[논문]Aspect Ratio 변화에 따른 Gate-All-Around Si 나노와이어 MOSFET 의 특성 연구

허성현; 안용수

문제 정의

그에 반해 나노와이어 FET은 AR이 1인 아닌 경우에 대한 연구가 미비한 편이다. 본 논문에서는 나노와이어 FET 채널의 AR에 따른 트랜지스터의 특성 변화를 양자 시뮬레이션을 통해 알아보았다. 나노와이어 FET 채널의 단면은 Fig.

가설 설정

본 논문에서는 나노와이어 FET 채널의 AR에 따른 트랜지스터의 특성 변화를 양자 시뮬레이션을 통해 알아보았다. 나노와이어 FET 채널의 단면은 Fig. 1과 같이 사각형 구조로 가정하 였다. 채널의 너비(W)는 일정하게 유지하고, 채널의 두께(T)는 변화시켜가며 나노와이어 FET의 ON/OFF current ratio, subthreshold swing (SS), 그리고 drain-induced barrier lowering (DIBL)을 비교하였다.
채널을 모사하는 TB orbital model은 sp³s^*d⁵ sp³s^*d⁵ 를 사용하였다 [8]. 채널 및 게이트 길이는 6 nm이며, equivalent oxide thickness는 0.5 nm로 가정하였다. 소스와 드레인의 도핑은 n-type으로 농도는 5×10²⁰cm^-35×10²⁰cm^-3으로 설정하였고, 드레인 전압 (V_dV_d )은 0.

제안 방법

이 parameter들은 International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) 2028에 준하는 기준들이다 [7]. 나노와이어 채널의 AR 변화에 따른 나노와이어 FET 특성 변화를 관찰하기 위해, 채널의 W를 1.5 nm로 고정시키고 T를 1.5 nm, 1.875 nm, 2.25 nm, 2.625 nm, 3.0 nm, 4.5 nm, 6.0 nm, 7.5 nm로 변화시켜 시뮬레이션을 진행하였다.
이러한 경향성은 채널의 T 변화에 따른 밴드 구조 변화와 관련이 있다고 예상할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 밴드 구조를 보기 위하여 EDISON 나 노물리센터에서 제공하는 Tight-Binding 기반 NW 밴드 구조 계산 소프트웨어를 추가적으로 사용하였다. Fig.
본 논문에서는 TB NEGF 기반 Nanowire FET 소자 성능 및 특성 해석용 소프트웨어를 사용하여 채널의 AR에 따른 on/off current ratio, SS와 DIBL을 각각 비교 및 분석하였다. 그 결과 on current 특성은 AR을 3까지 증가시켰을 때 감소하다가 AR 이 4 이상이 되면 다시 증가하는 경향성을 보였고, SCE에 영향을 주는 SS, DIBL은 AR이 커질수록 증가하는 경향을 보였다.
2의 결과를 토대로 on/off current ratio, SS와 DIBL을 정리한 표이다. 본 논문에서는 시뮬레이션 tool에서 실행한 결과 데이터로 계산하였다.
1과 같이 사각형 구조로 가정하 였다. 채널의 너비(W)는 일정하게 유지하고, 채널의 두께(T)는 변화시켜가며 나노와이어 FET의 ON/OFF current ratio, subthreshold swing (SS), 그리고 drain-induced barrier lowering (DIBL)을 비교하였다.
이는 AR이 증가할수록 나노 구조에서 벗어나 bulk 구조로 변화하여 전체적인 leakage 전류값이 증가하기 때문으로 예상된다. 한편 DIBL을 구할 때에는 V_dV_d= 0.6 V일 때와 V_dV_d = 0.06 V 일 때 두 가지 경우의 문턱 전압 변화를 통해 계산하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 나노와이어 FET 채널 물질은 실리콘으로(Fig. 1), 방향은 [100]을 고려하였다. 채널을 모사하는 TB orbital model은 sp³s^*d⁵ sp³s^*d⁵ 를 사용하였다 [8].

이론/모형

본 논문은 EDISON 나노물리센터에서 제공하는 Tight-Binding(TB) NEGF 기반 Nanowire FET 소자 성능 및 특성 해석용 소프트웨어를 사용하였다. 이 소프트웨어는 TB 기반으로 하는 원자 수준의 시뮬레이션을 수행하므로, 나노미터 scale의 길이와 채널 폭, 두께를 갖는 나노와이어 FET의 특성을 분석하는 데 적합한 시뮬레이터이다.
채널을 모사하는 TB orbital model은 sp3s*d5 sp3s*d5 를 사용하였다 [8].

성능/효과

본 논문에서는 TB NEGF 기반 Nanowire FET 소자 성능 및 특성 해석용 소프트웨어를 사용하여 채널의 AR에 따른 on/off current ratio, SS와 DIBL을 각각 비교 및 분석하였다. 그 결과 on current 특성은 AR을 3까지 증가시켰을 때 감소하다가 AR 이 4 이상이 되면 다시 증가하는 경향성을 보였고, SCE에 영향을 주는 SS, DIBL은 AR이 커질수록 증가하는 경향을 보였다. 이로써 우리는 소자의 쓰임새에 따라서 채널 symmetry, on current 특성과 SCE를 조절하여 최적의 성능을 갖는 소자를 만들어 낼 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다.
2 eV 위에 세 번째와 네 번째 subband가 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 AR이 1에서 2로 증가하는 과정에서 전류 형성에 관여하는 전자의 농도 감소를 예상할 수 있고, 그에 따라 on current가 감소함을 알 수 있다. Fig.
그 결과 on current 특성은 AR을 3까지 증가시켰을 때 감소하다가 AR 이 4 이상이 되면 다시 증가하는 경향성을 보였고, SCE에 영향을 주는 SS, DIBL은 AR이 커질수록 증가하는 경향을 보였다. 이로써 우리는 소자의 쓰임새에 따라서 채널 symmetry, on current 특성과 SCE를 조절하여 최적의 성능을 갖는 소자를 만들어 낼 수 있다는 결론을 내릴 수 있었다. 본 연구는 실리콘 [100] 방향만 이용한 논문이므로, 다음에는 [110] 방향을 이용하여 AR 에 따른 소자의 특성을 도출해내는 연구도 할 수 있다.
이 소프트웨어는 TB 기반으로 하는 원자 수준의 시뮬레이션을 수행하므로, 나노미터 scale의 길이와 채널 폭, 두께를 갖는 나노와이어 FET의 특성을 분석하는 데 적합한 시뮬레이터이다. 특히 이 시뮬레이터는 나노와이어 FET의 전류-전압 특성 분석이 가능하며, 나노와이어 FET의 ballistic 기본 특성과 SCE를 분석을 할 수 있어 본 연구를 함에 있어 적합하여 선택하였다.

후속연구

그 결과를 토대로 [100]과 [110] 방향의 특성을 서로 비교해 볼 수 있다 [9]. 그리고 본 연구에서는 TB 를 이용하여 채널을 rectangular model 로 만들어 시뮬레이션을 하였지만, 차후 연구에서는 density functional theory (DFT)를 이용하면 채널을 원통 모양으로 모델링하여 더 정확한 시뮬레이션을 할 수 있을 것이다.

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