실리콘 나노 와이어 형태의 MOSFET 는 종래의 트랜지스터를 대체할 수 있는 유망한 다음 세대의 집적 회로의 중요한 구성 요소로서 폭넓게 연구되고 있다. 특히 Silicon on Insulator 기판을 사용한 나노 와이어 MOSFET 는 종래의 실리콘 기판을 사용하는 경우에 비하여, 소자의 길이가 짧아짐에 따라 그 특성을 열화 시키는 단 채널 효과에 둔감하고, 기생 저항 및 기생 ...
실리콘 나노 와이어 형태의 MOSFET 는 종래의 트랜지스터를 대체할 수 있는 유망한 다음 세대의 집적 회로의 중요한 구성 요소로서 폭넓게 연구되고 있다. 특히 Silicon on Insulator 기판을 사용한 나노 와이어 MOSFET 는 종래의 실리콘 기판을 사용하는 경우에 비하여, 소자의 길이가 짧아짐에 따라 그 특성을 열화 시키는 단 채널 효과에 둔감하고, 기생 저항 및 기생 정전용량이 작으며, 래치-업 (latch-up) 을 더욱 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 전력 소비마저 작은 장점들이 있다. 기존의 2차원 MOSFET 의 기술적인 한계를 뛰어 넘고, 소자의 성능을 향상시키기 위하여 3차원 구조를 이용한 MOSFET 에 대한 깊이 있는 연구가 그 대안으로서 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 Multi bridged channel MOSFET (MBCFET) 는 단 채널 효과들을 효과적으로 억제하여 전기적으로 긴 채널 특성을 보이고, 채널에 대한 게이트의 제어력을 높이며, 상당히 큰 출력 전류를 얻을 수 있는 등의 3차원 소자 구조로서의 장점을 가장 잘 보여줄 수 잇는 소자로 각광받고 있다. 본 박사학위 논문에서는 SOI 기판을 이용한 긴 채널의 MOSFET과 2개 또는 3개의 상위 gate 를 갖는 짧은 채널의 MOSFET, 그리고 MBCFET 에 대한 제작 방법과 다양한 길이를 갖는 소자들의 여러 가지 온도에서 전도 특성에 대해 설명한다. 이러한 나노 크기를 갖는 소자들은 subband 와 quantum well 의 형성, 단일 전자 터널링, 탄도 수송 같은 흥미로운 양자 역학적인 특성을 나타낸다. 채널 길이가 길고 얇은 두께의 상위 실리콘 층을 갖는 와이어 타입의 SOI MOSFET 에서는 volumeinversion 이 주요한 전도 메커니즘이 된다. 또한 전면 gate 와 후면 gate 의 interface coupling 효과와 삼각 형태의 양자 우물의 형성으로 인해 두 번째 subband 에 전자가 분포함으로 인하여 transconductance 의 최대값이 두 개로 분리된다. 후면 gate 전압에 의존하는 subthreshold swing 과 문턱 전압의 변화는 앞서 논의된 volume inversion 과 전면 및 후면 gate 사이의 interface coupling 효과 및 삼각 형태의 양자 우물의 존재로 설명된다. 2개의 상위 sidewall gate 를 갖는 짧은 채널의 나노 와이어 형태의 SOI MOSFET 는 4K 의 온도에서 단일 전자 트랜지스터로 동작한다. 두 개의 상위 gate 사이에 형성된 양자 점으로부터 기인된 명확한 Coulomb oscillation 과 Coulomb diamond 를 보여준다. 측정된 데이터로부터 얻어진 총 정전 용량은 이상적인 디스크 모양의 양자점을 가정했을 때 계산된 자가 정전 용량과 잘 일치한다. 두 개의 상위 gate 사이의 거리가 180 , 210, 240 nm 로 증가함에 따라 양자 점의 크기도 59, 65, 75 nm 로 점점 증가한다. 이러한 결과로 볼 때, 본 소자는 두 개의 상위 gate 사이의 간격을 조절함으로써 양자점의 크기를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 sidewall gate 로 인하여 두 gate 사이의 간격보다 더욱 작은 크기의 양자점을 얻을 수 있다. 