The electric systems exposed to the radiation environment should have a special function, radiation-tolerance. Recently, multi-gate MOSFETs have been suggested as a next-generation for the radiation-hardening technique due to several disadvantages of enclosed-layout-MOSFETs, which is commonly used for the radiation-hardened circuits. However, the total ionizing dose (TID) effects, which are one of radiation effects, on the gate-all-around (GAA) MOSFETs is not investigated comprehensively. In particular, the TID effects on sub-100 nm GAA MOSFETs should be explored to utilize the strength of GAA MOSFETs and to apply the GAA MOSFETs for the radiation-hardened circuits.
The TID effects on the sub-100 nm GAA MOSFETs down to 25 nm are investigated through the ex-periments and the numerical simulations. Particularly, the TID effects are explored for various gate lengths and radiation doses. The GAA MOSFETs have a strong radiation-tolerance compared to the double-gate MOSFETs because the GAA structure is favorable in respect to the TID effects. Additionally, the conspicuous relationship between the TID effects and the gate length is observed.
A new hypothesis is suggested to explain the TID effects on the GAA MOSFETs. The suggested hy-pothesis assumes that the radiation-induced fixed charge and interface trap in the gate spacer mainly govern the TID effects on the GAA MOSFETs. The TID effects on the GAA MOSFETs are clearly explained by the suggested hypothesis. The hypothesis is experimentally examined by the junction modification of the GAA MOSFETs and supported by the three-dimensional numerical simulations. Through the verified hypothesis and the experimental data, the dominant roles of gate spacer and junction profile on the TID effects are demonstrated.
The GAA MOSFETs have a supreme tolerance against the TID effects and excellent channel controllability. Consequently, the common problems of traditional radiation-hardening technique - limited immunity against the TID effects and degraded performances- can be solved by applying the GAA MOSFETs. Therefore, the GAA MOSFETs are preferred to be implemented as the next-generation of radiation-hardening technique.
인공위성 산업이 지속적인 성장을 이룩함에 따라, 인공위성에 탑재되는 전자 회로에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 우주 환경에 노출되는 전자 회로는 높은 에너지를 갖는 방사선에 의해 영향을 받게 되며, 이는 일시적인 오작동을 유발하는 단일 사건 효과 (single-event effect)나 반영구적인 소자 성능의 저하를 유발하는 누적방사선량 효과 (total ionizing dose effects)와 같은 현상으로 나타난다. 따라서, 우주 환경에 노출되는 전자 회로는 방사능 효과에 대한 내성을 필수적으로 갖추어야 한다.
기존에서 사용되는 enclosed-layout-transistor (ELT) 기술은 누적방사선량 효과에 대한 내성은 우수하지만, 소자의 성능 개선과 소형화가 어렵다는 단점을 가진다. 이러한 단점을 극복하기 위해 다중 게이트 트랜지스터에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 다중 게이트 트랜지스터는 우수한 채널 조절 능력을 갖기 때문에 누적방사선량 효과뿐만 아니라 단채널 효과에도 강한 내성을 갖는다. 그러나, 전면 게이트 트랜지스터의 누적방사선량 효과에 대한 연구는 아직 미비하다.
본 연구에서는 단채널 전면 게이트 트랜지스터의 누적방사선량 효과를 분석하였다. 기존의 누적방사선량 효과 중 하나인 문턱전압의 리바운드 효과를 확인함으로써 전면 게이트 트랜지스터에서도 누적방사선량 효과가 나타남을 보였다. 또한, 전면 게이트 구조는 채널 조절 능력이 탁월할 뿐만 아니라 누적방사선량 효과의 근원인 두꺼운 절연막과 채널 사이를 완벽히 격리 시키기 때문에, 기존에 보고된 이중 게이트 트랜지스터보다 누적방사선량 효과에 대한 내성이 우수했다.
반면에, 게이트 길이가 짧아질수록 누적방사선량 효과가 증가하는 경향성을 보였다. 근본적으로 다중 게이트 구조와 전면 게이트 구조가 상이하기 때문에 기존의 설명은 전면 게이트 구조에 알맞지 않다. 따라서, 전면 게이트 구조에 적합한 메커니즘을 제안되었다. 게이트 절연막보다 두꺼운 게이트 스페이서에 누적방사선량에 의한 고정 전하와 계면 트랩이 발생한다고 가정하였다.
추가 RTP 공정을 통해 p-n 접합 프로파일을 조절한 전면 게이트 트랜지스터의 누적방사선량 효과를 분석함과 함께 3차원 시뮬레이션을 통해 앞서 설정한 가설이 타당하다는 것을 검증하였다. 소스/드레인 접합이 게이트와 오버랩이 될수록 소스/드레인 영역에 의해 차단되는 게이트 스페이서 내의 고정 전하와 계면 트랩의 비율이 높아지기 때문에 누적방사선량 효과가 감소한다.
본 연구를 통해 전면 게이트 트랜지스터에서 발생하는 누적방사선량 효과가 게이트 스페이서와 소스/드레인 접합 프로파일에 밀접하게 관계한다는 것을 보였다. 전면 게이트 트랜지스터의 누적방사선량 효과에 대한 우수한 내성 때문에, 내방사선 회로를 구성하는 소자로 주목 받을 것으로 예상된다.
