[반도체소자] 12. SOI MOSFET (2)

SOI(Silicon on insluator) MOSFET

 

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지난 포스팅에서는 SOI MOSFET에 대한 장점을 알아보았습니다. 하지만 현재 개발되는 MOSFET은 SOI MOSFET이 아닌 3차원 구조의 형태를 가지는 FinFET를 기반으로 한 GAAFET 입니다. 이번 포스팅에서는 SOI MOSFET이 개발되지 못한 이유인 단점들에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
 
♭ Floating body effect

SOI MOSFET의 Body는 Source, Drain, Gate oxide, BOX에 의해 주변 단자들과 DC적으로 절연되어 있는 상태로 Floating body라고 합니다. 주변 단자의 전압 간섭에 의해 Floating body의 전압이 변동되어 Body effect에 의해 Thershold voltage modulation 현상이 발생합니다. → BOX에 의한 Fringing field에 의해 Floating body의 전압이 결정됩니다. (*Fringing field: 유전체가 있는 곳에서 예상하지 못하게 발생하는 전기장)
 

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[반도체소자] 9. Body effect(Substrate bias effect)

 
♭ Body contact

SOI MOSFET은 BOX에 의해 Body가 Floating이 되어 있기 때문에 Body contact를 쉽게 연결하지 못합니다. Body 부분을 추가적으로 확장하여 Body contact를 형성해야 하기 때문에 소자 미세화에 큰 어려움이 있습니다.
 
♭ Kink effect

Kink effect는 Drain 영역에서 Impact ionization에 의한 EHP(Electron-hole pair)가 형성되어 Electron은 Drain의 전압에 의해 Drain current를 증가시키고, Hole은 Drain 전압에 의해 밀려나 BOX에 가로막혀 Body에 축적되는 현상입니다. Bulk Si MOSFET의 경우 Body가 BOX에 의해 가로막혀 있지 않기 때문에 Impact ionization에 의해 생긴 Hole은 Body current를 형성합니다. Kink effect가 발생하는 경우 오른쪽 그래프에서 보는 것처럼 Drain current가 Saturation 영역에서 추가적으로 증가하는 것을 알 수 있습니다. Kink effect는 2가지 원인(Hot carrier, GIDL)에 의해서 발생합니다.
 
1. Hot carrier → Saturation 동작 영역
SOI MOSFET의 Saturation 동작 모드에서 Drain의 강한 전기장(높은 전압)에 의해 전자가 가속하여 격자(Lattice)의 충돌에 의해 EHP를 생성합니다. EHP에 의해 Darin current를 증가시키고, Body에 Hole 축적되어 Threshold voltage를 감소합니다.

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[반도체소자] 8. Hot Carrier Injection(HCI)

 
2. GIDL(Gate induced drain leakage) → Cut-off 동작 영역
SOI MOSFET에서도 Gate와 Drain 사이의 Overlap 영역이 발생하는 경우 Gate의 강한 전기장(Negative voltage)에 의해서 Drain의 E-band bending에 의해 BTBT(Band to band tunneling)이 발생합니다. BTBT에 의해 EHP가 형성되고 Hot carrier처럼 Drain current가 증가하고 Body에 Hole이 축적되어 Threshold voltgae가 감소합니다. 

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[반도체소자] 7. Gate Induced Drain Leakage(GIDL)

 
♭ Source/Drain resistance

FD SOI MOSFET은 소자 미세화에 따라서 Body의 두께가 감소하였습니다. Body의 두께가 감소에 따라 Source/Drain의 두께(단면적)도 같이 감소하여 Source/Drain의 저항이 증가하였습니다. 소자의 크기가 큰 경우에는 Source/Drain의 저항을 무시할 수 있었지만, 소자 미세화에 따라서 점차 증가하는 S/D resistance를 감소해야 헀습니다.  S/D resistance를 감소시키는 기술은 2가지(Elevated source/drain, Silicide)가 있습니다.
 
1. Elevated source/drain

Elevated source/drain 기술을 이용하여 Source와 Drain의 단면적을 증가시켜 얇은 Body에 따른 Source/Drain resistance effect를 개선할 수 있습니다. Elevated S/D 기술을 통해서 Area가 증가되어 S/D resistance를 감소시킬 수 있습니다.
 
2. Silicide
Source와 Drain은 Silicon으로 이루어져 있고, Source와 Drain에 금속 물질을 이용한 합금 기술을 이용합니다. Silicide는 Silicon에 비해 비저항(Resistivity)가 낮은 물질로 S/D resistance를 감소시킬 수 있습니다.
 
 
♭ Self-heating

Self-heating은 SOI MOSFET의 작동을 위해 전압을 증가함에 따라 Body의 온도가 증가하는 현상입니다. 낮은 열전도율을 가지고 있는 BOX에 의해 Body 영역에서 발생하는 열을 방출하지 못하기 때문에 Joul heating에 의해 Body의 온도가 증가하게 됩니다. Body의 온도가 증가하면 주변 회로의 동작에 악영향을 미치는 것 뿐만 아니라 Mobility가 감소합니다. Body 온도 증가에 따라 격자 진동(Lattice vibration)에 의해 Phonon scattering이 증가하여 Mobility가 감소합니다.
 
<출처>
T. E. Rudenko et al., "The advancement of silicon-on-insulator (SOI) device and their basic properties", Semiconductor Physics Quantum Electronics Optoelectronics, 23 (2020) 227-252.
R. K. Singh et al., "SILICON ON INSULATOR TECHNOLOGY REVIEW", Inter. J. Eng. Sci. Emerging Tech., 1 (2011) 1-16.
 

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