[반도체 소자] : [Short Channel Effect #2] "Punch Through에 대해서 설명하세요"

Short Channel Effect, SCE의 대표적인 현상 DIBL과 Subthreshold Current에 대해서 알아보았습니다.
이번 교육에서는 Punch through와 Velocity Saturation에 대해서 교육하겠습니다.

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질문 1]. Short Channel Effect 현상 중 Punch through에 대해서 설명해보세요.

• Keyword : [Short channel effect, depletion region, charge path, pocket doping or halo doping]

대부분의 leakage current는 source-body-drain으로 흐르게 됩니다. punch through는 소자 dimension이 작아지면서, source/body, drain/body간의 junction에 의해 형성된 depletion region이 맞닿아 생긴 charge path를 통해 전자가 이동하면서 전류가 급증하는 현상입니다. MOSFET 소자의 전류는 캐리어가 표면 Interface에 형성된 channel을 통해 이동해야 하지만 Punch through는 형성된 depletion이 body에서 만나 공핍층 내에 강한 electric field에 의해 source에서 drain으로 캐리어가 이동하게 됩니다. 따라서 gate voltage과 무관하게 drain voltage에 의해 원치 않은 전류가 흐르게 되면서 소자 신뢰성이 저하됩니다.

Punch through

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[꼬리 1-1].  Punch through 현상을 개선하기 위한 방법에 대해서 설명해보세요.

"교육생 여러분들은 Short channel effect의 원인-결과-개선사항 순으로 숙지하는 것을 추천드립니다."

Punch through 현상은 drain에서 확장된 depletion region의 확장을 억제해주면 됩니다. depletion region은 도핑농도가 낮은 방향으로 확장됩니다. 또한 electric field는 edge에서 peak electric field가 집중되는 현상이 있습니다. 이 원리를 이용하여 punch through 현상을 억제하는 방법으로는 3가지가 있습니다. 첫 번째는 source/drain side에 고농도의 p+ halo doping (or pocket doping)을 해줌으로써 depletion region이 body 쪽으로 확장시키는 것을 방지할 수 있습니다.(이는 lateral 측면의 retrograde body doping profile을 채택한다고 표현합니다.) 두 번째는 source/drain을 Shallow junction depth profile로 얕게 도핑함으로써 수평으로 depletion region의 확장을 억제하는 것이고, 세 번째는 body의 charge path를 제거하기 위해 Silicon on Insulator, SOI 기술을 채택함으로써 Punch through 현상을 억제할 수 있습니다.

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[꼬리 1-2].  Halo doping (or pocket implant)에 대해서 설명해보세요.

Halo doping (or pocket implant)은 source/drain side의 측면으로 ion implant 공정을 통해 고농도 p+ doping을 해줌으로써 depletion region의 확장을 억제하게 되면서 punch through 현상을 억제할 수 있습니다. Depletion region의 width 식을 보면, 도핑농도가 높은쪽에서 도핑농도가 낮은 쪽으로 Depletion region이 확장됩니다(왼쪽 그림 참조). Lateral retrograde body doping을 통해 수평방향으로 확장하는 depletion region을 방지함으로써 punch through를 억제할 수 있는 효과가 있으며, 추가적으로 channel length가 짧아지면서 threshold voltage가 점점 작아져 on/off 특성을 상실하게 되는데, halo doping 공정을 적용하면 threshold voltage가 증가하여 SCE를 최소화 할 수 있습니다.

"Halo doping (or pocket implant)에 대해서 Short Channel Effect 교육 이후, 좀 더 심도있게 다루도록 하겠습니다."

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[꼬리 1-3].  Shallow junction depth profile이 punch through를 억제하는 원리에 대해서 설명해보세요.

반도체 소자 dimension이 점점 작아지면서 body factor를 작게 만듦으로써 gate 구동력을 높이는 방법 중 하나가 shallow junction depth profile입니다. shallow junction depth profile을 채택하면 기생 capacitance 성분을 최소화 시킬 수 있습니다. 그렇기 때문에 Short channel effect를 억제하기 위해서는 source drain의 junction depth를 얕게 하는 것이 핵심 key factor입니다. electric peak는 edge 부분에서 집중되기 때문에 junction depth를 얕게하면 lateral 방향이 아닌 vertical 방향으로 depletion region이 확장되면서 punch through 현상을 억제할 수 있습니다.

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[꼬리 1-4].  Shallow junction depth profile의 이슈나 단점은?

현재 ion implant 공정을 통해 구현할 수 있는 junction depth는 수십나노까지 제어 가능하다고 알고 있습니다. shallow junction depth profile을 구현하기 위해서는 정확한 양의 이온 주입 공정과 할로겐 램프나 레이저를 이용한 국부적인 위치의 급속 열처리 기술이 요구됩니다. 또한 Shallow junction depth profile의 경우 junction depth가 얕아지면서 source/drain의 저항성분이 증가하여, 출력특성이 저하되는 이슈가 발생합니다. 그래서 source/drain을 수직으로 성장한 raised source/drain 소자가 제안되기도 했습니다. 

Raised source/drain MOSFET

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Summary

Issue of 'Punch Through'

1. channel length가 짧아지면서 source와 drain 사이 dimension이 작아짐
2. source와 drain의 depletion region이 맞닿아 gate voltage에 관계없이 carrier가 drain으로 이동함
3. Transistor의 정확한 on/off 동작이 불가능해짐
4. 특히 electric field는 뾰족한 곳으로 focusing 돼서, drain 접합 edge에 electric field가 집중됨. (위 그림같이 depletion region 확장)

Solution

1. Drain 코너 부분에 기판농도를 국부적으로 증가시키는 halo doping (or pocket implant) 공정 도입
2. 코너 부위의 depletion region 확장을 억제함.

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금일 교육은 여기서 마치겠습니다.
다음 교육에서는 나머지 Short Channel Effect에 대해서 다루도록 하겠습니다.