본 논문에서는 절연물체로 $Si_3N_4$를 사용한 MIM커패시터의 정합특성의 온도에 대한 의존성에 대해 분석하였다. 온도가 올라감에 따라 정합특성이 열화 되는 현상이 나타났다. 즉, $25^{\circ}C$, $75^{\circ}C$ 그리고 $125^{\circ}C$에서 $Si_3N_4$ MIM 커패시터의 정합특성 계수는 각각 0.5870, 0.6151, $0.7861%{\mu}m$으로 측정 되었다. 이러한 현상은 온도가 증가함에 따라 커패시터 내부의 캐리어들의 이동도가 감소하고 전하의 농도가 많아지기 때문이라고 할 수 있다. 따라서 고온에서의 $Si_3N_4$ MIM 커패시터의 정합특성의 분석은 아날로그 집적회로나 SoC (System on Chip)에 아주 중요하고 필수적인 연구라고 할 수 있다.
본 논문에서는 절연물체로 $Si_3N_4$를 사용한 MIM 커패시터의 정합특성의 온도에 대한 의존성에 대해 분석하였다. 온도가 올라감에 따라 정합특성이 열화 되는 현상이 나타났다. 즉, $25^{\circ}C$, $75^{\circ}C$ 그리고 $125^{\circ}C$에서 $Si_3N_4$ MIM 커패시터의 정합특성 계수는 각각 0.5870, 0.6151, $0.7861%{\mu}m$으로 측정 되었다. 이러한 현상은 온도가 증가함에 따라 커패시터 내부의 캐리어들의 이동도가 감소하고 전하의 농도가 많아지기 때문이라고 할 수 있다. 따라서 고온에서의 $Si_3N_4$ MIM 커패시터의 정합특성의 분석은 아날로그 집적회로나 SoC (System on Chip)에 아주 중요하고 필수적인 연구라고 할 수 있다.
In this paper, temperature dependence of matching characteristics of $Si_3N_4$ MIM capacitor was analyzed in depth. The matching characteristics becomes worse as the temperature increases. That is, the matching coefficient of $Si_3N_4$ MIM capacitor at $25^{\circ}C$,...
In this paper, temperature dependence of matching characteristics of $Si_3N_4$ MIM capacitor was analyzed in depth. The matching characteristics becomes worse as the temperature increases. That is, the matching coefficient of $Si_3N_4$ MIM capacitor at $25^{\circ}C$, $75^{\circ}C$, and $125^{\circ}C$ was 0.5870, 0.6151, and $0.7861%{\mu}m$, respectively. This phenomena is believed to be due to the reduction of the carrier mobility and the increase of the charge concentration of the inner capacitor at greater temperature. Therefore, the analysis of the matching characteristics of $Si_3N_4$ MIM capacitors at high temperatures is essential for application to analog and SoC (System on Chip) circuit.
In this paper, temperature dependence of matching characteristics of $Si_3N_4$ MIM capacitor was analyzed in depth. The matching characteristics becomes worse as the temperature increases. That is, the matching coefficient of $Si_3N_4$ MIM capacitor at $25^{\circ}C$, $75^{\circ}C$, and $125^{\circ}C$ was 0.5870, 0.6151, and $0.7861%{\mu}m$, respectively. This phenomena is believed to be due to the reduction of the carrier mobility and the increase of the charge concentration of the inner capacitor at greater temperature. Therefore, the analysis of the matching characteristics of $Si_3N_4$ MIM capacitors at high temperatures is essential for application to analog and SoC (System on Chip) circuit.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 FGMT 방법을 이용하여 절연 물질로 실리콘 질화막 (Si3N4)을 사용한 MIM 커패시터의 온도에 따른 정합 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 절연물질로 실리콘 질화막(Si3N4)을 사용한 MIM 커패시터의 정합특성을 온도에 따라 비교 분석을 하였다. MIM 커패시터의 정합특성을 25℃, 75℃, 125℃에서 측정하여 비교해 본 결과, 온도가 높아짐에 따라 정합특성이 열화가 되는 것을 확인 하였다.
