몬테카를로 시뮬레이션 방법을 이용한 5nm 이하 UTB SOI n-MOSFET의 반전채널층 내에서 전자전송특성 연구

Abstract

dinger) 방정식, 푸아송(Poisson) 방정식, 거리의 기댓값(Expectation value)을 이용하여 유도하였다. 새롭게 유도해낸 두께변동 산란식과 아이덴티티 텀을 사용한 표면거침 산란식을 시뮬레이션에 반영하여 몬테카를로(Monte Carlo) 방법으로 전자의 이동도를 계산하였고, 그 결과 실험 결과로 나타났던 낮은 유효전계에서 증가하다가 다시 감소하는 유효전계의존성과 채널 두께 의존성이 본 논문의 시뮬레이션 결과와 비교적 정확하게 일치함을 보였다.; UTB(Ultra-Thin-Body) SOI(Silicon-on-Insulator) MOSFET(Metal- Oixde-Semiconductor Field-Effect-Transistor) 중에서도 FDSOI(Fully depleted) MOSFET은 기존의 실리콘 기판 중심의 CMOS(Complementary MOS)의 한계를 극복할 수 있는 가장 잠재성 있는 미래소자로서 각광받고 있다. UTB SOI MOSFET은 제한된 채널두께 때문에, Si/SiO2 경계에서 원자규모의 roughness로 유도되는 채널층 두께 변동에 따른 캐리어 전송특성의 변화를 정확하게 예측하는 것이 무척 중요하다. 따라서 본 논문에서는 UTB SOI MOSFET에서 전자 이동도의 유효 전계(Effective Field: Eeff)와 채널 두께 의존성을 구현해 내기위해서 5nm 이하 채널 두께의 주요 산란 메커니즘인 표면 거침(Surface roughness) 산란과 두께 변동(Thickness fluctuation) 산란이 캐리어 전송에 미치는 영향을 연구하는 것을 목적으로 하고 있다. 5nm 이하의 UTB SOI MOSFET의 전자 이동도는 제한된 채널 두께로 인해 Eeff의 의존성이 벌크의 경우와 다르게 매우 약하다. 그것은 첫째로, 채널과 매몰 산화막(Buried Oxide: Box) 경계의 거침에 의한 영향이 커졌기 때문이다. 따라서 매몰 산화막의 영향을 적분으로 상쇄해버리는 기존의 수식과 다르게 Prange와 Nee의 아이덴티티 텀(Identity term)을 표면 거침 산란 행렬로 사용하였다. 둘째는, 앞서 말한 매몰 산화막 쪽의 거침으로부터 유도된 채널두께의 변동 때문이다. 하지만 기존에 제시되었던 두께 변동 산란의 산란 수식은 유효 전계의 의존성을 보이지 않기 때문에 이를 개선하여 새로운 산란 행렬식을 유도해내어 사용하였다. 이 산란 행렬은 게이트 전압에 따른 전자의 구속(Confinement) 영향으로 두께 변동에 따른 고유값이 변화량이 달라지는 현상을 반영한 수식으로 슈레딩거(Schrö Fully depleted (FD) silicon-on-insulator(SOI) metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors(MOSFETs) offer a potential solution to ultimate complementary-MOS(CMOS) scaling. However, at such dimensions, slight channel thickness variation has a significant impact on the carrier mobility of UTB SOI MOSFETs. Thus, obtaining reliable prediction of carrier behavior in such variation becomes extremely important. In this paper, we study two mainly dominant scattering mechanisms, namely surface roughness scattering and thickness fluctuation scattering, to demonstrate the dependence of electron mobility on both effective field(E_(eff)) and the thickness of channel layer(t_(Si)). The dependence of electron mobility of UTB SOI MOSFETs on E_(eff) is different with Bulk MOSFETs. First, the effect of the interface roughness of buried oxide becomes significant. Second, the thickness fluctuation induced by aforementioned roughness obstructs the electron flow. Therefore we use the identity term proposed by Prange and Nee as a matrix element of surface roughness scattering and derive novel matrix element for thickness fluctuation (δT_(SOI)) scattering by using Poisson equation, Schrodinger equation and the expectation value of the distance. Our novel matrix element implies that the subband energy fluctuation associated with δT_(SOI) is varying with the applied gate bias. By using our model for a matrix element, we showed that the dependence of electron mobility on not only E_(eff) but also t_(Si) and verified that our simulation for the electron mobility degradation in low E_(eff) as a function of tSi is well consistent with experiment one.