[논문]나노 구조 MOSFET의 스켈링에 대한 특성 분석

장광균; 정학기; 이종인

[국내논문] 나노 구조 MOSFET의 스켈링에 대한 특성 분석
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장광균 (군산대학교) , 정학기 (군산대학교) , 이종인 (군산대학교)

소자의 고집적을 위한 특성분석 기술은 빠른 변화를 보이고 있다. 이에 따라 고집적 소자의 특성을 시뮬레이션을 통하여 이해하고 이에 맞게 제작하는 기술을 매우 중요한 과제 중의 하나가 되었다. 소자가 마이크론급에서 나노급 이하로 작아지면서 그에 맞는 소자개발을 위해 여러 가지 구조가 제시되고 있는데 본 논문에서는 TCAD를 이용하여 여러 가지 구조 중에서 고농도로 도핑된 ground plane 위에 적층하여 만든 EFI MOSFET와 LDD구조의 단점을 개선한 newEPI MOSFET에 대해 조사하였다. 이 구조의 특성과 임팩트이온화와 전계 그리고 I-V 특성 곡선을 저 농도로 도핑된 드레인(LDD) MOSFET와 비교 분석하였다. 또한 TCAD의 유용성을 조사하여 시뮬레이터로서 적합함과 나노구조 소자에서의 스켈링이론의 적합함을 보았다.

The technology for characteristic analysis of device for high integration is changing rapidly. Therefore to understand characteristics of high-integrated device by computer simulation and fabricate the device having such characteristics became one of very important subjects. At devices become smaller from submicron to nanometer, we have investigated MOSFET built on an epitaxial layer(EPI) of a heavily-doped ground plane, and also newEPI MOSFET for improved structure to weak point of LDD structure by TCAD(Technology Computer Aided Design) to develop optimum device structure. We analyzed and compared the EPI device characteristics such as impart ionization, electric field and I-V curve with those of lightly-doped drain(LDD) MOSFET. Also, we presented that TCAD simulator is suitable for device simulation and the scaling theory is suitable at nano structure device.

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문제 정의

소스와 드레인 접합깊이가 얕아지면 소스와 드레인 저 항이 증가하여 소자 성능이 떨어 지게 된다. 또한 얄은 접합에서는 드레인 영역이 고농도가 되므로 三레인 접합부근에서 전계가 놈아지게 되어 고온 캐리어 효과(hot carrier effect)가일어난다[2][이. 이를 해결하기 위해 소사 구조의개선이 필요하므로 본 논문에서는 개선된 吁조중에서 MOSFET를 고도핑 ground plane 위에 적층하여 만든 EPI MOSFET와 LDD의 단점인 2차적효과를 개선한 newEPI MOSFET 구조의 타당성을 조사 . 분석하였으며 드레인 영역의 전계를 낮추기 위해서 드레인과 채널이 만나는 지점의 도핑농도를 줄이고 접점부위의 드레인은 도전율의감소를 방지하기 위해 기존의 높은 도핑농도를유지하는 저도핑 드레인(Lightly Doped Drain : LDD) MOSFET오卜 비교一하였다.
본 논문에서는 정전압 스켈링 이론에 의해 채널 길이에 따라 MOSFET를 스케일링하였다. 게이트 길이가 감소되면서 임팩트 이온화율, 전계 및 전류가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.

제안 방법

이를 해결하기 위해 소사 구조의개선이 필요하므로 본 논문에서는 개선된 吁조중에서 MOSFET를 고도핑 ground plane 위에 적층하여 만든 EPI MOSFET와 LDD의 단점인 2차적효과를 개선한 newEPI MOSFET 구조의 타당성을 조사 . 분석하였으며 드레인 영역의 전계를 낮추기 위해서 드레인과 채널이 만나는 지점의 도핑농도를 줄이고 접점부위의 드레인은 도전율의감소를 방지하기 위해 기존의 높은 도핑농도를유지하는 저도핑 드레인(Lightly Doped Drain : LDD) MOSFET오卜 비교一하였다. 각 구조는 Si-기변I 의 n-채널이며, 스켈링한 후 게이트 길이에 따른소사의 특성 및 임팩트 이온화와 전겨】, 전류-전압 특성을 비교 분석하였다.
분석하였으며 드레인 영역의 전계를 낮추기 위해서 드레인과 채널이 만나는 지점의 도핑농도를 줄이고 접점부위의 드레인은 도전율의감소를 방지하기 위해 기존의 높은 도핑농도를유지하는 저도핑 드레인(Lightly Doped Drain : LDD) MOSFET오卜 비교一하였다. 각 구조는 Si-기변I 의 n-채널이며, 스켈링한 후 게이트 길이에 따른소사의 특성 및 임팩트 이온화와 전겨】, 전류-전압 특성을 비교 분석하였다. 스케일링 방법은 전압과 전력을 일정하게 유지하는 정전압 스케일링 (Constant Voltage Scaling)을 人}용하였고, △켈링이론이 나W 구조 소사에서 얼마나 적합한지를고찰하기 위하여 TCAD를 사용하여 시뮬레이션하였다.
각 구조는 Si-기변I 의 n-채널이며, 스켈링한 후 게이트 길이에 따른소사의 특성 및 임팩트 이온화와 전겨】, 전류-전압 특성을 비교 분석하였다. 스케일링 방법은 전압과 전력을 일정하게 유지하는 정전압 스케일링 (Constant Voltage Scaling)을 人}용하였고, △켈링이론이 나W 구조 소사에서 얼마나 적합한지를고찰하기 위하여 TCAD를 사용하여 시뮬레이션하였다.
논문에서는 그림 1에서 도시한 LDD MOSFET 와 EPI MOSFET 그리고 newEPI구조에 대하여정전압 스케일링을 사용하여 Vd-Id, Vg-臨관계를비교하여 師의 변화 및 전계와 임팩트 이온화의변화를 비교 분석하였고, 스켈링을 계속하였을 때기존 이론의 적용 한계를 살펴보았다.
본 논문에서는 게이트 길이 180皿1를 기준으로 스케일링 이론을 적용하였다. 즉, 게이트 길이 180nm인 스케일링 인수 1일 때를 기준으로 하여 스케일링 인수 2일 때 게이트길이 90nm, 3일 때 60nm, 4일 때 45nm를 각각 TCAD의 DESSIS툴로시 뮬레 이 션하였다.
이론을 적용하였다. 즉, 게이트 길이 180nm인 스케일링 인수 1일 때를 기준으로 하여 스케일링 인수 2일 때 게이트길이 90nm, 3일 때 60nm, 4일 때 45nm를 각각 TCAD의 DESSIS툴로시 뮬레 이 션하였다.
바이어스 조건은 드레인 전압 Vd=3V, 기판 전압 Vs=0V를 인가하고 게이트 전압을 먼저 2V로 하여 LDD 구조와 EPI 구조를 관찰한 뒤 IV에서 3V까지 변화시켜가면서 게이트전압(1〜3V)에 대한 전류와 전계 및 임팩트이온화를 시뮬레이션하였다.
본 논문에서 사용한 TCAD 의 MDRAW 툴로 LDD, EPI MOSFET의 그리드를 형성하여 그림 2에 도시하였다. 이러한 그리드를 사용하여 전류, 전압 및 임팩트 이온화 등을 계산하는데 사용하였다.
이러한 그리드를 사용하여 전류, 전압 및 임팩트 이온화 등을 계산하는데 사용하였다.

