[논문]비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널도핑에 따른 문턱전압이하 스윙 분석

정학기

doi:10.6109/jkiice.2014.18.3.651

비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널도핑에 따른 문턱전압이하 스윙 분석
Analysis of Subthreshold Swing for Channel Doping of Asymmetric Double Gate MOSFET 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.18 no.3, 2014년, pp.651 - 656

정학기 (Department of Electronic Engineering, Kunsan National University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널도핑 변화에 따른 문턱전압이하 스윙의 변화를 분석하였다. 문턱전압이하 스윙은 문턱전압이하 영역에서 발생하는 차단전류의 감소정도를 나타내는 요소로서 디지털회로 적용에 매우 중요한 역할을 한다. 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙을 분석하기 위하여 포아송방정식을 이용하였다. 비대칭 이중게이트 MOSFET는 대칭 이중게이트 MOSFET와 달리 상하단 게이트의 산화막 두께 및 인가전압을 다르게 제작할 수 있다. 본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널 내 농도변화 및 게이트 산화막 두께 그리고 인가전압 등이 문턱전압이하 스윙에 미치는 영향을 관찰하였다. 특히 포아송방정식을 풀 때 도핑분포함수로 가우스분포함수를 이용하였으며 가우스분포함수의 파라미터인 이온주입범위 및 분포편차에 대한 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하였다. 분석결과, 문턱전압이하 스윙은 도핑농도 및 분포함수에 따라 크게 변화하였으며 게이트 산화막 두께 및 인가전압에 크게 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzed the change of subthreshold swing for channel doping of asymmetric double gate(DG) MOSFET. The subthreshold swing is the factor to describe the decreasing rate of off current in the subthreshold region, and plays a very important role in application of digital circuits. Poisson's equation was used to analyze the subthreshold swing for asymmetric DGMOSFET. Asymmetric DGMOSFET could be fabricated with the different top and bottom gate oxide thickness and bias voltage unlike symmetric DGMOSFET. It is investigated in this paper how the doping in channel, gate oxide thickness and gate bias voltages for asymmetric DGMOSFET influenced on subthreshold swing. Gaussian function had been used as doping distribution in solving the Poisson's equation, and the change of subthreshold swing was observed for projected range and standard projected deviation used as parameters of Gaussian distribution. Resultly, the subthreshold swing was greatly changed for doping concentration and profiles, and gate oxide thickness and bias voltage had a big impact on subthreshold swing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

그러므로 전위분포를 이용하여 유도되고 있는 식 (5)의 문턱전압이하 스윙값 역시 도핑농도 및 도핑분포함수에 따라 변화한다는 것을 알 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET에 대한 채널 내 도핑에 따른 문턱전압이하 스윙 값을 분석하고자한다
대칭적 이중게이트 MOSFET와 달리 비대칭 이중게이트 MOSFET는 4단자소자로서 상하단 게이트의 산화막 두께 및 인가전압을 다르게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널 내 농도변화, 게이트 산화막 두께, 그리고 인가전압 등이 문턱전압이하 스윙 값에 미치는 영향을 관찰하였다. 도핑분포함수로 가우스분포함수를 사용하여 가우스분포함수의 파라미터인 이온주입범위 및 분포편차에 대한 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널도핑 변화 및 게이트 산화막 두께 변화에 따른 문턱전압이하 스윙의 변화를 분석하였다. 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙을 분석하기 위하여 포아송방정식을 이용하였다.
이를 위하여 대칭적 구조의 이중게이트 MOSFET를 해석한 Tiwari 등[7]의 포아송방정식에 대한 해석학적 전위모델을 이용하였다. 비대칭 이중게이트 MOSFET는 소스, 드레인, 상단게이트 및 하단게이트 단자가 존재하는 4단자소자이며 본 연구에서는 상단과 하단의 게이트 산화막 두께 그리고 인가전압 등에 따른 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하고자한다. 특히 채널 내 도핑농도 및 분포의 변화가 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙에 미치는 영향을 관찰하고자 한다.
비대칭 이중게이트 MOSFET는 소스, 드레인, 상단게이트 및 하단게이트 단자가 존재하는 4단자소자이며 본 연구에서는 상단과 하단의 게이트 산화막 두께 그리고 인가전압 등에 따른 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하고자한다. 특히 채널 내 도핑농도 및 분포의 변화가 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙에 미치는 영향을 관찰하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널 내 농도변화, 게이트 산화막 두께, 그리고 인가전압 등이 문턱전압이하 스윙 값에 미치는 영향을 관찰하였다. 도핑분포함수로 가우스분포함수를 사용하여 가우스분포함수의 파라미터인 이온주입범위 및 분포편차에 대한 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하였다. 분석결과, 고도핑영역에서 문턱전압이하 스윙 값은 큰 변화를 보이고 있었다.
이와 같이 비대칭 이중게이트 MOSFET는 상하단 게이트 전압을 별도로 인가할 수 있어 문턱전압이하 스윙의 저하 등 단채널 효과를 보다 효율적으로 제어할 수 있다. 본 연구에서 제시한 문턱전압이하 스윙모델의 타당성이 입증되었으므로 이 모델을 이용하여 채널도핑에 대한 문턱전압이하 스윙을 분석하였다.

