Body Effect은 Bulk 전압과 Source 전압과의 차이가 발생했을 때, (Vsb≠0) 소자 특성이 변화되는 현상입니다. 즉, 소자의 특성이 Body 전위의 함수가 되는 것을 Body Effect이라 할 수 있습니다. Body 전압이 Source 대비 작을 경우, (Reverse Bias) 소자의 Vth가 커지고, 전도성이 작아지기 때문에 소자의 전류가 감소하게 됩니다. 특히 아날로그회로설계 및 High Speed 디지털 회로 설계 시 소자의 Body Effect을 고려하지 않을 경우, 회로의 성능 저하를 초래할 수있어 회로 설계 시 매우중요한 특성입니다.
[꼬리 1.1] Body에 Reverse Bias를 인가하면 문턱전압이 증가하는 메커니즘을 설명해주세요.
NMOS 기준으로 Body에 Negative Bias가 인가되면 전기적 힘에 의해 소수캐리어인 전자가 Surface로 더욱 잘 이동하여 채널을 잘 형성할 것 같지만 이는 극히 일부입니다. MOSFET 소자의 채널을 형성하는 주요 캐리어는 Source/Body의 Potential Barrier를 극복하고 주입되는 Source 내 전자들입니다. Body에 Negative Bias를 인가하게 될 경우, Source/Body Junction에 Barrier가 커지게 되면서 채널 내로 주입되는 전자의 양이 줄면서 채널 저항이 증가하고, Drain Current가 작아지게 되죠.
네 맞습니다. NMOS의 Junction Structure를 보면 Source/Drain이 N+ Active, Body는 PWELL로 구성되어 있습니다. 말씀하신 Bias 조건이라면, Source/PWELL 사이에 Reverse Bias가 인가되고, 그로 인해 Source에서 채널 쪽으로 주입되는 전위장벽이 커지게 되어 주입되는 전자의 량이 작아지게 되는 것이죠.
[꼬리 1.3] 반대의 경우도 있나.
반대의 경우라고 말씀하시는 것이면, PWELL에 Positive 전위가 형성되었다고 이해하면 되겠습니까. (ㅇㅇ) 소자의 정상적인 동작을 위해서 우리가 소자의 의도적으로 VDD를 인가하는 Case는 드문 것으로 알고 있습니다. 물론, Body Bias를 제어함으로써 소자의 Vth를 제어할 수 있기 때문에, Full range VDD를 인가하기 보다는 Half VDD를 인가하여 소자의 응답특성을 개선하는 목적으로 사용이 되죠. 물론, 이 역시 정확하게 N+/PWELL 간의 Junction BV를 평가하고 Junction Breakdown이 일어나지 않는 조건에서 적용해야 합니다. 이렇듯 Body Effect의 Mechanism을 활용하여 전체 IC 성능을 제어할 수 있습니다.
[꼬리 1.4] 제가 질문드린 것은 Well에 의도치 않은 전위가 생겼을 때의 소자 동작에 대해서 질문한 것이었습니다.
의도치 않은 Well 전위가 형성될 수 있는 Case를 먼저 짚고 넘어가겠습니다. Well의 의도치 않은 전위가 생기는 경우는 첫번째, Well의 저항이 불균일하거나 Well의 전위를 잡아줄 Well Tap이 충분하지 않을 경우에 발생합니다. MOSFET의 경우 정상 동작 범위에서도 채널 내 고온의 전자에 의해 Impact Ionization이 발생하고 수많은 EHP의 생성과 재결합을 반복합니다. 이때, 재결합하지 않은 EHP 중 전자는 Drain으로 빠져나가면서 Drain Leakage를 형성하고, Hole은 기판으로 빠져나가면서 기판전류를 만듭니다. 이때 Well Doping이 불균일하여 국부적인 곳에 Well 저항이 높은 곳에는 Hole을 제대로 빼주지 못하게 되고, Floating된 Hole은 Source 부근 Junction Edge에 축적 됩니다. 이 경우, Source Barrier를 낮추고 Vth가 작아지게 되죠. 이러한 현상을 Floating Body Effect이라 하며, MOSFET 소자의 경우 국부적인 Vth의 감소로 Current Kink (Hump) 현상이 일어나게 됩니다.
[꼬리 1.4] (요놈 많이 준비했네...) Hump 얘기가 나와서 그러는데 Hump 현상의 Mechanism도 알고 있나요.
(쉽지 않군.) Hump 현상의 메커니즘에 대해서 설명드리겠습니다. Hump는 MOSFET 소자의 Active Edge와 Center 간 Vth 차이에 의해서 발생하는 현상입니다. 일반적으로 NMOS에서 주로 발생하며, 그 이유는 바로 NMOS의 Body Well은 일반적으로 Boron을 통한 PWELL로 구성되어 있기 때문입니다. 공정을 초기 Set-up할 시, STI 공정 과정에서 STI의 Top Corner가 Sharp하고 Oxide Thickness가 Edge 영역에서 Thinning이 일어나게 되면 Active Edge에 E-Field가 집중됩니다. 그로 인해, 상대적으로 작은 질량을 가지는 Boron이 이온 주입시 STI Edge를 통해 Out-Diffusion이 발생하게 되고, Active Edge의 Doping 농도가 Center 대비 작아지게 됩니다. 그로 인해, Edge Tr.의 Vth가 작아지게 되고, Gate Voltage Sweep 시 보다 작은 전압에서 Edge Tr.이 먼저 Turn On되고, 이후 Center Tr.이 Turn On 되면서 Hump 현상이 발생합니다. Hump Mechaisnm
※ 낙타 등의 혹을 Hump라 하며, 소자 Current가 낙타의 혹과 같은 Curve 양상을 갖는다 하여 Hump라고 명명함.
