[논문]소자파라미터에 대한 DGMOSFET의 전류-전압 분석

한지형; 정학기; 정동수; 이종인

소자파라미터에 대한 DGMOSFET의 전류-전압 분석
Analysis on I-V of DGMOSFET for Device Parameters 원문보기

한지형 (군산대학교 전자공학과) , 정학기 (군산대학교 전자공학과) , 정동수 (군산대학교 전자공학과) , 이종인 (군산대학교 전자공학과)

본 연구에서는 분석학적 모델을 이용하여 DGMOSFET의 전류-전압을 고찰하고자 한다. 분석학적 모델을 유도하기 위하여 포아송 방정식을 이용하였다. 드레인 전류가 $10^{-7}A$일 때 상단게이트전압을 문턱전압으로 정의하였다. 채널의 길이를 20nm에서 100nm까지 변화시켜 채널길이에 따른 전류-전압특성을 분석하였다. 또한 본 연구에서 제시한 모델을 사용하여 DGMOSFET 설계시 중요한 도핑농도와 채널두께 등의 요소변화에 대한 전류-전압의 변화를 관찰하였다. 구조적 파라미터의 변화에 따라 전도중심의 변화와 전도중심이 전류-전압에 미치는 영향을 분석하였다.

In this paper, current-voltage have been considered for DGMOSFET, using the analytical model. The Possion equation is used to analytical. Threshold voltage is defined as top gate voltage when drain current is $10^{-7}A$. Investigated current-voltage characteristics of channel length changed length of channel from 20nm to 100nm. Also, The changes of current-voltage have been investigated for various channel thickness and doping concentration using this model, given that these parameters are very important in design of DGMOSFET. The deviation of conduction path and the influence of conduction path on current-voltage have been considered according to the dimensional parameters of DGMOSFET.

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문제 정의

본 논문에서는 DGMOSFET의 전류-전압의 특성을 분석하였다. 전류-전압의 특성을 분석하기 위하여 분석학적 모델을 사용하였다.
그러나 DGMOSFET는 상하로 게이트 단자를 제작하므로 깊이방향의 크기가 중요한 요소로 지적되고 있다. 본 논문에서는 DGMOSFET의 채널 두께, 도핑농도, 채널길이에 따른 전류-전압의 특성을 분석학적 모델을 이용하여 분석하고자 한다. 2장에서는 DGMOSFET 구조의 전위본포 모델과 전류모델에 대한 설명을 할 것이며 3장에서는 DGMOSFET의 파라미터 변화에 따른 전류-전압 특성을 설명하고 4장에서 결론을 맺을 것이다.

제안 방법

그림 2는 채널 길이가 변화함에 따라 DG MOSFET의 전류-전압 특성곡선을 나타내고 있다. t_si와 t_ox의 값은 각각 15nm, 1nm, 도핑농도는 10¹⁵cm^-3로 고정을 시키고 채널길이를 20nm, 50nm 그리고 100nm로 변화시켰다. 채널길이가 커지면서 드레인 전류는 감소하였다.
소자파라미터인 도핑농도와 채널두께, 채널길이 등에 대하여 전류-전압의 변화를 관찰하였다. 또한 드레인 전류가 10^-7A 일 때의 게이트 전압을 문턱전압으로 정의하고 파라미터 변화에 대한 문턱전압의 변화에 대하여 관찰하였다. 채널길이가 20nm에서 100nm 커지면서 드레인 전류는 감소하였다.
전류-전압의 특성을 분석하기 위하여 분석학적 모델을 사용하였다. 분석학적 모델을 유도하기 위하여 포아송방정식의 해를 구할 때 급수함수를 이용하였다. 소자파라미터인 도핑농도와 채널두께, 채널길이 등에 대하여 전류-전압의 변화를 관찰하였다.
분석학적 모델을 유도하기 위하여 포아송방정식의 해를 구할 때 급수함수를 이용하였다. 소자파라미터인 도핑농도와 채널두께, 채널길이 등에 대하여 전류-전압의 변화를 관찰하였다. 또한 드레인 전류가 10^-7A 일 때의 게이트 전압을 문턱전압으로 정의하고 파라미터 변화에 대한 문턱전압의 변화에 대하여 관찰하였다.
그림 4는 채널 두께 변화에 따른 전류-전압 특성을 나타내고 있다. 채널 두께는 5nm, 10nm, 15nm, 그리고 20nm로 변화하였다. 이때의 파라미터는 t_ox 1nm, 도핑농도 10¹⁵cm^-3, 그리고 채널길이는 20nm 이다.

