The feasibility of a midgap metal gate is investigated for 32nm MOSFET low power applications. The midgap metal gate MOSFET is found to deliver a driving current as high as a bandedge gate one for the low power applications if a proper retrograde channel is used. An adequate design of the retrograde channel is essential to achieve the performance requirement given in ITRS roadmap. In addition, a process simulation is run using halo implants and thermal processes to evaluate the feasibility of the necessary retrograde profile in manufacturing environments. From the thermal budget point of view, the bandedge metal gate MOSFET is more vulnerable to the following thermal process than the midgap metal gate MOSFET since it requires a steeper retrograde doping profile. Based on the results, a guideline for the gate workfunction and the channel profile in the 32 nm MOSFET is proposed.
The feasibility of a midgap metal gate is investigated for a 32 nm MOSFET for low power applications. The midgap metal gate MOSFET is found to deliver $I_{on}$ as high as a bandedge gate if a proper retrograde channel is used. An adequate design of the retrograde channel is essential to achieve the performance requirement given in the ITRS roadmap. A process simulation is also run to evaluate the feasibility of the necessary retrograde profile in manufacturing environments. Based on the simulated result, it is found that any subsequent thermal process should be tightly controlled to retain transistor performance, which is achieved using the retrograde doping profile. Also, the bandedge gate MOSFET is determined be more vulnerable to the subsequent thermal processes than the midgap gate MOSFET. A guideline for gate workfunction $(\Phi_m)$ is suggested for the 32 nm MOSFET.
The instability of MOS devices is mainly caused by the oxide charges, and as the need to develop the gate metal grows researches for various new metal gate have been performed, and in these researches, the difference work function existing between the metal and the semiconductor should be considered. Here int his paper, the device is made by the sputtering and the LPCVD method using pure Al, compound metal. poly-si, as a gate metal, the result of the research was shown that the work function difference from using different gate metals effects on the flatband voltage shift. This means we can infer that the threshold voltage adjustment is possible by using different gate metals and this whole mechanism makes the devices behavior more stable.
ITRS(international technology roadmap for semiconductors)에 따르면 MOS (metal-oxide-semiconductor)의 CD(critical dimension)가 45 nm node이하로 줄어들면서 poly-Si/SiO2를 대체할 수 있는 poly-Si/metal gate/high-k dielectric이 대두되고 있다. 일반적으로 metal gate를 식각시 정확한 CD를 형성시키기 위해서 plasma를 이용한 RIE(reactive ion etching)를 사용하고 있지만 PIDs(plasma induced damages)의 하나인 PICD(plasma induced charging damage)의 발생이 문제가 되고 있다. PICD의 원인으로 plasma의 non-uniform으로 locally imbalanced한 ion과 electron이 PICC(plasma induced charging current)를 gate oxide에 발생시켜 gate oxide의 interface에 trap을 형성시키므로 그 결과 소자 특성 저하가 보고되고 있다. 그러므로 본 연구에서는 이에 차세대 MOS의 metal gate의 식각공정에 HDP(high density plasma)의 ICP(inductively coupled plasma) source를 이용한 중성빔 시스템을 사용하여 PICD를 줄일 수 있는 새로운 식각 공정에 대한 연구를 하였다. 식각공정조건으로 gas는 HBr 12 sccm (80%)와 Cl2 3 sccm (20%)와 power는 300 w를 사용하였고 200 eV의 에너지로 식각공정시 TEM(transmission electron microscopy)으로 TiN의 anisotropic한 형상을 볼 수 있었고 100 eV 이하의 에너지로 식각공정시 하부층인 HfO2와 높은 etch selectivity로 etch stop을 시킬 수 있었다. 실제 공정을 MOS의 metal gate에 적용시켜 metal gate/high-k dielectric CMOSFETs의 NCSU(North Carolina State University) CVC model로 effective electric field electron mobility를 구한 결과 electorn mobility의 증가를 볼 수 있었고 또한 mos parameter인 transconductance (Gm)의 증가를 볼 수 있었다. 그 원인으로 CP(Charge pumping) 1MHz로 gate oxide의 inteface의 분석 결과 이러한 결과가 gate oxide의 interface trap양의 감소로 개선으로 기인함을 확인할 수 있었다.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제12권4호
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pp.458-466
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2012
A Dual metal gate stack cylindrical/ surrounded gate MOSFET (DMGSA CGT/SGT MOSFET) has been proposed and an analytical model has been developed to examine the impact of this structure in suppressing short channel effects and in enhancing the device performance. It is demonstrated that incorporation of gate stack along with dual metal gate architecture results in improvement in short channel immunity. It is also examined that for DMGSA CGT/SGT the minimum surface potential in the channel reduces, resulting increase in electron velocity and thereby improving the carrier transport efficiency. Furthermore, the device has been analyzed at different bias point for both single material gate stack architecture (SMGSA) and dual material gate stack architecture (DMGSA) and found that DMGSA has superior characteristics as compared to SMGSA devices. The analytical results obtained from the proposed model agree well with the simulated results obtained from 3D ATLAS Device simulator.