데이터처리

그림 2. 본 연구 모델과 이차원 시뮬레이션을 이용한 상하단 게 이트 전압에 대한 문턱전압이하 스윙 비교. 실선; 본 연구 모델, 점 ; Medici 시뮬레이션

이론/모형

본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널도핑 변화 및 게이트 산화막 두께 변화에 따른 문턱전압이하 스윙의 변화를 분석하였다. 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙을 분석하기 위하여 포아송방정식을 이용하였다. 대칭적 이중게이트 MOSFET와 달리 비대칭 이중게이트 MOSFET는 4단자소자로서 상하단 게이트의 산화막 두께 및 인가전압을 다르게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
Ding 등[6]은 고정된 채널 내 도핑분포함수를 사용하여 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙을 분석하였으나 본 연구에서는 가우스분포함수를 도핑분포함수로 사용하여 도핑농도 및 분포함수의 변화에 따라 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하였다. 이를 위하여 대칭적 구조의 이중게이트 MOSFET를 해석한 Tiwari 등[7]의 포아송방정식에 대한 해석학적 전위모델을 이용하였다. 비대칭 이중게이트 MOSFET는 소스, 드레인, 상단게이트 및 하단게이트 단자가 존재하는 4단자소자이며 본 연구에서는 상단과 하단의 게이트 산화막 두께 그리고 인가전압 등에 따른 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하고자한다.

