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Study on Interface and Strain Engineering of III-Sb MOSFETs for Low Power CMOS Logic Device

Title
Study on Interface and Strain Engineering of III-Sb MOSFETs for Low Power CMOS Logic Device
Other Titles
저전력 CMOS 논리 소자 개발을 위한 III-Sb MOSFETs의 계면 및 스트레인 공학 연구
Author
IL PYO ROH
Alternative Author(s)
노일표
Advisor(s)
송윤흡
Issue Date
2019-02
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
지난 30년 동안 실리콘 기반 CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 트랜지스터 기술은 기하학적 스케일링에 성공해 왔다. 하지만 CMOS 기술은 소자 사이즈가 작아지면서 SCE (Short Channel Effect)와 높은 전력 소비 등과 같은 물리적한계로 개발에 어려움을 갖게 되었다. 트랜지스터 성능의 지속적인 향상을 보장하려면 새로운 channel 물질을 도입해야 한다. ITRS (International Technology Road-Map for Semiconductor)에 따르면 III-V 족 화합물 반도체는 우수한 전자 수송으로 인해 실리콘에 대한 유망한 대체 물질로 주목 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 높은 스위칭 특성을 갖는 CMOS p-type MOSFET을 연구하기 위해 III-V (GaSb)를 채널 물질로 사용하였다. 하지만 기존의 GaSb p-type MOSFET 구조에서는 오프 상태에서 누설 전류가 큰 문제를 갖고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 새로운 에피택셜 구조를 제안하였다. 첫번째로, surface leakage current를 최소 화 시키기 위해서 High-k와 상대적으로 낮은 Dit값을 갖는 InGaAs 계면 박막을 channel (GaSb) surface위에 적용하였다. 채널 연구에서는 정공의 이동도를 높이기 위해서 compressive strain 효과를 이용하였다. 마지막으로, sub-leakage를 최소 화 시키기 위해서 좋은 semi-insulator 특성을 갖는 AlGaSb 버퍼 층을 적용하였다. 이렇게 설계된 구조에서 고품질 박막을 얻기 위해서 초고진공을 이용한 분자 빔 에피택시 장비 (molecular beam epitaxy)를 사용하였다. 성장 조건은 적합한 성장온도를 찾은 후, Sb/III 비율을 미세하게 조절하며 잡아갔다. 조건을 찾는 실험은 AlGaSb 버퍼 층을 성장하는 것으로 진행하였다. 최적화된 성장 조건을 찾기 위해서 XRD, 원자 현미경, 라만 및 홀 효과 측정 시스템을 사용하여 AlGaSb 버퍼 층의 결정 품질과 전기적 특성 관계를 체계적으로 평가하였다. 그런 다음, 고품질 AlGaSb 버퍼 층위에 양자우물 구조를 갖는 In0.3Ga0.7Sb 채널을 성장 시켰다. 채널에서는 압축 변형을 이용하여 정공의 이동도를 높이는 실험도 함께 진행하였다. 압축 변형률 및 홀 이동도는 XRD 및 홀 효과 측정 시스템으로 측정하였다. 결과는 In0.3Ga0.7Sb 채널에서 1.4%의 압축 변형 값을 갖는 것을 확인하였고, 이론값 (1.4%)에 매우 가깝고 1195 cm2/V·s의 높은 홀 이동도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 확보한 에피택셜을 이용하여, 소자 (UTB InGaSB p-type MOSFET) 구조에서 최대 동작 특성을 구현하기 위한 적합한 process flow (Gate first flow)를 설계하였다. 소자 공정에서는, 첫 번째로, source와 drain의 Ohmic contact을 형성하기 위해서 Pt를 이용하였다. 두 번째로, gate surface의 품질을 향상시키기 위해서 표면의 자연 산화 막을 효과 적으로 제거하고 재 산화를 막기 위한 pre-treatment (HF-1% for I min)조건을 찾았다. 세 번째로, 고품질의 High-k를 확보하기 위해서 ALD 장비를 이용하였고, 최적화된 증착 조건을 찾을 수 있었다. 마지막으로, 박막을 선택적으로 식각하기 위해서 시각에 영항을 줄 수 있는 요소 (식각 용액, 촉매제, 온도)들을 고려하여 최적화 조건 (HCl : H2O : H2O2 = 1 : 1 : 0.02, 실온)을 찾을 수 있었다. 소자의 동작 특성을 분석하기 위해서 I-V (전달 특성과 출력 특성) 측정을 진행하였다. 그리고, 좀 더 자세한 해석을 위해서, I-V (전달 곡선)에서 소자의 스위칭 동작 변수 (Vth, gm, S/S, µeff, Dit, Ea)들을 추출하였다. 또한, 스위칭 특성의 어닐링 효과를 확인하기 위해서 RTA장비를 사용하였다. 분석 결과, 소자의 특성은 현재 까지 보고된 연구들 중에서 가장 낮은 오프-누설 전류 (Ioff: 1.4×10-4 μA/μm)를 확보할 수 있었고, 정공 이동도 (μeff: 178 cm2/V·s)도 압축 왜곡을 이용하여 효과적으로 증가시킬 수 있었다.
