26강. Strained Silicon

이번 포스팅은 현대반도체에서 Scaling을 통한 과정에서 소자에 새로운 아이디어를 통해

Issue를 극복한 기술들에대해 소개하겠습니다.

그 첫번째로 Strained Silicon입니다.

이를 설명드리기 위해 캐리어들의 이동도(Mobility)에 대해서 먼저 설명드리겠습니다.

nMOS에서는 전자가 채널을 통해, pMOS에서는 정공이 채널을 통해 이동합니다.

그렇다면 전자와 정공의 Mobility는 다른데, 어떻게 이러한 속도를 맞춰주어 사용할 수 있을까요?

해답은 바로 전류식에 있습니다.

위 식에서 보면 차이가 나는 부분은 바로 이동도(Mobility)뿐입니다.

그렇다면 Ids는 nMOS에서 더 크게 되는데 pMOS에서 이러한 전류값을 맞춰주기위해서는 폭을 늘려주어야합니다.

즉, pMOS의 폭이 더 크게 맞춰준다면 nMOS와 pMOS의 전류크기와 속도를 맞춰줄 수 있습니다.

 

다시 본 주제로 돌아오겠습니다.

현대 반도체에서는 Scaling을 통하여 반도체 소자 크기를 줄여나가고있습니다.

때문에 pMOS의 크기를 늘리지 않고, pMOS의 동작속도를 빠르게 할 수 있는 방법을 찾아내야합니다.

이 방법은 2003년에 Strained Silicon이라는 기술에의해 극복되었습니다.

Strained Silicon이란, Silicon 원자와 다른 크기를 가진 원자들을 결합시켜

Silicon원자가 받는 Stress방향을 변형시켜 이동도를 바꿔주는 방법입니다.

예를 들어 아래 실리콘 원자격자구조와 저마늄 원자격자구조를 살펴보겠습니다.

왼쪽이 Si(Silicon), 오른쪽이 Ge(Germanium)입니다.

이 두 원자를 붙여보겠습니다.

그러면 SiGe라는 물질이 되는데, Si원자가 기존보다 가로방향으로 당겨지는 인장력을 받습니다.

반대로 탄소원자 (C)와 결합하면 Si원자는 가로방향으로 눌러지는 압박을 받습니다.

즉, 이러한 방식으로 캐리어들에게 Stress를 가하여 Mobility를 빠르게 해주는 것입니다.

pMOS의 경우 정공의 Mobility를 증가시키기 위해서는 Tensile한 방향의 힘

nMOS의 경우 전자의 Mobility를 증가시키기 위해서는 Compressive한 방향의 힘을 주어야합니다.

위의 Strained Silicon방식을 이용하면, 같은 크기의 소자를 Design해도

캐리어들의 Mobility를 증가시킬 수 있습니다.

따라서 처음 저희가 봤던 pMOS는 아래와 같이 새로 변경 될 수 있습니다.