반도체 소자 기본과 Short Channel effect

반도체 소자

​

반도체는 에너지 밴드갭의 특성으로 나누어지는 것으로, 주로 0.2eV~2eV의 밴드갭을 가지고, 부도체는 약3~6eV이상이다. 대표적인 반도체로 Si는 1.12eV, Ge는 0.67eV, GaAs는 1.43eV이다.

실리콘은 반도체이지만 전계에 의해 전자가 쉽게 움직이지 않는다. 왜냐하면 자유전자가 없기 때문이다. 따라서 자유전자를 만들기 위해 불순물을 투입한다. (공정과정 중 이온주입 공정을 거친다.)

이 때, 중요한 점은 Hole과 electron의 mobility 차이를 기억해야 한다는 것이다. electron의 mobility가 훨씬 빠르다. MOS에서 NMOS를 더 사용하는 이유이다.

 

MOS는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS Field-effect transistor)이다. 대부분 반도체 소자의 기본이 되는 소자이다.

 

자 이제 MOS에서 생기는 현상들과 현상해결방법에 대해서 알아보겠다.

MOS에서 Saturation이 될 경우 전류가 일정하다고 배웠지만, 실제론 Saturation 영역에서도 Drain 전압을 증가시키면 전류도 증가한다. 왜냐하면 Drain전압을 높일 경우 Drain에서의 Depletion 영역이 확대 되면서 채널영역인 Inversion 영역을 잠식한다. 그리고 채널이 끊어지게 된다. 따라서 채널이 점차 짧아지게 되고, 이 줄어든 채널은 Effective channel length라 부른다.

 

 

Short channel effect

이렇게 채널이 짧아지면 여러 문제점들이 생긴다.

 

DIBL

 Channel length가 짧아지고 Drain전압이 증가하면서 Depletion 영역이 확대되면서 채널에 영향을 끼친다. 또한 채널의 전위장벽(Energy barrier)이 낮아지고, 이로 인해 Vth가 감소하는 현상이다.

그래서 Drain영역이 Source와 만난다면 Gate전압을 가하지 않아도 Drain전압만으로 전자가 이동된다.

 DIBL현상은 Output resistance(Drain과 Source간의 Output 저항)를 보고 확인할 수 있다. 어느 순간부터 ro가 감소하는 영역에서 DIBL현상이 발생한다. 이후 Impact Ionization이 생기면서 ro가 감소하는데 이는 hot carrier로 인해 생기는 현상이다.

 

Punch through

S/D 간의 Depletion의 접촉으로 인해 전자가 이동하면서 전류가 급증하는데 이를 Punch through라 한다. 이를 해결하기 위해서 Halo doping을 사용한다. n+ 밑부분에 p타입을 도핑하여 n+의 depletion영역을 제거한다.

 

 

Hot Carrier effect / Injection

 Drain전압이 증가하고 DIBL 같은 현상이 겹치면서 높은 Field를 형성하고 electron/hole의 운동에너지가 증가한다. 이렇게 높은 운동에너지를 가지고 가속되는 전자를 hot carrier라 부른다. 이런 전자가 강한 힘을 주체하지 못하고 Oxide에 trap되며 injection되는 현상이 발생한다. 이를 열화현상이라 한다. Oxide에 전자가 주입되면 유전율이 낮아지면서 동작불량현상이 발생할 수 있다.

이를 LDD와 Side wall spacer로 해결할 수 있다.

N+ 앞쪽에 LDD(Lightly Doped Drain), Space를 설치함으로써 채널영역과 경계의 전계세기를 감소시킬 수 있다.