1 Conclusion The  goal  of  this  work  was  to  demonstrate  that  high‐k  template  oxide  won’t  hurt  device 

performance  significantly and  that  ITRS  Ion/Ioff  specifications  can be met  for any gate  length. 

Two dimensional device modeling has shown that Floating Epitaxy based SOI devices can meet 

ITRS Ion/Ioff specifications down to 10nm channel length for any thickness of template material 

between 2nm and 5nm.. This however requires appropriate device design. While ground‐plane is 

essential  to suppress short channel effects associated with buried oxide; silicon body  thickness, 

back‐gate  bias  and  gate  workfunction  are  important  device  design  parameters  that  control 

threshold voltage. Buried layer engineering is another option for reducing short channel effects. It 

requires  appropriate  selection  and modeling  of  these parameters  to meet  the  ITRS  target  and 

ensuring good subthreshold slope and small DIBL at the same time.  

 

A major conclusion as part of this work is also that, while high‐k BOX causes more DIBL at thick 

BOX, it slightly helps device performance at thin BOX by resulting in lesser DIBL. Therefore, for 

very  small  devices,  in  sub‐15nm  regime,  which  require  ultra  thin  buried  oxides,  a  high 

permittivity will be of more advantage. This is because; a high permittivity BOX is more capable 

of causing field lines from drain to terminate on substrate rather than channel thereby reducing 

DIBL through silicon body.  

It can be concluded that future SOI devices based on epitaxial‐buried oxide as discussed in this 

work will  not  only  guarantee  expected  device  performance  but will  also  solve much  of  the 

problems associated with SOI manufacturing today from ease of fabrication and cost perspective. 

 

 

Page 128: Thesis

117

10.2 Future Work Now  that  the  device modeling  has  been  done,  devices will  be  fabricated  on wafer  samples 

available of the floating epitaxy substrate. Devices of varying gate‐length and template thickness 

will be fabricated. Device characterization and measurements will reveal the device performance 

from perspective of short channel effects and Ion/Ioff ratio.