[논문]전압분포의 선형특성을 이용한 Long-Channel Asymmetric Double-Gate MOSFET의 문턱전압 모델

양희정; 김지현; 손애리; 강대관; 신형순

[국내논문] 전압분포의 선형특성을 이용한 Long-Channel Asymmetric Double-Gate MOSFET의 문턱전압 모델
Analytical Model for the Threshold Voltage of Long-Channel Asymmetric Double-Gate MOSFET based on Potential Linearity 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.45 no.2 = no.368, 2008년, pp.1 - 6

양희정 (이화여자대학교 전자정보통신학과) , 김지현 (이화여자대학교 전자정보통신학과) , 손애리 (이화여자대학교 전자정보통신학과) , 강대관 ((주)하이닉스반도체) , 신형순 (이화여자대학교 전자정보통신학과)

초록
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Long-channel Asymmetric Double-Ga(ADG) MOSFET의 해석적 문턱전압 모델을 제시한다. 본 모델은 채널 도핑과 채널의 양자효과까지 고려하였으며 더 나아가 문턱전압 영역에서 potential 분포의 선형특성을 이용하여 기존의 모델보다 간단하면서도 정확한 접근을 가능하게 하였다. 개발한 모델의 정확도는 다양한 실리콘 필름의 두께, 채널 도핑, 그리고 산화막 두께 변화에 대하여 numerical 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A compact analytical model of the threshold voltage for long-channel Asymmetric Double-Gate(ADG) MOSFET is presented. In contrast to the previous models, channel doping and carrier quantization are taken into account. A more compact model is derived by utilizing the potential distribution linearity characteristic of silicon film at threshold. The accuracy of the model is verified by comparisons with numerical simulations for various silicon film thickness, channel doping concentration and oxide thickness.

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문제 정의

본 연구에서는 DG 소자 중에서도 양쪽의 게이트에 다른 물질을 사용하는 Asymmetric DG (ADG) MOSFET에 대한 lonwichanmel 문턱전압 ( μ型)모델을 개발하였다. 최근 DG 소자에 관한 문턱전압 모델에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며 다양한 모델들이 발표된 바 있다1그러나 이러한 대부분의 모델들이 undoped 채널에 국한되거나 양자효과를 고려하지 않고 있으며 이것은 점점 더 얇은 실리콘 film의 사용과 doped 채널의 사용을 피할 수 없게 되는 미래의 상황에서 새로운 모델의 개발이 필요를 요구한다.
본 논문에서는 이러한 1차원 전압분포 모델로부터 채널 도핑과 양자효과를 모두 고려한 새로운 문턱 전압 모델을 제안한다. 서론에 이어 본론 1절에서는 양자효과를 고려하지 않은 doped 채널의 경우를 살펴보고 2절에서는 양자효과를 고려하여 살펴보도록 한다.
본 논문에서는 MOS 소자의 축소화에 의한 단채널 특성을 개선시키기 위해 제안된 여러 소자 구조들 중에서 비대칭형 DG MOSFET의 문턱전압을 모델링하고 그 특성을 분석해보았다. 본 논문에서 제안한 모델은 silicon film 내의 전위 분포를 1차 함수로 가정하였으며 다양한 채널 두께 tSi, 채널 도핑 농도 編 산화막 두께 에 대한 시뮬레이션 결과와 비교하여 본 모델의 정확도를 검증하였다.

가설 설정

그림 2는 threshold 영역에서 坛今에 따른 ADG 소자의 전위 분포를 보이고 있다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 ADG 소자의 전위 분포는 1차 함수(Ungar)로 approximation이 가능하며 따라서 본 논문에서는 0를 식 (12)와 같이 y에 대한 1차 함수로 가정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 다음과 같이 ADG 소자의 전위를 1차 함수로 근사하는 새로운 방법을 사용하였다. 그림 2는 threshold 영역에서 坛今에 따른 ADG 소자의 전위 분포를 보이고 있다.
유도된 새로운 문턱전압 모델의 정확도를 검증하기 위하여 坛가 3~20 nm 이고 채널 도핑(M)은 1015~ 1018 cm % 妇 는 1~3 nm인 ADG 소자에 대하여 Poisson-Schrodinger solver를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고 계산된 문턱전압을 비교하였다.
특성을 분석해보았다. 본 논문에서 제안한 모델은 silicon film 내의 전위 분포를 1차 함수로 가정하였으며 다양한 채널 두께 tSi, 채널 도핑 농도 編 산화막 두께 에 대한 시뮬레이션 결과와 비교하여 본 모델의 정확도를 검증하였다. Silicon 내의 전위 분포를 1차 함수로 가정하였을 경우 2차 함수로 가정한 경우에 비하여 매우 간단한 해석적 문턱전압 모델이 유도되었으며 그 결과가 양자효과를 고려한 경우에도 numerical 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인하였다.

성능/효과

시뮬레이션 결과와 비교한 것이다. 기존 모델이 낮은 채널 도핑의 경우에도 시뮬레이션 결과와 차이를 보이고 채널 농도에 따른 문턱전압 변화를 예측하지 못함에 반해 본 연구에서 개발한 새로운 문턱전압 모델은 채널농도 변화 및 양자효과를 고려한 경우에도 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인할 수 있다.
본 논문에서 제안한 모델은 silicon film 내의 전위 분포를 1차 함수로 가정하였으며 다양한 채널 두께 tSi, 채널 도핑 농도 編 산화막 두께 에 대한 시뮬레이션 결과와 비교하여 본 모델의 정확도를 검증하였다. Silicon 내의 전위 분포를 1차 함수로 가정하였을 경우 2차 함수로 가정한 경우에 비하여 매우 간단한 해석적 문턱전압 모델이 유도되었으며 그 결과가 양자효과를 고려한 경우에도 numerical 시뮬레이션 결과와 일치함을 확인하였다.

후속연구

개발하였다. 최근 DG 소자에 관한 문턱전압 모델에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며 다양한 모델들이 발표된 바 있다1그러나 이러한 대부분의 모델들이 undoped 채널에 국한되거나 양자효과를 고려하지 않고 있으며 이것은 점점 더 얇은 실리콘 film의 사용과 doped 채널의 사용을 피할 수 없게 되는 미래의 상황에서 새로운 모델의 개발이 필요를 요구한다. 기존에 발표된 ADG 소자의 Ion壇-channel 문턱전압 모델의 경우 silicon film 내에의 전위 분포를 SDG 소자와 같이 2차 함수로 가정하여 모델링 하였다史』그러나 adg 소자의 경우 비대칭 특성으로 인해 1차원 전위 분포의 가정이 가능하며, 1차원 전위 분포를 이용하여 모델링 할 경우 기존의 모델보다 더 간단하고 정확한 모델의 구현이 가능하다.

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상세보기
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Q. Chen, et al., "A physical Short-Channel Threshold Voltage Model for Undoped Symmetric Double-Gate MOSFETs," IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 50, No. 7, p. 1631, 2003

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D. Park, "Introduction to Quantum Theory," McGraw-hill. 1974

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