[논문]전기적 상호작용을 고려한 3차원 순차적 인버터의 SPICE 시뮬레이션

안태준; 유윤섭

전기적 상호작용을 고려한 3차원 순차적 인버터의 SPICE 시뮬레이션
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안태준 (한경대학교 전기전자제어공학과) , 유윤섭 (한경대학교 전기전자제어공학과)

이 논문은 3D 순차적 CMOS 인버터 회로의 전기적 상호작용을 고려한 시뮬레이션을 제시하고자 한다. 상층 NMOS는 BSIM-IMG, 하층 PMOS에는 LETI-UTSOI 모델을 사용하여 전기적 상호작용이 잘 반영되는지 TCAD 데이터와 SPICE 데이터를 비교하였다. 트랜지스터 간의 높이가 작을 때 하층 게이트의 전압의 변화에 따라 상층 전류-전압 특성에 전기적 상호작용이 잘 반영되는 것을 확인하였다.

This paper introduces the SPICE simulation results of 3D sequential inverter considering electrical coupling. TCAD data and the SPICE data are compared to verify that the electrical coupling is well considered by using BSIM-IMG for the upper NMOS and LETI-UTSOI model for the lower PMOS. When inter layer dielectric is small, it is confirmed that electrical coupling is well reflected in the top transistor $I_{ds}-V_{gs}$ characteristics according to the change of the bottom transistor gate voltage.

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문제 정의

하지만 트랜지스터 간의 높이가 작아지면 두 트랜지스터 간에 전기적 상호작용이 발생하고 이를 고려한 회로 시뮬레이션이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 전기적 상호작용을 고려한 3D 순차적 CMOS 인버터 회로 시뮬레이션 모델을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 트랜지스터 간의 높이가 작을 때 전기적 상호작용을 고려한 3D CMOS 인버터 회로 시뮬레이션 결과를 제시하였다. 상층 NMOS에 BSIM-IMG, 하층 PMOS에 LETI-UTSOI 모델을 사용하여 하층 게이트에 전압이 가해졌을 때 전기적 상호작용에 의한 상층 전류-전압 특성의 변화가 반영된 것을 TCAD 데이터와 SPICE 데이터를 비교하여 확인하였다.

제안 방법

현재 3D 순차적 CMOS 인버터는 회로 시뮬레이션을 위한 모델이 없다. 단지 트랜지스터 간의 높이가 비교적 큰 구조에 대하여 각각의 트랜지스터 모델을 가지고 회로를 시뮬레이션 한다. 하지만 트랜지스터 간의 높이가 작아지면 두 트랜지스터 간에 전기적 상호작용이 발생하고 이를 고려한 회로 시뮬레이션이 필요하다.
본 연구에서는 트랜지스터 간의 높이가 작을 때 전기적 상호작용을 고려한 3D CMOS 인버터 회로 시뮬레이션 결과를 제시하였다. 상층 NMOS에 BSIM-IMG, 하층 PMOS에 LETI-UTSOI 모델을 사용하여 하층 게이트에 전압이 가해졌을 때 전기적 상호작용에 의한 상층 전류-전압 특성의 변화가 반영된 것을 TCAD 데이터와 SPICE 데이터를 비교하여 확인하였다. 하층 게이트 전압에 변화에 따른 전기적 상호작용이 잘 나타나고 있으므로 본 논문에서 제시한 BSIM-IMG와 LETI-UTSOI 모델을 사용하면 3D CMOS 인버터의 전기적 상호작용을 잘 반영할 것으로 보인다.
시뮬레이션은 Silvaco사의 디바이스 시뮬레이터인 Atlas[4]를 이용하여 TCAD 데이터를 얻고, Synopsys사의 SPICE 시뮬레이터인 Hspice[5]를 이용하여 SPICE 데이터를 얻어 비교하여 SPICE 모델 파라미터 셋을 찾는 것이다. 시뮬레이션에 사용된 SPICE 모델은 상층 NMOS에 BSIM-IMG, 하층 PMOS에 LETI-UTSOI 이다.

대상 데이터

시뮬레이션은 Silvaco사의 디바이스 시뮬레이터인 Atlas[4]를 이용하여 TCAD 데이터를 얻고, Synopsys사의 SPICE 시뮬레이터인 Hspice[5]를 이용하여 SPICE 데이터를 얻어 비교하여 SPICE 모델 파라미터 셋을 찾는 것이다. 시뮬레이션에 사용된 SPICE 모델은 상층 NMOS에 BSIM-IMG, 하층 PMOS에 LETI-UTSOI 이다.
그림 1은 시뮬레이션에 이용한 3차원 순차적 CMOS 인버터의 기본 구조를 나타내고 있다. 하층 PMOS와 상층 NMOS로 이루어져 있으며 게이트 두께 T_G =49 ㎚, 게이트 길이 L_G =30 ㎚, 게이트 산화막 두께 T_OX =1 ㎚, 실리콘 두께 T_Si =10㎚, 사이드 월 두께 T_SW =50 ㎚, LDD 길이 L_LDD=10 ㎚, 컨택 두께 T_C =50 ㎚, ILD 두께 T_ILD =10㎚, 소스와 드레인(n+와 p+)은 10²¹ cm⁼³, LDD(n과 p)는 10¹⁹ cm⁼³, 채널(p-와 n-)은 10¹⁵ cm⁼³ 으로 도핑 하였다. 아래의 구조에서 게이트 길이와 ILD의 두께가 중요한 파라미터 이다.

성능/효과

상층 NMOS에 BSIM-IMG, 하층 PMOS에 LETI-UTSOI 모델을 사용하여 하층 게이트에 전압이 가해졌을 때 전기적 상호작용에 의한 상층 전류-전압 특성의 변화가 반영된 것을 TCAD 데이터와 SPICE 데이터를 비교하여 확인하였다. 하층 게이트 전압에 변화에 따른 전기적 상호작용이 잘 나타나고 있으므로 본 논문에서 제시한 BSIM-IMG와 LETI-UTSOI 모델을 사용하면 3D CMOS 인버터의 전기적 상호작용을 잘 반영할 것으로 보인다.

후속연구

앞으로, 제시한 두 모델을 사용하여 DC 특성 및 커패시턴스, 과도응답 특성 등에 대하여 같은 시뮬레이션을 진행하여 전기적 상호작용이 잘 반영되는지 확인하고자 한다.

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