제안 방법
이러한 방법으로 HP4156C semiconductor parameter analyzer를 이용하여 25℃에서 MIM 커패시터들을 측정하였다. 25℃에서 측정이 끝난 후, 온도를 75℃와 125℃로 차례로 높이면서 25℃에서와 마찬가지의 방법으로 측정을 진행하였다. 그리고 HP4284A 장비를 이용하여 Si3N4 MIM 커패시터의 가장 큰 면적에서 온도를 변화시켜가면서 주파수가 100kHz일 때의 전압에 따른 정전용량을 측정하였다.
Si3N4 MIM 커패시터의 가장 작은 크기인 5×5 (μm2)에서의 정합특성의 누적 확률 분포를 그림 3과 같이 온도조건에 따라 비교하였다.
25℃에서 측정이 끝난 후, 온도를 75℃와 125℃로 차례로 높이면서 25℃에서와 마찬가지의 방법으로 측정을 진행하였다. 그리고 HP4284A 장비를 이용하여 Si3N4 MIM 커패시터의 가장 큰 면적에서 온도를 변화시켜가면서 주파수가 100kHz일 때의 전압에 따른 정전용량을 측정하였다. 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 30개 이상의 sample을 측정하여 통계적으로 분석하였다.
상온에서 전압이 인가되어 있지 않은 상태에서의 정전용량(C0)을 기준으로, 각 온도별로 정전용량의 변화량을 구하여 기울기를 추출 하였다. 기울기는 36.
이러한 방법으로 HP4156C semiconductor parameter analyzer를 이용하여 25℃에서 MIM 커패시터들을 측정하였다. 25℃에서 측정이 끝난 후, 온도를 75℃와 125℃로 차례로 높이면서 25℃에서와 마찬가지의 방법으로 측정을 진행하였다.
대상 데이터
13μm CMOS 공정을 이용하여 제작하였으며, Metal 2와 Metal 3 사이에 형성하였다. MIM 커패시터의 bottom electrode와 top electrode로는 TiN을 사용하였으며 약 650Å 두께의 Si3N4를 PECVD로 형성 하였다. 표 1은 본 실험에서 사용된 MIM 커패시터들의 여러 면적을 나타낸 것이며, source follower는 PMOS(W/L = 5/0.
실험에 사용한 MIM 커패시터는 일반적인 0.13μm CMOS 공정을 이용하여 제작하였으며, Metal 2와 Metal 3 사이에 형성하였다.
표 1은 본 실험에서 사용된 MIM 커패시터들의 여러 면적을 나타낸 것이며, source follower는 PMOS(W/L = 5/0.35μm)을 사용하였다.
데이터처리
그리고 HP4284A 장비를 이용하여 Si3N4 MIM 커패시터의 가장 큰 면적에서 온도를 변화시켜가면서 주파수가 100kHz일 때의 전압에 따른 정전용량을 측정하였다. 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 30개 이상의 sample을 측정하여 통계적으로 분석하였다.
이론/모형
1. Schematic diagram of the floating gate capacitance measurement technique (FGMT) for measurement of matching characteristics.
본 실험에서는 정합특성 계수를 추출하기 위해 FGMT 방법을 이용하였으며 측정 방법은 다음과 같다[5∼7].
성능/효과
, 온도가 올라갈수록 기울기가 커지는 것을 알 수 있다. 25℃보다 75℃에서는 정합특성계수는 4.79% 증가한 것을 알 수 있으며, 125℃에서는 25℃보다 33.92%가 더 증가한 것을 확인 할 수 있다. 이러한 결과를 통해 온도가 높아짐에 따라 커패시터의 정합특성이 열화 되는 것을 알 수 있다.
)을 사용한 MIM 커패시터의 정합특성을 온도에 따라 비교 분석을 하였다. MIM 커패시터의 정합특성을 25℃, 75℃, 125℃에서 측정하여 비교해 본 결과, 온도가 높아짐에 따라 정합특성이 열화가 되는 것을 확인 하였다. 75℃의 경우 25℃에서보다 정합특성계수가 4.