이론/모형

각 영역의 도핑은 가우시안 (Gaussian) 함수에따른 도핑방법을 사용하였다. 각각의 게이트 길이에 따른 각 영역의 도핑농도와 게이트 산화층 두께를 표 1에 제시하였다.

성능/효과

그에 따라 MOSFET 자체의 캐패시턴스는 감소하고 채널 길이가 짧아져 서 소자의 동작속도는 빨라지게 된다. 二L러나 크기가 자은 MOSFET에서의 전류-전압 특성의 열화 및 기생 캐패시턴스에 의한 성능 감쇠 등이 나타나게되었다. 소스와 드레인 접합깊이가 얕아지면 소스와 드레인 저 항이 증가하여 소자 성능이 떨어 지게 된다.
각각의 게이트 길이에 따른 각 영역의 도핑농도와 게이트 산화층 두께를 표 1에 제시하였다. 각각의 도핑에서 게이트와 소스영역에는 접합깊이의 0.6, LDD 영역에는 0.5의 측면확산효과를 주었다.
:丄러나 newEPI 구조는 채널 미부분의 전류를 보면, 펀치스루를 차단하고, 기판으로 흐르느 전류를 차단함을 볼 수 있다.
일반적으로 MOSFET의 주요 관점은 속도와 집적도며, 결과적으로 newEI기구조는 LDD 구■조의단점인 2차 효과를 줄이면서 LDD 子조보다 집적도에서 우수한 특성을 보였고, EPI 구조는 속도와증폭기 즉, 통신적인 면에서 우수한 특성음 보였다.
게이트 길이가 감소되면서 임팩트 이온화율, 전계 및 전류가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
EPI MOSFET구조와 newEPI MOSFET구조의전류-전압 특성을 보면 같은 전압이 인가되었을때 LDD구조보다 EPI구조에서 더 많은 전류가 흐르는 것을 볼 수 있었다. 이것은 LDD 구조보다 EPI 구조가 더 낮은 저항을 가짐을 알 수 있다.
이것은 LDD 구조보다 EPI 구조가 더 낮은 저항을 가짐을 알 수 있다. 그리고 newEPI 구조는 소자가 줄어들면서 나타나는 LDD 구조의 2차적인 효과를 줄이면서 LDD 구조의 불필요한 전력손실을 줄일 수 있다는 것을 보았다. 즉 전력소모가 더 낮으므로 소자의 집적도를 높일 수 있음을 알 수 있다.
스케일링 인수가 4이상에서 전류의 증가가 약간 둔화되며, 60nm이하에서는 임팩트 이온화 현상이 두드러짐을 볼 수 있었다. 따라서 60nm까지는전류와 전압의 비례가 스케일링 이론과 거의 일치하고 임팩트 이온화 현상과 전계의 크기가 더작은 채널 길이에 비해 양호한 수준이므로 60nm 까지의 스케일링이 가장 적합하다는 깃을 알 수있었다.
두드러짐을 볼 수 있었다. 따라서 60nm까지는전류와 전압의 비례가 스케일링 이론과 거의 일치하고 임팩트 이온화 현상과 전계의 크기가 더작은 채널 길이에 비해 양호한 수준이므로 60nm 까지의 스케일링이 가장 적합하다는 깃을 알 수있었다. 그러므로 스켈링 인수 4 이상에 적합한스켈팅 이론이 제시되어야 한다고 사료된다.

후속연구

그러므로 스켈링 인수 4 이상에 적합한스켈팅 이론이 제시되어야 한다고 사료된다. 또한현재 사용되고 있는 소자의 구조는 나노구조까지는 여러 가지 전기적 요소들을 수용할 수 있겠으나 -1 이하로 소자의 크기가 줄어들 경우 보다새로운 소자 구조를 개발할 필요가 있음을 알았으며 스켈링이론의 수정 등 이론적인 개선이 요구됨을 알았다.

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