본문내용
1. MOSFET 설계
1.1. 개요
본 설계의 중점은 공정변수에 따라 소자의 특성변화를 확인하는 것이 아닌 공정변수를 바꿈으로써 소자의 특성을 최적화 하는 것을 중점으로 하였다. 이때 기준으로 잡은 소자의 특성은 수업시간에 했던 LDD 구조를 갖는 n-채널 MOSFET이다. MOSFET의 특성을 비교할 수 있는 대표적인 것은 드레인 전류와 문턱전압으로 드레인 전류가 높아질수록, 문턱전압이 낮아질수록 소자특성이 좋아짐을 의미한다. 그에 따라 드레인 전류를 높이기 위해 채널길이와 high doping 양을 공정변수로 잡았고 문턱전압을 낮추기 위해 low doping 양과 게이트 산화막의 두께를 공정변수로 하였다. 공정변수를 바꾸는 순서는 드레인 전류를 높이는 것을 우선으로 하고 이후 문턱전압을 낮추는 방향으로 하였다. 그리고 드레인 전류가 포화되는 정도를 맞춰주었다. 그에 따라 채널길이, high doping 양, 게이트 산화막 두께, low doping 양, 확산시간, 게이트 산화막 공정을 순서로 공정변수를 바꾸었다.
1.2. 공정 변수 변화에 따른 MOSFET 특성
1.2.1. 채널 길이 변화
채널길이 변화에 따른 MOSFET 특성 변화
MOSFET의 채널길이는 소자 특성에 큰 영향을 미치는 중요한 공정변수이다. 채널길이가 감소할수록 드레인 전류는 증가하지만 문턱전압이 낮아지는 경향을 보인다.
채널길이가 감소하면 게이트가 만들어야 할 공핍층의 영역이 작아지므로 작은 문턱전압으로도 채널이 형성된다. 이를 수식으로 나타내면 드레인 전류 식 I_d = (1/2)μ_n C_ox (W/L)(V_GS-V_th)^2에서 알 수 있듯이 채널길이 L이 감소할수록 드레인 전류 I_d가 증가하게 된다.
시뮬레이션 결과, 기존 채널길이 2-μm에서 1.6-μm, 1.2-μm, 0.8-μm로 줄일수록 드레인 전류는 45.42-μA, 61.4-μA, 101.6-μA, 303.3-μA로 크게 증가하였다. 반면 문턱전압은 0.773976-V, 0.758481-V, 0.730422-V, 0.629159-V로 감소하는 경향을 보였다.
채널길이가 1.2-μm일 때 드레인 전류가 약 2.24배 증가하고 문턱전압이 중간 수준인 특성을 보여 전체적인 소자 성능이 가장 우수하다고 판단하였다. 그러나 채널길이가 지나치게 짧아지면 punch-through 등의 단채널 효과로 인해 소자 성능이 저하될 수 있으므로 적절한 채널길이 설계가 중요하다.
1.2.2. High doping 양 변화
채널길이가 감소할수록 드레인 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 MOSFET의 드레인 전류 식 I_d = (μ_n C_ox W/L)(V_gs - V_th)^2에서 채널길이 L이 감소하면 드레인 전류가 증가하기 때문이다.
이번에는 High doping 양의 변화에 따른 MOSFET의 특성 변화를 살펴보았다. High doping 양을 기존 값인 5 x 10^16 cm^-2에서 10배, 50배, 100배 늘려 시뮬레이션을 진행하였다.
High doping 양이 10배 증가한 5 x 10^17 cm^-2일 때 드레인 전류는 128.2 μA, 50배 증가한 2.5 x 10^18 cm^-2일 때 163 μA, 100배 증가한 5 x 10^18 cm^-2일 때 173.1 μA로 측정되었다. 이를 통해 High doping 양이 증가할수록 드레인 전류가 증가함을 알 수 있었다.
이는 MOSFET의 채널 내 고농도 도핑 영역이 늘어나면서 캐리어 농도가 증가하여 전류 통로가 넓어졌기 때문으로 분석된다. 도핑 양이 증가할수록 전계의 세기가 커져 전자의 운동 에너지가 높아지고 이로 인해 드레인 전류가 증가한 것이다.
따라서 High doping 양을 100배 증가시킨 5 x 10^18 cm^-2의 값을 최종 설계에 선택하였다. 이를 통해 채널길이 감소와 High doping 양 증가가 드레인 전류 향상에 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다.
1.2.3. 게이트 산화막 두께 변화
문턱전압을 낮추기 위해 게이트 산화막의 두께를 변화시켰다. 수식에 따르면 게이트 산화막의 두께가 문턱전압에 영향을 미치는 주요 파라미터이다. 기존 게이트 산화막의 두께는 0.02-㎛였으나, 이를 0.015-㎛, 0.01-㎛, 0.005-㎛로 변화시켜 확인해보았다.
게이트 산화막의 두께가 0.015-㎛일 때 문턱전압은 0.534718-V, 0.01-㎛일 때 0.335817-V, 0.005-㎛일 때 0.11776-V로 나타났다. 이를 통해 게이트 산화막의 두께가 얇을수록 문턱전압의 크기가 작아짐을 확인할 수 있었다.
또한 게이트 산화막의 두께가 0.015-㎛, 0.01-㎛, 0.005-㎛일 때 드레인 전류는 각각 29.97-㎂, 51.8-㎂, 92.31-㎂로 증가하였다. 하지만 포화정도는 1.151, 1.111, 1.093으로 게이트 산화막의 두께가 얇을수록 나빠졌다.
결과적으로 게이트 산화막의 두께가 얇을수록 드레인 전류는 증가하고 문턱전압은 감소하지만, 포화정도도 나빠지는 것을 알 수 있었다. 따라서 드레인 전류가 증가하고 문턱전압이 감소하며 포화정도도 우수한 0.01-㎛의 게이트 산화막 두께를 선택하였다.
1.2.4. Low doping 양 변화
LDD 구조를 갖는 n-채널 MOSFET에서 low doping 양을 변화시켰을 때의 특성 변화는 다음과 같다.
Low doping 양은 MOSFET 소자에서 short channel effect와 punch through 등의 비이상적인 현상을 공핍...
