MOS Capacitor 설계 및 분석과목명분반담당 교수님제출일2023학과학번성명목차(Table of Contents)I. MOS Capacitor 동작 원리- Gate Material- Metal Gate Material 고려사항 및 선택- Oxide Material- Oxide Thickness/Charge/Traps- Subthreshold Swing (SS)- Semiconductor material- Semiconductor material 선택- Si Doping Concentration 선택- Body Effect(NMOSFET 기준)- MOS Capacitor 동작 원리(NMOS)- Flat Band- Accumulation (Strong/Weak)- Depletion- Threshold- Inversion (Strong/Weak)II. High-k 물질 도입에 대한 배경- Moore의 법칙과 Device Scaling Down- High-k material 선택 및 조건- Reasonable K value- Thermodynamic stability- Kinetic Stability- Band Offset- Interface Quality- Defects- Oxide 물질과 Si substrate 접합 interface의 quality와 Interfacial Layer(IL)의 필요성- Scattering에 의한 Carrier Mobility Degradation- Remote Coulomb Scattering (RCS)- Remote Phonon Scattering (RPS)- Remote Surface Roughness Scattering (RSRS)- HKMG Fabrication Process Method- Gate-First Integration Scheme- Gate-Last Integration SchemeIII. High-k 물질을 포함한 MOS Capacitor 설계 과정- 서론- Body Substrate Doping Conc 적절한 VT window가 필요하다고 생각됩니다. 또한, device scaling down에 따라 여러 short channel effect(SCE) 중 punch through에 대한 solution인 Halo/Pocket doping을 고려하거나, Drain Induced Barrier Lowering(DIBL)에 대한 solution으로도 doping concentration을 전체적으로 높이면서 TOX를 같이 줄이는 점 또는 retrograde body doping과 같은 scheme이 채택되는 점을 고려하면 body concentration을 적절히 높여야 합니다. 하지만 body substrate의 concentration이 증가하면 impurity scattering 또한 증가하기에 mobility가 감소하는 degradation은 감수해야 합니다. 이런 점들을 고려해야 한다는 근거를 기준으로 설계 과정에서 doping concentration을 변경해가면서 최종 설계할 body substrate의 doping concentration을 선택하겠습니다.Figure SEQ Figure * ARABIC 7 Halo/Pocket Doping [21]Body Effect(NMOSFET 기준)Body Effect는 MOS Capacitor보다 MOSFET device에서 더 깊이 고려해야 하는 사항이지만 MOS Capacitor에서도 매우 중요한 개념이라 기술하겠습니다.먼저 Body Effect는 결국 oxide capacitance(COX)와 depletion oxide(Cdep)사이의 inversion layer region에 대한 장악력을 나타냅니다.1) VSB가 0V가 아닌 경우Body에 인가되는 전압은 주로 negative bias가 인가됩니다. 왜냐하면, positive bias가 인가될 경우 VT가 낮아지는 점도 있지만 NMOSFET device의 구조를 생각해 보면 Source와 Drain 그리고 p-type Si의 Body가 npn i려오는 상황입니다.RCS를 유도하는 charge들은 Gate 영역에 존재하는 defect density에 비례합니다.RCS 효과는 최적의 deposition과 annealing 조건을 알아내어 defect density를 줄이는 것과 같이 fabrication process의 최적화를 solution으로 볼 수 있습니다. 또한, effective field가 증가함에 따라 inversion charge density의 엄청난 증가로 screening effect를 통해 RCS효과를 줄일 수 있습니다.Remote Phonon Scattering (RPS)High-k material들은 주로 Metal과 Oxide, 즉 M-O결합으로 구성됩니다. 이러한 High-k material의 ionicity와 polarization은 low-frequency phonon vibration mode를 가능하게 합니다.