Strained Silicon

Strained Silicon 기법은 기존 반도체 구조에 변형을 가하여 정공이나 전자의 이동도를 증가시키는 방법입니다.

앞선 주제들에서 반도체소자의 동작속도는 드레인전류와 관련이 있고, 드레인전류는 Mobility(이동도)와 매우 밀접한 관계를 가지고 있다고 말씀드렸습니다.

이로인해서 NMOS와 PMOS의 Mobility가 다른 것을 극복하기 위해서 채널의 폭(W)을 조절하여 두 트랜지스터의 동작속도를 맞추는 방법에 대한 내용도 알아보았습니다.

그렇다면 Strained Silicon 기법은 어떻게해서 개발된 소자성능향상 기법일까요? 예를들어 같은 크기의 반도체 소자를 제작한다고 했을 때, 모든 조건이 동일한 상태로 Mobility만 다르다고 생각해보겠습니다.

반도체 소자의 격자구조에 변형을 주어 전자나 정공의 이동도를 더 빠르게 조절할 수 있다고 한다면 같은 크기로 트랜지스터를 제작할 때 더욱 성능이 좋은 소자를 만들 수 있습니다.

Strained Silicon은 한글로 그대로 번역하면 ‘실리콘 변형’이라고 해석할 수 있습니다. 그렇다면 어떤식으로 Silicon에 변형을 준다는 걸까요?

그 답은 아래 그림과 같습니다. Silicon의 격자구조를 압축하는 방향 그리고 장력이 작용하는 방향으로 힘을 주어 Silicon을 변형합니다.

지금부터 Strained Silicon기법을 적용하기 위해서 Compressive Stress방향으로 힘을 가하는 방법과 Tensile Stress 방향으로 힘을 가하는 방법에 대하여 알아보겠습니다.

Compressive Strain

먼저 압축력이 작용하는 방향으로 Silicon을 변형해보겠습니다.

아래 이미지에서 (가)는 Silicon원자구조를 표현한 것이고, 그림 (나)는 Silicon과 동일한 14족원소이지만 원자간의 거리가 더 가까운 탄소(C)원자의 모습을 표현한 그림입니다.

위 그림에서 볼 수 있듯, 두 원자들은 서로간의 거리가 다름을 알 수 있습니다. 특히 탄소원자는 Silicon에 비해서 원자간의 거리가 가깝게 형성되어 있습니다.

이제 두 물질을 서로 합하면 어떤식으로 원자구조가 생성되는지 알아보겠습니다.

두 원자를 붙였더니 Silicon원자들의 거리가 가까워졌습니다. 즉, 원래 안정된 Silicon원자들의 거리보다 가까워졌고, 이로인해서 Silicon원자들이 압축력을 받고 있음을 알 수 있습니다.

Silicon 원자에 Compressive Stress를 가하면 전자의 이동도를 증가시킬 수 있습니다.

다음으로는 장력이 작용하는 방향으로 Silicon에 변형을 가해보도록 하겠습니다.

원리는 동일하게 Silicon원소와 같은 14족원소를 이용하지만, Silicon원자보다 원자간 거리가 큰 Germanium(Ge)을 이용하여 구성할 수 있습니다.

아래 그림 (가)는 Silicon을 표현한 것이고, 그림 (나)는 Germanium을 표현한 모습입니다. 이제 두 물질을 다시 붙여서 Tensile Strain을 Silicon에 가해보겠습니다.

두 원자를 붙이게 되었을 때, Silicon 원자간 거리는 기존보다 늘어남을 알 수 있습니다. 다시말해 Silicon원자에 작용하는 힘은 장력이 작용함을 알 수 있습니다.

Tensile Stress를 가하는 경우에는 정공의 이동도 향상에 좋은 효과를 보입니다.