성능/효과

그러나 도핑농도가 증가하여 채널 내 불순물의 절대 갯수가 증가하게 되면 도핑 분포함수에 따라 커다란 변화를 보이고 있었다. 즉, 그림 3(a)에서 알 수 있듯이 이온주입범위 및 분포편차가 증가하여 3 nm 이상의 범위에서 도핑농도가 증가하면 문턱전압이하 스윙도 감소하여 우수한 결과를 나타내지만 2 nm 이하의 경우는 도핑농도가 증가하면 문턱전압이하 스윙이 증가하는 결과를 유도하였다. 게이트산화막 두께가 두 배로 증가하여 3 nm가 되면 그림 3(b)에서 알 수 있듯이 문턱전압이하 스윙 값이 전반적으로 상승하는 효과를 가져온다.
그림 2에서 알 수 있듯이 이차원 수치해석학적 결과와 본 연구에서 제시한 모델이 매우 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있다. 결과에서 알 수 있듯이 상단게이트 전압이 증가하면 문턱전압이하 스윙이 감소하며 하단게이트 전압이 증가할수록 문턱전압이하 스윙 값이 증가하고 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 비대칭 이중게이트 MOSFET는 상하단 게이트 전압을 별도로 인가할 수 있어 문턱전압이하 스윙의 저하 등 단채널 효과를 보다 효율적으로 제어할 수 있다.
이때 이온주입범위와 분포편차는 5 nm를 사용하였다. 그림 2에서 알 수 있듯이 이차원 수치해석학적 결과와 본 연구에서 제시한 모델이 매우 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있다. 결과에서 알 수 있듯이 상단게이트 전압이 증가하면 문턱전압이하 스윙이 감소하며 하단게이트 전압이 증가할수록 문턱전압이하 스윙 값이 증가하고 있다는 것을 알 수 있다.
그러나 감소하는 패턴은 이온주입범위 및 분포편차에 따라 거의 일정하게 유지되고 있다. 또한 상단 게이트 전압이 감소하면 문턱전압이하 스윙 값이 크게 증가하며 상단 게이트 전압이 증가할수록 문턱전압이하 스윙 값이 감소하여 일정한 값을 유지하는 것을 관찰할 수 있다.
도핑분포함수로 가우스분포함수를 사용하여 가우스분포함수의 파라미터인 이온주입범위 및 분포편차에 대한 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하였다. 분석결과, 고도핑영역에서 문턱전압이하 스윙 값은 큰 변화를 보이고 있었다.
특히 주어진 시뮬레이션 조건에서 고도핑 영역의 문턱전압이하 스윙 값이 감소하는 이온주입범위 및 분포편차는 약 3 nm 이상이 였다. 상단 게이트 전압이 0.4V이상으로 증가하면 문턱전압이하 스윙 값은 이온주입범위 및 분포편차에 무관하게 일정하였으며 산화막 두께가 증가할수록 문턱전압이하 스윙 값은 증가하였다. 이상과 같이 문턱전압이하 스윙 값은 도핑농도 및 분포 함수에 따라 크게 변화하였으며 게이트 산화막 두께 및 인가전압에 크게 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었으므로 향후 비대칭 이중게이트 MOSFET설계 시 유의하여야 할 것이다.
그러나 이온주입범위가 증가하고 게이트 산화막 두께가 큰 그림 5(b)의 경우처럼 분포편차보단 이온주입범위에 따라 문턱전압이하 스윙 값이 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 이와 같이 이온주입 범위 및 분포편차 그리고 도핑강도에 따라 문턱전압이하 스윙 값은 크게 변하고 있다는 것을 알 수 있었다.
특히 상단게이트 전압이 증가하면 이온주입범위 및 분포편차의 변화에 무관하게 문턱전압이하 스윙 값은 거의 일정하게 유지되고 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로 문턱전압이하 스윙 값을 작게 유지하기 위해선 이온주입범위 및 분포편차를 가능하면 크게 유지해야하며 상단 게이트 전압도 크게 유지하여야한다.

