비대칭 DGMOSFET의 상하단 산화막 두께비에 따른 터널링 전류 분석

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2016 한국정보통신학회논문지 Vol.20 No.5

This paper analyzes the deviation of tunneling current for the ratio of top and bottom gate oxide thickness of short channel asymmetric double gate(DG) MOSFET. The ratio of tunneling current for off current significantly increases if channel length reduces to 5 nm. This short channel effect occurs for asymmetric DGMOSFET having different top and bottom gate oxide structure. The ratio of tunneling current in off current with parameters of channel length and thickness, doping concentration, and top/bottom gate voltages is calculated in this study, and the influence of tunneling current to occur in short channel is investigated. The analytical potential distribution is obtained using Poisson equation and tunneling current using WKB(Wentzel-Kramers-Brillouin). As a result, tunneling current is greatly changed for the ratio of top and bottom gate oxide thickness in short channel asymmetric DGMOSFET, specially according to channel length, channel thickness, doping concentration, and top/bottom gate voltages. 본 논문에서는 단채널 비대칭 이중게이트 MOSFET의 상하단 산화막 두께비에 대한 터널링 전류의 변화에 대하여 분석하고자 한다. 채널길이가 5 nm까지 감소하면 차단전류에서 터널링 전류의 비율이 크게 증가하게 된다. 이와 같은 단채널효과는 상하단 게이트 산화막 구조를 달리 제작할 수 있는 비대칭 이중게이트 MOSFET에서도 발생하고 있다. 본 논문에서는 상하단 게이트 산화막 두께비 변화에 대하여 차단전류 중에 터널링 전류의 비율 변화를 채널길이, 채널두께, 도핑농도 및 상하단 게이트 전압을 파라미터로 계산함으로써 단채널에서 발생하는 터널링 전류의 영향을 관찰하고자 한다. 이를 위하여 포아송방정식으로부터 해석학적 전위분포를 구하였으며 WKB(Wentzel-Kramers-Brillouin)근사를 이용하여 터널링 전류를 구하였다. 결과적으로 단채널 비대칭 이중게이트 MOSFET에서는 상하단 산화막 두께비에 의하여 터널링 전류가 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. 특히 채널길이, 채널두께, 도핑농도 및 상하단 게이트 전압 등의 파라미터에 따라 매우 큰 변화를 보이고 있었다.

비대칭 DGMOSFET의 채널길이와 두께 비에 따른 문턱전압이하 스윙 분석

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2015 한국정보통신학회논문지 Vol.19 No.3

본 연구에서는 비대칭 이중게이트 MOSFET의 채널길이와 채널두께의 비에 따른 문턱전압이하 스윙의 변화를 분석하고자한다. 비대칭 이중게이트 MOSFET는 상하단 게이트 구조를 달리 제작할 수 있어 단채널효과를 제어할 수 있는 요소가 증가한다는 장점이 있다. 특히 채널길이를 감소하였을 경우 문턱전압이하 스윙의 급격한 증가로 인한 특성저하 현상을 감소시킬 수 있다. 그러나 스켈링 이론에 따라 채널길이 감소에 따라 채널두께도 변화되어야하며 이에 문턱전압이하 스윙이 변화하게 된다. 그러므로 채널길이와 채널두께의 비가 문턱전압이하 스윙을 결정하는 중요 요소가 된다. 해석학적으로 문턱전압이하 스윙을 분석하기 위하여 해석학적 전위분포를 포아송방정식을 통하여 유도하였으며 다양한 채널길이 및 채널두께에 대하여 전도중심과 문턱전압이하 스윙을 계산한 결과 채널길이와 채널두께의 비에 따라 전도중심과 문턱전압이하 스윙이 변화한다는 것을 알 수 있었다. This paper has analyzed the variation of subthreshold swing for the ratio of channel length and thickness for asymmetric double gate MOSFET. The asymmetric double gate MOSFET has the advantage that the factors to control the short channel effects increase since top and bottom gate structure can be fabricated differently. The degradation of transport property due to rapid increase of subthreshold swing can be specially reduced in the case of reduction of channel length. However, channel thickness has to be reduced for decrease of channel length from scaling theory. The ratio of channel length vs. thickness becomes the most important factor to determine subthreshold swing. To analyze hermeneutically subthreshold swing, the analytical potential distribution is derived from Poisson's equation, and conduction path and subthreshold swing are calculated for various channel length and thickness. As a result, we know conduction path and subthreshold swing are changed for the ratio of channel length vs. thickness.