두 개의 양자 점을 갖는 구조가 세 개의 상위 sidewall gate 를 갖는 짧은 채널의 SOI MOSFET 로부터 얻어진다. 4 K 에서 2개의 서로 다른 양자 점에서 기인된 2개의 주기를 갖는 Coulomb oscillation 과 톱날 모양의 Coulomb diamond 가 관찰된다. 단일 전자 터널링 현상을 잘 설명하는 Orthodox 모델로부터 얻어진 시뮬레이션 결과는 실험적으로 얻어진 결과와 잘 일치한다. MBCFET 의 기본적인 특성과 48 – 500 nm 의 여러 가지 길이를 갖는 소자들의 길이 의존적인 특성 및 100 nm 길이를 갖는 소자의 온도 의존적인 특성이 논의된다. 특히 48 nm 의 길이를 갖는 상당히 짧은 소자임에도 불구하고, 낮은 DIBL 과 높은 출력 전류, 낮은 subthreshold swing 을 갖는 등 전기적으로 긴 채널 특성을 나타내어 짧은 채널 효과에 강한 모습을 보인다. 또한 소자의 길이 의존성과 온도 의존성 분석을 통하여 탄도 수송의 영향을 살펴볼 수 있다. 본 소자의 경우, 탄도 수송의 정도를 나타내는 척도인 탄도 효율 (ballistic efficiency) 은, 소자의 길이가 감소됨에 따라 20 % 에서 45 % 로 증가한다. 특히 60 nm 이하의 소자에서 높은 드레인 전압 하에서 fitted power 와 mobility 가 포화되는 것을 볼 수 있다. 우리는 이러한 특성들을 고전적인 표동-확산 수송과 탄도 수송의 두 가지 전도 메커니즘이 교차되고 있다는 증거로 제시한다. 낮은 드레인 전압 하에서 채널 저항은 60 nm 이하의 소자에서 갑작스러운 감소를 보이는데 이것은 탄도 수송이 주요한 전도 메커니즘인 소자들에게서 공통적으로 관찰되는 transconductance overshoot 으로 인한 특성이다. 길이가 100 nm 인 소자의 온도 의존성을 살펴보면, 40 K 이하에서 fitted power 와 채널 저항이 포화되는 현상을 볼 수 있다. 이것은 100 nm 소자에서의 전자 전도 메커니즘인 탄도 수송이 1차원 나노선에서 관찰되는 양자역학적인 탄도 수송으로 변화하면서 생기는 현상이라고 해석할 수 있다.
실리콘 나노 와이어 형태의 MOSFET 는 종래의 트랜지스터를 대체할 수 있는 유망한 다음 세대의 집적 회로의 중요한 구성 요소로서 폭넓게 연구되고 있다. 특히 Silicon on Insulator 기판을 사용한 나노 와이어 MOSFET 는 종래의 실리콘 기판을 사용하는 경우에 비하여, 소자의 길이가 짧아짐에 따라 그 특성을 열화 시키는 단 채널 효과에 둔감하고, 기생 저항 및 기생 정전용량이 작으며, 래치-업 (latch-up) 을 더욱 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 전력 소비마저 작은 장점들이 있다. 기존의 2차원 MOSFET 의 기술적인 한계를 뛰어 넘고, 소자의 성능을 향상시키기 위하여 3차원 구조를 이용한 MOSFET 에 대한 깊이 있는 연구가 그 대안으로서 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 Multi bridged channel MOSFET (MBCFET) 는 단 채널 효과들을 효과적으로 억제하여 전기적으로 긴 채널 특성을 보이고, 채널에 대한 게이트의 제어력을 높이며, 상당히 큰 출력 전류를 얻을 수 있는 등의 3차원 소자 구조로서의 장점을 가장 잘 보여줄 수 잇는 소자로 각광받고 있다. 본 박사학위 논문에서는 SOI 기판을 이용한 긴 채널의 MOSFET과 2개 또는 3개의 상위 gate 를 갖는 짧은 채널의 MOSFET, 그리고 MBCFET 에 대한 제작 방법과 다양한 길이를 갖는 소자들의 여러 가지 온도에서 전도 특성에 대해 설명한다. 이러한 나노 크기를 갖는 소자들은 subband 와 quantum well 의 형성, 단일 전자 터널링, 탄도 수송 같은 흥미로운 양자 역학적인 특성을 나타낸다. 