[논문]문턱전압이하 영역에서 이중게이트 MOSFET의 스켈링 이론과 단채널효과의 관계

정학기

doi:10.6109/jkiice.2012.16.7.1463

문턱전압이하 영역에서 이중게이트 MOSFET의 스켈링 이론과 단채널효과의 관계
Relation of Short Channel Effect and Scaling Theory for Double Gate MOSFET in Subthreshold Region 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.7, 2012년, pp.1463 - 1469

정학기 (군산대학교)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 문턱전압이하 영역에서 이중게이트 MOSFET에서 스켈링 이론이 단채널효과에 미치는 영향을 관찰하였다. 기존 MOSFET의 경우 출력특성을 일정하게 유지하기 위하여 스켈링 이론을 적용하여 전류 및 스위칭 주파수를 해석하였다. 이중게이트 MOSFET에서 단채널효과에 대한 스켈링 이론의 적용 결과를 분석하기 위하여 문턱전압, 드레인유기장벽감소 및 문턱전압이하 스윙 등을 스켈링 인자에 따라 관찰하였다. 이를 위하여 이미 검증된 포아송방정식의 해석학적 전위분포를 이용하였다. 분석결과 단채널효과 중 문턱전압이 스켈링 인자에 가장 큰 영향을 받는다는 것을 관찰하였다. 특히 채널길이에 스켈링 이론을 적용할 때 가중치를 이용한 변형된 스켈링 이론을 적용함으로써 이중게이트 MOSFET에 가장 타당한 스켈링 이론에 대하여 설명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper has presented the influence of scaling theory on short channel effects of double gate(DG) MOSFET in subthreshold region. In the case of conventional MOSFET, to preserve constantly output characteristics,current and switching frequency have been analyzed based on scaling theory. To analyze the results of application of scaling theory for short channel effects of DGMOSFET, the changes of threshold voltage, drain induced barrier height and subthreshold swing have been observed according to scaling factor. The analytical potential distribution of Poisson equation already verified has been used. As a result, it has been observed that threshold voltage among short channel effects is grealty changed according to scaling factor. The best scaling theory for DGMOSFET has been explained as using modified scaling theory, applying weighting factor reflected the influence of two gates when scaling theory has been applied for channel length.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 DGMOSFET의 단채널 효과 중 문턱전압이동, 드레인유기장벽감소, 문턱전압이하스윙을 채널길이에 따라 스켈링 이론을 적용하여 분석, 고찰할 것이다. 이 때 이미 타당성이 입증된 Tiwari의 해석학적 전위분포 모델[6]을 이용할 것이며 특히 가우스함수의 파라미터인 이온주입범위 및 분포편차의 스켈링 이론 적용에 대해서도 고찰할 것이다.
DGMOSFET에 대한 연구는 포아송방정식의 해석학적 해를 이용하여 문턱전압이하 특성을 해석하고 단채널 효과를 분석하는데 집중되고 있다[5]. 본 연구에서는 가장 기본이 되는 이중게이트 MOSFET소자를 이용하여 해석할 것이다.
배만큼 증가시켜야 한다. 본 연구에서는 단채널효과와 관련된 식 (3), 식 (4) 그리고 식 (5)를 스켈링 인자의 변화에 따라 관찰하고자 한다. 특히 DGMOSFET의 경우 게이트단자가 2개 존재하므로 상기에서 언급한 스켈링 이론의 타당성 여부를 고찰해야만 한다.
본 연구에서는 이중게이트 MOSFET에서 스켈링 이론이 단채널효과에 미치는 영향을 관찰하였다. 이중게이트 MOSFET에서 단채널효과에 대한 스켈링 이론의 적용 결과를 분석하기 위하여 문턱전압, 드레인유기장벽감소 현상 및 문턱전압이하 스윙의 변화 등을 스켈링 인자에 따라 관찰하였다.

