MOSFET Secondary Effect(2차 효과, 단채널효과, 채널길이 변조, DIBL, GIDL, punch trough, body effect)

MOSFET Secondary effect

1. Secondary Effects란?

○ 2차 효과라고도 하며, Transistor가 작아지면서 생기는 부수적인 효과입니다.

○ 의도치 않은 효과이며, Transistor가 정상 작동하는 데 문제를 야기합니다.

○ 통상 SCE(Short Channel effect : 단채널 효과)의 원인으로 발생합니다.

○ Transistor의 크기가 매우 작아진 요즘은 Main effect로 봐도 무방합니다.

 

2. Secondary Effect의 종류

1) Short Channel Effect(단채널 효과)

○ 반도체의 성능을 향상하기 위해 반도체의 length를 줄이게 됩니다.

○ 왜 length를 줄이면 성능이 향상되는지는

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MOSFET 구성, 동작, Drain 전류

위 링크 아래부분의 전류 공식을 확인하면 알 수 있습니다.

○ 보통 length가 0.1마이크로 미터 이하에서 발생합니다.

○ 이러한 Short Channel Effect에 의해 채널 길이 변조 효과, Mobility Degration, Velocity Saturation, DIBL, Punch-thorough, GIDL 등이 발생합니다.

2) 채널 길이 변조 효과

○ 기존 Vth-Vgs = Vds 지점에서 pinch off 현상이 발생했을 때 Saturation이 되어야 합니다.

○ 하지만 채널의 길이가 짧아지면서 Vds가 증가함에 따라 Id가 계속 상승하는 현상입니다.

3) Mobility degradation & Velocity Saturation

○ pinch off 전기장식은 E=Vd-Vd(sat)/△L 입니다.

채널 길이가 짧아질 경우 약간의 Vd 증가만으로 채널의 대부분은 공핍층이 차지하게 됩니다. 따라서 Vd(sat) 값은 낮게 형성됩니다.

뿐만 아니라 △L 값도 작아지기 때문에 E의 값이 증가하게 됩니다. 즉 강한 E-field(전계)가 형성됩니다.

 

○ 강한 전계는 2가지 현상을 야기하게 됩니다.

첫 번째로 강한 전계에 의해 캐리어가 위아래로 흔들리게 되고, 채널의 상 하부에 부딪히는 현상이 나타나게 됩니다. 이에 이동도가 저하되고 심하면 oxide가 파괴될 수 있습니다. 이와 같은 현상이 Mobility degradation입니다.

 

두 번째로 강한 전계에 의해 캐리어끼리의 충돌 확률이 증가하게 되고 캐리어 자체의 속도가 제대로 증가하지 못하게 됩니다. 이러한 현상을 Velocity Saturation이라고 합니다.

4) DIBL(Drain-Induced Barrier Lowering)

○ 채널의 길이가 짧을수록 Drain과 Source 사이의 공핍 영역이 근접하게 되고, 약간의 Vgs 값으로 채널을 형성하게 됩니다.

○ 이로써 transistor가 원하는 전압이 아닌 그보다 더 낮은 전압에서 작동하게 됩니다.

5) Punch – Through

○ DIBL이 심화된 상황으로 Drain과 Source 사이의 거리가 매우 좁아져 공핍층이 맞닿게 됩니다.

○ 이에 따라 맞닿은 공핍층으로 캐리어가 이동하게 됩니다.

 

○ DIBL과 Punch – Through 해결 방안으로는

첫 번째 Source, Drain 깊이를 얕게 도핑해 공핍 영역을 줄입니다.

두 번째 FinFET 구조 등 차세대 MOSFET 구조를 활용합니다.

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MOSFET 구성의 종류(증가형, 공핍형, Planar, FD-soi, FINFET, GAAFET, MBCFET)

세 번째 Source, Drain 주위만 고농도 도핑을 하는 Halo implant 공정을 합니다.

네 번째 Body 자체의 도핑 농도를 높여 공핍 영역을 줄입니다.

6) GIDL(Gate Induced Drain Leakage)

○ Implant 공정 시 source와 Drain의 영역이 Gate와 Overlap 되어 발생하는 현상으로 overlap 되는 부분에서 생긴 공핍층으로 전자가 tunneling 하여 gate에서 body로 누설전류가 흐르는 현상입니다.

○ LDD(Lightly Doped Drain) 공정을 활용해 Drain 깊이를 얕게 합니다.

이때 LDD란 oxide 층을 etch 하지 않고 도핑하는 것으로 oxide 막이 barrier 역할을 하게 되어 얕게 도핑이 됩니다.

7) Body Effect

○ Body의 Voltage가 Source의 Voltage보다 낮을 때 발생합니다.

○ 이렇게 Body의 Voltage가 Source의 Voltage보다 낮게 되면 P-type인 Body와 N-type인 Source 사이 역방향 바이어스가 걸리게 되고, 공핍층이 형성되게 됩니다.(PN 다이오드에서 역방향 바이어스가 걸린 것과 같습니다.)

○ 이에 전위 장벽이 높아지고 채널 형성을 위해 더 높은 Vth 값이 요구되게 됩니다.

○ Body Effect는 Body의 도핑 농도를 높여 해결합니다. 도핑 농도를 높이면 공핍층이 줄어들기 때문입니다.