[논문 리뷰] 3D Simulation of Nanowire FETs using Quantum Models

Vijay Sai Patnaik, Ankit Gheedia외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 18.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit DesignEngineering참고 문헌 8인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 3D 나노와이어 FET의 시뮬레이션을 ATLAS 장치 시뮬레이터 내에서 보함 양자 포텐셜(BQP) 모델을 사용하여 100nm 이하 장치에서의 양자 효과를 정확히 포착한다. 연구는 BQP 모델이 다중게이트 나노와이어 FET에서의 단거리 채널 행동을 효과적으로 모델링함으로써 초미세 CMOS 기술에서의 성능 한계를 신뢰성 있게 예측할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

After more than 30 years of validation of Moore's law, the CMOS technology has already entered the nanoscale (sub-100nm) regime and faces strong limitations. The nanowire transistor is one candidate which has the potential to overcome the problems caused by short channel effects in SOI MOSFETs and has gained signifi - cant attention from both device and circuit developers. In addition to the effective suppression of short channel effects due to the improved gate strength, the multi-gate NWFETs show excellent current drive and have the merit that they are compatible with conventional CMOS processes. To simulate these devices, accurate modeling and calculations based on quantum mechanics are necessary to assess their performance limits, since cross-sections of the multigate NWFETs are expected to be a few nanometers wide in their ultimate scaling. In this paper we have explored the use of ATLAS including the Bohm Quantum Potential (BQP) for simulating and studying the shortchannel behaviour of nanowire FETs.

연구 동기 및 목표

• 100nm 이하에서의 전통적 CMOS 스케일링의 한계, 특히 SOI MOSFET에서의 단거리 채널 효과를 해결하기 위해.
• 향상된 게이트 제어와 낮은 누설 전류로 인해 나노와이어 FET가 확장 가능한 대안이 될 잠재력을 평가하기 위해.
• 나노스케일에서 나노와이어 FET 행동을 정확히 시뮬레이션하기 위해 양자역학적 모델의 적용 가능성을 조사하기 위해.
• 보함 양자 포텐셜(BQP) 모델이 3D 장치 시뮬레이션에서 장치 성능 한계를 예측하는 데 사용되는 것을 검증하기 위해.
• 기존 CMOS 공정과 호환되는 다중게이트 나노와이어 FET의 향후 설계 및 최적화를 위한 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 양자 구속 효과를 고려하기 위해 보함 양자 포텐셜(BQP) 모델을 포함한 ATLAS 장치 시뮬레이터를 사용하였다.
• 몇 나노미터 범위의 횡단면 치수를 가진 다중게이트 나노와이어 FET의 3D 시뮬레이션을 수행하였다.
• 전자 파동함수의 양자화와 터널링과 같은 비고전적 양자 효과를 포착하기 위해 BQP 모델을 적용하였다.
• 단거리 채널 효과를 분석하기 위해 게이트 길이, 도핑 프로파일, 게이트 전압을 다양하게 설정하여 장치 행동을 시뮬레이션하였다.
• 완전한 슈뢰딩거-포아송 시스템의 반경사적 근사로 BQP 모델을 사용하여 효율적인 3D 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 전류 구동 능력과 임계 전압의 떨어짐에 대한 기대되는 물리적 경향과 결과를 비교 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보함 양자 포텐셜 모델은 3D 나노와이어 FET에서 단거리 채널 효과를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 BQP 모델은 100nm 이하의 나노와이어 횡단면에서의 양자 구속을 어느 정도 잘 포착하는가?
• RQ3 BQP 기반 시뮬레이션은 전류 구동 능력과 임계 전압 안정성과 같은 핵심 장치 특성을 재현할 수 있는가?
• RQ4 양자 효과의 포함이 다중게이트 나노와이어 FET의 스케일링 한계에 어떻게 影향을 미치는가?
• RQ5 초미세 나노와이어 FET에서 게이트 제어와 양자 효과 사이의 성능 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 보함 양자 포텐셜 모델은 100nm 이하 횡단면을 가진 나노와이어 FET에서의 양자 구속 효과를 성공적으로 포착하였다.
• BQP 모델은 임계 전압의 떨어짐과 드레인 유도 장벽 강하와 같은 단거리 채널 행동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있었다.
• 시뮬레이션 결과, 평판형 SOI MOSFET에 비해 나노와이어 FET에서 더 나은 게이트 제어와 낮은 누설 전류가 관찰되었다.
• 3D BQP 기반 시뮬레이션은 50nm 이하의 게이트 길이에서도 안정적인 전류 구동 특성을 예측하였다.
• 물리적 정확도를 유지하면서도 전체 양자역학적 시뮬레이션보다 계산 효율성이 높은 대안을 제공하였다.
• 결과는 나노와이어 FET가 100nm 노드 이후에도 지속 가능한 CMOS 스케일링을 위한 실현 가능한 길임을 확인하였다.