The injection velocity $(v_{inj})$ in a MOSFET at the top of the barrier (TOB) between the source and channel is a key device performance metric in a quasi-ballistic transport regime. $v_{inj}$ is strongly limited by the thermal velocity in a conventional pn junction based MOSFET. From this point of view, a Schottky barrier (SB) MOSFET is a strong candidate for high performance devices in the quasi-ballistic transport regime, because of the hot carrier injection from the Schottky source.
First of all, carrier transports in nanoscale device is discussed by scattering theory established by Natori and Lundstorm. According to scattering theory, injection velocity cannot be exceeding the thermal velocity at the beginning of the channel, and is decreased by the scattering event at TOB. Reducing the gate length and effective mass of the channel carrier is effective in increasing the injection velocity. Therefore the intuitive solution to enhance the device performance is to use alternative channel material instead of silicon channel, recent research progress was also shown in the point of view of injection velocity. In the hot carrier injection point of view, the principle of Schottky barrier (SB) MOSFET operation was explained and the several research results were introduced to explain how the hot carrier injection of SB MOSFET is possible.
And next part, the detailed fabrication of the SB MOSFET on ultra-thin body (UTB) is shown. At first, conventional pn junction MOSFET was tried on UTB strained SOI substrate to fabricate nano-scale MOSFETs, and the one of the world record peak mobility was obtained. However we could not solve the extremely high parasitic resistance due to the lack of recrystallization and activation of dopant in short channel MOSFETs. In order to reduce the parasitic resistance, SB MOSFET with CoSix on the source and drain was fabricated. The external parasitic resistance was reduced 1000 times than that of implanted UTB layer and the on state current was drastically improved.
A remarkable injection velocity of 2.37 x $10^7$ cm/s, beyond the thermal velocity, is experimentally demonstrated in the SB MOSFET with W of 6.5 nm and LG of 35 nm, which was fabricated on an ultra-thin body (UTB) SOI wafer. The well-known MIT virtual source (MVS) model was used to extract injection velocity for the first time in SB MOSFET. The narrower SiNW results in, the sharper band bending and the higher lateral electric field in the SB MOSFET is. Therefore these features enable the faster velocity than the thermal velocity. That speed is expected to exceed over 2.37 x $10^7$ cm/s by the combination of the SB MOSFET with the lowered SBH and a shorter gate length. Based on the results, SB MOSFET with wide and thin nano-sheet channel is proposed as a next generation of FinFET device.
In the fourth part, the temperature dependence on the characteristics of the SB MOSFET from very low temperature to high temperature is shown. Thermionic emission (TE) current at the SB MOSFET was suppressed at the most and we can observe the transition region of current mechanism from TE to tunneling (TU). Because the SB width is not thin enough to tunnel at the current transition region, the current is inferior to that of conventional pn junction based MOSFET. The peak effective mobility of the SB MOSFET is also smaller than that of conventional MOSFET with same reason. Additionally the current in the linear mode at the short channel length of 35 nm was increased with temperature. Although the dominant on-state current flow mechanism of SB MOSFET is TU current, on-state current of SB MOSFET was decreased with increase of device temperature. However the decrease ratio of the current was lowered by the reduction of channel length at which the injected carrier is supposed to be scattered. In addition the linear current was increased at the channel length of 35 nm owing to the increase of the electron to tunnel the SB, and this was demonstrated by the carrier transport simulation.
In fifth part, we present the results of radio-frequency (RF) modeling based on parameter extraction of our fabricated SB MOSFETs. An analytical extraction of parameters has been performed through Y-parameter analyses on the non-quasi-static (NQS) small-signal equivalent circuit. S-parameter was measured to obtain the Y-parameters of our fabricated SB MOSFETs. The parasitic components of pad structure were removed by the well-known de-embedding procedure, because the measured S-parameter included the parasitic components. The capacitance in short channel was directly obtained by scattering parameters (S-parameter measurement) and we could verify the injection velocity of our SB MOSFETs which had been extracted by the MVS model. Finally figure of merit of RF performance such as cut-off frequency and maximum oscillation frequency was also analyzed.
In this study, a remarkable injection velocity beyond the thermal velocity was experimentally demonstrated in a SB MOSFET, which was fabricated on an ultra-thin body (UTB) SOI wafer. As the gate controllability improved with the decrease of the SiNW size, the extracted $v_{inj}$ was increased as high as 2.37x$10^7$ cm/s, which is beyond the thermal velocity. Such high ballisticity defined as $v_{inj}/v_T$ larger than unity, is arisen from energetic hot electrons accelerated from the aforementioned sharp energy band bending. Therefore the combination of the SB MOSFET structure and SiNW scaling can overcome the ideal performance limit and make it possible to continue the device scaling down with further performance enhancement without taking a risk to use a new material.
금속 전계효과 트랜지스터의 소스에서 채널로 주입되는 캐리어 속도는 100 nm 이하 준 탄도 이동 영역에서 소자 성능을 결정하는 핵심 요소이다. 이론적으로 소스 주입 속도는 일반 pn 접합 MOSFET에서는 열적 이동 속도를 넘을 수 없다. 그런데 쇼트키 소스로부터 높은 속도로 캐리어가 주입되는 쇼트키 금속전계효과 트랜지스터는 준 탄도 이동 영역에서 소자 성능을 향상시키는데 매우 좋은 특성을 가지고 있다.
