반도체 미세화가 더 작은 노드로 계속 추진됨에 따라, 패턴 변동의 미묘한 영향을 이해하는 것은 소자 성능 최적화에 있어 매우 중요해졌다. PDF 솔루션즈와 브레시아 대학교* 연구진이 최근 발표한 IEEE 논문은 게이트와 핀 간격의 사소해 보이는 변화가 기계적 응력 변조를 통해 트랜지스터 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있음을 밝혔으며, 7nm 핀펫 기술에서 구동 전류 변동은 최대 13%에 달했다.
도전 과제: 패턴 변동성과 응력 공학의 만남
현대적인 핀펫(FinFET) 소자는 성능 향상을 위해 기계적 응력에 크게 의존한다.
PMOS 트랜지스터는 SiGe 소스/드레인 영역을 사용하여 압축 응력을 도입함으로써 정공 이동도를 향상시키는 반면, NMOS 소자는 전체 공정 및 소자 구조에 의해 도입되는 인장 변형 성분으로부터 이점을 얻을 수 있다.
그러나 게이트용 자가 정렬 이중 패터닝(SADP) 및 핀용 자가 정렬 4중 패터닝(SAQP)과 같은 첨단 패터닝 기술은 핵심 치수 제어에는 탁월하지만, 특징 간 간격에 변동성을 초래한다.
이 간격 변동성은 에피택셜 성장된 소스/드레인 영역의 부피와 형태에 직접적인 영향을 미치며, 이는 다시 채널 응력을 조절하고 궁극적으로 캐리어 이동도와 구동 전류에 영향을 미친다.
주요 결과: 폴리 피치 효과
연구팀은 이러한 효과를 분리하고 정량화하기 위해 폴리 피치(±7%)와 핀 피치(±10%) 모두에 체계적인 변동을 가한 특수 시험 구조물을 설계하였다.
PMOS 소자는 폴리 간격 변화에 대해 가장 직관적인 반응을 보였습니다:
- 드라이브 전류는 테스트 범위 전반에 걸쳐 -11%에서 +7%까지 선형적으로 변화했습니다.
- 더 넓은 폴리 간격은 SiGe 응력 발생체 부피를 증가시켜 종방향 압축 응력을 증대시킵니다.
- 주요 메커니즘은 채널 내 스트레스에 의한 정공 이동도 증대이다
NMOS 소자는 보다 복잡한 하위 선형적 특성을 나타냈다:
- 성능 변화는 -13%에서 +5%까지 다양했습니다.
- 이 효과는 주로 에피택셜 성장보다는 텅스텐 접점 충전에서 비롯된다
- 수직 응력과 종방향 응력 성분이 부분적으로 상쇄된다
중요한 점은, 연구팀이 엄격한 Y-함수 디임베딩 분석을 통해 간격 변화에 따라 기생 저항이 크게 변동함(PMOS의 경우 최대 +30%)에도 불구하고, 성능 변동의 주된 원인은 기생 효과가 아닌 채널 이동도의 본질적 변조라는 사실을 확인했다는 점이다.
핀 피치 영향: 더 작지만 여전히 중요
핀 피치 변동은 더 미미하지만 여전히 측정 가능한 효과를 발생시켰다:
- NMOS: 핀 피치 변화 ±7%에 대한 전류 변동 ±2%
- PMOS: 동일 피치 범위 내 ±1% 변동
PMOS 소자에 미치는 영향이 상대적으로 작은 것은 SiGe 스트레스 요인을 사용한다는 점을 고려하면 다소 직관적이지 않다. 그 이유는 상충되는 스트레스 구성 요소에서 찾을 수 있다: 핀 간격이 증가함에 따라 유익한 수직 스트레스 개선 효과는 종방향 스트레스 감소로 상쇄된다.
