오늘은 반도체 소자의 신뢰성에 영향을 미치는 이슈에 대한 Mechanism에 대해서 다루어보도록 하겠습니다. 소자의 성능이 Aging 되는 이유!!
[질문 1] Band-to-Band Tunneling (BTBT)에 대해서 설명하세요.
Band-to-Band Tunneling은 PN Junction에서 강한 Reverse Bias가 인가되어, E-Field가 8MV/cm 이상 걸렸을 때, P-type Bulk Si의 Valance Band에 있는 Electron이 Conduction Band로 Tunneling이 일어나면서 발생하는 Tunneling Current를 의미합니다. Band-to-Band Tunneling Current는 Reverse Bias가 클수록, 소재의 Energy Band gap (Eg)가 작을수록 커집니다. 동일 Reverse Bias 조건에서 PN Junction의 Doping 농도에 의한 전위차이가 클수록 계면의 Energy Band의 Bending이 심해지면서 E-field의 peak가 커지게 되고(E-Field = -▽V), 그에 따른 Tunneling Distance가 짧아지면서 Band-to-Band Tunneling Current는 증가하게 됩니다. BTBT는 PN Junction에서 Zener Breakdown Mechanism을 설명할 수 있습니다. 또한 High Steep Subthreshold Slope 구현을 위해 고안된 Tunneling FET (TFET) 소자의 Current Mechanism이 됩니다.
[꼬리 1-2] Tunneling FET에 대해서 간략하게 설명해주시겠습니까.
기존 Bulk MOSFET은 Source 내 Carrier가 Si/SiO2 계면으로 Carrier가 Diffusion에 의해 Energy Barrier를 넘어서 Injection 되는 Mechanism을 가집니다. 이러한 거동은 열 방출 (Thermionic Emission) 모델로 해석되며, MOSFET 소자의 Subthreshold Swing이 60mV/dec의 한계를 가지는 이유입니다. 그와 달리 TFET의 경우, Band-to-Band Tunneling Mechanism으로 Carrier가 Channel로 주입되기에, .Subthreshold Current를 효과적으로 억제하기 때문에 60mV/dec 이하의 High Steep Subthreshold Slope 특성을 확보할 수 있습니다. SS 특성은 Tr. Speed와 관련 있는 특성으로, Steep Slope 소자인 TFET은 MOSFET 대비 Speed 차원에서 우수한 특성을 가집니다.
[꼬리 1-3] Tunneling FET의 동작특성에 대해서 간략하게 설명해주세요.
우선 TFET의 경우, 기존 Bulk Si MOSFET 구조와 달리 Asymmetric 구조의 Source/Drain Doping Profile을 가집니다. 그리고 기존의 반전층으로 Switching 기능을 했던 기존 MOSFET의 Body는 p-type의 body(or well) 구조이지만, TFET의 경우 Intrinsic Si이 Body가 됩니다. 동작특성을 간략하게 설명드리면, 충분한 Gate Bias가 인가되면, Intrinsic Si 내 Electron을 Accumulation 되고, 그로 인해 Conduction Band가 P-영역의 Valance Band와 Align이 되면 Tunneling이 발생하면서 Current에 기여하게 되면서 On-state가 됩니다. Gate Bias가 감소하면 Band 간 Mis-align이 발생하면서 전류가 흐르지 않는 Off 상태가 됩니다.
[질문 2] Avalanche Multiplication의 Mechanism에 대해서 설명해주세요.
Avalanche Multiplication은 PN Junction에서 발생하는 대표적인 Breakdown Mechanism 입니다. PN Diode는 Forward Bias가 인가되면 Energy Barrier가 작아지면서 Current가 발생하지만, Reverse Bias가 인가되면 Energy Barrier가 커지면서 Current가 차단되는 정류작용의 기능을 합니다. 하지만 강한 Reverse Bias가 인가될 경우, Breakdown이 발생하게 되면서 소자가 파괴되는 신뢰성의 이슈가 발생할 수 있습니다.
Reverse Bias 인가 시, 발생할 수 있는 Breakdown Mechanism은 바로 Zener Breakdown과 Avalanche Breakdown입니다. Zener Breakdown의 Mechanism은 앞서 설명드렸듯이 Band-to-Band Tunneling Mechanism에 의한 Tunneling Current 기인 Breakdown입니다. Avalanche Breakdown의 경우, Impact Ionization에 의해서 Avalanche Multiplication이 일어나면서 Current를 제어할 수 없는 현상입니다.
강한 Reverse Bias가 인가되면, Depletion 영역은 Carrier가 존재하지 않기 때문에 높은 저항 특성을 가지고, 그로 인해 Depletion 내 강한 E-Field가 형성됩니다. 소재마다 Critical E-Field를 가지며, Depletion 내 E-field의 Peak가 Energy Bandgap (Eg) 이상의 세기가 형성되면 Impact Ionization이 발생하게 됩니다. p-type 영역의 Valance Band의 전자가 Energy를 얻어 Exciting 되고, Electron-Hole Pair(EHP)가 형성됩니다. 형성된 EHP는 Depletion 내 강한 E-Field에 의해 전자는 n영역으로, 정공은 p영역으로 가속되고, Lattice 원자들과 충돌이 일어납니다. 강한 충돌에너지에 의해 결정격자 원자의 구속되었던 전자가 구속에서 벗어나면서 또 다시 EHP가 형성되고, 이 과정이 연쇄적으로 반복됩니다. 급격한 EHP의 증가로 인해 PN Diode의 Breakdown을 일으킵니다.
[꼬리 2-1] Avalanche Breakdown의 개선 방법에 대해서 설명해주세요.
동일한 Bias 조건에서 Doping 농도를 낮춤으로써 Depletion Region을 확장시켜 Depletion Region 내에 Electrical Field를 Re-distribution 시켜야 합니다. 그럴 경우, Depletion E-Field peak가 작아지게 되면서 Avalanche Multiplication 발생을 억제할 수 있습니다. (소자의 Breakdown Voltage와 상관관계, #비밀노트 참고). 하지만 Depletion Region이 확장된 상태에서 강한 Reverse Bias가 인가되면 Carrier가 Depletion 영역 내에서 가속되는 Distance가 증가하기 때문에 Avalanche Breakdown에 취약할 수 있습니다. 따라서 Doping 농도를 제어함으로써 E-Field peak를 낮추거나, PN Junction에 인가되는 Reverse Bias를 최적화 함으로써 Avalanche Breakdown을 억제할 수 있습니다.
소자의 신뢰성 저하 시키는 요인들의 메커니즘 중 Band-to-Band Tunneling, Avalanche Multiplication에 대해서 다루어보았습니다. 2편도 기대해주세요! 오늘 하루도 고생 많으셨습니다. 충성!
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