비대칭 DGMOSFET의 도핑분포함수에 따른 전도중심과 문턱전압이하 스윙의 관계

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2014 한국정보통신학회논문지 Vol.18 No.8

This paper has analyzed the relation of conduction path and subthreshold swing for doping profile in channel of asymmetric double gate(DG) MOSFET. Since the channel size of asymmetric DGMOSFET is greatly small and number of impurity is few, the high doping channel is analyzed. The analytical potential distribution is derived from Possion's equation, and Gaussian distribution function is used as doping profile. The conduction path and subthreshold swing are derived from this analytical potential distribution, and those are investigated for variables of doping profile, projected range and standard projected deviation, according to the change of channel length and thickness. As a result, subthreshold swing is reduced when conduction path is approaching to top gate, and that is increased with a decrease of channel length and a increase of channel thickness due to short channel effects. 본 연구에서는 비대칭 이중게이트(double gate; DG) MOSFET의 채널 내 도핑분포함수에 따른 전도중심과 문턱전압이하 스윙의 관계에 대하여 분석하였다. 비대칭 DGMOSFET의 채널크기는 매우 작기 때문에 불순물의 수가 매우 작으므로 고 도핑된 채널의 경우에 대하여 분석하였다. 이를 위하여 포아송방정식에서 해석학적 전위분포모델을 유도하였으며 도핑분포함수는 가우스분포함수를 사용하였다. 해석학적 전위분포모델을 이용하여 전도중심 및 문턱전압이하 스윙모델을 유도하였으며 채널길이 및 채널두께가 변할 때, 도핑분포함수의 변수인 이온주입범위 및 분포편차에 따른 전도중심 및 문턱전압이하 스윙의 변화를 관찰하였다. 결과적으로 전도중심이 상단게이트 단자로 이동할 때, 문턱전압이하 스윙 값은 감소하였으며 단채널 효과에 의하여 채널길이 감소 및 채널두께 증가에 따라 문턱전압이하 스윙 값은 증가하였다.

비대칭 이중게이트 MOSFET에서 상단과 하단 산화막 두께비가 문턱전압이하 스윙에 미치는 영향

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2016 한국정보통신학회논문지 Vol.20 No.3

비대칭 이중게이트 MOSFET는 다른 상하단 게이트 산화막 두께를 갖는다. 상하단 게이트 산화막 두께 비에 대한 문턱전압이하 스윙 및 전도중심의 변화에 대하여 분석하고자한다. 문턱전압이하 스윙은 전도중심에 따라 변화하며 전도중심은 상하단의 산화막 두께에 따라 변화한다. 비대칭 이중게이트 MOSFET는 문턱전압이하 스윙의 저하 등 단채널효과를 감소시키기에 유용한 소자로 알려져 있다. 포아송방정식의 해석학적 해를 이용하여 문턱전압이하 스윙을 유도하였으며 상하단의 산화막 두께 비가 전도중심 및 문턱전압이하 스윙에 미치는 영향을 분석하였다. 문턱전압이하 스윙 및 전도중심은 상하단 게이트 산화막 두께 비에 따라 큰 변화를 나타냈다. 특히 하단 게이트 전압은 문턱전압이하 스윙에 큰 영향을 미치며 하단게이트 전압이 0.7V 일 때 $0<t_{ox2}/t_{ox1}<5$의 범위에서 문턱전압이하 스윙이 약 200 mV/dec 정도 변화하는 것을 알 수 있었다. Asymmetric double gate(DG) MOSFET has the different top and bottom gate oxides thicknesses. It is analyzed the deviation of subthreshold swing(SS) and conduction path for the ratio of top and bottom gate oxide thickness of asymmetric DGMOSFET. SS varied along with conduction path, and conduction path varied with top and bottom gate oxide thickness. The asymmetric DGMOSFET became valuable device to reduce the short channel effects like degradation of SS. SSs were obtained from analytical potential distribution by Poisson's equation, and it was analyzed how the ratio of top and bottom oxide thickness influenced on conduction path and SS. SSs and conduction path were greatly influenced by the ratio of top and bottom gate oxide thickness. Bottom gate voltage cause significant influence on SS, and SS are changed with a range of 200 mV/dec for $0<t_{ox2}/t_{ox1}<5$ under bottom voltage of 0.7 V.