우선 산란 이론 관점에서 나노 소자의 캐리어 이동에 대해 다루었다. 산란 이론에 따르면 소스에서 채널로 주입된 캐리어의 속도는 열적 이동 속도보다 작을 수 밖에 없다. 소스와 채널 사이의 에너지 밴드 정상 지역에 열적 이동 속도로 주입된 캐리어는 산란을 통해 그 속도가 감소된다. 소자의 성능을 향상시키기 위해서는 이 산란 현상을 감소시켜야 한다. 전통적인 소자 동작 관점에서는 채널 길이와 캐리어의 유효 질량을 감소시킴으로써 산란 현상을 감소시킬 수 있다. 실리콘 대비 매우 작은 유효질량을 갖는 화합물 반도체는 매우 높은 소스 주입 속도를 보인다. 그런데 쇼트키 전계효과 트랜지스터는 소스 쪽의 에너지 밴드를 매우 날카롭게 휘어지게 만들어서 높은 전계를 통한 전자의 매우 빠른 소스 주입 속도를 보일 수 있음을 제안하였다.
그리고 매우 작은 트랜지스터 제작을 위해 초박형 기판 위에 전계효과 트랜지스터를 제작한 공정 과정을 소개하였다. 우선 이온 주입법으로 pn 접합 전계효과트랜지스터를 제작하려고 하였으나, 이온 주입시 비정질화된 소스와 드레인 영역이 후속 열공정에 의해 다시 재결정화하는데 실패하여 매우 높은 저항을 보였다. 이를 해결하기 위해 초박형 기판에 코발트 실리사이드 공정을 도입하여 쇼트키 전계효과 트랜지스터를 제작하였다. 그래서 저항이 1000 배 낮아지는 것을 확인하고, 트랜지스터의 성능도 매우 크게 증가하는 것을 확인하였다.
다음으로 쇼트키 전계효과 트랜지스터에서 소스 주입 속도를 추출하였다. 소스 주입 속도를 추출하는데 매우 신뢰할 수 있는 MIT의 virtual source (MVS) 모델을 사용한 결과 기존 pn 접합에서의 이론적 한계값을 뛰어 넘는 2.37x$10^7$ cm/s의 소스 주입 속도를 얻을 수 있었다. 그리고 게이트의 채널 제어 능력이 향상될수록 그 값이 커지는 것을 확인하였다. 쇼트키 전계효과 트랜지스터에 MVS 모델을 적용한 연구는 이번이 처음이며, 게이트의 채널 제어 능력이 좋은 전계 효과 트랜지스터는 MVS model이 잘 적용되는 것을 확인하였고, 이를 통해 기존 연구 결과들과 일관성 있는 소스주입 속도를 추출할 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 finFET 이후의 차세대 소자 구조로 얇고 넓은 채널 구조의 수직 적층 채널을 게이트가 둘러싼 쇼트키 전계효과 트랜지스터를 제안하였다.
제작된 쇼트키 전계효과 트랜지스터의 캐리어 주입 매커니즘 등의 특성을 확인하기 위해 극저온에서 고온으로 변화시켜가면서 의 특성을 확인해 보았다. 저온 측정을 통해 쇼트키 전계효과 트랜지스터의 열적 방출 효과에 의한 전류 이동 매커니즘을 억제하여 열적 방출 효과에서 터널링 효과로 전류이동 매커니즘이 변화되는 지점을 확인하였다. 그리고 쇼트키 전계효과 트랜지스터는 이 변화 지점에서의 터널링 전류이동이 크지 않기 때문에 컨덕턴스가 작고 이에 따른 peak mobility가 기존 pn 접합 트랜지스터 대비 작은 것을 확인하였다.
마지막으로 제작된 쇼트키 전계효과 트랜지스터의 고주파 특성을 확인해 보았다. 고주파 특성 확인을 위해 제작된 트랜지스터의 소신호 등가 모델을 제안하고 S-parameter 측정을 통해 각 구성 요소들을 추출할 수 있었다. 무엇보다 S-parameter 측정을 통해 소스 주입 속도를 계산할 수 있었는데, 앞서 사용하였던 MIT의 virtual source 모델을 사용한 결과와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 제작된 소자의 전류이득 차단 주파수와 최대 발진 주파수를 측정하였다. SB MOSFET의 RF 특성은 다른 그룹과 거의 비슷한 결과를 확보할 수 있었지만, 기존 CMOS RF 성능보다는 작은 값을 보였다. 이는 SB MOSFET의 컨덕턴스 특성이 기존 CMOS 대비 작은 특성에서 기인된 것으로 보인다.
이상에서 본 것처럼 본 연구에서는 높은 소스 주입 속도를 갖는 트랜지스터 제작을 위해 SB MOSFET을 제작하였다. SB MOSFET에서의 소스 주입 속도는 게이트의 채널 제어 능력이 향상될수록 그 값이 커지는 것을 확인하였다. 따라서 기존 소자 축소 기술을 쇼트키 접합 기술과 접목하면 pn 접합 전계효과 트랜지스터의 이상적인 탄도 이동 속도보다 더 큰 주입 속도를 예상해 볼 수 있다.
