[논문]이중게이트 MOSFET의 채널구조에 따른 항복전압 변화

정학기

doi:10.6109/jkiice.2013.17.3.672

이중게이트 MOSFET의 채널구조에 따른 항복전압 변화
Breakdown Voltages Deviation for Channel Dimension of Double Gate MOSFET 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.3, 2013년, pp.672 - 677

정학기 (군산대학교)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 이중게이트 MOSFET의 채널크기 변화에 따른 항복전압의 변화를 분석하였다. 차세대 나노소자인 DGMOSFET에 대한 단채널효과 중 매우 작은 값을 갖는 항복전압은 정확한 분석이 요구되고 있다. 항복전압분석을 위하여 포아송방정식의 분석학적 전위분포를 이용하였으며 이때 전하분포함수에 대하여 가우시안 함수를 사용함으로써 보다 실험값에 가깝게 해석하였다. 가우시안 함수의 변수인 이온주입범위 및 분포편차 그리고 소자 파라미터인 채널의 두께, 도핑농도 등에 대하여 항복전압 특성의 변화를 관찰하였다. 본 연구의 모델에 대한 타당성은 이미 기존에 발표된 논문에서 입증하였으며 본 연구에서는 이 모델을 이용하여 항복전압특성을 분석할 것이다. 분석결과 항복전압은 소자파라미터 및 가우시안분포함수의 모양에 크게 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper have analyzed the change of breakdown voltage for channel dimension of double gate(DG) MOSFET. The breakdown voltage to have the small value among the short channel effects of DGMOSFET to be next-generation devices have to be precisely analyzed. The analytical solution of Poisson's equation have been used to analyze the breakdown voltage, and Gaussian function been used as carrier distribution to analyze closely for experimental results. The breakdown voltages have been analyzed for device parameters such as channel thickness and doping concentration, and projected range and standard projected deviation of Gaussian function. Since this potential model has been verified in the previous papers, we have used this model to analyze the breakdown voltage. As a result, we know the breakdown voltage is influenced on Gaussian function and device parameters for DGMOSFET.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 이미 발표된 논문에서 다루지 않았던 채널길이와 채널두께에 대한 항복전압의 등고선 그래프를 관찰함으로써 채널구조에 대한 항복전압의 변화를 보다 상세히 고찰하였다.
다중게이트의 구조적인 특성에 의하여 FinFET[3], 이중게이트(Double Gate) MOSFET[4] 등으로 구분되며 이중 이중게이트 MOSFET는 간단한 구조로 제작할 수 있어 더욱 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 이중게이트 MOSFET에서 채널구조에 따른 항복전압의 변화를 관찰함으로써 이중게이트 MOSFET의 집적 회로 사용에 기틀을 마련하고자 한다.
본 연구에서는 이중게이트 MOSFET의 채널크기 및 도핑분포 변화에 따른 항복전압의 변화를 분석하였다. DGMOSFET에 대한 단채널 효과 중 항복전압은 정확한 분석이 요구된다.

제안 방법

이를 위하여 포아송방정식의 해석학적 전위분포를 이용하였으며 이때 전하분포함수에 대하여 가우시안 함수를 사용하였다. 가우시안 함수의 변수인 이온주입범위 및 분포편차 그리고 소자 파라미터인 채널의 두께, 채널길이 및 도핑농도 등에 대하여 항복전압 특성의 변화를 관찰하였다.
DGMOSFET에 대한 단채널 효과 중 항복전압은 정확한 분석이 요구된다. 이를 위하여 포아송방정식의 해석학적 전위분포를 이용하였으며 이때 전하분포함수에 대하여 가우시안 함수를 사용하였다. 가우시안 함수의 변수인 이온주입범위 및 분포편차 그리고 소자 파라미터인 채널의 두께, 채널길이 및 도핑농도 등에 대하여 항복전압 특성의 변화를 관찰하였다.
그림 2(a)(b)에 채널길이와 채널두께를 변화시키면서 계산한 항복전압을 도시하였다. 이온주입범위 및 분포편차는 5 nm로 동일한 값을 사용하였으며 도핑농도가 10¹⁵ /cm³일 때 게이트산화막 두께에 따른 변화를 관찰하기 위하여 5 nm일 때와 3 nm일 때를 비교하였다. 게이트 산화막 두께가 3 nm일 때는 채널길이가 증가하거나 채널두께가 감소할 때 항복전압이 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.

