반도체 물성 및 소자 2 - 8. Advanced MOSFET structure

1. MGHK (Metal Gate High k) : gate oxide는 높은 capacitance를 가지며 누설전류를 최소화 해야한다. Capacitance를 증가시키기 위해선 K를 증가시키거나 두께를 줄여야한다. 하지만 두께를 줄이게 되면 누설전류가 증가하게된다. 따라서 SiO2 대신 High - K 물질을 사용해 capacitance를 높이고 두께는 늘려 누설전류를 줄인다. High - k 물질에는 HfO2, ZrO2이 있다.

 

>> High k 물질의 단점 :

- 일반적으로 SiO2에 비해 낮은 Eg를 갖기 때문에 터널링 장벽의 폭이 넓은 반면 높이가 낮다. 

- SiO2에 비해 High - k 물질은 Si와 계면적 특성이 좋지 않기 때문에 얇은 SiO2층을 Si 와 High - k 절연층 사이에 길러야 한다.

 

>> Poly Si 에서 Metal로의 변화 : Metal은 녹는점이 낮아 S/D을 형성한 뒤, 따로 gate 부분을 형성해야 한다.

 

2. HEMT (High electron mobility transistor) : 도핑이 된 넓은 밴드갭을 가진 물질 사이에 얇은 도핑이 되지 않은 반도체 물질을 형성한다. 도핑이 되지 않은 채널에서는 불순물에 의한 산란이 없어 높은 전자 이동도를 얻을 수 있다. 다시 말하면, 도핑이 많이 되면 scattering에 의해 mobility가 줄어든다. 또한 carrier가 많으면 mobility가 증가한다. 위 두 문장은 상충된다. 따라서 도핑이 되지않은 GaAs를 사용하면 도핑된 영역의 전자가 GaAs에 E차이로 인해 넘어가게 되고, 이렇게 되면 높은 carrier 수와 낮은 scattering을 얻어 더욱더 향상된 채널 이동도를 가질 수 있다.

 

- HEMT는 Si보다 전하 이동도가 높다. 하지만, S/D 도핑이 Si에서만큼 높게 되지 않아 높은 S/D 저항을 갖게된다. 또한 Si 보다 낮은 Eg로 인해 누설전류가 크다.

 

3. Strained Si FET : Tensile strain을 가해 전자 이동도를 향상, Compressive strain을 가해 정공 이동도를 향상시킨다. Strain을 가하면, band structure가 달라져서 mobility가 향상된다.

 

4. SOI MOSFET (Silicon on insulator) : Bulk Si 기판 위에 절연성의 buried oxide (BOX) 층 위, 얇은 Si 단결정 필름 (10~100nm)에 MOSFET을 제작한다. SIMOX, BE-SOI, Smart Cut, SOS 와 같은 방식으로 SOI층을 형성한다. SOI층을 형성함으로써 주변 MOSFET들과 전기적으로 분리하여 기생 capacitance를 줄이고, 얇은 채널 두께로 DIBL현상을 줄여 더 나은 gate control을 가질 수 있다. 또한 Bulk Si로 누설전류가 차단되고 얇은 채널이 완전히 depletion되어 Punchthrough를 피하면서 원하는 Vth를 얻을 수 있다.)

 

5. FinFET : 기존의 Planar FET은 gate의 한 면을 통해서만 channel을 통제하였다. 소자가 작아지며 gate로 소자를 control하기 힘들어졌고, 이에 FinFET이 등장했다. FinFET은 channel의 3면을 gate가 감싸는 구조로써 channel width가 w에서 2h+w로 증가한다. 즉 gate에 의한 control이 쉬워진다.

 

6. GAA : 최근에는 channel의 모든 면을 gate가 감싸는 GAA (Gate All Around) 가 적용된다.

MBCFET은 삼성에서 이름지은 Multi Bridge Channel이다.