지난 교육에서 body doping profile에 따른 threshold voltage, Vt에 끼치는 영향에 대해서 배웠습니다. Short channel effect 에서 정말 중요한 내용이니 꼭 본인 것으로 만드시길 바랍니다. 이상.
1. Short Channel Effect
Short channel effect는 channel length, L의 감소하면서 threshold voltage가 감소하는 현상을 의미합니다. 앞선 교육에서 threshold voltage가 작아지는 이유를 source/drain 부근의 depletion region 내 전하의 charge sharing으로 gate oxide 아래에 depletion region의 width를 maximum, Wdmax 도달하는 것을 도와주기 때문에 채널을 형성하는데 더 적은 gate voltage가 요구되기 때문이라고 말씀드렸습니다. 그래서 Short channel effect에서 발생하는 모든 subthreshold current와 같은 누설전류는 Threshold voltage의 감소, 즉 Vt roll-off 라고 표현하며 이로 인해 gate 구동력이 저하되는 특성을 나타냅니다. Short channel effect, SCE는 이전 교육에서 많이 다루었기 때문에 참고하시길 바라겠습니다.
2. Reverse Short Channel Effect
Reverse Short Channel Effect, RSCE 는 Channel length가 짧아짐에 따라 threshold voltage가 감소하는 SCE와 달리 Channel length가 짧아짐에 따라 threshold voltage가 증가하는 현상입니다. RSCE는 Vt roll-up으로 표현하며 주된 원인은 추가적인 short channel effect를 억제하기 위한 halo doping (or pocket implant) 공정에 의해 나타나는 현상입니다. 이전 교육에서 pocket implant에 따른 threshold voltage가 증가하는 원리에 대해서 다루어보았습니다. 아래 링크를 참고해주세요.
[세부설명]
Short channel effect는 channel length가 짧아지면서 발생하는 자연스러운 현상입니다. Reverse Short Channel Effect는 추가적인 공정이 도입이 됐을 때 나타나는 현상입니다. 그래서 위와 같이 channel length에 따른 threshold voltage의 관계를 보았을 때, 특정 공정이 도입이 되었는지를 추측할 수 있습니다. 추가적인 공정이 도입이 되지 않았을 경우, channel length가 짧아짐에 따라 threshold voltage가 작아지는 경향을 볼 수 있습니다. lateral non-uniform doping profile (pocket implant)를 도입한 경우 channel length가 짧아질수록 threshold voltage이 약간 증가하는 것을 확인할 수 있습니다. (결국에 channel length가 수십 nm로 갈 경우는 threshold voltage가 급격히 감소하지만요)
3. Channel Width Effect
Channel Width Effect는 channel의 width의 변화에 따라 threshold voltage가 변하는 현상입니다. channel width의 변화를 야기하는 것은 반도체 소자의 active domain을 나누는 isolation 공정에서 비롯됩니다. isolation 공정은 대표적으로 LOCOS와 STI 공정이 있습니다. 이 두 가지 공정에 대해서는 "반도체 공정-Oxidation"에서 다루도록 하겠습니다.
Narrow channel width effect Narrow channel width effect는 channel width가 감소하면서 threshold voltage가 증가하는 현상입니다. isolation 공정에서 LOCOS 공정을 적용할 경우, 한 가지 이슈가 존재합니다. 바로 'Bird's beak' 문제입니다. 등방성으로 습식산화를 통해 oxidation 되면서 field oxide가 gate 아래 전극아래 까지 치고 들어가면서 전체 channel width가 감소하게 됩니다.
LOCOS 공정에 의해 생긴 'bird's beak' 때문에 설계한 MOSFET의 gate의 width, W보다 △W가 추가되어 Wm이 됩니다. 설계한 MOSFET의 W에 해당하는 만큼 Charge를 모으기 위한 gate voltage를 인가해주어야 했지만, 확장이 됐기 Wm으로 확장이 됐기 때문에 더 많은 charge를 끌어모아야 합니다. (Field oxide 아래 추가된 영역만큼). channel width가 충분히 클 때는 field oxide 아래 존재하는 영역이 그렇게 큰 비중을 차지하지 않기 떄문에 큰 문제가 되지 않았지만 소자 dimension이 작아짐에 따라 channel width가 작아질수록 field oxide에 의한 width 변화량의 비중이 커지면서 threshold voltage 또한 커지게 되는 것입니다. 때문에, LOCOS 공정이 미세공정 트랜드에서 도태된 이유는 Bird's beak에 의한 narrow width effect 때문이고, 최근에는 STI 공정을 통해 Isolation 공정을 진행하기 떄문에 narrow width effect의 이슈는 극복되었다고 보시면 됩니다.
Reverse narrow channel width effect Reverse narrow channel width effect는 channel width가 감소함에 따라 threshold voltage가 감소하는 현상입니다. 이는 narrow channel width effect의 LOCOS공정과 달리 STI isolation 공정이 원인입니다. 'punch through'를 다루면서 electric field는 sharp한 뾰족한 부분에 집중되는 것을 배웠습니다. trench 구조의 코너 부근에 electric field가 집중되고 positive charge ion이 쌓이게 됩니다. 그 결과 positive charge에 의해 작은 gate 전압에도 충분히 channel을 형성할 수 있게 됩니다. 즉, threshold voltage의 감소한다는 것입니다.
여기서 중요한 점은 NMOS든 PMOS든 모두 Si surface와 STI 코너 부근에 Postive charge ion이 쌓이게 되고 NMOS의 경우 Channel 층을 이루는 캐리어가 전자이기 때문에 threshold voltage는 감소하지만, PMOS의 경우 Channel을 이루는 캐리어가 hole이기 때문에 더 높은 threshold voltage를 요구하게 됩니다.
지금까지 Channel width effect에 대해서 알아보았습니다. 면접에서 이렇게 깊이 물어보지는 않을 것 같습니다. 이해가 되지 않는 부분은 댓글을 통해 피드백 부탁드리겠습니다. 오늘 하루도 고생하셨습니다. 충성! from 교관 홍딴딴
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