10 nm 이하 저도핑 DGMOSFET의 SPICE용 DIBL 모델

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.8

기존의 MOSFET에서는 반전층보다 항상 실리콘 두께가 크기 때문에 드레인유도 장벽감소가 실리콘 두께에 관계없이 산화막 두께 및 채널길이의 함수로 표현되었다. 그러나 10 nm 이하 저도핑 이중게이트 구조에서는 실리콘 두께 전체가 공핍층이 형성되기 때문에 기존의 SPICE 모델을 사용할 수 없게 되었다. 그러므로 이중게이트 MOSFET에 대한 새로운 SPICE 용 드레인유도 장벽감소 모델을 제시하고자 한다. 이를 분석하기 위하여 전위분포와 WKB 근사를 이용하여 열방사 및 터널링 전류를 구하였다. 결과적으로 드레인유도 장벽감소는 상하단 산화막 두께의 합 그리고 실리콘 두께의 2승에 비례하며 채널길이의 3승에 반비례한다는 것을 알 수 있었다. 특히 SPICE 파라미터인 정적 궤환계수가 1과 2사이에서 사용할 수 있어 합당한 파라미터로써 사용할 수 있었다. In conventional MOSFETs, the silicon thickness is always larger than inversion layer, so that the drain induced barrier lowering (DIBL) is expressed as a function of oxide thickness and channel length regardless of silicon thickness. However, since the silicon thickness is fully depleted in the sub-10 nm low doped double gate (DG) MOSFET, the conventional SPICE model for DIBL is no longer available. Therefore, we propose a novel DIBL SPICE model for DGMOSFETs. In order to analyze this, a thermionic emission and the tunneling current was obtained by the potential and WKB approximation. As a result, it was found that the DIBL was proportional to the sum of the top and bottom oxide thicknesses and the square of the silicon thickness, and inversely proportional to the third power of the channel length. Particularly, static feedback coefficient of SPICE parameter can be used between 1 and 2 as a reasonable parameter.

이중게이트 MOSFET의 스켈링 이론에 대한 문턱전압이하 스윙분석

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2012 한국정보통신학회논문지 Vol.16 No.10

본 연구에서는 이중게이트 MOSFET에서 스켈링 이론에 대한 문턱전압이하 스윙을 분석하였다. 포아송방정식의 해석학적 전위분포를 구하기 위하여 가우스 전하분포를 이용하였다. 문턱전압이하 스윙의 저하와 같은 단채널 효과를 분석하기 위하여 스켈링이론이 사용되었으며 이중게이트 MOSFET의 특성상 두 개의 게이트 효과를 포함하기 위하여 일반적인 스켈링 이론을 수정하였다. 게이트길이에 대한 스켈링인자가 일반적인 스켈링인자의 1/2일 때 문턱전압이하 스윙의 저하현상이 매우 빠르게 감소하였으며 가우스함수의 이온주입범위 및 분포편차도 문턱전압이하 스윙에 영향을 미치는 것을 알았다. This study has presented the analysis of subthreshold swings based on scaling theory for double gate MOSFET. To solve the analytical potential distribution of Poisson's equation, we use Gaussian function to charge distribution. The scaling theory has been used to analyze short channel effect such as subthreshold swing degradation. These scaling factors for gate length, oxide thickness and channel thickness has been modified with the general scaling theory to include effects of double gates. We know subthreshold swing degradation is rapidly reduced when scaling factor of gate length is half of general scaling factor, and parameters such as projected range and standard projected deviation have greatly influenced on subthreshold swings.