제안 방법

특히 DGMOSFET의 경우 게이트단자가 2개 존재하므로 상기에서 언급한 스켈링 이론의 타당성 여부를 고찰해야만 한다. 그러므로 본 연구에서는 스켈링 이론의 타당성 여부를 문턱전압이하 스윙, 문턱전압의 변화 그리고 드레인유기장벽감소 등을 이용하여 고찰할 것이다. 또한 이온주입범위 및 분포편차의 스켈링에 대해서도 고찰할 것이다.
이중게이트 MOSFET의 경우 게이트가 두 개이므로 게이트단자에 의한 전류제어 능력도 약 두배로 증가한다. 그러므로 채널길이방향으로 스켈링 인자에 가중치를 두어 단채널효과를 고찰하였다.
이 때 이미 타당성이 입증된 Tiwari의 해석학적 전위분포 모델[6]을 이용할 것이며 특히 가우스함수의 파라미터인 이온주입범위 및 분포편차의 스켈링 이론 적용에 대해서도 고찰할 것이다. 또한 게이트가 두 개이므로 채널길이에 대하여 스켈링 인자 S에 가중치(weighting factor)를 적용하는 변형된 스켈링 이론을 DGMOSFET에 적용하므로써 단채널 효과에 대하여 최적의 스켈링 이론을 유도하도록 분석하였다.
본 연구에서는 이중게이트 MOSFET에서 스켈링 이론이 단채널효과에 미치는 영향을 관찰하였다. 이중게이트 MOSFET에서 단채널효과에 대한 스켈링 이론의 적용 결과를 분석하기 위하여 문턱전압, 드레인유기장벽감소 현상 및 문턱전압이하 스윙의 변화 등을 스켈링 인자에 따라 관찰하였다. 이온주입범위 및 분포편차를 스켈링 인자에 따라 R_p/S와 σ_p/S로 스켈링하였을 경우 문턱전압 이하 스윙은 거의 일정하게 유지되고 있었다.

성능/효과

이 중 연구가 활발히 진행되고 있는 소자로는 구조를 개선하여 게이트의 갯수를 증가시키는 다중게이트 MOSFET가 있다. 2개 이상의 게이트를 갖도록 트랜지스터를 설계함으로써 동일한 크기의 CMOSFET보다 우수한 전류제어 능력을 갖게 되므로 채널의 크기가 상대적으로 감소하는 효과를 나타낼 수 있다. 다중게이트 구조 중에 상하에 2개의 게이트를 가진 이중게이트(Double Gate; DG) MOSFET소자[3]는 제작이 용이하며 가장 간단한 소자로 수많은 반도체 제조사에서 차세대 트랜지스터소자로 개발 중에 있다[4].
5일 때와 2일 때 문턱전압이하스윙의 변화를 도시하였다. 가중치가 0.5일 때 문턱전압이하 스윙이 매우 감소하여 이상적인 값 즉, 60 mV/dec에 거의 접근하고 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 가중치 가 증가할수록 문턱전압이하 스윙값은 증가하여 큰 단채널효과를 나타내고 있다.
5와 2를 주었을 때 드레인유기장벽감소의 변화를 도시하였다. 가중치가 감소할수록 드레인유기장벽감소 현상이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 스켈링 인자와 무관하게 값은 일정하게 유지되고 있었다.
