[논문]이중게이트 MOSFET에서 채널도핑농도에 따른 문턱전압이하 특성 분석

정학기

doi:10.6109/jkiice.2008.12.10.1840

[국내논문] 이중게이트 MOSFET에서 채널도핑농도에 따른 문턱전압이하 특성 분석
Analysis of Channel Doping Concentration Dependent Subthreshold Characteristics for Double Gate MOSFET 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.12 no.10, 2008년, pp.1840 - 1844

정학기 (군산대학교 전자정보공학부)

초록
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본 연구에서는 이중게이트 MOSFET 제작시 가장 중요한 요소인 채널도핑농도가 문턱전압이하 영역에서 전송 특성에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 포아슨방정식을 이용한 분석학적 전송모델을 사용하였다. 문턱전압이하의 전류전도에 영향을 미치는 열방사전류와 터널링전류에 대하여 분석하였으며 본 연구의 모델이 타당하다는 것을 입증하기 위하여 서브문턱스윙 값과 채널도핑 농도의 관계를 Medici 이차원 시뮬레이션값과 비교하였다. 결과적으로 본 연구에서 제시한 전송특성 모델이 이차원 시뮬레이션모델과 매우 잘 일치하였으며 이중게이트MOSFET의 구조적 파라미터에 따라 전송특성을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the influence of channel doping concentration, which the most important factor is as double gate MOSFET is fabricated, on transport characteristics has been analyzed in the subthreshold region. The analytical model is used to derive transport model based on Poisson equation. The thermionic omission and tunneling current to have an influence on subthreshold current conduction are analyzed, and the relationship of doping concentration and subthreshold swings of this paper are compared with those of Medici two dimensional simulation, to verify this model. As a result, transport model presented in this paper is good agreement with two dimensional simulation model, and the transport characteristics have been considered according to the dimensional parameters of double gate MOSFET.

Keyword

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문제 정의

채널도핑은 문턱전압의 변화뿐만이 아니라 서브문턱스윙등 문턱 전압 이하 특성에도 큰 영향을 미치고 있다. 그러므로 본 논문에서는 문턱 전압 이하에서 채널도핑이 전송특성에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 즉, 문턱 전압이 하에서 채 널도핑 에 따른 전도 중심의 변화, 채널내 포텐셜의 변화, 서브 문턱 스윙의 변화 등을 고찰함으로써 채널 도핑이 전자 전송 특성에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
그러므로 본 논문에서는 문턱 전압 이하에서 채널도핑이 전송특성에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 즉, 문턱 전압이 하에서 채 널도핑 에 따른 전도 중심의 변화, 채널내 포텐셜의 변화, 서브 문턱 스윙의 변화 등을 고찰함으로써 채널 도핑이 전자 전송 특성에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 2장에서는 이론적 배경에 대하여 설명할 것이며 3장에서는 결과를 고찰하고 4장에서 결론을 맺을 것이다.
본 연구에서는 이중게이트MOSFET에서 채널 도핑농도에 따른 서브문턱스윙의 변화를 고찰하였다. 제시한 전송모델의 타당성을 입증하기 위하여 이차원 시뮬레이션 값과 서브문턱스윙값을 비교하였으며 매우 잘 일치함을 알 수 있었다.

제안 방법

제시한 전송모델의 타당성을 입증하기 위하여 이차원 시뮬레이션 값과 서브문턱스윙값을 비교하였으며 매우 잘 일치함을 알 수 있었다. 전도중심과 서브문턱스윙 의 관계를 분석하여 저농도 도핑에서도 우수한 서브 문턱 스윙 값을 갖기 위한 채널길이와 채널두께의 관계를 고찰하였다. 보다 자세히 도핑 농도에 따른 전도중심 의 변화를 고찰하기 위하여 포텐셜분포를 이용하였다.
도핑농도가 감소하면 전도중심이 채널중심으로 이동하고 열방사 전류의 전송특성이 저하되어 서브문턱스윙 이 증가함을 알 수 있었다. 또한 도핑 농도의 변화에 따른 서브 문턱 스윙의 변화를 채널길이 및 채널두께를 파라미터로 하여 고찰하였다. 채널길이가 감소하고 저농도 도핑에서 서브 문턱 스윙은 매우 증가하나 채널두께를 감소시켜 디지털 소자로 사용가능한 서브문턱스윙을 얻을 수 있다고 사료된다.
전도중심과 서브문턱스윙 의 관계를 분석하여 저농도 도핑에서도 우수한 서브 문턱 스윙 값을 갖기 위한 채널길이와 채널두께의 관계를 고찰하였다. 보다 자세히 도핑 농도에 따른 전도중심 의 변화를 고찰하기 위하여 포텐셜분포를 이용하였다. 도핑농도가 감소하면 전도중심이 채널중심으로 이동하고 열방사 전류의 전송특성이 저하되어 서브문턱스윙 이 증가함을 알 수 있었다.

대상 데이터

즉 그림 1과 같이 게 이트 산화막이 채널을 둘러싼 형태를 취하고 있다. 채널은 저 도핑하여 완전결핍상태에서 동작하도록 하며, 대칭적인 구조로 두 개의 동일한 P+폴리실리콘게이트를 사용하였으며 구조적 파라미터는 매우 낮게 P형 도핑된 채널의 두께 fs, , 게이트산화막 儿, 그리고 게이트 길이 Lg 등이다. P형 채널은 M = 10, 6/fem3을 사용하였다.
채널은 저 도핑하여 완전결핍상태에서 동작하도록 하며, 대칭적인 구조로 두 개의 동일한 P+폴리실리콘게이트를 사용하였으며 구조적 파라미터는 매우 낮게 P형 도핑된 채널의 두께 fs, , 게이트산화막 儿, 그리고 게이트 길이 Lg 등이다. P형 채널은 M = 10, 6/fem3을 사용하였다. n형 소스와드레인 영역은 M=1020/&n3을 사용하였으며 폴리실리콘게이트의 P형 도핑도을사용하였다.
P형 채널은 M = 10, 6/fem3을 사용하였다. n형 소스와드레인 영역은 M=1020/&n3을 사용하였으며 폴리실리콘게이트의 P형 도핑도을사용하였다.