피치 워킹 문제
SAQP 패턴 형성 공정 자체에서 흥미로운 문제가 발생합니다. 맨드릴 CD 변동으로 인해 '피치 워킹' 현상이 발생하는데, 이는 인접 핀 간 간격이 변동하는 반면 총 4피치 너비는 일정하게 유지되는 현상입니다. 이는 핀 어레이 내 정렬 위치에 따라 4핀 소자에 서로 다른 영향을 미치며, 설계자가 고려해야 할 세 가지 뚜렷한 감도 패턴을 생성합니다.
TCAD 검증 및 물리적 메커니즘
본 연구의 강점은 실리콘 측정과 Synopsys Sentaurus를 활용한 포괄적인 3D TCAD 시뮬레이션의 결합에 있다. 시뮬레이션에는 다음이 포함되었다:
- 에피택셜 성장의 격자 운동론적 몬테카를로 모델링
- 격자 불일치를 고려한 열-기계적 응력 계산
- 텅스텐 접점 증착에 의한 열팽창 효과
- 스트레스 의존성 이동성 모델링
시뮬레이션과 측정 결과 간의 탁월한 일치도는 물리적 이해를 검증하며 설계 최적화를 위한 예측 프레임워크를 제공한다.
설계 및 제조에 대한 시사점
이러한 연구 결과는 다음과 같은 실용적 함의를 지닌다:
- 밀착된 공정 제어는 필수적입니다: 폴리 간격 변동으로 관찰된 13%의 성능 변동은 제품 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있으므로, 엄격한 공정 관리가 매우 중요합니다.
- 레이아웃 의존적 효과는 반드시 모델링되어야 합니다: 표준 셀 라이브러리와 설계 도구는 이러한 응력 관련 레이아웃 의존성을 고려해야 합니다.
- 장치 배치는 중요하다: 4핀 장치에서 SAQP 맨드릴에 대한 정렬은 배치에 따라 달라지는 민감도를 생성하며, 이는 매칭과 변동성에 영향을 미친다.
- 장치 유형별 감도 차이: PMOS는 폴리 피치에 더 민감한 반면, NMOS는 핀 피치의 영향을 더 크게 받습니다—설계자는 이러한 지식을 전략적으로 활용할 수 있습니다.
앞으로의 전망: 게이트-올-어라운드 고려 사항
본 연구는 벌크 핀펫(FinFET)에 초점을 맞추고 있으나, 저자들은 이 방법론이 차세대 게이트-올-어라운드(GAA) 나노시트 트랜지스터로 확장될 수 있을 것이라고 언급한다. 다만 광범위한 재조정 작업이 필요할 것이다. GAA의 근본적으로 다른 구조—연속적인 핀 대신 분리된 나노시트를 갖춤—는 더 복잡한 변형 결합 메커니즘과 상이한 응력 전파 경로를 생성한다.
결론
이 포괄적인 연구는 기계적 응력 조절이 고급 CMOS 성능에서 여전히 중요하면서도 때로는 과소평가되는 요소임을 입증합니다. 산업계가 계속해서 미세화를 추진함에 따라, 이러한 레이아웃에 의한 응력 효과를 이해하고 제어하는 것은 성능 목표를 달성하고 변동성을 최소화하는 데 점점 더 중요해지고 있습니다.
공정 엔지니어에게 전하는 메시지는 분명합니다: 폴리-폴리 간격 제어는 핵심 치수 제어와 동등한 관심을 받을 가치가 있습니다. 설계자에게는: 레이아웃이 그 어느 때보다 중요해졌으며, 첨단 공정 노드에서는 스트레스 인식 설계 관행이 더 이상 선택 사항이 아닙니다.
*본 연구의 전문 논문인 "게이트 및 핀 공간 변동이 스트레스 변조 및 핀FET 트랜지스터 성능에 미치는 영향"(Angelo Rossoni, Tomasz Brozek, Zsolt M. Kovacs-Vajna 공저)은 IEEE Transactions on Electron Devices에 게재되었습니다.