Over the past three decades, silicon based complementary metal oxide-semiconductor (CMOS) transistor technology has succeeded commercially. This is in part due to the continuous geometric scaling: using larger wafers and fabricating smaller devices. However, recent developments has reached its limits for scaling down due to physical limitations such as short channel effect and high power consumption. In order to ensure continued improvement of transistor performance, it is necessary to introduce new materials to complementary metal oxide-semiconductor (CMOS) circuits. According to the international technology road-map for semiconductors (ITRS), III-V compound semiconductors are the most promising alternative to replace silicon due to their superior electron transport properties. In this thesis, I have demonstrated ultra-thin body (UTB) (In)GaSb p-type MOSFET with low leakage current and high hole mobility . This p-type MOSFET structure is consisted of In0.5Ga0.5As surface passivation / (In)GaSb quantum well (QW) channel / Al0.95Ga0.05Sb buffer layer on SI-GaAs wafer. First, I proposed InGaAs passivation layer between high-k and GaSb to reduce surface leakage current. InGaAs was choses because it has a proper band offset to confine hole and suppresses formation of Sb2O3. Second, in order to improve the hole mobility, I used the compressive strain effect in the channel. For this, I designed a GaSb/InGaSb/GaSb quantum well (QW) channel structure. Finally, for reducing substrate leakage, I applied the Al0.95Ga0.05Sb buffer layer on SI-GaAs because it has a great semi-insulating characteristic with high resistivity. In this designed structure, a high quality Epitaxial layer is important. For this, I carried out experiments to find the optimal growth conditions in the buffer layer. I grew Al0.95Ga0.05Sb buffer layers with various Sb effective flux conditions using molecular beam epitaxy to obtain high crystal quality and proper electrical properties. I systematically evaluated the relationship between the crystal quality and electrical properties using X-ray diffraction, atomic force microscope, Raman, and the Hall effect measurement system. Then, on this optimized buffer layer, I grew the In0.3Ga0.7Sb QW channel to obtain high hole mobility with compressive strain. Moreover, the compressive strain and hole mobility were measured by XRD and Hall effect measurement system. The results show a compressive strain value of 1.4% in In0.3Ga0.7Sb QW channel, which is very close to the theoretical value of 1.4% from lattice mismatch, exhibiting the high hole mobility of 1195 cm2/V·s. Furthermore, using this high quality epi-structure, I fabricated UTB-InGaSb p-type MOSFETs and it showed the lowest off-leakage current (Ioff) of 1.4×10-4 μA/μm, sub-threshold slope (S.S.) of 198 mV/dec and high effective mobility (μeff) of 178 cm2/V·s among reported (In)GaSb p-MOSFET.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/99720http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000434738
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > ELECTRONICS AND COMPUTER ENGINEERING(전자컴퓨터통신공학과) > Theses (Ph.D.)
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