소자파라미터에 따른 DGMOSFET의 항복전압분석

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.2

DGMOSFET의 항복전압에 대하여 고찰하였으며 이를 위하여 포아송방정식의 분석학적 해 및 Fulop의 항복전압 조건을 사용하였다. DGMOSFET는 게이트단자의 전류제어능력 향상으로 단채널 효과를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 단채널에서 나타나는 항복전압의 감소는 피할 수 없으므로 이에 대한 연구가 필요하다. 포아송방정식을 풀 때 사용하는 전하분포함수에 가우시안 함수를 적용함으로써 보다 실험값에 가깝게 해석하였으며 이때 이중게이트 MOSFET의 소자크기에 따라 항복전압의 변화를 관찰하였다. 본 연구의 전위모델에 대한 타당성은 이미 기존에 발표된 논문에서 입증하였으며 본 연구에서는 이 모델을 이용하여 항복전압을 분석할 것이다. DGMOSFET의 항복전압을 관찰한 결과, 채널길이가 감소할수록 그리고 도핑농도가 증가할수록 항복전압이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 게이트산화막 두께 및 채널두께에 따라서 항복전압의 변화가 관찰되었다. This paper have presented the breakdown voltage for double gate(DG) MOSFET. The analytical solution of Poisson's equation and Fulop's breakdown condition have been used to analyze for breakdown voltage. The double gate(DG) MOSFET has the advantage to reduce the short channel effects as improving the current controllability of gate. But we need the study for the breakdown voltage of DGMOSFET since the decrease of the breakdown voltage is unavoidable. To approximate with experimental values, we have used the Gaussian function as charge distribution for Poisson's equation, and the change of breakdown voltage has been observed for device geometry. Since this potential model has been verified in the previous papers, we have used this model to analyze the breakdown voltage. As a result to observe the breakdown voltage, the smaller channel length and the higher doping concentration become, the smaller the breakdown voltage becomes. Also we have observed the change of the breakdown voltage for gate oxide thickness and channel thickness.

채널길이에 대한 비대칭 이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 스윙 분석

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2015 한국정보통신학회논문지 Vol.19 No.2

본 논문에서는 비대칭 이중게이트(double gate; DG) MOSFET의 채널길이에 대한 문턱전압이하 스윙의 변화에 대하여 분석하였다. 문턱전압이하 스윙은 트랜지스터의 디지털특성을 결정하는 중요한 요소로서 채널길이가 감소하면 특성이 저하되는 문제가 나타나고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 개발된 DGMOSFET의 문턱전압이하 스윙의 채널길이에 대한 변화를 채널두께, 산화막두께, 상하단 게이트 전압 및 도핑농도 등에 따라 조사하고자 한다. 특히 하단 게이트 구조를 상단과 달리 제작할 수 있는 비대칭 DGMOSFET에 대하여 문턱전압이하 스윙을 분석함으로써 하단 게이트 전압 및 하단 산화막 두께 등에 대하여 자세히 관찰하였다. 문턱전압이하 스윙의 해석학적 모델을 구하기 위하여 포아송방정식에서 해석학적 전위분포모델을 유도하였으며 도핑분포함수는 가우스분포함수를 사용하였다. 결과적으로 문턱전압이하 스윙은 상하단 게이트 전압 및 채널도핑농도 그리고 채널의 크기에 매우 민감하게 변화하고 있다는 것을 알 수 있었다. The change of subthreshold swing for channel length of asymmetric double gate(DG) MOSFET has been analyzed. The subthreshold swing is the important factor to determine digital chracteristics of transistor and is degraded with reduction of channel. The subthreshold swing for channel length of the DGMOSFET developed to solve this problem is investigated for channel thickness, oxide thickness, top and bottom gate voltage and doping concentration. Especially the subthreshold swing for asymmetric DGMOSFET to be able to be fabricated with different top and bottom gate structure is investigated in detail for bottom gate voltage and bottom oxide thickness. To obtain the analytical subthreshold swing, the analytical potential distribution is derived from Possion's equation, and Gaussian distribution function is used as doping profile. As a result, subthreshold swing is sensitively changed according to top and bottom gate voltage, channel doping concentration and channel dimension.

