Compact Model for Cylindrical Gate-All-Around MOSFETs with the Quantum Confinement Effect Based on the Density-Gradient Equation

Abstract

핀펫의 다음세대로, 게이트-올-어라운드 모스펫이 CMOS 스케일링을 위한 유망한 트랜지스터로 주목받고 있다. 게이트-올-어라운드 모스펫이 중요한 트랜지스터 구조가 되면서, 회로 시뮬레이션을 위한 게이트-올-어라운드 모스펫의 컴팩트 모델 또한 중요해졌다. 이번 연구에서는, 양자 구속 효과를 고려하는 원통형 게이트-올-어라운드 모스펫의 컴팩트 모델을 제시한다. 양자 구속 효과를 고려하기 위해서, 밀도-구배 방정식이 사용된다. 포아송 방정식과 밀도-구배 방정식을 통합하여서, 컴팩트 전하 모델이 유도된다. 컴팩트 전하 모델로부터 해를 얻기 위해서, 양자 보정 항과 관련된 항의 파라미터 모델링이 수행된다. 제안된 전하 모델로부터의 결과는 TCAD 시뮬레이션 결과로 검증된다. 컴팩트 전하 모델에서, Pao-Sah의 적분을 통해서 드레인 전류 모델이 유도된다. 다른 선행 연구들을 통합하여서, 드레인 전류 모델은 단 채널 효과와 채널 길이 변조 효과를 고려할 수 있게 된다. 전류 모델 결과 또한 수치해석적 시뮬레이션 결과로 검증된다.|As the next generation of FinFETs, GAA MOSFET is regarded as a promising transistor for CMOS scaling. As GAA MOSFET becomes an important transistor structure, compact models for GAA MOSFETs are also of great importance for circuit simulation. In this study, a compact model for cylindrical GAA MOSFETs considering the quantum confinement effect is proposed. To take into account the quantum confinement effect, the density-gradient equation is used. By integrating the Poisson equation and the density-gradient equation, the compact charge model are derived. To obtain a solution from the compact charge model, parameter modeling is carried out for terms related to quantum correction. The results from the proposed charge model are validated with TCAD simulation results. From the compact charge model, a drain current model is derived using the Pao-Sah’s integral. By incorporating other previous studies, the drain current model can take into account the short-channel effects and the channel length modulation. The results from the current model are also validated with numerical simulation results.