[논문]Si-기반 MOSFET의 채널 길이에 따른 영향의 조사

정정수; 심성택; 장광균; 정학기; 이종인

Si-기반 MOSFET의 채널 길이에 따른 영향의 조사
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정정수 (군산대학교 전자종보공학부) , 심성택 (군산대학교 전자종보공학부) , 장광균 (군산대학교 전자종보공학부) , 정학기 (군산대학교 전자종보공학부) , 이종인 (군산대학교 전자종보공학부)

컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 Si-기반 n 채널 MOSFET의 채널길이에 따른 영향을 조사하였다. 이차원 유체역학적 모델을 사용하여, 다양한 게이트 길이를 가진 소자들을 실험하였다. LDD MOSFET 소자 모델을 사용하여 전류, 전압, 전계 및 임팩트 이온화를 조사·분석하였다. 이러한 소자들은 다양한 scaling 인수로 scaling되었다. 채널 길이에 따른 I-V 특성과 임팩트이온화의 효과를 분석하였다.

The channel length influence of n-channel Si-based FETs is investigated by computer simulation. Using a two-dimensional hydrodynamic model, devices having various gate length are examined. We have observed the characteristics of LDD model of MOSFET by investigating of their current, voltage, electric field and impact ionization. These devices are scaled using various factors. We have analyzed I-V characteristics and the effect of impact ionization according to channel length.

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문제 정의

반도체 재료로서 Si를 사용하였을 때는 저비용으로 반도체를 제작할 수 있다는 이점이 있으나 GaAs 나 SiGe등을 이용한 반도체보다 소자의 동작 속도 측면에서 불리한 점을 가지고 있다. 그러나 본 논문에서는 광범위하게 사용되는 Si-기반의 소자에 대해서 고찰하고자 한다.
본 논문에서는 Si-기반의 n-채널 LDD 구조를 사용하고 scaling 이론[4-6]을 적용하였다. 또한 게이트 길이에 따른 전압과 전류 특성을 고찰하고 이에 따른 임팩트 이온화 및 전계의 영향을 살펴볼 것이다. 본 시물레이션은 Technology CAD (TCAD)를 사용하여 수행하였다.

제안 방법

게이트 전압을 1에서 5V까지 변화시켜 가면서 드레인 전압(1〜3V)에 대한 전류와 전계 및 임팩트 이온화를 시물레이션 하였다.
본 논문에서는 게이트 길이 0.18 伽를 기준으로 스켈링 이론을 적용하였다. 즉, 게이트 길이 0.

이론/모형

각 영역의 도핑은 Gaussian 함수에 따른 도핑 방법을 사용하였다. 각각의 게이트 길이에 따른 각 영역의 도핑 농도와 게이트산화층 두께를 표 1에 제시하였다.
본 논문에서는 Si-기반의 n-채널 LDD 구조를 사용하고 scaling 이론[4-6]을 적용하였다. 또한 게이트 길이에 따른 전압과 전류 특성을 고찰하고 이에 따른 임팩트 이온화 및 전계의 영향을 살펴볼 것이다.
본 논문은 MOSFET 구조 중에서 LDD MOS FET 구조를 사용하여 scaling 이론을 적용하였다. 게이트 길이 0.
또한 게이트 길이에 따른 전압과 전류 특성을 고찰하고 이에 따른 임팩트 이온화 및 전계의 영향을 살펴볼 것이다. 본 시물레이션은 Technology CAD (TCAD)를 사용하여 수행하였다.
여기서 채택한 소자의 구조는 드레인 영역의 전계를 낮추기 위해서 드레인과 채널이 만나는 지점의 도핑 농도를 줄이고 접점 부위의 드레인은 도전율의 감소를 방지하기 위해 기존의 높은 도핑농도를 유지하는 저도 핑 드레인(Lightly Doped Drain : LDD)구조를 사용하였다. 이러한 LDD 구조는 공정이 복잡하고 LDD영역의 설정으로 인하여 드레인 저항이 증가하지만, 항복 전압을 감소시키고 단 채널 효과를 줄여준다는 장점이 있다.

성능/효과

각각의 게이트 길이에 따른 각 영역의 도핑 농도와 게이트산화층 두께를 표 1에 제시하였다. 각각의 도핑에서 게이트와 소오스의 영역에는 접합 깊이의 0.6, LDD 영역에는 0.5배의 측면확산 효과를 주었다.
대체적으로 LDD의 측면확산 영역 에서 임팩트 이온화율이 높은 것을 볼 수 있다. 게이트 전압을 1-3V까지 증가시켰을 때 0.18例 에 서는 거의 차이를 느낄 수 없으나 게이트 길이가 작아지면 게이트 전압이 증가함에 따라 임팩트 이온화율이 커지고 0.06側에서는 임팩트 이온화가 드레인 접합 영역 뿐만 아니라 소오스 접합 영역까 지 넓게 확장되어 나타남을 볼 수 있었다.
scaling 인수가 4이 상을 넘어서면 전류의 증가가 약간 둔화되며, 006伽 이하에서는 임팩트 이온화 현상이 두드러짐을 볼 수 있었다. 따라서 0.06 伽까지는 전류와 전압의 비례가 scaling 이론과 거의 일치하고 임팩트 이온화 현상과 전계가 더 작은 채널길이에 비해 양호한 수준이므로 0.06 側까지의 scaling이 가장 적합하다는 것을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과 LLVd 특성 곡선이 scaling 에 따라 일정하게 증가하였다. scaling 인수가 4이 상을 넘어서면 전류의 증가가 약간 둔화되며, 006伽 이하에서는 임팩트 이온화 현상이 두드러짐을 볼 수 있었다.

후속연구

저전력 고속 소자의 개발을 목표하고 있는 지금 LDD구조의 장점을 수용하면서 한계점을 극복할 수 있는 새로운 적충 구조를 개발하도록 노력할 것이다.

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