채널 길이가 길고 얇은 두께의 상위 실리콘 층을 갖는 와이어 타입의 SOI MOSFET 에서는 volume inversion 이 주요한 전도 메커니즘이 된다. 또한 전면 gate 와 후면 gate 의 interface coupling 효과와 삼각 형태의 양자 우물의 형성으로 인해 두 번째 subband 에 전자가 분포함으로 인하여 transconductance 의 최대값이 두 개로 분리된다. 후면 gate 전압에 의존하는 subthreshold swing 과 문턱 전압의 변화는 앞서 논의된 volume inversion 과 전면 및 후면 gate 사이의 interface coupling 효과 및 삼각 형태의 양자 우물의 존재로 설명된다. 2개의 상위 sidewall gate 를 갖는 짧은 채널의 나노 와이어 형태의 SOI MOSFET 는 4K 의 온도에서 단일 전자 트랜지스터로 동작한다. 두 개의 상위 gate 사이에 형성된 양자 점으로부터 기인된 명확한 Coulomb oscillation 과 Coulomb diamond 를 보여준다. 측정된 데이터로부터 얻어진 총 정전 용량은 이상적인 디스크 모양의 양자점을 가정했을 때 계산된 자가 정전 용량과 잘 일치한다. 두 개의 상위 gate 사이의 거리가 180 , 210, 240 nm 로 증가함에 따라 양자 점의 크기도 59, 65, 75 nm 로 점점 증가한다. 이러한 결과로 볼 때, 본 소자는 두 개의 상위 gate 사이의 간격을 조절함으로써 양자점의 크기를 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 sidewall gate 로 인하여 두 gate 사이의 간격보다 더욱 작은 크기의 양자점을 얻을 수 있다. 두 개의 양자 점을 갖는 구조가 세 개의 상위 sidewall gate 를 갖는 짧은 채널의 SOI MOSFET 로부터 얻어진다. 4 K 에서 2개의 서로 다른 양자 점에서 기인된 2개의 주기를 갖는 Coulomb oscillation 과 톱날 모양의 Coulomb diamond 가 관찰된다. 단일 전자 터널링 현상을 잘 설명하는 Orthodox 모델로부터 얻어진 시뮬레이션 결과는 실험적으로 얻어진 결과와 잘 일치한다. MBCFET 의 기본적인 특성과 48 – 500 nm 의 여러 가지 길이를 갖는 소자들의 길이 의존적인 특성 및 100 nm 길이를 갖는 소자의 온도 의존적인 특성이 논의된다. 특히 48 nm 의 길이를 갖는 상당히 짧은 소자임에도 불구하고, 낮은 DIBL 과 높은 출력 전류, 낮은 subthreshold swing 을 갖는 등 전기적으로 긴 채널 특성을 나타내어 짧은 채널 효과에 강한 모습을 보인다. 또한 소자의 길이 의존성과 온도 의존성 분석을 통하여 탄도 수송의 영향을 살펴볼 수 있다. 본 소자의 경우, 탄도 수송의 정도를 나타내는 척도인 탄도 효율 (ballistic efficiency) 은, 소자의 길이가 감소됨에 따라 20 % 에서 45 % 로 증가한다. 특히 60 nm 이하의 소자에서 높은 드레인 전압 하에서 fitted power 와 mobility 가 포화되는 것을 볼 수 있다. 우리는 이러한 특성들을 고전적인 표동-확산 수송과 탄도 수송의 두 가지 전도 메커니즘이 교차되고 있다는 증거로 제시한다. 낮은 드레인 전압 하에서 채널 저항은 60 nm 이하의 소자에서 갑작스러운 감소를 보이는데 이것은 탄도 수송이 주요한 전도 메커니즘인 소자들에게서 공통적으로 관찰되는 transconductance overshoot 으로 인한 특성이다. 길이가 100 nm 인 소자의 온도 의존성을 살펴보면, 40 K 이하에서 fitted power 와 채널 저항이 포화되는 현상을 볼 수 있다. 이것은 100 nm 소자에서의 전자 전도 메커니즘인 탄도 수송이 1차원 나노선에서 관찰되는 양자역학적인 탄도 수송으로 변화하면서 생기는 현상이라고 해석할 수 있다.
