반도체 소자 물질별 특성

 

가정	Lithography (리소그래피) 박막(thin film)_surface energy,surface tention
요약
응용

 

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트렌지스터는 사실 Si만 있는것이 아닙니다. SiGe HBT외에 3-5족 HEMT나 HBT도 존재합니다. 물론 Si의 공정기술이 비약적으로 발전하고 값도 싸기 때문에 Si이 주로 사용되지만 성능은 그 외에의 것이 더 좋을 수 있습니다. 그 트렌지스터를 잠시 보자면

입니다. 크게 공정을 나누자면 그림중 위에 있는 Si과 SiGe는 Ohmic 공정이고 아래 3-5족 2개는 Teledyne공정입니다. 사실 Teledyne는 공정 회사인데 워낙 유명해서 그냥 그렇게 불리고 있습니다. Si CMOS는 8대 공정으로 익히 아실거라 믿고 바로 SiGe HBT부터 가보겠습니다.

 

SiGe HBT는 Heterojunction구조로 Emitter-base-collector로 이루어져있습니다. 이때 base 부분에만 bandgap을 작게 하기위해 SiGe을 사용합니다.

 

3-5족 HEMT는 2DEG FET라고도 불리는데, 이는 Barrier에는 도핑이 되어있고, Channel에는 도핑이 되어있지 않아 Channel에서 Dopant에 의한 scattering이 없어 mobility가 엄청나게 빠릅니다. 특히 potential wall이 channel로 구성되어있어 2D에서 흐르는 것처럼 구성되어 2D electron gas라고 불립니다. 다른말로 MODFET라고도 불리는데 modulation-doped field-effect transistor (MODFET)입니다. 참고로 Gate contact이 T자로생긴 T gate인데 이는 gate의 length를 작게하여 더 많이 gating이 되게 하는 기술입니다.

3-5족 HBT도 Emitter base collector로 대표적인 Teledyne사의 공정법 입니다. 

 

본 포스팅이 공정을 보여드리기 위한 포스팅이 아니기때문에 지금부터는 3-5족과 Si의 장단점을 보도록 하겠습니다.

이들을 나눌때 먼저 알아야 하것이 electron의 Velocity와 Mobility입니다.

위 그래프에서 보이듯 E가 커져 Saturation velocity가 되기 전에 mobility를 적용할 수 있습니다. 이때 Si의 경우 Saturation velocity가 1E7 cm/s입니다. (참고로 빛의 속도는 3E8 m/s) 3-5족도 1E7정도로 그렇게 빠르지 않습니다.

사실 3-5족의 경우 내부의 field의 구조적으로 강하기 때문에 mobility를 정의하기가 어렵습니다. 따라서 saturation velocity만 고려해야할 것 같은데, 전자가 mean free path 거리 이내에서 scattering 없이 움직이는 ballistic인 경우에서는 3-5족이 saturation velocity보다 2~3배 빠릅니다. 이는 channel의 두께가 엄청나게 작을때 발생하는데 아래 그래프의 가로축이 channel의 거리라고 보시면 중간에서 속도가 overshoot을 합니다.

3-5족의 경우 위 공정 그림에서 보이듯 Gate가 엄청 작아서 ballastic velocity가 차지하는 비중이 커지고 따라서 엄청나게 빠른 동작속도를 가지게 됩니다.. 빠른 동작속도는 즉 operation frequency가 크다는 말이고 scattering이 적어 loss가 적어 높은 gain과 낮은 noise를 가질 수 있습니다. 즉 fmax가 크게 됩니다,.

 

또한 substrate관점에서 Si이 10ohm-cm인것과 비교해서 1E7~1E9 ohm-cm의 resistivity를 가지고 있는 substrate를 사용하기 때문에 transmission line의 loss가 적고 그 결과로 high Q의 inductor를 갖게 됩니다.

 

또한 Si 1.12eV, GaAs 1.42eV, InP 1.27eVm GaN 3.44eV으로 3-5족이 Bandgap이 크기 때문에 Breakdown voltage가 exponantial하게 증가하여 power performance가 좋습니다.

 

물론 Si도 좋은점이 있는데 현 모든 소자들의 인프라가 Si에 갖춰져있고 공정 시스템이 잘 갖춰져있으며 그 결과 interface/surface의 품질이 좋아 uniformity가 좋아 오래 잘 가는 reliability가 좋습니다.

이외 Si이 좋은 결정을 가지고 있어 defect density도 낮고, 열이 잘 빠져나가는 소자이기 때문에 low thermal resistivity로 추가적으로 reliability가 좋습니다. 3-5족으로 이들을 비교해본다면 3-5족은 SiOx같은 물질이 없어 공정이 어렵고 100%가 결정성을 띄고 있지 않습니다.

또한 Si은 가격이 낮은데 성장이나 패터닝 같은것에 대량생산이 가능하고 비싸지 않습니다. 하지만 포토 마스크가 바뀔 때 투자를 많이해야하고(phase shift mask) 부피를 줄이며 가격이 높아지고 있어 소량생산에는 적합하지 않습니다. 반면 3-5족은 대충 만들어도 성능 잘 나와서 소량생산이 되나 이런 이유때문에 공정기술이 높아지지 않고 있습니다.

 

Si CMOS와 SiGe HBT에 대해 너무 다루지 않았는데, SiGe HBT도 엄청나게 좋은 이점들이 많습니다. 결과만 놓고 보자면 HBT는 동작 주파수가 Si보다 빠르며 transconductance gm도 큽니다. 또한 frequency noise 1/f도 작습니다.

사실 이들 모두 수직으로 current가 흐르는 verticle current path때문에 생기는데 frequency noise의 경우 interface와 surface의 electron trap때문에 발생하는데, Path가 굉장히 넓기 때문에 발생할 가능성이 적습니다.

또한 부수적인 이점도 많은데 공정상 lateral dimension의 차이가 적어지고 소자간의 성능차이도 줄어듭니다. 또한 Si에서 새로 소자를 만들때 들여야할 값비싼 phase shift mask같은 요소들이 lateral한 요소의 variation을 주지 않고 bipolar의 물질과 두께만 조정하면 되므로 새로 만들 필요가 없어 연구에 적합합니다. Si의 경우 MOSFET은 gate length control이 필요하기 때문에 이를 lithography로 수행하려면 mask를 새로 만들어야 합니다.

Si CMOS도 이에 못지 않은 장점이 있는데 앞서 말했듯 모든 인프라가 Si에 맞춰져있기 때문에 집적에 엄청나게 좋고 공정이 복잡하지도 않습니다.