반도체 Gate POLY를 사용한 이유

1. Gate에 POLY를 사용한 이유

  - MOS CAPACITOR에서 Gate를 예전에는 POLY를 많이 사용 하였습니다. 현재는 Metal Gate를 사용하고 있지만 예전에는 단연코 Poly라는 물질을 사용 하였죠. 그 이유는 무엇일까요?

 

 - MOSFET에서 Gate는 수력 발전소에서 수문(Gate) 역할을 합니다. 즉 Gate에 전류를 안 흘리면 전자가 안움직이고, 전류를 흘리면 문이 열려서 Source와 Drain 사이에 전류가 흐르는 것입니다. 이렇게 Gate는 수문의 역할을 하는 중요한 것으로 전류가 잘 흘러서 도체에 가까워야 스위치를 빨리 껐다 켰다 할 수 있습니다.

 

 - 그래서 처음에는 Gate의 물질로 Al과 같은 금속을 사용했습니다. 전류가 잘 흐르니깐 Gate를 빨리 열고 닫을 수 있겠구나 생각한 것이죠. 다만 단점이 있는데 Al이 660도에서 녹는점을 가지고 있는데 반도체 공정에서는 900도 이상의 공정이 있어 녹을 수 있었습니다. 또한 Metal 같은 경우에는 Si과 다르게 Doping이 안됩니다. Si은 n, p doping을 통해 전자 or hole 중 선택해서 잘 흐르게 만들 수 있지만 Metal은 항상 work function이 페르미 레벨 고정이기 때문에 threshold voltage(Vth)도 고정입니다.  Vth는 gate의 work function과 Si substrate의 work function 차이로 정해지는데 gate의 work function을 바꿀수 없기 때문에 이것을 변경하려면 새로운 물질을 써야 하는 문제가 있습니다. 

 

  - 그래서 나온 것이 Poly Si입니다. Poly Si에 임플란트로 doping을 해주면 다결정 Poly silicon안의 Boundary에 P,B등이 Doping 됩니다. 도핑이 되면 최외각 전자를 자유전자로 만들 때 필요한 에너지인 일함수 즉 work function 조절이 잘 됩니다. 이는 문턱전압 조절이 잘 됩니다. 원하는 대로 전류를 흘릴 수 있습니다.

 

  - Poly si녹는점은 1000도가 높아서 후속 공정에도 문제가 없고 SiO2와 접촉 특성도 좋습니다. 

 

 - 이렇게 좋은 Poly Si도 반도체 Scale down으로 인해서  SiO2가 얇아지면서 누설 전류가 생겨 TUNNELING EFFECT 문제가 발생합니다. 그래서 이후 High k material을 사용하게 되었습니다.

 

 - high k material을 사용하면서도 문제점은 있었습니다. gate와 oxide층의 접촉 특성이 안좋고 기생 capacitor형성으로 C값이 낮아져 Vth가 예상과 다르게 바뀌는 것이었습니다.

 

 - Poly depletion를 알고 계신가요? scale down되면서 poly-si 자체의 문제점입니다. 얇은 poly silicon 일 때 원자가 1000개 있다고 했을 때 도핑을 100개를 하면 10% 도핑입니다. 그런데 scale down 하면서 주위 확산 방지막들도 같이 얇아졌습니다. 이 공정에서 확산이 발생해 도핑 원자 30개가 poly-Si으로 들어와 도핑 농도 13%입니다. 더 작아지면 확산에 의한 도핑 영향이 커집니다. 보통은 n doping 영역에 p type 원자가 확산해 도핑을 상쇄 시킵니다. Vth감소율이 예상보다 적게 변합니다.