반도체 물성 및 소자 2 - 6. Threshold voltage 조절

 

1. Gate 전극 선정 : 초창기 MOSFET을 만들때는 알루미늄을 gate로 사용하였는데, 알루미늄은 녹는점이 매우 낮아 S/D를 형성하는데 self aligned 방식을 적용할 수 없는 (ion implant후 anneling 온도) 문제가 존재했다. 따라서 알루미늄대신 poly si를 사용하게 되었다가 다시 현대 높은 전도도를 위해 metal gate를 사용하며 텅스텐과 같이 녹는점이 높은 재료를 사용한다.

 

2. Gate oxide capacitance : 작은 Vgs에도 큰 전류가 흐르게 하기 위해선 Vth값이 낮아야 하는데, 이를 위해서 Cox를 증가시키면 Vth를 낮출 수 있다. Cox를 증가시키기 위해 gate oxide의 두께를 줄이고, Higk - K 물질을 사용한다. 예를 들어 HfO2와 같은 물질이 있는데, Si위에 바로 증착시키면 계면특성이 좋지 않기 때문에 Si위에 SiO2를 증착하고 그 위에 High - K 물질을 증착한다. 또 FOX 영역에선 쉽게 channel이 형성되어 전류가 흘러선 안된다. 따라서 Vth가 높아야하고 이를 위해 매우 두꺼운 절연층을 사용한다.

 

3. Ion implantation : 굉장히 정밀하게 불순물을 주입할 수 있어 Vth 조절에 가장 유용하며 이를 사용해 Vth adjust를 진행한다. P - type의 Si에 Boron과 같은 3족 원소를 implant 하면 전자를 하나 얻고 (-) 특성을 띄며 존재하며 Vth가 양의 방향으로 이동한다. 5족 원소를 implan 하면 전자를 하나 버리고 (+) 특성을 띄며 존재하며 Vth가 음의 방향으로 이동한다.

 

4. Body Effect : Substrate인 body와 source, drain 사이에는 전류가 흘러선 안된다. 따라서 body에 역방향 전압을 걸어주게 되는데 이에 channel 영역의 포텐셜 장벽이 높아지게 되고 channel을 형성하기 위해 더 큰 Vgs가 인가되어야 한다.