후속연구

이는 기존의 메모리구조와 달리 3차원적 구조로서 30 nm급 트랜지스터를 40층 이상 적층하는 기술이 요구되는 고정밀 기술이다. 메모리소자 뿐만이 아니라 소형화 및 경량화의 상징인 스마트폰 그리고 SSD(Solid State Drive)에 이용가능하며 나아가 테블릿 PC 등 휴대용 장비에도 대폭 적용될 예정이다. 이와 같이 트랜지스터의 구조 및 배열을 3차원으로 향상시키기 위해선 소자구조의 혁신이 요구되고 있다.
4V이상으로 증가하면 문턱전압이하 스윙 값은 이온주입범위 및 분포편차에 무관하게 일정하였으며 산화막 두께가 증가할수록 문턱전압이하 스윙 값은 증가하였다. 이상과 같이 문턱전압이하 스윙 값은 도핑농도 및 분포 함수에 따라 크게 변화하였으며 게이트 산화막 두께 및 인가전압에 크게 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었으므로 향후 비대칭 이중게이트 MOSFET설계 시 유의하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원통형 차지트랩플래시(Charge Trap Flash) 셀 구조는 어떤 기술인가?	삼성전자에서는 차세대 메모리 반도체에 사용되는 트랜지스터구조를 원통형 차지트랩플래시(Charge Trap Flash) 셀 구조를 이용하기로 결정하고 대규모 투자에 나서고 있다. 이는 기존의 메모리구조와 달리 3차원적 구조로서 30 nm급 트랜지스터를 40층 이상 적층하는 기술이 요구되는 고정밀 기술이다. 메모리소자 뿐만이 아니라 소형화 및 경량화의 상징인 스마트폰 그리고 SSD(Solid State Drive)에 이용가능하며 나아가 테블릿 PC 등 휴대용 장비에도 대폭 적용될 예정이다.
	MugFET는 어떤 트랜지스터인가?	이러한 단채널 효과를 해결하기 위하여 가장 각광받는 소자로 다중게이트 MOSFET(Multi Gate MOSFET; MugFET)가 물방에 오르고 있다. MugFET는 FinFET [1], 이중게이트(Double Gate ; DG) MOSFET[2], 원통형 MOSFET[3] 등 다양한 구조를 가지고 있으나 결국 게이트를 채널주변에 여러 개 제작하여 게이트에 의한 전류제어능력을 향상시킨 트랜지스터이다. MugFET 중 가장 간단한 구조로서 많은 연구가 진행 중인 이중 게이트 MOSFET는 게이트단자를 상단과 하단에 제작함으로써 채널 내 전하의 제어를 두 개의 게이트가 담당하도록 하여 게이트 단자에 의한 전류제어능력을 두 배 가까이 향상시킬 수 있다.
	이중게이트 MOSFET의 장점은 무엇인가?	이중게이트 MOSFET는 채널을 저농도로 도핑하여 채널 내 전하들이 이동할 때 발생하는 불순물산란을 감소시켜 전하의 이동도를 향상시킬 수 있다는 장점뿐만 아니라 채널을 완전결핍상태(fully depleted)로 제작하여 고속 동작에 용이하다. Ding 등[6]은 고정된 채널 내 도핑분포함수를 사용하여 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙을 분석하였으나 본 연구에서는 가우스분포함수를 도핑분포함수로 사용하여 도핑농도 및 분포함수의 변화에 따라 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하였다.

참고문헌 (8)

A.J.Garcia-Loureiro, N.Seoane, M.Aldegunde and R.Valin, "Implementation of the Density Gradient Quantum Corrections for 3-D Simulations of Multigate Nanoscaled Transistors," IEEE Trans. on CAD of IC and Systems, vol.30, no.6, pp841-851, 2011.

상세보기
S.Jandhyala and S.Mahapatra, "Inclusion of body doping in compact models for fully-depleted common double gate MOSFET adapted to gate-oxide thickness asymmetriy", Electronics Lett., vol.48, no.13, pp.794-795, 2012.

상세보기
C.H.Suh, "Two-Dimensional Analytical Model for Deriving the Threshold Voltage of a Short Channel Fully Depleted Cylindrical/Surrounding Gate MOSFET," J. of Semiconductor Technology and Science, vol.11, no.2, pp.111-120, 2011.

원문보기 상세보기
H.Lu and Y.Taur, "An analytical potential model for symmetric and asymmetric DGMOSFETs," IEEE Trans. on Electron Devices, vol.53, no.5, pp.1161-1168, 2006.

상세보기
A.Dey, A.Chakravorty, N.DasGupta and A.DasGupta, "Analytical model of subthreshold current and slope for asymmetric 4T and 3T double-gate MOSFET," IEEE Trans. on Electron Devices, vol.55, no.12, pp.3442-3449, 2008.

상세보기
Z.Ding, G.Hu, J.Gu, R.Liu, L.Wang and T.Tang, "An analytical model for channel potential and subthreshold swing of the symmetric and asymmetric double-gate MOSFETs," Microelectronics J., vol.42, pp.515-519, 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.
H.K.Jung, "Analysis for Potential Distribution of Asymmetric Double Gate MOSFET Using Series Function," J. Korea Inst. Inf. and Commun. Eng., vol.17, no.11, pp.2621-2626, 2013.

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