A Si and SiGe-channel junctionless-accumulation-mode (JAM) PMOS bulk FinFETs were successfully demonstrated on Si substrate with PN junction-isolation scheme for the first time. The Si and SiGe channel JAM bulk FinFETs with fin width of 18 nm exhibits excellent subthreshold characteristics such as subthreshold swing of 68 and 64 mV/decade, drain-induced barrier lowering (DIBL) of 9mV/V and 40 mV/V and high $I_{on}/I_{off}$ current ratio ($~ 1×10^7 and ~ 1×10^6$). The SiGe channel JAM FET’s change of substrate bias from 0 V to 5 V leads to the threshold voltage shift of 53 mV by modulating the effective channel thickness. When compared to the Si-channel bulk FinFETs with fin width of 18 nm, Si and SiGe channel devices exhibits comparable subthreshold swing and DIBL. For devices with longer fin width, SiGe channel devices exhibits much lower DIBL, indicating superior top-gate controllability and robustness to substrate bias compared to the Si channel devices. Parasitic bipolar junction transistor (BJT)-induced steep slope (less than 60 mV/dec.) was observed under high drain voltage at room temperature. A zero temperature coefficient point was observed in the transfer curves as temperature increases from -120°C to 120°C, confirming that mobility degradation is dominantly affected by phonon scattering mechanism. Lastly, high temperature measurement with high drain voltage suggests decrease in impact ionization ratio due to energy loss from increased phonon scattering.
실리콘 및 실리콘저마늄 채널을 가지며 접합분리를 활용한 무접합 벌크 핀펫소자를 세계 최초로 구현 및 제작하였으며, 제작된 소자의 전기적인 특성을 저온, 상온, 고온에서의 측정 및 심도 깊게 평가하였다. 제작된 실리콘 및 실리콘저마늄 채널의 무접합 벌크 핀펫소자는 기존 인버젼 모드 소자의 소스/드레인 형성시 필요한 매우 얇고 가파른 도핑 프로파일이 필요하지 않다. 우리가 구현한 무접합 벌크 핀펫 소자는 매우 우수한 전정전기적 특성을 보였다. 예를 들어 상온에서 18 나노미터의 핀 너비를 갖는 소자의 문턱전압 이하에서의 기울기로 (Sub-threshold Swing) 실리콘 채널은 68 mv/dec., 실리콘저마늄 채널은 64 mv/dec.로 물리적 한계치에 근접한 값을 보여주었다. 또한 상온에서의 DIBL(drain induce barrier lowering)현상 측면에서는 실리콘은 9mV/V, 실리콘저마늄은 40 mV/V로 측정되었다. On/Off 전류비 또한 모두 10의 6승 이상이었다. 실리콘저마늄 소자에서의 붕소(Boron)의 확산도가 실리콘보다 떨어지기 때문에 실리콘저마늄 소자는 더 가파른 pn 접합으로 접합분리가 되어서 실리콘 소자보다 훌륭한 상부 게이트의 컨트롤러빌리티를 보여 주었다. 또한 상온에서 기생 바이폴라 접합 트랜지스터의 영향으로 전류의 급격한 증가 현상을 관찰 할 수 있었다. 이는 채널/드레인 경계영역에 높은 드레인 전압을 주었을 때 충돌 이온화 현상으로 인해 발생한 전자/전공쌍이 생기면서 과잉전자가 채널에 축척 되어서 채널포텐셜을 변화시킴으로 인한 급격한 전류 변화다. 우리의 소자는 벌크 기판 위에 제작한 소자이기에 과잉전자가 벌크를 통해 빠져나갈 것 이라 예상했으나, 접합분리로 인해 과잉전류가 잘 빠져나가지 못하고 기생 바이폴라 접합 트랜지스터의 영향으로 인한 급격한 전류변화를 관측할 수 있었다.
더 나아가서, 온도를 -120°C 에서 120°C까지 바꾸면서 측정해본 결과 제로 온도 계수 (zero temperature coefficient) (ZTC)를 관측할 수 있었는데, 이는 지금까지 보고되어 왔던 무접합 소자에서는 관측되지 않았었다. 일반적으로 무접합 소자에서는 채널의 농도가 매우 높기 때문에 쿨롬산란이 음자산란과 대등한 기여도를 가지게 되어 온도가 증가함에 따라 캐리어 이동도가 변하지 않게되어 ZTC가 관측되지 않는다. 하지만 우리의 소자는 기존에 보고되었던 무접합 소자의 채널보다 한 오더 낮은 농도의 채널로 제작되었기에 음자산란이 주도적으로 작용하여 온도 상승에 따라 캐리어 이동도 감소 및 동작전류 감소를 보였다. 우리 소자의 ZTC는 아날로그 회로설계 시 유용하게 사용될 수 있다. 또한 높은 드레인 전압을 고온에서 인가하면 음자산란으로 상대적으로 많은 에너지를 빼앗겨 충돌 이온화 현상이 감소하였다.