이온주입범위 및 분포 편차의 변화에 대하여 고찰해보면 이온주입범위 및 분포편차가 5nm로 작을 때 문턱전압 이하 스윙은 감소하고 있다. 또한 가중치가 0.5로 작아지면 이온주입범위 및 분포편차값이 5nm일 때와 10nm일 때 거의 동일하게 유지되고 있으나 가중치가 증가할수록 이온주입범위 및 분포편차값에 큰 영향을 받아 문턱전압 이하 스윙값도 크게 변화한다는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 가중치가 2일 때는 이온주입범위 및 분포편차값을 작게 유지하여 문턱전압 이하 스윙값을 감소시켜야만한다는 것을 알 수 있다.
스켈링에 의한 문턱전압의 변화정도는 채널길이가 증가할수록 줄어드는 것을 관찰 할 수 있다. 또한 스켈링 여부에 관계없이 단채널효과인 문턱전압이동 현상은 발생하나 스켈링 인자가 커지면 문턱전압이동 정도가 감소한다는 것을 관찰 할 수 있다.
스켈링 인자가 증가하면 채널도핑이 증가하여 페르미전위의 증가에 의한 문턱전압 증가 현상을 나타내고 있었다. 또한 스켈링 여부에 관계없이 문턱전압이동 현상은 발생하나 스켈링 인자가 커지면 문턱전압이동 정도가 감소한다는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 스켈링 인자는 드레인유기장벽감소 현상에는 거의 영향을 미치지 못한다는 것을 알 수 있다.
5로 주어진 경우 문턱전압이하 스윙 및 드레인유기장벽감소 현상은 작아지는 것을 알 수 있었다. 또한 이온주입범위 및 분포편차가 작아지면 문턱전압이하 스윙 및 드레인유기장벽감소 현상이 감소하여 단채널효과를 감소시킬 수 있었다. 이상의 결과는 이중게이트 MOSFET의 스켈링 이론에 대한 기초자료로 사용될 수 있으리라 사료된다.
그러므로 이온주입범위 및 분포편차도 동일하게 스켈링하여야 할 것이다. 스켈링 인자가 증가하면 채널도핑이 증가하여 페르미전위의 증가에 의한 문턱전압 증가 현상을 나타내고 있었다. 또한 스켈링 여부에 관계없이 문턱전압이동 현상은 발생하나 스켈링 인자가 커지면 문턱전압이동 정도가 감소한다는 것을 관찰할 수 있었다.
그러나 스켈링 인자는 드레인유기장벽감소 현상에는 거의 영향을 미치지 못한다는 것을 알 수 있다. 스켈링 인자의 가중치적용에 대한 분석결과, 가중치가 0.5로 주어진 경우 문턱전압이하 스윙 및 드레인유기장벽감소 현상은 작아지는 것을 알 수 있었다. 또한 이온주입범위 및 분포편차가 작아지면 문턱전압이하 스윙 및 드레인유기장벽감소 현상이 감소하여 단채널효과를 감소시킬 수 있었다.
이는 대부분 페르미전위의 증가에 기인한다. 스켈링에 의한 문턱전압의 변화정도는 채널길이가 증가할수록 줄어드는 것을 관찰 할 수 있다. 또한 스켈링 여부에 관계없이 단채널효과인 문턱전압이동 현상은 발생하나 스켈링 인자가 커지면 문턱전압이동 정도가 감소한다는 것을 관찰 할 수 있다.
또한 스켈링 인자와 무관하게 값은 일정하게 유지되고 있었다. 이온주입범위 및 분포편차의 크기에 따라 드레인유기장벽감소 값이 변화하며 이온주입범위 및 분포편차가 10nm에서 5nm로 감소하면 드레인유기장벽감소 값도 감소하는 것을 알 수 있다. 감소정도는 가중치가 감소할수록 커지므로 드레인유기장벽감소 값을 줄이기 위하여 가능하면 가중치를 작게 하고 이온주입범위 및 분포편차값을 작게 하여야 한다는 것을 알 수 있다.

