Short Channel Effect와 해결방안 - DIBL, GIDL, Velocity Saturation, Hot Carrier Injection

최근 공정이 미세화되어 누설 전류가 생기는 현상이 발생한다. 누설전류가 발생하면 동작 속도가 느려지고 소자의 성능이 저하된다. 이러한 현상을 short channel effect라고 한다. 본 포스팅에서는 SCE의 대표적인 4가지인 DIBL, GIDL, Velocity Saturtion (속도포화), Hot Carrier Injection 효과에 대해 알아보자.

 

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0. Short Channel Effect (단채널효과)

반도체 소자가 작아질수록 같은 웨이퍼 면적에 더 많은 칩을 생산할 수 있어 원가절감이 되고, 소자가 미세화 됨에 따라 속도 증가 및 전력 소모가 감소하여 성능이 개선된다. 하지만 MOSFET에서 채널 길이가 너무 짧아져서 전기장과 공핍층의 중첩이 발생하여 누설 전류가 생기는 현상이 발생하는 문제가 있다. 이러한 현상을 short channel effect라고 한다.

 

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1. DIBL (Drain Induced Barrier Lowering)

" Drain에 전압을 가하면 source로부터 drain으로 carrier가 넘어가기 위한 장벽이 낮아져 Vth가 낮아지고 누설전류가 발생하는 현상 "

Drain 전압에 의해 source에서 drain으로 carrier가 넘어가기 위한 장벽이 낮아지고, 이에 따라 source와 drain이 만나 gate 전압을 걸어주지 않았는데도 전류가 흐르게 된다. 

# Punch Through

Source와 drain의 depletion 영역의 접촉으로 전자가 이동하면서 전류가 발생하는 현상

# 해결방안

Halo Doping

Source와 drain의 n+ 밑부분에 p타입을 도핑하여 depletion 영역을 제거함

 

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2. GIDL ( Gate Induced Drain Leakage )

" Gate에 큰 음의 전압을 가했을 때, depletion 영역이 gate와 drain이 중첩되는 구간에 치고 들어와 전기장에 의해 전자가 drain 쪽으로 tunneling 되어 누설전류가 발생하는 현상 "

Drain 전압이 gate 전압과 큰 차이가 날 때, 즉 Vg << 0 일 때, band to band tunneling (BTBT)에 의해 누설전류가 발생한다. 이는 drain의 valence band에서 drain의 conduction band로 전자가 이동하는 현상이며 이에 따라 누설전류가 발생한다. GIDL은 body 및 gate 전압과의 차이가 클수록 더 발생한다.

 

Band to Band Tunneling이란 gate에 음의 전압을 걸었을 때 아래의 그림과 같이 gate 쪽 에너지 레벨이 올라감에 따라 gate와 drain 간의 얇아진 band gap을 전자가 통과하여 drain쪽 conduction band로 넘어가는 현상이다.

 

Band to Band Tunneling

# 해결방안

1. 도핑 농도 조절

도핑 농도를 조절하여 BTBT가 일어나지 않도록 조절한다.
2. Gate 폴리 재산화 : Gate 양단의 산화막 두께 증가
3. Gate 물질 일함수 조절
4. Drain 쪽 underlap

Source, drain와 gate가 겹쳐지는 부분(overlap)을 없앤다.

 

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3. Velocity Saturation (속도포화)

" Source와 drain 간의 강한 전계에 의해 carrier의 속도가 전계에 비례하게 늘어나지 않는 현상 "

v = uE에 따라 속도는 전기장에 비례하여야 하는데 채널이 짧아지면 carrier가 격자와의 산란과 같은 상호작용에 의해 에너지를 잃어 속도가 더 이상 증가하지 않는다.

 

채널 길이가 짧아 속도가 빨리 포화됨에 따라 pinch-off 이전에 drain 전류도 더 빨리 포화된다.

 

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4. Hot Carrier Injection Effect

" Carrier가 gate 전압에 의해 산화막(SiO2)로 주입되어 gate 전류를 형성하는 현상 "

Drain 근처의 강한 전계에 의해 에너지를 받아 전자가 gate 전압에 의해 gate 산화막에 trap 되어 gate 전류를 발생시키고, Vth 상승을 초래한다. 이에 따라 소자의 특성이 악화된다.

# 해결방안

LDD (Lightly Doped Drain)

전계가 가장 강한 경계면의 도핑 농도를 줄임으로써 drain 부근의 최대 전계를 완화시켜 hot carrier injection 효과를 완화시킨다.