Edge Tr.의 Vth가 작아짐
[꼬리 1.5] 소자에 Hump 특성을 평가하는 방법에 대해서 알고 있나요.
네 알고있습니다. I-V Curve에서 Hump 현상 유무를 확인하는 방법은 바로 Body Effect를 활용하는 것입니다. 앞서 Boron Segregation에 의해 Edge Tr.과 Center Tr. 간의 Doping 농도 차이가 발생하고 그로 인해 Vth 차이가 발생하면서 Ids-Vgs Curve에 Hump 현상이 발생한다고 말씀드렸습니다. 하지만 Narrow Width Tr.의 경우 Edge Tr.의 Current가 지배적이고, Wide Tr.의 경우 Center Tr.의 Current가 지배적이기 때문에, 일반적으로 Ids-Vgs Curve에서는 Hump 현상을 보기 어렵습니다. Hump 특성을 측정하기 위해서는 NMOS Well Body에 Negative Bias (Reverse) Bias를 Step (0V, -1V, -2V, ~..)별로 인가해주면서 Ids-Vgs를 측정하게 되면 Hump 특성을 평가할 수 있습니다.
[꼬리 1.6] Body에 Bias를 인가하면서 Transfer Curve를 측정할 때, Hump가 나타나는 Mechanism이 무엇인가요.
앞서 말씀드렸듯이, Body에 Negative Bias를 인가하면 I-V Curve에서 Hump 현상이 관찰됩니다. 그 이유는 바로 Edge Tr.과 Center Tr.의 Body Doping 농도 차이 때문입니다. Body Effect은 Doping 농도가 높을수록 더욱 심화됩니다. 즉, Body에 Reverse Bias가 커질수록 Vth는 더욱 커지게 됩니다. 그 이유는 Doping 농도가 높을수록 접합부에 E-Field가 크고, Body에 Reverse Bias를 인가했을 때, n+ Source와 PWELL 간의 Potential Barrier가 더욱 커지기 때문입니다.
따라서, Boron Segregation에 의해 Edge Tr.은 Center Tr. 대비 Doping 농도가 낮기 때문에, Body Effect에 영향을 덜 받습니다. 따라서, Body Effect에 의한 Vth 상승폭이 작고, Center Tr.은 Edge Tr. 대비 Body Effect에 의한 Vth 상승폭이 커지게 됩니다. 그 결과 Body에 Reverse Bias를 인가할 경우, Body Effect에 의해서 Edge Tr.과 Center Tr. 간의 Vth의 간극이 더 커지면서 Ids-Vgs Curve에서 Hump 현상을 관측할 수 있습니다.
[꼬리 1.7] Hump 현상이 미치는 소자의 영향에 대해서 알고 있나요.
Hump가 발생하는 Mechanism을 설명드렸습니다. 이렇듯, Boron의 Segregation과 같이 Dopant의 농도와 관련된 항목은 Diffusion 확산에 기인하기 때문에 정확하게 Control 하기 어렵습니다. 따라서, Hump가 있을 경우, 인접 소자간의 Vth Mismatch 저하될 수 있습니다.
[꼬리 1.8] Hump를 개선하는 방법에 대해서 설명해주세요.
Hump를 개선하기 위해서는 다양한 방법이 있지만 대표적인 방법 2가지에 대해서 설명드리겠습니다. 우선 Poly 아래 Active 영역에서 Edge Tr.을 Poly와 Overlap 되지 않게 형성하는 것입니다. STI Edge 쪽에 Boron Segregation이 일어나도 소자의 특성을 결정짓는 Active 영역에는 Doping 농도의 차이가 발생하지 않기 때문에, Hump 현상을 개선할 수 있습니다. 하지만 이 같은 경우 소자의 Design Pitch가 커진다는 Side Effect이 있습니다. 또 한 가지 방법은 도핑농도가 작아진 Edge Tr.에 추가로 Boron을 주입해줌으로써 낮아진 Doping 농도만큼 보상해주는 방법이 있습니다. 이 방법은 Edge Tr.에 Boron을 추가 주입하는 만큼 Narrow Tr.에서는 오히려 Vth가 커질 수 있기 때문에, Vth Targeting이 정말 중요합니다.
[꼬리 1.9] 잘 들었습니다. 이제 마지막 질문입니다. Body Factor를 추출하는 방법에 대해서 설명해주세요.
Body Effect을 측정하는 방법은 Drain과 Gate를 연결하여 Short 상태를 만들어줍니다. Source는 Grond에 물리고, Body에 Negative Bias를 인가한 후 Drain에 여러 조건의 Current를 Forcing해 줍니다. 이후 각 조건의 Gate Voltage를 Measure하여, Vth를 계산한 후, △Vth 차이를 구하여 Body Effect Coefficient 식을 이용해 Body Factor를 계산합니다.
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