Surrounding Gate MOSFET의 특성 분석 및 모델링

Abstract

Reduction of the short-channel effect is one of the most important goals in optimizing the device characteristics of MOSFETs in the nano-scale regime. The short-channel effect is a serious factor which can significantly degrade device characteristics. Non-conventional MOSFETs based on multiple gate structures such as the double gate, triple-gate, phi-gate and surrounding-gate (SG MOSFET), have been proposed as new structures capable of superior control over the short-channel effect. The main advantage of an SG MOSFET, compared to other structures, is the ability to employ the shortest gate whilst maintaining effective control of the short-channel effect for a given gate oxide thickness condition. This paper analyzes I-V characteristics of the SG MOSFET with various silicon film radius (R) and gate oxide thickness (t_(ox)). Also it presents an improved I-V model for the long-channel undoped surrounding-gate MOSFET. The derivation of this new model considers variations of the silicon film radius and t_(ox). For the important case of large silicon film radius and thin gate oxide thickness, the new model shows better agreement with the device simulation than the previous explicit model. The accuracy of the new model is verified by comparison with device simulation. Also it derives the natural length and the ΔV_(g) of short channel SG MOSFET. It analyzes the characteristic of I-V model that applied ΔV_(g) and is verified by comparison with simulator results.;소자가 지속적으로 축소화 됨에 따라 기존의 MOSFET 구조로는 short-channel effect (SCE)의 제어가 힘들어지게 되었다. SCE는 소자 특성을 저하시키는 역할을 하기 때문에 SCE의 제어가 소자특성을 향상시키는 데 중요한 요소가 되고 있다. 그 대안으로서 double gate나 triple gate, Π gate 또는 surrounding gate 등의 다중 게이트 구조를 갖는 MOSFET에 대한 연구가 진행되고 있다. 그 중 surrounding gate MOSFET (SG MOSFET) 는 주어진 게이트 oxide 두께에서 가장 효과적으로 SCE를 제어할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 극미세 소자를 구현하기에 적합한 소자이다. 이 소자는 게이트가 채널을 둘러싸고 있기 때문에 채널을 효과적으로 제어할 수 있으며 얇은 silicon film 두께에 의해 volume inversion과 같은 특성을 갖게 된다. 본 논문은 long-channel undoped surrounding gate MOSFET을 실리콘 필름 반(R) 과 산화막 두께 (t_(ox)) 변화에 따른 I-V 특성을 subthreshold 영역과 strong inversion 영역으로 구분하여 분석하였다. 또한 특정 R과 t_(ox)에서 보여지는 비정상적인 현상을 개선하기 위해 이 소자의 개선된 I-V 수식을 제시한다. 이 수식은 R과 tox의 다양한 변화를 고려하여 만든 수식으로 특히 R이 크고 t_(ox)가 작은 경우에 기존의 explicit model보다 더 정확하게 I-V 특성을 만족시키는 것을 가능하게 한다. 본 논문에서 제시하고 있는 개선된 수식의 정확도는 device simulation과 비교하여 검증하였다. 마지막으로 surrounding gate MOSFET의 natural length (λ)와 SCE를 고려한 ΔV_(g)를 유도하고 본 논문에서 제시한 모델에 ΔV_(g)를 적용하여 short-channel에서 surrounding gate MOSFET의 I-V 특성을 분석하고 그 정확도를 다양한 조건에서 device simulation과 비교하여 검증하였다.