[반도체 소자] "Threshold voltage modulation"

반도체소자 교육 - 일병

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이번 교육에서는 Threshold voltage에 대해서 다루겠습니다.
반드시 자신의 언어로 바꾸는 연습을 해야 합니다. 그럼 교육 시작하겠습니다.

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[질문 1]. Threshold voltage를 modulation 하는 방법에 대해서 설명하세요.

• Keyword : [MOS Capacitor, 축적, 공핍, 반전, 유전율, MOSFET, 도핑, C-V, I-V특성, 고주파, 저주파]

  

  Threshold Voltage

문턱전압을 Modulation 하는 방법은 조절하는 방법은 ,크게 3가지가 있습니다. 기판 도핑농도를 증가시킬수록 inversion layer를 형성하는데 더 큰 gate voltage가 요구되므로 body doping 농도가 증가할수록 threshold voltage가 증가합니다. 두 번째는 Gate oxide의 두께를 조절하는 것입니다. 산화막의 두께를 얇게 할수록 oxide capacitance, Cox가 증가하므로 Vt는 감소하게 됩니다. 세 번쨰는 gate dielectric 물질을 high-k 물질을 사용하는 것입니다. 높은 유전율을 가지는 물질을 사용하면 oxide capacitance가 높아지고 작은 gate voltage에도 쉽게 채널을 형성할 수 있어 threshold voltage가 감소합니다. 네 번째는 work function입니다. gate 물질에 따라 각각의 고유의 work function을 가지는데, 특히 poly-Si을 사용했던 이유 중 하나가 work function을 조절하여 Threshold voltage를 modulation 할 수 있었기 때문입니다.

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[꼬리 1-1]. High-k dielectric을 사용하는 계기에 대해서 설명해주세요.

미세공정으로 갈수록 소자 사이즈는 점점 작아지게 되고, oxide thickness는 점점 얇아지고 있습니다. 이는 oxide capacitance를 향상시키기이 위함입니다. 두께가 얇아질수록 tunneling에 의한 gate leakage current가 발생하게 됩니다. 그래서 physical thickness를 높이면서 electric thickness를 줄이는 방법으로 high-k 물질이 도입되었습니다.

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[꼬리 1-2]. 미세공정에 따라 oxide thickness가 왜 얇아져야 하는지 설명해주세요.

소자 사이즈가 점점 작아지면서 junction capacitance 혹은 depletion capacitance를 무시할 수 없는 수준에 이르렀기 때문입니다. 미세공정에 따라 gate length가 짧아지고, 그에 따라 Depletion capacitance가 증가합니다. 이상적인 MOSFET 소자의 경우 인가된 Gate voltage는 oxide capacitance만 영향을 미칩니다. 하지만 Depletion capacitance 가 증가하면서 oxide capacitance가 줄어들고 이는 gate voltage가 각각의 capacitance 성분들에게 분배되어 게이트 전압의 영향력이 점점 감소하게 됩니다. 그 결과, leakage current가 증가하여 소자 신뢰도가 감소합니다. 이를 억제하기 위해 oxide capacitance 값을 키워야 했고 그 중 한 가지 방법이 oxide thickness를 얇게 가져가야 한다는 결론에 도달합니다.

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소자 dimension이 점점 작아지면서 Threshold voltage에 대한 이슈가 발생하고, 이는 곧 Leakage Current 이슈와 직결됩니다. Threshold voltage에 영향을 끼치는 요인으로  "Body Effect" 와 "Short Channel Effect" 가 있습니다.
이 두 부분은 좀 깊히 있게 가르쳐 드리기 위해 날을 잡고 포스팅 하겠습니다.