12(ppm /℃)이다. TCC를 측정함으로서 Si3N4를 사용한 MIM 커패시터는 다른 물질들을 사용한 MIM 커패시터와 마찬가지로 온도에 따라 정전용량이 일정하게 증가 하는 것을 알 수 있었다 [14-15]. 이런 결과를 종합하여 보았을 때, MIM 커패시터는 온도에 따라 특성이 변하는 것을 알 수가 있으며, 이러한 변화는 정합특성에도 영향을 미치는 원인이 될 수 있다고 할 수 있다.
TCC를 측정함으로서 Si3N4를 사용한 MIM 커패시터는 다른 물질들을 사용한 MIM 커패시터와 마찬가지로 온도에 따라 정전용량이 일정하게 증가 하는 것을 알 수 있었다 [14-15]. 이런 결과를 종합하여 보았을 때, MIM 커패시터는 온도에 따라 특성이 변하는 것을 알 수가 있으며, 이러한 변화는 정합특성에도 영향을 미치는 원인이 될 수 있다고 할 수 있다.
후속연구
25℃에서와 75℃에서는 그림 3과 같이 정전용량의 차이 값이 비슷한 경향을 보이고 있지만 125℃에서는 차이 값의 변동이 다른 조건에 비해 큰 것을 알 수 있다. 이 결과로 온도가 높아짐에 따라 MIM 커패시터의 정합특성이 달라질 수 있으며, 이에 따른 분석이 반드시 필요하다고 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
아날로그 회로의 집적화를 위해 무엇이 필요한가?
더욱이 최근에 아날로그 소자의 회로의 집적화 및 성능 향상을 위해 능동 소자 뿐만 아니라 수동 소자의 집적화가 진행됨에 따라 수동 소자간의 부정합 오류 (mismatch error)를 정확히 평가하는 것이 매우 중요해지고 있다[4]. 특히 아날로그 회로의 집적화를 위해서는 다른 소자들에 비해 많은 면적을 차지하고 있는 커패시터의 크기를 줄이는 것이 매우 필요하다고 할 수 있다. 하지만 MIM 커패시터의 면적과 정합 특성은 trade-off 관계를 갖기 때문에 MIM 커패시터의 정합특성에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다[5].
FGMT의 장점은 무엇인가?
최근 아날로그 회로에서는 미세한 정전 용량을 요구하는 회로가 많아지면서 기존의 연구로는 면적이 작아진 커패시터의 정전 용량에 대한 평가를 LCR meter로 측정하는데 한계가 발생하게 되었다. 따라서 최근에 미세한 정전 용량을 측정하기 위한 FGMT(Floating Gate Measurement Technique), CBCM(Charge-Based Capacitance Measurement)와 같은 방법이 제안되고 있으며, 특히 FGMT의 측정 방법은 source follower의 parasitic 커패시터의 영향을 없앨 수 있기 때문에 좀 더 정확한 정합 특성을 추출해 낼 수 있다고 알려져 있다[5～8]. 이러한 기존의 정합특성에 대한 논문들은 주로 상온에서 이루어져 왔다.
차동 쌍 구조를 가지는 회로에서 소자 간 정합 특성이 중요한 이유는 무엇인가?
아날로그 회로에서 널리 사용되는 differential amplifier, current mirror, voltage divider, band-gap voltage references, feedback networks, DAC, ADC 등에서는 주로 두 개 이상의 소자가 pair로 구성되는 차동 쌍(differential pair)을 많이 사용하고 있다. 이런 회로에서 두 소자가 정밀한 정합 특성을 갖지 않는다면 회로의 성능이 저하되거나 심한 경우 오동작을 일으킬수 있으므로 소자 간 정합 특성은 무엇보다 중요하다고할 수 있다[1∼2]. 일반적으로 디지털 회로에서는 소자 간의 변수 차이가 출력부분에 큰 영향을 미치지 않지만, 아날로그 회로에서는 동작에 큰 영향을 미치게 된다.
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