1. [GSAT] 추리 실전모의고사 1회(2)
- 도형 추리 문제
* 가로, 세로 먼저 결정해서 규칙 찾기
* 외부도형과 내부도형 나눠서 보기
- 도식 추리 문제
* A~Z 다섯개씩 먼저 적어두기 (시간 얼마 안걸리고 정확도를 위한 것이므로 꼭!)
* 기호 규칙 알아낸 후에는 문제에 먼저 적고 한 번에 풀기 (적고 풀기 반복하는 것보다 시간절약)
💡 조건 추리 문제 풀 때 조건들 모두 잘 파악하고 문제 풀기를 시작해야할 것 같다. 바로 경우의 수 따지다가 복잡해져서 쉬운 문제도 틀리게 되는 경우가 있었다. 도형 추리 문제는 감으로 풀지 말고 정확한 규칙 파악 후 답을 정확하게 고를 수 있게 연습해야 겠다.
2. [반도체] MOSFET(1), (2)
1. MOSFET 구조와 동작 원리 예상 기출 문제
- MOSFET의 구조와 Band diagram에 대해 설명하시오.
- MOSFET 동작에 따른 Band diagram의 변화에 대해 설명하시오.
- MOSFET의 동작원리에 대해 설명하시오.
MOSFET의 구조는 다음과 같습니다. n-channel MOSFET 기준 Source와 Drain은 n-type, substrate은 p-type으로 도핑되어있습니다.
수평방향 band diagram을 그리면 n-type 으로 도핑된 Source와 Drain 쪽은 Fermi level이 conduction band와 가깝게, p-type으로 도핑된 substrate쪽은 valance band와 가깝게 형성됩니다. ideal 한 상태일 때 수직방향 band diagram을 그리면 metal과 semiconductior의 work function 차이가 없고, Fermi level이 일치합니다. 이 때 metal에 (-), semiconductor에 (+) 전류를 걸어주면 (+)쪽 oxide 경계면이 고정된 상태로 Energy band는 내려가고 (-)쪽 Energy band는 올라가 tilt가 발생합니다. 이 때 Energy band가 tilt되면서 intrinsic Fermi level(Efi)은 E band와 같이 움직이고 extrinsic Fermi level(Efs)은 아래쪽으로 더 내려가고 Fermi level과 valance band가 가까운 부분에 hole이 모여 accumulation 상태가 됩니다. 반대로 metal에 (+), semiconductor에 (-) 전류를 걸어주면 Energy band가 반대 방향으로 tilt되고 Efi이 Efs 보다 더 아래로 내려가는 inversion이 발생합니다.
MOSFET에 forward bias를 걸면 oxide와 semiconductor 사이에 p-type substrate의 minority carrier인 전자들이 모여 channel을 형성하고, 형성된 channel을 통해 Source에서 Drain으로 전류가 흐르게 됩니다.
2. MOSFET의 Degradation(열화, 특성저하) 예상 기출 문제
- MOSFET의 특성이 저하되는 현상에 대해 설명하시오.
MOSFET의 Degradation이 발생하는 원인으로 첫 번째, carrier가 oxide 내부에 Trap 되는 현상이 있습니다. oxide 내부 또는 반도체와 oxide 계면 사이 defect에 전하가 고정되는 것으로 transconductance가 감소하고 threshold voltage가 증가합니다.
다음으로 특성저하의 원인으로 TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)이 있습니다. Energy band Tilt에 의해 얇아지거나 또는 oxide 자체가 얇아져 전자가 통과해버리는 Tunneling에 의해 발생합니다. Tunneling이 일어남에 따라 EHP(Electron Hole Pair)가 형성되고 electric field에 의해 oxide 안 쪽에서 전자들은 p-type쪽으로 hole들은 metal 쪽으로 정렬됩니다.
3. Short channel effect 예상 기출 문제
- Short channel effect의 원인과 해결 방안에 대해 설명하시오.
- Channel length를 줄였을 때 발생되는 문제점과 해결 방안에 대해 설명하시오.
공정 미세화가 지속됨에 따라 MOSFET의 channel 길이가 워낙 짧아져 원치않는 특성이 발현되는 현상을 short channel effect라고 합니다.
short channel effect로 Vth의 감소가 있습니다. channel 길이가 짧아짐에 따라 전체 channel에서 depletion region이 많은 비중을 차지하게 되고, Vg가 감소해 Vth가 감소합니다. 이를 해결하기 위해서는 gate metal, doping 농도, oxide의 두께 및 재료등을 조절해 직접 Vth를 조절하는 방법이 있고, Source와 Body 사이에 전압을 가해 Source쪽 E band를 강제로 낮추는 Body effect를 이용해 Vth를 조절하는 방법이 있습니다.