이중게이트 MOSFET의 채널구조에 따른 항복전압 변화

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2013 한국정보통신학회논문지 Vol.17 No.3

본 연구에서는 이중게이트 MOSFET의 채널크기 변화에 따른 항복전압의 변화를 분석하였다. 차세대 나노소자인 DGMOSFET에 대한 단채널효과 중 매우 작은 값을 갖는 항복전압은 정확한 분석이 요구되고 있다. 항복전압분석을 위하여 포아송방정식의 분석학적 전위분포를 이용하였으며 이때 전하분포함수에 대하여 가우시안 함수를 사용함으로써 보다 실험값에 가깝게 해석하였다. 가우시안 함수의 변수인 이온주입범위 및 분포편차 그리고 소자 파라미터인 채널의 두께, 도핑농도 등에 대하여 항복전압 특성의 변화를 관찰하였다. 본 연구의 모델에 대한 타당성은 이미 기존에 발표된 논문에서 입증하였으며 본 연구에서는 이 모델을 이용하여 항복전압특성을 분석할 것이다. 분석결과 항복전압은 소자파라미터 및 가우시안분포함수의 모양에 크게 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었다. This paper have analyzed the change of breakdown voltage for channel dimension of double gate(DG) MOSFET. The breakdown voltage to have the small value among the short channel effects of DGMOSFET to be next-generation devices have to be precisely analyzed. The analytical solution of Poisson's equation have been used to analyze the breakdown voltage, and Gaussian function been used as carrier distribution to analyze closely for experimental results. The breakdown voltages have been analyzed for device parameters such as channel thickness and doping concentration, and projected range and standard projected deviation of Gaussian function. Since this potential model has been verified in the previous papers, we have used this model to analyze the breakdown voltage. As a result, we know the breakdown voltage is influenced on Gaussian function and device parameters for DGMOSFET.

이중게이트 MOSFET의 문턱전압이하 전류에 대한 게이트 산화막 의존성

정학기,Jung, Hakkee 한국정보통신학회 2014 한국정보통신학회논문지 Vol.18 No.2

본 연구에서는 이중게이트 MOSFET의 게이트 산화막 두께 변화에 따른 문턱전압이하 전류의 변화를 분석하였다. 이중게이트 MOSFET의 채널 내 전위분포를 구하기 위하여 포아송방정식을 이용하였으며 이때 전하분포함수에 대하여 가우시안 함수를 사용하였다. 전위분포는 경계조건을 이용하여 채널크기에 따른 해석학적인 함수로 구하였다. 가우시안 함수의 변수인 이온주입범위 및 분포편차 그리고 게이트 산화막 두께 등에 대하여 문턱전압이하 전류 특성의 변화를 관찰하였다. 본 연구의 전위모델에 대한 타당성은 이미 기존에 발표된 논문에서 입증하였으며 본 연구에서는 이 모델을 이용하여 문턱전압이하 전류 특성을 분석하였다. 분석결과, 문턱전압이하 전류는 게이트 산화막 두께 및 가우시안 분포함수의 변수 등에 크게 영향을 받는 것을 관찰할 수 있었다. This paper analyzed the change of subthreshold current for gate oxide thickness of double gate(DG) MOSFET. Poisson's equation had been used to analyze the potential distribution in channel, and Gaussian function had been used as carrier distribution. The potential distribution was obtained as the analytical function of channel dimension, using the boundary condition. The subthreshold current had been analyzed for gate oxide thickness, and projected range and standard projected deviation of Gaussian function. Since this analytical potential model was verified in the previous papers, we used this model to analyze the subthreshold current. Resultly, analytical model showed that subthreshold current was influenced by parameters of Gaussian function and gate oxide thickness of DGMOSFET.