[논문]Size Scaling에 따른 Gate-All-Around Silicon Nanowire MOSFET의 특성 연구

이대한; 정우진

문제 정의

본 연구는 EDISON 나노물리 센터에서 제공하는 NW FET 소자 성능 및 특성 분석용 SW를 사용해서 NWFET의 size에 따른 성능을 분석하였다. EDISON NW simulator는 양자효과를 고려한 시뮬레이션으로, 수 나노 사이즈의 device 분석에 적합하다.
EDISON NW simulator는 양자효과를 고려한 시뮬레이션으로, 수 나노 사이즈의 device 분석에 적합하다. 그러므로 size에 따른 성능 분석에는 쇼트 채널 효과가 필수적이고 쇼트 채널 효과를 더욱 정확히 분석하기 위해서 EDISON 시뮬레이터가 본 연구에 적합하였다.
결과를 보면 Simulation은 실제 data보다 subthreshold slope가 더 작고, drain voltage에 따른 전류의 이동이 크지 않으므로 DIBL 또한 더 작다는 것을 알 수 있다. Simulation에서의 DIBL이 실험 data에 비해 작아지는 이유를 분석하기 위해서 DIBL이 어떠한 요소에 영향을 받는지 보자. DIBL은 V_DS가 커짐에 따라서 barrier가 낮아지는 것에 의해서 생기는 데, threshold voltage에서 전류가 상승한 양을 통해서 알 수 있다.
Simulation과 실험 data의 on current를 비를 구함으로써 ballisticity를 구해보았다 [5]. EDISON simulation의 ballisticity를 구함으로써 본 simulator에서 scattering에 의한 영향, 즉 ballistic transport가 어느 정도 일어났는지 알아보았다. (3), (4)로 구한 ballisticity를 보면 ballistic simulation의 결과와의 비율을 알 수 있다.

가설 설정

DIBL은 V_DS가 커짐에 따라서 barrier가 낮아지는 것에 의해서 생기는 데, threshold voltage에서 전류가 상승한 양을 통해서 알 수 있다. (1)을 보면 barrier가 낮아진 만큼 DIBL도 상승한다. 두 data 모두 같은 V_DS가 가해졌으므로 barrier lowering이 일어나기 전 초기의 barrier height를 분석하였다.

제안 방법

그러므로 GAA silicon NW MOSFET의 성능을 실험한 data와 NW특성 simulation을 비교해봄으로써 두 data간의 경향성을 비교하고 nano size device의 문제가 되는 쇼트 채널 효과가 어떻게 나타나는지 분석해보는 것이GAA silicon NW의 size에 따른 특성을 이해하는데 도움이 될 것이다. 또한 기존의 상용툴을 통하여 다시 한번 시뮬레이션함으로써 사용한 simulation툴의 신뢰도를 확보하였다.
특히 NW FET의 channel width, thickness, length의 변화에 대한 simulation을 중점적으로 쇼트 채널 효과를 실제 NW와 비교 및 분석하였다.
EDISON simulation의 정확도를 파악하기 위해서 기존의 NW 해석 상용툴 ‘Sentaurus’로 얻은 data들과 함께 비교해보았다.
EDISON simulation 값의 보편성을 보기 위해서 gate length를 geometric screening length (λ)로 나눈 값에 따른 DIBL과 SS를 분석해 보았다.
각각의 transfer characteristics로부터 V_T matching을 하였으며 전류를 얻은 FET의 size는 gate length는 35nm, channel width는 13.3nm, channel height는 20.4nm이다. 결과를 보면 Simulation은 실제 data보다 subthreshold slope가 더 작고, drain voltage에 따른 전류의 이동이 크지 않으므로 DIBL 또한 더 작다는 것을 알 수 있다.
(1)을 보면 barrier가 낮아진 만큼 DIBL도 상승한다. 두 data 모두 같은 V_DS가 가해졌으므로 barrier lowering이 일어나기 전 초기의 barrier height를 분석하였다.
Simulation과 실험 data의 on current를 비를 구함으로써 ballisticity를 구해보았다 [5]. EDISON simulation의 ballisticity를 구함으로써 본 simulator에서 scattering에 의한 영향, 즉 ballistic transport가 어느 정도 일어났는지 알아보았다.
(SS)에 나와 있다. 실험 data의 보편성과 EDISON, Sentaurus의 보편성을 보기 위해서 점들이 이루는 곡선을 그려보았다. DIBL은 세 곡선이 모두 비슷한 형태를 이루었고 SS는 EDISON의 곡선이 실험 data가 이루는 곡선과 곡률이 거의 일치함을 볼 수 있었다.
본 연구에서는 EDISON을 통해서 GAA silicon NWFET의 size에 따른 특성을 실제 실험 data와 비교 및 분석하였다. I-V characteristics에서부터 쇼트 채널 효과와 밀접하게 관련있는V_th, DIBL, SS의 경향성을 비교하여보고, 각각의 NW의 balliscticity까지 분석해보았다.
본 연구에서는 EDISON을 통해서 GAA silicon NWFET의 size에 따른 특성을 실제 실험 data와 비교 및 분석하였다. I-V characteristics에서부터 쇼트 채널 효과와 밀접하게 관련있는V_th, DIBL, SS의 경향성을 비교하여보고, 각각의 NW의 balliscticity까지 분석해보았다.