Recently, the gate oxide damage induced by the plasma processes has been one of the most significant reliability issues as the gate oxide thickness falls below 10 nm. The process-induced damage was studied with the metal antenna test structures. In addition to the electron trapping, the hole trapping in a 10 nm thick gate oxide due to the plasma-induced charging was observed in the NMOS's with a metal antenna. The hole trapping gave rise to the decrease of the transconductance (gm) similarly to the case of the electron trapping, but to the extent much less than the electron trapping. It would be because the electrical stress that the plasma-induced charging forced to the gate oxide for the devices with the hole trapping was much smaller than for those with the electron trapping. This hypothesis was strongly supported by the measured characteristics of the Fowler-Nordheim current in the gate oxide.
본 논문에서는 이중 게이트 junctionless MOSFET 의 성능 최적화를 위하여 다중 게이트 형태를 적용하여 평가한다. 금속 게이트들 사이의 일함수가 서로 다르므로 다중 게이트 구조를 적용할 경우 금속게이트 길이에 따라 소스와 드레인 주변의 전위를 조절할 수 있다. 동작 전류와 누설 전류 그리고 동작 전압은 게이트 구조에 의해 조절이 가능하며 이로 인한 동작 특성 최적화가 가능하다. 본 연구에서는 반도체 소자 시뮬레이션을 통하여 junctionless MOSFET 의 최적화를 구현하고 분석하는 연구를 수행 한다.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제10권1호
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pp.66-77
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2010
Improvement in breakdown voltage ($BV_{ds}$) and speed of the device are the key issues among the researchers for enhancing the performance of HEMT. Increased speed of the device aspires for shortened gate length ($L_g$), but due to lithographic limitation, shortening $L_g$ below sub-micrometer requires the inclusion of various metal-insulator geometries like T-gate onto the conventional architecture. It has been observed that the speed of the device can be enhanced by minimizing the effect of upper gate electrode on device characteristics, whereas increase in the $BV_{ds}$ of the device can be achieved by considering the finite effect of the upper gate electrode. Further, improvement in $BV_{ds}$ can be obtained by applying field plates, especially at the drain side. The important parameters affecting $BV_{ds}$ and cut-off frequency ($f_T$) of the device are the length, thickness, position and shape of metal-insulator geometry. In this context, intensive simulation work with analytical analysis has been carried out to study the effect of variation in length, thickness and position of the insulator under the gate for various metal-insulator gate geometries like T-gate, $\Gamma$-gate, Step-gate etc., to anticipate superior device performance in conventional HEMT structure.
Jang, Young In;Lee, Sang Hyuk;Seo, Jae Hwa;Yoon, Young Jun;Kwon, Ra Hee;Cho, Min Su;Kim, Bo Gyeong;Yoo, Gwan Min;Lee, Jung-Hee;Kang, In Man
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제17권2호
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pp.223-229
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2017
This paper analyzes the effect of a dual-metal-gate structure on the electrical characteristics of AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor high electron mobility transistors. These structures have two gate metals of different work function values (${\Phi}$), with the metal of higher ${\Phi}$ in the source-side gate, and the metal of lower ${\Phi}$ in the drain-side gate. As a result of the different ${\Phi}$ values of the gate metals in this structure, both the electric field and electron velocity in the channel become better distributed. For this reason, the transconductance, current collapse phenomenon, breakdown voltage, and radio frequency characteristics are improved. In this work, the devices were designed and analyzed using a 2D technology computer-aided design simulation tool.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제7권2호
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pp.120-131
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2007
A comprehensive short channel analytical model has been proposed for High Electron Mobility Transistor (HEMT) to obtain higher cut-off frequency maintaining the reliability of the device. The model has been proposed to consider generalized doping variation in the directions perpendicular to and along the channel. The effect of field plates and different gate-insulator geometry (T-gate, etc) have been considered by dividing the area between gate and the high band gap semiconductor into different regions along the channel having different insulator and metal combinations of different thicknesses and work function with the possibility that metal is in direct contact with the high band gap semiconductor. The variation obtained by gate-insulator geometry and field plates in the field and channel potential can be produced by varying doping concentration, metal work-function and gate-stack structures along the channel. The results so obtained for normal device structure have been compared with previous proposed model and numerical method (finite difference method) to prove the validity of the model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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