이론/모형

식 (4)를 만족하는 드레인 전압을 구하여 항복전압으로 정의함으로써 항복전압을 구할 수 있다. 본 연구에서는 식(4)를 풀기 위하여 Simpson의 법칙을 이용하였다.
그림 1은 이 논문에서 사용한 DGMOSFET의 개략도이다. 이 구조의 x, y, z방향에 대한 포텐 셜 분포를 구하기 위하여 포아송방정식을 이용하였다.
이를 위하여 Tiwari 등의 포아송방정식의 해석학적 모델[5]과 Fulop의 애벌런치 항복조건[6]을 이용할 것이다. Tiwari 등의 모델에서는 도핑분포함수로 가우시안분포함수를 사용함으로써 전위분포 및 문턱전압 등에 대하여 실험값에 근사한 값을 유도하였다.
는 평탄전압이다. 항복전압을 구하기 위하여 Fulop의 항복조건[6]을 이용하였다. Fulop의 항복조건은 다음과 같다.

성능/효과

이온주입범위 및 분포편차는 5 nm로 동일한 값을 사용하였으며 도핑농도가 10¹⁵ /cm³일 때 게이트산화막 두께에 따른 변화를 관찰하기 위하여 5 nm일 때와 3 nm일 때를 비교하였다. 게이트 산화막 두께가 3 nm일 때는 채널길이가 증가하거나 채널두께가 감소할 때 항복전압이 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 게이트산화막 두께가 5 m 까지 증가하면 전체적으로 항복전압은 증가하나 증가 추세는 변화하는 것을 알 수 있다.
결과적으로 게이트산화막 두께를 파라미터로 한 채널길이 및 채널두께에 따른 항복전압의 등고선 변화는 크게 다르다는 것을 알 수 있었다. 그러나 산화막 두께가 증가할수록 항복전압의 등고선분포가 전반적으로 상승하고 있는 것을 관찰하였다.
결과적으로 게이트산화막 두께를 파라미터로 한 채널길이 및 채널두께에 따른 항복전압의 등고선 변화는 크게 다르다는 것을 알 수 있었다. 그러나 산화막 두께가 증가할수록 항복전압의 등고선분포가 전반적으로 상승하고 있는 것을 관찰하였다.
그림 3(b)의 변화패턴은 그림 2(b)와 거의 유사하였다. 그러나 채널두께의 변화에 따라 항복전압은 크게 변화하지 않았으며 단지 채널길이에 따라 항복전압이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같이 항복전압은 채널도핑농도의 변화에 따라 채널길이 및 채널두께 변화에 따른 항복전압의 변화패턴은 매우 상이함을 알 수 있었다.
도핑농도가 증가하면 항복전압의 절대값이 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 채널도핑농도가 비교적 작을 경우는 채널두께가 20 nm이상에서는 거의 일정한 항복전압을 보이며 단지 채널길이에 따라 변화하는 것을 관찰할 수 있었다.
그림 2(a)와 그림 2(b)에서도 설명한 바와 같이 산화막두께가 증가하면 항복전압의 등고선분포가 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한 분포도를 관찰해 보면 이온주입범위가 10 nm정도로 증가하면 채널 두께가 상대적으로 작을 때는 채널길이보다 채널두께의 변화에 따라 항복전압이 크게 변화하였으며 채널두께가 증가하면 채널길이에 대하여 항복전압이 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 그림 2(a)와 그림 4(b)는 단지 분포편차만 다른 경우이다.
항복전압은 채널도핑농도를 파라미터로 한 채널길이 및 채널두께변화에 따른 항복전압의 변화패턴은 매우 상이함을 알 수 있었으며 도핑분포함수 중 10 nm 이하의 분포편차 및 이온주입범위에서 분포편차보다 이온주입범위가 변화할 때 항복전압분포가 크게 변화 한다는 것을 관찰하였다. 또한 채널두께가 상대적으로 작을때는 채널길이보다 채널두께에 따라 항복전압이 크게 변화하였으며 채널두께가 증가하면 채널두께보다 채널길이에 따라 항복전압이 크게 변화하는 것을 알았다. 이와 같이 항복전압의 변화는 채널크기 및 도핑분포 등에 따라서 크게 변화하므로 이중게이트 MOSFET의 항복전압설계 시 이와 같은 사항을 고려하여야 할 것이다.
그림 2(b)와 그림 3(a)는 단지 이온주입 범위만 다른 경우이다. 이온주입범위가 5 nm에서 10 nm 로 증가하면 항복전압이 크게 증가하면서 채널길이 및 채널두께의 변화에 따른 항복전압의 변화패턴도 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. 이온주입범위는 채널도핑 시 이온이 주입된 평균거리로 볼 수 있으므로 이온주입을 채널의 중심으로 더욱 깊게 주입시키면 항복전압을 증가시킬 수 있다고 사료된다.
이와 같이 게이트산화막 두께를 파라미터로 한 채널 길이 및 채널두께에 따른 항복전압의 변화는 매우 상이하다는 것을 알 수 있었다.
그러나 채널두께의 변화에 따라 항복전압은 크게 변화하지 않았으며 단지 채널길이에 따라 항복전압이 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같이 항복전압은 채널도핑농도의 변화에 따라 채널길이 및 채널두께 변화에 따른 항복전압의 변화패턴은 매우 상이함을 알 수 있었다.
도핑농도가 증가하면 항복전압의 절대값이 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 채널도핑농도가 비교적 작을 경우는 채널두께가 20 nm이상에서는 거의 일정한 항복전압을 보이며 단지 채널길이에 따라 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 도핑농도가 증가하면 항복전압이 급격히 감소하면서 변화패턴도 크게 변화하였다.
