Evanescent-mode analysis of short-channel effect in MOSFETs

Abstract

Short channel effects (SCE) of bulk MOSFET with super-steep retrograded channels (SSR), fully-depleted SOI, and double-gate MOSFET have been analyzed using a evanescent-mode analysis. Analytical equations of the characteristics scaling-length (λ) for three structures have been derived and the accuracy of the calculated λ was verified by comparing to the device simulation result. It is found that the minimum channel length should be larger than 5λ and the depletion thickness of the SSR should be around 30 nm in order to be applicable to 70 nm CMOS technology. High-κ dielectric shows a limitation in scaling due to the drain-field penetration through the dielectric unless the dielectric unless the equivalent SiO_(2) thickness is very thin. DG gives the smallest SCE of the three structures considered. ;Super-steep retrograded channel (SSR)을 갖는 bulk MOSFET, fully-depleted SOI, double-gate MOSFET 구조에 대하여 단채널 효과를 비교 분석하였다. Evanescent-mode를 이용하여, 각 소자 구조에 대한 characteristics scaling-length (λ)를 추출할 수 있는 analytical equation을 유도하고 추출된 λ의 정확도를 소자 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다. 70 nm CMOS 기술에 사용 가능하도록 단채널 효과를 효과적으로 제어하기 위해서는 최소 게이트 길이가 5λ 이상이어야 하며 SSR 소자의 공핍층 두께는 약 30 nm 정도로 scaling 되어야 한다. High-κ 절연막은 equivalent SiO_(2) 두께를 매우 작게 유지하지 않을 경우 절연막을 통한 drain 전계의 침투 때문에 소자를 scaling하는데 제한을 갖는다. Subthreshold와 DIBL등 단채널 효과를 종합적으로 고려할 때 DG 구조가 가장 우수한 특성을 나타낸다.