인하대학교 나노집적반도체소자 MOSCAPACITOR 설계 및 분석

문서 내 토픽

1. MOS Capacitor 동작 원리

MOS Capacitor의 동작 원리를 이해하기 위해 Gate Material, Oxide Material, Semiconductor material 등에 대한 특성을 기술하였습니다. Gate Material로는 TiN을 선택하였고, Oxide Material로는 HfO2와 SiO2를 사용하였으며, Semiconductor material로는 p-type Si을 사용하였습니다. 각 material의 특성과 선택 이유를 자세히 설명하였습니다.
2. High-k 물질 도입에 대한 배경

Moore의 법칙에 따른 device scaling down 과정에서 발생하는 문제점들을 해결하기 위해 High-k 물질을 도입하게 되었습니다. High-k 물질 선택 시 고려해야 할 조건들과 그에 따른 후보군 물질들을 검토하였고, 최종적으로 HfO2를 선택하였습니다.
3. High-k 물질을 포함한 MOS Capacitor 설계 과정

설계 과정에서 Body Substrate Doping Concentration, Oxide Material 선택, 설계된 MOS Capacitor의 기본적인 분석(Electric Field, Temperature/Voltage variation on C-V Graph, Tunneling distance) 등을 수행하였습니다. 또한 Oxide Trap Model을 적용하여 trap된 oxide charge의 polarity 및 위치에 따른 VT와 VFB의 변화를 확인하였습니다.
4. 설계한 MOS Capacitor와 동일한 EOT를 갖는 SiO2로만 구현된 MOS Capacitor 동작 특성 비교/논의

설계한 MOS Capacitor와 동일한 EOT를 갖는 SiO2로만 구현된 MOS Capacitor의 C-V Graph, Energy Band, Potential, Electric Field, Charge Density 등을 비교 분석하였습니다. 또한 Tunneling Distance 측면에서도 두 경우를 비교하였습니다.

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1. MOS Capacitor 동작 원리

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 캐패시터는 반도체 소자의 기본 구조 중 하나로, 전하 저장 및 전하 전달 등의 핵심적인 기능을 수행합니다. MOS 캐패시터의 동작 원리는 다음과 같습니다. 먼저, 반도체 기판(예: 실리콘) 위에 절연체 물질(예: 이산화규소)이 형성되고, 그 위에 금속 전극이 올려져 있습니다. 이때 반도체 기판과 금속 전극 사이에 전압이 인가되면 반도체 기판 내부에 전하 캐리어(전자 또는 정공)가 유도되어 축적됩니다. 이러한 축적된 전하에 의해 캐패시턴스가 형성되는 것이 MOS 캐패시터의 기본적인 동작 원리입니다. 이러한 MOS 캐패시터는 메모리 소자, 아날로그 회로, 센서 등 다양한 반도체 소자에 활용되고 있습니다.
2. High-k 물질 도입에 대한 배경

반도체 소자의 지속적인 스케일링에 따라 기존의 실리콘 이산화물(SiO2) 게이트 절연막의 두께가 점점 얇아지고 있습니다. 이에 따라 터널링 전류 증가, 누설 전류 증가, 신뢰성 저하 등의 문제가 발생하게 되었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 고유전율(high-k) 물질이 도입되었습니다. High-k 물질은 SiO2에 비해 유전율이 높기 때문에, 동일한 전기적 특성을 유지하면서도 물리적인 두께를 증가시킬 수 있습니다. 이를 통해 터널링 전류와 누설 전류를 감소시킬 수 있으며, 신뢰성 향상을 기대할 수 있습니다. 대표적인 high-k 물질로는 하프늄 산화물(HfO2), 지르코늄 산화물(ZrO2) 등이 있습니다.
3. High-k 물질을 포함한 MOS Capacitor 설계 과정

High-k 물질을 포함한 MOS 캐패시터를 설계하는 과정은 다음과 같습니다. 먼저, 목표 전기적 특성(예: 커패시턴스, 누설 전류, 신뢰성 등)을 정의합니다. 그 다음, 적합한 high-k 물질을 선정합니다. 일반적으로 하프늄 산화물(HfO2)이 많이 사용됩니다. 선정된 high-k 물질의 두께와 도핑 농도 등의 공정 변수를 최적화하여 목표 특성을 만족하도록 합니다. 또한 high-k 물질과 실리콘 기판 사이의 계면 특성 개선을 위해 완충층(예: SiO2)을 추가할 수 있습니다. 마지막으로 상부 금속 전극 물질 및 두께를 선정하여 전체 MOS 캐패시터 구조를 완성합니다. 이러한 설계 과정을 통해 high-k 물질을 포함한 MOS 캐패시터의 우수한 전기적 특성을 구현할 수 있습니다.
4. 설계한 MOS Capacitor와 동일한 EOT를 갖는 SiO2로만 구현된 MOS Capacitor 동작 특성 비교/논의

동일한 등가 산화막 두께(EOT, Equivalent Oxide Thickness)를 갖는 high-k 물질 기반 MOS 캐패시터와 SiO2 기반 MOS 캐패시터를 비교해 보면 다음과 같은 차이점이 있습니다. 먼저, high-k 물질 기반 MOS 캐패시터는 물리적인 두께가 SiO2 기반 MOS 캐패시터에 비해 훨씬 두껍습니다. 이로 인해 터널링 전류와 누설 전류가 크게 감소하여 우수한 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 또한 high-k 물질의 높은 유전율로 인해 동일한 EOT에서 더 큰 캐패시턴스를 얻을 수 있습니다. 반면, high-k 물질과 실리콘 기판 사이의 계면 특성이 SiO2에 비해 좋지 않아 계면 트랩 밀도가 높아질 수 있습니다. 이는 소자 성능 및 신뢰성 저하로 이어질 수 있습니다. 따라서 high-k 물질 기반 MOS 캐패시터 설계 시 계면 특성 개선을 위한 추가적인 공정 최적화가 필요합니다.