항복전압은 채널도핑농도를 파라미터로 한 채널길이 및 채널두께변화에 따른 항복전압의 변화패턴은 매우 상이함을 알 수 있었으며 도핑분포함수 중 10 nm 이하의 분포편차 및 이온주입범위에서 분포편차보다 이온주입범위가 변화할 때 항복전압분포가 크게 변화 한다는 것을 관찰하였다. 또한 채널두께가 상대적으로 작을때는 채널길이보다 채널두께에 따라 항복전압이 크게 변화하였으며 채널두께가 증가하면 채널두께보다 채널길이에 따라 항복전압이 크게 변화하는 것을 알았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	채널길이의 감소은 문제를 초래하는가?	기존의 CMOSFET 구조는 10 nm 이하의 채널 길이로 제작하기 위해선 심각한 단채널 효과 문제를 해결하여야만 한다. 채널길이의 감소는 전류량의 증가, 입력커패시턴스의 감소, 스위칭주파수의 증가 및 셀면적의 감소 등과 같은 중요한 출력효과를 나타내는 반면, 문턱전압의 이동, 드레인 유도장벽감소, 문턱전압이하 스윙특성 저하 및 항복전압특성 저하 등과 같은 심각한 단점도 나타내고 있다. 이러한 단점 중 항복전압특성의 저하는 트랜지스터의 동작범위를 축소시켜 집적회로의 오동작을 유도할 수 있는 매우 심각한 단채널효과이다.
	다중게이트 MOSFET이 기존의 CMOSFET와는 달리 얻는 이점은?	다중게이트 MOSFET는 기존의 CMOSFET와는 달리 게이트를 두 개 이상 제작하여 게이트의 전류제어능력을 향상시키고 채널길이 감소에 의하여 발생하는 단채널 효과를 감소시킬 수 있다[2]. 또한 다중게이트 MOSFET의 경우 채널 내 도핑을 감소시켜 완전공핍영역(fully depleted region)을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 불순물 산란을 거의 제거할 수 있으므로 궁극적으로 스위칭속도를 크게 향상 시킬 수 있다는 장점이 있다.
	다중게이트 MOSFET는 어떻게 구분되어지는가?	또한 다중게이트 MOSFET의 경우 채널 내 도핑을 감소시켜 완전공핍영역(fully depleted region)을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 불순물 산란을 거의 제거할 수 있으므로 궁극적으로 스위칭속도를 크게 향상 시킬 수 있다는 장점이 있다. 다중게이트의 구조적인 특성에 의하여 FinFET[3], 이중게이트(Double Gate) MOSFET[4] 등으로 구분되며 이중 이중게이트 MOSFET는 간단한 구조로 제작할 수 있어 더욱 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 이중게이트 MOSFET에서 채널구조에 따른 항복전압의 변화를 관찰함으로써 이중게이트 MOSFET의 집적 회로 사용에 기틀을 마련하고자 한다.

참고문헌 (8)

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.
A. J. Garcia, N.Seoane, M.Aldegunde and R.Valin, "Implementation of the Density Gradient Quantum Correction for 3-D Simulations of Multigate Nanoscaled Transistors,"IEEE Trans. CAD of IC and Systems, Vol. 30, No. 6, pp. 841-851, 2011.

상세보기
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, pp. 737-741, 2006.

상세보기
P. K. Thakur and S. Mahapatra,"Large- Signal Model for Independent DG MOSFET,"IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 58, No. 1, pp. 46-52, 2011.

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.
W. Fulop,"Calculation of Avalanche Breakdown Voltages of Silicon p-n Junctions," Solid-State Electronics, Vol. 10, pp. 39-43, 1967

상세보기
H. K. Jung,"Subthreshold Characteris- tics of Double Gate MOSFET for Gaussian Function Distribution,"J. KIICE, Vol. 16, No. 6, pp. 1260-1265, 2012.
H. K. Jung,"The Analysis of Breakdown Voltage for the Double-gate MOSFET Using the Gaussian Doping Distribution," J. Inf. Commun. Converg. Eng., Vol. 10, No. 2, pp. 200-204, 2012.

원문보기 상세보기

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