데이터처리

먼저 본 연구의 모델에 대한타당성을검토하기 위하여 서브문턱스윙을 Medici 이차원 시뮬레이션 값[기과 비교하였다. 그림 2(a)에 도시한 바와 같이 이차원 시뮬레이션 값과 매우 잘 일치하므로 본 연구에서 제시한 모델이 타당함을 알 수 있었다.

성능/효과

그림 2(a)에 도시한 바와 같이 이차원 시뮬레이션 값과 매우 잘 일치하므로 본 연구에서 제시한 모델이 타당함을 알 수 있었다. 게이트길이가 감소하면 터널링 전류에 의한 효과를 무시 할 수 없어 서 브문턱스윙이 급격히 증가함을 알 수 있었다.
그림 2(a)에 도시한 바와 같이 이차원 시뮬레이션 값과 매우 잘 일치하므로 본 연구에서 제시한 모델이 타당함을 알 수 있었다. 게이트길이가 감소하면 터널링 전류에 의한 효과를 무시 할 수 없어 서 브문턱스윙이 급격히 증가함을 알 수 있었다. 특히 채널 두께가 작아질수록 서브문턱스윙은 급격히 감소함을 알 수 있었다.
전도 중심이 게이트 콘텍으로 이동할수록 게이트전압에 의한 전하 제어 가 용이 하여 서 브문턱 스윙 을 향상시 킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 채널두께에 따른 전도중심 의 이 동을 살펴 보면 채널두께가 L5nm로 매우 작을 때, 도핑 농도에 의한 영향을 거의 받지 않고 일정한 전도중심을 보이고 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 전도중심의 변화는 서브 문턱 스윙에 큰 영향을 미치며 전도중심의 변화는 도핑농도에 따라 변화하나 저도핑 영역의 채널을 사용하면 일정한 전도중심과 서브문턱스윙 값을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그러나 이때 서브문턱스윙 이 증가하여 디지털소자에서 사용이 불가능하게 된다.
그러나 이때 서브문턱스윙 이 증가하여 디지털소자에서 사용이 불가능하게 된다. 그러므로 전술한 바와 같이 채널두께를 작게 제작함으로써 전도 중심을 게이트콘텍방향으로 이동시킬 수 있고 이는 서브 문턱 스윙의 향상을 가져오게 됨을 알 수 있었다.
계산결과 채널두께가 감소하면 서브 문턱 스윙 값도 감소함을 알 수 있었으며 특히 채널두께가 감소하면 도핑농도의 변화에 대하여 서브문턱스윙이 거의 영향을 받고 있지 않다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 채널길이가 10nm정도로 감소할 때 채널두께도 감소하여 야 할 것이다.
그림 5(b)에서는 터 널링 전류가 서브 문턱 스윙에 미치는 영향을 조사하기 위하여 터널링 전류의 유무에 따라 서브문턱스윙을 계산하였다. 터널링 전류에 의하여 서브문턱스윙 이 증가하는 것을 알 수 있었으며 도핑농도가 증가할수록 터널링전류의 영향이 증가하여 터널링전류의 유무에 따라 서브 문턱 스윙이 크게 변화함을 알 수 있었다.
제시한 전송모델의 타당성을 입증하기 위하여 이차원 시뮬레이션 값과 서브문턱스윙값을 비교하였으며 매우 잘 일치함을 알 수 있었다. 전도중심과 서브문턱스윙 의 관계를 분석하여 저농도 도핑에서도 우수한 서브 문턱 스윙 값을 갖기 위한 채널길이와 채널두께의 관계를 고찰하였다.

참고문헌 (7)

D.S.Havaldar, G.Katti, N.DasGupta and A.DasGupta, "Subthreshold Current Model of FinFETs Based on Analytical Solution of 3-D Poisson's Equation," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53, no.4, 2006
G.Katti, N.DasGupta and A.DasGupta, "Threshold Voltage Model for Mesa-Isolated Small Geometry Fully Depleted SOI MOSFETs Based on Analytical Solution of 3-D Poisson's Equation," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 51, no.7, 2004
Q.Chen, E.M.Harrell and J.D.Meindl,"A Physical Short-Channel Threshold Voltage Model for Undoped Symmetric Double-Gate MOSFETs," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, no.7, 2003
F.L.Yang, H.Y.Chen, C.C.Huang, C.Y.Chang, H.K. Chiy, C.C.Lee et al. "25nm CMOS Omega FETs, "IEDM, pp.255-258, 2002
Q.Chen, B.Agrawal, J.D.Mein이, "A Compre -hensive Analytical Subthreshold Swing(S) Model for Double- Gate MOSFETs," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 49, no.6, pp.1086-1090, 2002

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H. K. Jung and S. Dimitrijev,"Analysis of Subthreshold Carrier Transport for Ultimate Double Gate MOSFET, "IEEE Trans. Electron Devicesm, vol. 53, no.4, pp.685-691, 2006

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D.Munteanu and J.L.Autran, "Two-dimensional modeling of quantum ballistic transport in ultimate double-gate SOI devices," Solid-State Electronics, vol.47, pp.1219-1225, 2003

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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