쉽게 이해해보자! MOSFET의 SHORT CHANNEL EFFECT

쉽게 이해해보자! MOSFET의 SHORT CHANNEL EFFECT

안녕하세요, 여러분~! SK Careers Editor 박승민입니다.
각 기업에서 경쟁력을 얻기 위해 반도체의 가격을 낮출려고 합니다. 하지만 반도체의 가격을 낮추기 위해서는 반도체 칩 내에 트랜지스터(Transistor)의 개수를 늘려야 합니다. 트랜지스터의 개수를 늘리려고 하면 트랜지스터의 크기를 물리적으로 줄여야 하는데 이 과정 속에서 채널이 짧아져 발생하는 문제가 생깁니다.
오늘은 트랜지스터의 크기가 작아지면서 발생하는 Short Channel Effect에 대해서 알아보려고 합니다.
Short Channel Effect는 무엇인지, 발생하는 문제점 중 대표적인 두가지와 이를 어떻게 극복해 나가고 있는지 지금부터 알려드리도록 하겠습니다. 같이 가실까요~!?

SK Careers Editor 박승민

 

 
 

 

반도체의 소자가 작아짐에 따라 면적 대비 더 많은 칩을 생산할 수 있습니다. 소자가 미세화가 되면 소자의 동작 속도가 증가하게 되고 필요한 전력일 줄어들어 성능이 개선되는 장점이 있습니다.
하지만 트랜지스터 소자로 활용하는 MOSFET의 크기를 줄이게 되면 채널의 길이가 짧아져서 전기장과 공핍층의 겹침 현상이 발생하여서 전류가 새는 현상, 즉 Leakage Current가 발생한다는 문제점이 있습니다. 이러한 현상을 Short Channel Effect라고 합니다.
오늘은 Short Channel Effect 중 대표적인 Punch Through 와 DIBL에 대해서 알아보고 어떤 방식으로 문제를 해결해 나가는지 같이 알아보도록 합시다.
 
 

첫번째로 Punch Through라는 현상입니다. 우선 Drain에 전압을 인가하게 되기에 Source쪽보다는 상대적으로 Drain쪽이 큰 Depletion region을 가집니다. 이 상황에서 Gate Length가 줄어들게 되면 Drain 쪽에 형성된 Depletion region이 Source 쪽의 Depletion region과 만나게 되는 현상이 발생하게 됩니다.
Depletion region이 만나게 되면 그 부분을 통해서 누설 전류(Leakage Current)가 발생할 수 있다는 것을 의미하는데요. 이러한 누설전류는 원치 않는 전류의 흐름이기에MOSFET의 특성이 안 좋아지는 것을 의미합니다.
 
 
 

두번째로 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering) 현상입니다. 쉽게 말해 Drain에 전압을 가하게 되면 Drian 전압에 의해 Depletion region이 생기게 되고 전류가 흐르는 길인 Source와 Drain사이에 Carrier가 넘어갈 Barrier가 낮아져서 동작 전압이 낮아져 누설 전류(Leakage Current)가 발생하는 현상입니다.
DIBL의 매커니즘은 정성적으로 쉽게 이해할 수 있는데요. 매커니즘을 하나씩 설명 드릴 게요! 우선 Long Channel인 경우 Gate에 전압을 인가해준 후 Drain에 인가 해주게 되면 그림 오른쪽의 [1]과 같은 Energy Barrier가 형성되게 됩니다. 즉, 전자가 Barrier의 높이만큼 뛰어넘어 Channel을 타고 Drain쪽으로 가는 상황으로 이해할 수 있습니다.
하지만 Channel이 점점 짧아지게 되면 [3]과 같은 밴드 다이어그램이 형성되는데요. 이러한 모습은 Drain에 전압을 인가한 것 때문에 Barrier가 낮아져서Channel 층의 Barrier 도 함께 낮아져 발생하는 현상입니다.
이렇게 되면 전자가 느끼는 Energy Barrier가 낮아져 누설전류가 생길 수 있다는 것을 의미하는데요. 즉, Drain 전압 때문에 Channel이 영향을 받는 것이기에 MOSFET의 특성이 안 좋아지는 것을 의미합니다.
 

이러한 Short Channel Effect는 MOSFET의 구조를 개선함으로써 문제를 해결할 수 있습니다. 게이트 구조를 일반적인 Planar MOSFET의 구조가 아닌 FinFET 구조로 변경하게 되면, 게이트 영역이 대부분의 채널 영역을 ‘ㄷ’자 또는 ‘ㅁ’자 형태로 감싸서, Drain에 인가되는 전압으로 인해서 영향을 받는 영역을 최소화 할 수 있습니다. 최근에 개발된 MBCFET(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor)는 채널을 사방으로 감싸는 형태를 띄고 있습니다. 이렇게 되면 여러 누설전류를 방지하거나 줄이는데 효과적입니다. FinFET이나 MBCFET과 같은 형태는 평면 타입보다 채널 면적을 2배 이상 접촉하기에 채널의 전류를 관리하는데 더욱 효과적입니다.  
 

 

 

오늘은 저와 함께 Short Channel Effect란 어떤 현상인지 그리고 그에 대한 해결책들을 함께 알아보았습니다. 공정이 점점 미세화 됨에 따라 흐르는 전류를 강력하게 통제할 방법들이 끊임없이 개선된 방법들이 도출되어야 합니다! 최근 트랜드는 Scaling의 축소가 한계에 도달하여 새로운 3D 구조 형태로 바뀌고 있는데요. 그런 만큼 공정 변수나 단위 공정들이 늘어나고 있어 재료 및 장치들이 다변화되고 있습니다. 점점 더욱 발전해 나가는 반도체의 세상! 다음 시간에는 더욱 알찬 내용을 찾아오겠습니다.