7.4 게이트 절연막의 전기적 두께 감소 및 터널링 누설 전류

7.4.0 게이트 절연막의 전기적 두께 감소 및 터널링 누설 전류 

 > MOSFET의 산화물질은 SiO2로 많이 사용된다. 

 

 > Node가 작아질수록 SiO2 두께도 300nm 에서 1.2nm 수준까지 감소되어 왔다. 

 

 > Gate 산화막을 줄이게 된데는 크게 두 가지가 있다. 

 

 > 하나는 Cox를 증가시켜 더 큰 Ion을 얻기 위함이다. 

 

 > 다른 하나는 MOSFET 길이 L이 감소하며 Vt Roll Off를 제어하기 위함이다. 

 

 > Gate 산화막이 얇을수록 바람직하다 하지만 무한정 줄일 수 없다. 

 

 > 얇은 산화막을 제조하는것도 쉽지 않고 산화막이 얇을수록 Breakdown Voltage가 작아진다. 

 

 > 하지만 가장 큰 이유는 터널링 누설전류이다.

 

 > 전자는 열적 속도로 게이트 근처 산화막까지 이동되고 확률적으로 산화막을 뚫고 게이트로 넘어간다. 

 

 > 산화막 두께 감소에 따라 지수함수적으로 증가한다. 

 

 > 따라서 SiO2 대신 유전상수가 높은 High k 물질을 도입하면 동일한 Cox로 두꺼운 산화막을 얻을 수 있다.

 

 > High k 물질은 HfO2, ZrO2, Al2O3 등 있다.

 

그림 7.4 (a) Energy band diagram in inversion showing electron tunneling path through the gate oxide; (b) 1.2 nm SiO2 conducts 103 A/cm2 of leakage current. High-k dielectric such as HfO2 allows several orders lower leakage current to pass. (After [6]. © 2003 IEEE.)