이에 따라, 같은 frequency operation이더라도 이는 SiO2를 막질로 사용할 때와 비교하면 동일 frequency 기준 phonon scattering rate이 더 크게 되기에 SiO2를 사용할 때보다 carrier mobility degradation이 커지게 됩니다.RPS는 RCS와 다르게 fabrication process 최적화로 해결할 수 없는 intrinsic한 scattering mechanism입니다. 하지만, Metal Gate를 도입하면서 RPS effect를 줄일 수 있었습니다.Remote Surface Roughness Scattering (RSRS)RSRS는 material간의 접합면의 roughness 때문에 발생하는 scattering mechanism으로 IL/High-k와 Metal/High-k 접합면에서 발생합니다.RSRS는 effective filed의 크기가 증가함에 따라 channel내의 carrier들이 surface로 더 가까이 올수록 dominant한 mechanism이 됩니다. 반대로, effectiviN/HfO2/SiO2/p-type Si의 경우에서 Si으로부터 SiO2방향으로 0.25nm 떨어진 곳에 +0.0001C/cm2 oxide charge가 생성된 경우를 먼저 실험해 보았더니,VFB는 -22.331V, VT는 -21.320V를 얻을 수 있었습니다.-0.0001C/cm2 oxide charge가 같은 위치에 삽입된 경우 VFB는 21.107V, VT는 22.117V로 나타났습니다.2) TiN/SiO2/HfO2/p-type Si의 경우에서 동일하게 진행해보겠습니다.동일 위치에(Si-substrate로부터 HfO2방향으로 0.25nm 떨어진 지점)에 +0.0001C/cm2 oxide charge가 삽입된 경우 VFB는 -28.441V, VT는 -27.431V였으며 -0.0001C/cm2 oxide charge가 삽입된 경우는 VFB가 27.217V, VT는 28.228V로 나타났습니다.위 두경우와 기존 oxide charge가 없는 경우를 표로 확인해 보겠습니다.Table SEQ Table * ARABIC 5 300K기준 각 TiN/HfO2/SiO2/p-Si과 TiN/SiO2/HfO2/p-Si stack별 +0.0001C/cm2와 -0.00001C/cm2의 내부 oxide charge에 대한 VT(V), VFB(V)변화이에 따라 해당 program에서는 동일한 EOT를 가지면 interface property를 지원하지는 않고 여러 capacitance값들은 동일하게 나타나지만 oxide layer들의 stacking 순서에 따라 다른 효과를 나타냄을 확인할 수 있었습니다. 위 표에서 각각의 positive/negative oxide charge가 oxide trap으로 작용할 때 VT와 VFB의 변화는 모두 HfO2가 p-type Si과 맞닿아 있을 때 그 폭이 더 큽니다. 이는 각 material의 결합구조의 차이에 따라 inversion layer에 미치는 영향이 다르다는 점은 program에서 지원하기 때문에 달라진다고 생각됩니다.이어서 oxolution은 오직 Punch Through 현상만을 위한 solution이 아닌 DIBL과 VT Roll Off에 모두 해당됩니다. 비록 MOSFET은 아니지만 이를 고려해 MOS Capacitor를 설계하자면, Halo Doping같은 경우는 Band Diagram Program에서 지원하지 않기에 전체적으로 doping concentration을 높이는 방법을 생각해서 설계하였습니다. 또한 고려해야 하는 점은 doping concentration이 증가하면 mobility가 감소하고 junction capacitance가 증가하여 frequency response가 나빠지게 됩니다. 또한, S,D의 junction depth를 얇게 fabricate하여 channel 인근의 depletion region의 width를 감소시키는 shallow junction depth profile도 solution으로 제시됩니다.Figure SEQ Figure * ARABIC 40 Doping Concentration에 따른 Punch through 영향 [21]Figure SEQ Figure * ARABIC 41 Punch through [21]Hot Carrier Injection (HCI) (Based on Luck Electron Model)HCI는 Drain에 의한 lateral electric field에 의해서 source region에서 넘어오던 electron이 drain-body의 depletion region 부근에 존재하는 강한 electric field(Short channel일수록 더 강한 field)에 의해 매우 높은 에너지를 가진 electron이 됩니다. 이 과정에서 electron은 drain 방향으로 이동하면서 impact ionization을 일으키게 되고 이 과정에서 hot carrier들이 생성되게 됩니다.이렇게 Hot carrier가 electron-hole-pair(EHP)로 생성되게 되는데 hole은 상대적으로 낮은 vS2
