[논문 리뷰] Comparison of multiple-gate MOSFET architectures using Monte Carlo simulation

Jérôme Saint-Martin, Arnaud Bournel외 1명|arXiv (Cornell University)|2005. 05. 06.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 25 nm 게이트 길이에서 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 다중 게이트 MOSFET 구조를 비교하며, 평면형 더블게이트 MOSFET가 비평면형 트리플게이트 및 퀠터플게이트 구조보다 고전류 드라이브 단위 너비, 저하위경계 누설, 과도한 지연 시간 측면에서 뛰어난 성능을 보이며, 짧은 채널 효과 제어를 위한 바디 및 산화막 두께 제약이 덜 엄격하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Multiple-gate SOI MOSFETs with gate length equal to 25 nm are compared using device Monte Carlo simulation. In such architectures, the short channel effects may be controlled with much less stringent body and oxide thickness requirements than in single-gate MOSFET. Our results highlight that planar double-gate MOSFET is a good candidate to obtain both high current drive per unit-width and weak subthreshold leakage with large integration density and aggressive delay time, compared to non planar devices such as triple-gate or quadruple-gate structures.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 CMOS 기술에서 다양한 다중 게이트 MOSFET 구조의 성능 트레이드오���을 평가하기 위해.
• 우수한 전기적 제어를 통해 초미세 스케일 트랜지스터에서 짧은 채널 효과를 해결하기 위해.
• 고전류 드라이브, 저누설, 통합 밀도 사이의 최적 균형을 제공하는 다중 게이트 구조를 규명하기 위해.
• 바디 및 산화막 두께가 장치 성능과 확장성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 물리 기반 시뮬레이션을 사용하여 향후 나노스케일 MOSFET 설계를 위한 비교 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다중 게이트 SOI MOSFET의 실시간 운반 및 통계적 변동을 모델링하기 위해 장치 수준 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하였다.
• 고정된 25 nm 게이트 길이를 가진 평면형 더블게이트, 트리플게이트, 퀸터플게이트 구조를 시뮬레이션하였다.
• 몬테카를로 방법을 통해 비평형 그린 함수(NEGF) 접근을 암묵적으로 적용하여 비틀림 및 준비틀림 운반을 포착하였다.
• 온 전류, 오프 전류, 서브스브리지 스위치, 지연 시간과 같은 핵심 성능 지표를 평가하였다.
• 짧은 채널 효과 억제에 대한 영향을 분석하기 위해 바디 및 산화막 두께를 다양하게 조정하였다.
• 동일한 시뮬레이션 조건 하에서 모든 구조 간의 성능 평가를 공정하게 수행하기 위해 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 25 nm 게이트 길이에서 다양한 다중 게이트 MOSFET 구조는 전류 드라이브 및 서브스브리지 누설 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 각 구조에서 짧은 채널 효과 제어를 위해 필요한 바디 및 산화막 두께는 얼마인가?
• RQ3 평면형 더블게이트 구조는 비평면형 트리플게이트 및 퀄터플게이트 구성보다 더 뛰어난 성능을 달성하는가?
• RQ4 통합 밀도와 지연 시간 측면에서 평면형 구조가 비평면형 다중 게이트 설계보다 어느 정도 유리한가?
• RQ5 다른 다중 게이트 구조에 비해 평면형 더블게이트 MOSFET는 더 엄격한 공정 제약 없이도 높은 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 연구된 모든 구조 중에서 평면형 더블게이트 MOSFET가 단위 너비당 가장 높은 전류 드라이브 성능을 보였다.
• 평면형 더블게이트 구조는 트리플게이트 및 퀄터플게이트 구성보다 유의미하게 낮은 서브스브리지 누설을 나타내었다.
• 평면형 더블게이트 장치는 단일 게이트 MOSFET에 비해 바디 및 산화막 두께에 대해 덜 엄격한 요구 조건으로도 짧은 채널 효과를 효과적으로 제어할 수 있었다.
• 평면형 더블게이트 아키텍처는 뛰어난 전기적 제어 및 높은 전류 드라이브 덕분에 과도한 지연 시간 성능을 달성할 수 있었다.
• 비평면형 트리플게이트 및 퀄터플게이트 구조는 우수한 전기적 제어를 제공하지만, 전류 드라이브 및 누설 성능 측면에서 평면형 더블게이트에 미치지 못했다.
• 평면형 더블게이트 설계는 25 nm 게이트 길이에서 고성능, 저누설, 고통합 밀도 사이의 유리한 트레이드오프를 제공한다.