두 번째로 Hot carrier effect가 있습니다. depletion region이 짧아짐에 같은 전압에도 강한 E-field가 걸리고(E-field = V/d) 전자의 이동이 많아져 EHP를 형성하게 됨에 따라 전체적 current가 증가하거나 Trap 발생 확률이 증가합니다. 이를 해결하기 위해서 LDD(Lightlt Doped Drain)를 통해 depletion region을 늘리는 방법이 있습니다.
다음으로 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)과 Pucnh-through기 있습니다. DIBL은 Vd에 의해 Source와 Channel 사이의 potential barrier가 낮아지는 현상이고 Punch-through는 S와 D 영역의 depletion region이 마주치는 현상으로 channel이 형성되기 전에도 전류가 흐르게 됩니다. 두 현상 모두 LDD 주변에 substrate 보다 높은 농도로 doping 시켜 depletion region을 좁혀주는 Halo doping을 통해 해결이 가능합니다.
4. HKMG 예상 기출 문제
- HKMG에 대해 설명하시오.
- MOSFET의 Oxide 두께에 따른 문제점과 이를 해결할 수 있는 방안에 대해 설명하시오.
공정이 미세화됨에 따라 oxide의 면적이 줄어 capcitance가 감소하게 되는데(C=A/d) 이를 유지시켜 Vth를 유지시키기 위해 oxide의 두께(d)를 감소시켜 왔습니다. 그러나 oxide의 두께가 너무 얇아지면 tunnelin에 의해 leackage current가 발생하게 되고 MOSFET이 정상적으로 작동하지 않게 됩니다. 따라서 이를 해결하기 위해 기존 oxide를 대체할 수 있는, 즉 열적 안정성이 좋고 band gap E가 크며 defect가 적은 high-k 물질을 개발해 도입한 것이 HKMG(High-k metal gate)입니다. high-k물질에는 하프늄옥사이드(HfO2), 지르코늄다이옥사이드(ZrO2)가 있습니다. 기존 MOSFET은 Gate전극으로 Metal 대신 poly Si를 사용했지만 HKMG의 경우 poly Si과 HfO2가 반응해 poly Si의 특성이 변해 MOSFET의 특성이 변하므로 Gate전극을 다시 Metal로 변경했다는 차이점이 있습니다.
5. FinFET 예상 기출 문제
- FinFET의 구조와 원리에 대해 설명하시오.
- FinFET 공정의 문제점에 대해 설명하시오.
FinFET은 공정미세화에 따라 발생하는 short channel effect를 해결하기위해 다음과 같이 구조를 변경한 것입니다.
기존 MOSFET과 달리 channel이 그림과 같이 3면에 형성이 되고, 그에 따라 gate bias에서 흐르는 current의 양이 증가합니다. 또 current 조절면이 3개이므로 leackage current 조절이 용이해짐에 따라 leackage current가 감소합니다.
Fin-FET의 문제점으로는 먼저 공정이 복잡하다는 것입니다. 또한 면마다 Vth가 다를 수 있어 MOSFET의 전류특성에 영향을 끼치며, Source와 Drain의 단면적이 감소해 저항이 증가합니다.
6. MOSCAP 예상 기출 문제
- MOSFET과 MOSCAP의 차이점을 설명하시오.
- Bias에 따른 MOSCAP의 Band structure를 설명하시오.
MOSFET과 MOSCAP의 구조 차이는 위 그림과 같습니다. MOSFET은 accumulation에서는 channel이 형성되지 않아 동작하지 않는 반면, MOSCAP은 accumulation과 inversion에서 모두 동작합니다.
ideal한 상태를 가정했을 때 accumulation에서 MOSFET은 E band가 tilt됨에 따라 경계면에 hole(majority carrier)가 모여 channel이 형성되지 않아 동작하지 않습니다. 반면 MOSCAP은 metal에 (-), semiconductor에 (+)가 형성되어 oxide에 정상적으로 전하가 축적됩니다. bias가 약하게 걸려있을 때 Efi가 Efs보다 높거나 낮긴 낮지만 tilt down된 수준이 기존 그 차이보다 작을 경우 weak inversion이라고 합니다. 이 때 weak inversion까지를 depletion mode 라고 하고 이 때는 정상적으로 channel이 형성되지 않아 MOSFET과 MOSCAP 모두 성능이 저하됩니다. inversion mode의 경우 tilt down 수준이 기존 Efi 와 Efs 차이보다 커 channel이 잘 형성되어 MOSCAP의 경우 metal에 (+), semicondcuctor에 (-)가 형성되어 oxide에 정상적으로 전하가 축적이 됩니다. 이 때 교류를 사용하는 경우 low frequency에서는 Ctotal 에 Cinsulator로 회복이 되는 것과 달리 frequency가 높을 때에는 Ci로 회복되지 못하기도 합니다.
✍️ MOSFET의 구조와 동작원리, 특성저하 원인과 해결방법, HKMG의 도입배경, FinFET의 구조와 원리 및 문제점, 그리고 MOSCAP의 구조와 원리까지 MOSFET 관련 출제 가능한 면접 문제를 모두 준비할 수 있었다.
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