대상 데이터

실제 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하기 위하여 S. Bangsaruntip의 논문[3]에서 실제 GAA NW FET 실험 data를 발췌하였다. 발췌한 data로는 일반적으로 FET의 분석에 쓰이는 I-V characteristic 외에도 쇼트 채널 효과를 분석할 수 있는 threshold voltage(V_th), DIBL, subthreshold swing(SS) 등의 실험 분석 결과 자료를 확인할 수 있다.
Bangsaruntip의 논문[3]에서 실제 GAA NW FET 실험 data를 발췌하였다. 발췌한 data로는 일반적으로 FET의 분석에 쓰이는 I-V characteristic 외에도 쇼트 채널 효과를 분석할 수 있는 threshold voltage(V_th), DIBL, subthreshold swing(SS) 등의 실험 분석 결과 자료를 확인할 수 있다. Fig.

성능/효과

4nm이다. 결과를 보면 Simulation은 실제 data보다 subthreshold slope가 더 작고, drain voltage에 따른 전류의 이동이 크지 않으므로 DIBL 또한 더 작다는 것을 알 수 있다. Simulation에서의 DIBL이 실험 data에 비해 작아지는 이유를 분석하기 위해서 DIBL이 어떠한 요소에 영향을 받는지 보자.
EDISON simulation의 정확도를 파악하기 위해서 기존의 NW 해석 상용툴 ‘Sentaurus’로 얻은 data들과 함께 비교해보았다. DIBL과 SS 모두 전반적인 경향성은 일치하였고, 더하여 EDISON과 Sentaurus의 값들이 매우 비슷함을 알 수 있었다. 두 simulator의 결과가 상당히 비슷하게 나왔다는 것은, 정확도면에서 EDISON이 기존의 상용툴과 같은 수준임을 말해준다.
실험 data의 보편성과 EDISON, Sentaurus의 보편성을 보기 위해서 점들이 이루는 곡선을 그려보았다. DIBL은 세 곡선이 모두 비슷한 형태를 이루었고 SS는 EDISON의 곡선이 실험 data가 이루는 곡선과 곡률이 거의 일치함을 볼 수 있었다. DIBL과 SS의 보편성의 측면에서는 EDISON이 Sentaurus보다 실험에 더욱 근접했다.
Sentaurus와 EDISON을 비교해본 결과 두 simulation data는 매우 비슷한 경향성과 값들을 가졌다. 이를 통해서 EDISON simulation이 본 연구의 input range에 속하는 GAA NW FET을 분석하는데 있어서 기존에 있던 고가의 상용툴 Sentaurus와 비슷한 정확도를 가진다는 결론을 얻었다. 그러나 Sentaurus와 같은 상용툴은 현재까지 수 나노 영역에서 필수적으로 고려해야 하는 양자 효과를 예측하기 어렵다는 점에서 개선이 필요하다.
그러나 Sentaurus와 같은 상용툴은 현재까지 수 나노 영역에서 필수적으로 고려해야 하는 양자 효과를 예측하기 어렵다는 점에서 개선이 필요하다. 이러한 점에서 본 연구에서 사용한 EDISON tool이 상용툴의 부족한 점을 채울 수 있는 발전 가능성을 확인해 볼 수 있었다.

후속연구

그러나 GAA silicon NW field effect transistor(FET) 또한 쇼트채널 효과에 자유롭지 못하므로 size에 따른 성능을 분석하는 것은 중요한 과제이다. 그러므로 GAA silicon NW MOSFET의 성능을 실험한 data와 NW특성 simulation을 비교해봄으로써 두 data간의 경향성을 비교하고 nano size device의 문제가 되는 쇼트 채널 효과가 어떻게 나타나는지 분석해보는 것이GAA silicon NW의 size에 따른 특성을 이해하는데 도움이 될 것이다. 또한 기존의 상용툴을 통하여 다시 한번 시뮬레이션함으로써 사용한 simulation툴의 신뢰도를 확보하였다.
그러므로 simulation을 통해서 실제 실험 data와 서로 보완해나가는 과정이 필요할 것이다. 그러나 실제 실험과 simulation에서 동일한 조건을 줄 수는 없기 때문에 가장 효율적으로 실험 data를 예측할 수 있는 방법을 찾는 것이 연구되어야만 할 것이다. 또한 underlapping, 도핑 농도 등의 일정할 수 없는 변수들을 최대한 실제 FET과 비슷하게 맞춰주는 것도 더욱 정확한 simulation data를 얻을 수 있는 방법이 된다.

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