This thesis contains thorough and systematic electron transport study of nanoscale devices based on silicon metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). In long channel thin silicon on insulator (SOI) MOSFET, transconductance splitting come from strong interface coupling effect and po...
This thesis contains thorough and systematic electron transport study of nanoscale devices based on silicon metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). In long channel thin silicon on insulator (SOI) MOSFET, transconductance splitting come from strong interface coupling effect and population of electron in second subband arisen from triangular quantum well is found. Back gate bias (VBG) dependent characteristics of subthreshold swing (SS) and threshold voltage (Vth) shows different transition slope compared with thick SOI owing to the volume inversion of a thin SOI where both front and back gate strongly modulated the conduction band and charge state of the SOI Short channel nanowire SOI MOSFET with two sidewall finger gates shows single electron transistor (SET) action at 4 K. Clear Coulomb oscillations and Coulomb diamonds are observed. They are resulted from quantum dot (QD) formed between two finger gates and the size of QD is simply controlled by length between two finger gates. Double QDs structure fabricated by short channel nanowire SOI MOSFET with three sidewall finger gates demonstrates Coulomb oscillations with two periods and saw-tooth shaped Coulomb diamond caused by two different QDs at 4 K. Simulation data based on the model of Orthodox theory through double QD in series reproduce measured data. Basic device performances, L dependent characteristics and T dependent characteristics in multi bridged channel MOSFETs (MBCFETs) are discussed. The investigation of L-dependent ballistic efficiency, fitted power (), mobility, and channel resistance (RCH) shows a mixed feather of ballistic transport and drift-diffusion transport. T-dependent examination of RCH and suggests crossover of 1D quantum ballistic transport.
This thesis contains thorough and systematic electron transport study of nanoscale devices based on silicon metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). In long channel thin silicon on insulator (SOI) MOSFET, transconductance splitting come from strong interface coupling effect and population of electron in second subband arisen from triangular quantum well is found. Back gate bias (VBG) dependent characteristics of subthreshold swing (SS) and threshold voltage (Vth) shows different transition slope compared with thick SOI owing to the volume inversion of a thin SOI where both front and back gate strongly modulated the conduction band and charge state of the SOI Short channel nanowire SOI MOSFET with two sidewall finger gates shows single electron transistor (SET) action at 4 K. Clear Coulomb oscillations and Coulomb diamonds are observed. They are resulted from quantum dot (QD) formed between two finger gates and the size of QD is simply controlled by length between two finger gates. Double QDs structure fabricated by short channel nanowire SOI MOSFET with three sidewall finger gates demonstrates Coulomb oscillations with two periods and saw-tooth shaped Coulomb diamond caused by two different QDs at 4 K. Simulation data based on the model of Orthodox theory through double QD in series reproduce measured data. Basic device performances, L dependent characteristics and T dependent characteristics in multi bridged channel MOSFETs (MBCFETs) are discussed. The investigation of L-dependent ballistic efficiency, fitted power (), mobility, and channel resistance (RCH) shows a mixed feather of ballistic transport and drift-diffusion transport. T-dependent examination of RCH and suggests crossover of 1D quantum ballistic transport.
주제어
#Silicon MOSFET Single Electron Transistor MBCFET Ballistic Transport
학위논문 정보
저자
정영채
학위수여기관
Graduate School, Korea University
학위구분
국내박사
학과
전자컴퓨터공학과
지도교수
황성우
발행연도
2011
총페이지
x, 118장
키워드
Silicon MOSFET Single Electron Transistor MBCFET Ballistic Transport
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