후속연구

그러므로 본 연구에서는 스켈링 이론의 타당성 여부를 문턱전압이하 스윙, 문턱전압의 변화 그리고 드레인유기장벽감소 등을 이용하여 고찰할 것이다. 또한 이온주입범위 및 분포편차의 스켈링에 대해서도 고찰할 것이다.
본 연구에서는 DGMOSFET의 단채널 효과 중 문턱전압이동, 드레인유기장벽감소, 문턱전압이하스윙을 채널길이에 따라 스켈링 이론을 적용하여 분석, 고찰할 것이다. 이 때 이미 타당성이 입증된 Tiwari의 해석학적 전위분포 모델[6]을 이용할 것이며 특히 가우스함수의 파라미터인 이온주입범위 및 분포편차의 스켈링 이론 적용에 대해서도 고찰할 것이다. 또한 게이트가 두 개이므로 채널길이에 대하여 스켈링 인자 S에 가중치(weighting factor)를 적용하는 변형된 스켈링 이론을 DGMOSFET에 적용하므로써 단채널 효과에 대하여 최적의 스켈링 이론을 유도하도록 분석하였다.
또한 이온주입범위 및 분포편차가 작아지면 문턱전압이하 스윙 및 드레인유기장벽감소 현상이 감소하여 단채널효과를 감소시킬 수 있었다. 이상의 결과는 이중게이트 MOSFET의 스켈링 이론에 대한 기초자료로 사용될 수 있으리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모바일 기기의 가장 큰 장점은?	최근 모바일기기의 보급 활성화에 부응하면서 집적회로의 기능 및 응용범위가 확대되고 있다. 모바일 기기의 가장 큰 장점은 휴대성이다. 이에 집적회로의 크기감소는 필연적인 사항이 되었다.
	기존의CMOSFET의 문제점은?	단채널 효과는 채널크기가 감소하면서 발생하는 기생현상으로써 결국 감소시켜야만 한다. 기존의CMOSFET의 경우 채널크기 감소에 따른 단채널 효과는 매우 심각하게 나타나고 있어 새로운 구조의 트랜지스터 개발이 절실해 지고 있다. 이 중 연구가 활발히 진행되고 있는 소자로는 구조를 개선하여 게이트의 갯수를 증가시키는 다중게이트 MOSFET가있다.
	이중게이트 MOSFET에서 단채널효과에 대한 스켈링 이론의 적용 결과를 분석하여 얻은 결론은?	이중게이트 MOSFET에서 단채널효과에 대한 스켈링 이론의 적용 결과를 분석하기 위하여 문턱전압, 드레인유기장벽감소 현상 및 문턱전압이하 스윙의 변화 등을 스켈링인자에 따라 관찰하였다. 이온주입범위 및 분포편차를 스켈링인자에 따라 Rp/S와 σp/S로 스켈링하였을경우 문턱전압 이하 스윙은 거의 일정하게 유지되고 있었다. 그러므로 이온주입범위 및 분포편차도 동일하게 스켈링하여야 할 것이다. 스켈링 인자가 증가하면 채널도핑이 증가하여 페르미전위의 증가에 의한 문턱전압 증가 현상을 나타내고 있었다. 또한 스켈링 여부에 관계없이 문턱전압이동 현상은 발생하나 스켈링 인자가 커지면 문턱전압이동 정도가 감소한다는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 스켈링 인자는 드레인유기장벽감소 현상에는 거의 영향을 미치지 못한다는 것을 알 수 있다. 스켈링인자의 가중치적용에 대한 분석결과, 가중치가 0.5로 주어진 경우 문턱전압이하 스윙 및 드레인유기장벽감소 현상은 작아지는 것을 알 수있었다. 또한 이온주입범위 및 분포편차가 작아지면 문턱전압이하 스윙 및 드레인유기장벽감소 현상이 감소하여 단채널효과를 감소시킬 수 있었다. 이상의 결과는 이중게이트 MOSFET의 스켈링 이론에 대한 기초자료로 사용될 수 있으리라 사료된다.

참고문헌 (8)

S.Dimitrijeve, Principles of Semiconductor Devices, Oxford press, 2012.
Z.Ding, G.Hu, H.Gu, R.Liu, L.Wang and T.Ting,"An Analytical Model for the Subthreshold Swing of Double-Gate MOSFETs:," IWJT-2010, May 2010.
A.Sahoo, P.K.Thakur and S.Mahapatra,"A Computationally Efficient Generalized Poisson Solution for Independent Double-Gate Transistors," IEEE Trans. on Electron Devices, vol.57, no.3, pp.632-636, 2010.

상세보기
B.Giraud, A.Amara and O.Thomas,"An Innovative 6T Hybrid SRAM Cell in Sub-32nm Double-Gate MOS Technology," 2010 5th IEEE Int'l Symposium on Electronic Design, Test & Application, pp.241-244, 2010.
S.H.Oh, D.Monroe and J.M. Hergenrother, "Analytic Description of Short-Channel Effects in Fully- Depleted Double-Gate and Cylindrical, Surrounding- Gate MOSFETs," IEEE Electron Device Letters, Vol.21, No.9, pp.445-447, 2000.

상세보기
P.K. Tiwari, S. Kumar, S. Mittal, V. Srivastava, U. Pandey and S. Jit, "A 2D Analytical Model of the Channel Potential and Threshold Voltage of Double-Gate(DG) MOSFETs with Vertical Gaussian Doping Profile," IMPACT-2009, pp.52-55, 2009.
A.S.Havaldar, G.Katti, N.DasGupta and A.Das Gupta,"Subthreshold Current Model of FinFETs Based on Analytical Solution of 3-D Poisson's Equation," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 53, no.4, pp.737-741, 2006.

상세보기
H.K.Jung,"Analysis of Doping Profile Dependent Threshold Voltage for DGMOSFET Using Gaussian Function," International Journal of KIMICS, Vol.9, No.3, pp.310-314, 2011.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증