대상 데이터

도핑농도는 10¹⁵ cm^-3에서 10¹⁸ cm^-3까지 변화시켰으며 t_si와 t_ox는 그림 2의 파라미터와 동일하다. 채널길이는 20nm이다. 도핑농도 변화에 따른 그래프를 보면 채널길이의 변화와 마찬가지로 도핑농도의 변화에 따라 드레인 전류와 문턱전압의 변화를 알 수 있다.

이론/모형

그림 1은 이 논문에서 사용한 DGMOSFET의 개략도이다. 이 구조에서 채널의 길이와 두께 방향으로 포텐셜 분포를 구하기 위하여 포아송 방정식을 이용하였다.
본 논문에서는 DGMOSFET의 전류-전압의 특성을 분석하였다. 전류-전압의 특성을 분석하기 위하여 분석학적 모델을 사용하였다. 분석학적 모델을 유도하기 위하여 포아송방정식의 해를 구할 때 급수함수를 이용하였다.

성능/효과

또한 채널길이가 20nm일 때 문턱전압이 급격히 감소하였다. 도핑농도를 10¹⁵cm^-3에서 10¹⁸cm^-3 까지 도핑 농도에 따른 전류-전압 특성에서는 10¹⁸cm^-3 일 때 드레인 전류가 급격히 감소하였고 단채널 효과인 문턱전압 이동이 증가함을 알수 있었다. 마지막으로 채널 두께의 변화에 따른 전류-전압 특성에서는 채널 두께가 증가하면서 드레인 전류는 증가하였고, 문턱전압의 이동 현상이 증가함을 알 수 있었다.
도핑농도가 10¹⁵cm^-3에서10¹⁷cm^-3 까지의 드레인 전류를 살펴보면 전류가 소폭으로 감소하였으나 도핑농도가 10¹⁸cm^-3일때 드레인 전류가 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 도핑농도에 따른 문턱전압을 비교하면 도핑의 농도가 10¹⁸cm^-3 일 때 문턱전압이 급격히 증가함을 알 수 있고, 문턱전압이 이동하는 단채널 효과가 나타난다. DGMOSFET에서 채널의 도핑농도가 증가하면 채널내 전도중심이 게이트와 멀어져 게이트 캐리어 전송능력이 감소하기 때문에 DGMOSET의 제작은 주로 채널을 저농도로 도핑하여 사용하고 있다.
문턱전압 이하 드레인 전류의 감소는 즉 문턱전압의 증가를 의미 한다. 또한 채널두께가 증가하면서 단채널 효과인 문턱전압의 이동현상 증가함을 알 수 있다.
도핑농도를 10¹⁵cm^-3에서 10¹⁸cm^-3 까지 도핑 농도에 따른 전류-전압 특성에서는 10¹⁸cm^-3 일 때 드레인 전류가 급격히 감소하였고 단채널 효과인 문턱전압 이동이 증가함을 알수 있었다. 마지막으로 채널 두께의 변화에 따른 전류-전압 특성에서는 채널 두께가 증가하면서 드레인 전류는 증가하였고, 문턱전압의 이동 현상이 증가함을 알 수 있었다. 특히 단채널 효과인 문턱전압의 이동현상에서는 채널두께에 따라 매우 급격히 변하므로 DGMOSFET 설계시 주의 깊게 고려하여야 한다.

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