차세대 Channel물질 Germanium의 mobility 개선 평가에 대한 기술 논문, Surface roughness 개선을 위한 in-situ ALD공정

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Logic Device의 기본소자, 트랜지스터 성능 PPA(Power-Performance-Area) 개선을 위한 Bible이 되는 수식들

위 포스팅은 앞으로의 제가 작성할 기술 논문 리뷰에 있어서 Bible이 될 것입니다.

위 포스팅 2.번의 ① mobility 증가와 ④Cox 증가에 관한 기술 논문입니다.

Ge FinFET CMOS Inverters With Improved Channel Surface Roughness by Using In-Situ ALD Digital O3 Treatment

제목부터 보면 Si(실리콘)과 14족, 동족이며 다음 주기의 Germanium(게르마늄, 저마늄)을 채널(Channel)물질로 대신 사용해 높은 mobility의 특성을 가져왔고 공정 상에 문제가 됐던 표면 불량(Surface roughness)를 오존(O3) 처리한 ALD 공정을 이용해 개선했다고 하네요.

 

① mobility 증가

Ge은 높은 mobility로 차세대 channel로서 주목받는 물질입니다. 그러나 문제는 표면에 unstable한 oxide IL(Interfacial Layer)가 쉽게 생기고 이것이 표면 불량으로 작용해 performance를 저하시킵니다. Channel의 표면이 불량하면 제 아무리 mobility가 좋은 특성이 있더라도 제 실력 발휘를 못하죠. 마치 비포장도로에서 스포츠카를 달리는 격이랄까요? 결과적으로 Si보다 못한 성능을 보여주었기에 현 Cash-Cow는 아닙니다. 즉, 공정 난이도가 높아 현 기술력으로 구현이 안됐다는 것이죠.

④Cox 증가

표면 oxide에 대한 문제라면 당연히 따라오는 개선 knob은 Extreme한 진공과 Q-time입니다. 즉, 엉망으로 산화되기 전에 설비 내에서 한 큐에 바로 진행하는 in-situ 공정이 필요하죠. 

cf. knob : 손잡이(의역 : 방법), Q-time : quality time, 이전 공정과 다음 공정 사이 quality가 유지되는 시간

본 기술논문에서는 E-beam lithography와 Dry Etch로 Ge epitaxial layer를 Fin 모양 channel로 형성한 뒤 in-situ ALD로 오존 처리해 GeO2를 형성합니다.

기존 Si에서의 방식대로 RTO(Rapid Thermal Oxidation) 처리를 하면 GeOx(지멋대로 Oxide)가 형성되어 Surface roughness가 안 좋아진다고 하네요.

Surface roughness가 안좋아지면 oxide 절연을 위해 두껍게 발려야하니 EOT(Equivalent Oxide Thickness)가 커지고 정전용량(Capacitance)가 작아지겠지요 -> Performance 감소 (실험은 Cap.을 측정해서 EOT를 구합니다.)

결과(Results)

실험의 성과를 Transfer Curve로 보면,

P-FET : On/off ratio가 ~10^5 이상에 Subthreshold Swing이 88mV/dec

N-FET : On/off ratio가 ~10^4이상에 Subthreshold Swing이 71mV/dec

로  구현됐다고 합니다.