Analysis of Anomalous Subthreshold Characteristics in Asymmetric Double-Gate MOSFETs

Abstract

CMOS가 sub-100 nm 영역으로 scale down 함에 따라 기존의 bulk-MOSFET 소자구조로 short-channel effect를 효과적으로 제어하는데 여러 가지 한계에 도달하게 되고, 대안으로 thin-film body를 갖는 Double-Gate (DG) MOSFET에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. DG MOSFET는 기존의 bulk-MOSFET의 subtrate대신에 또 하나의 gate가 있다. 이 bottom gate와 top gate와의 coupling을 이용해서 drain 전위로부터 channel로의 영향을 감소시킴으로써 여러 가지 short-channel effect로부터의 영향을 최소화 할 수 있다. 이러한 DG MOSFET 구조에 대한 연구는, SCE의 효과적인 제어와 높은 drive current를 갖는 성질 때문에 구동전류에 대한 연구에 초점을 두고 있다. 본 논문에서는 asymmetric과 symmetric DG MOSFET에 대하여, 다양한 silicon film 두께 및 channel doping에 따른 IDS-VGS특성 변화를 분석하였다. 특히 asymmetric DG MOSFET의 경우에 Tsi가 증가함에 따라 subthreshold current가 symmetric DG MOSFET에 비하여 비정상적으로 증가하는 현상을 발견하였으며 이는 낮은 공핍 전하 때문에 TSi내의 전압분포가 선형적인 특성을 갖는 것에 기인함을 밝혔다. 또한 이러한 현상을 설명할 수 있는 analytic solution을 유도하였으며 device simulation 결과와 analytic calculation 결과를 비교하여 두 결과가 정확하게 일치함을 확인함으로써 그 정확도를 검증하였다. ; As CMOS scaling down sub-100nm is approaching the several limits that the conventional bulk-MOSFET can t effective control of the short-channel effects, double-gate(DG) MOSFET having thin-film boty is widely studying. DG MOSFET structure replace the substrate with another bottom gate. Using coupling the bottom gate and the top gate, it reduces effects from the drain potential to the channel. Consequently DG MOSFET can minimize several short channel effects. The study for DG MOSFET structure focuses on the drive current due to the effective control of the SCEs and higher drive currents. In this paper, subthreshold characteristics of the double-gate MOSFETs with various thickness of Si-film (TSi) are analyzed. It is found that, in comparison to the symmetrical DG MOSFET, the subthreshold characteristics of the lightly-doped asymmetric device have a larger dependence on T_Si, which is due to the linear distribution of potential in the Si-film region. Further, we derived an analytical equation which can explain this phenomena and verified the accuracy of analytical equation by comparing with the device simulation results. Due to this anomalous subthreshold characteristics, tight control of TSi is required for the lightly-doped asymmetric DG MOSFET to keep a large I_on/I_off ratio.