Retrograde Body Doping profile 개요

*해당 내용은 Chenming Calvin Hu 박사의 "Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits" 교재에서 반도체 물리 내용을 정리한 것입니다.

현대 트랜지스터는 아래 그림처럼 Retrograde body doping profile(이하 "역경사 바디 도핑")을 소자에 채택했습니다. 이것은 얇은 표면층에 낮은 도핑을 하고 그 아래는 아주 높은 도핑을 하는 것을 의미합니다.

위 그림을 통해 Uniform body doping profile(이하 "균일 바디 도핑")도 확인할 수 있습니다. 초기 MOSFET은 해당 doping profile을 채택했는데 이것은 바디 효과에 대한 Wd,max가 Vsb에 따라 바뀌었고, 이것은 바디 효과 이론을 더 복잡하게 만들었습니다.

γ는 바디 효과 매개변수(Body effect parameter)라고 하며 Vt가 Vsb의 제곱근에 비례하여 증가하는 함수임을 예측할 수 있습니다. 아래 그림에서 Data를 보면 제곱근 형태를 띠는 것을 확인할 수 있습니다.

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그렇다면 균일 바디 도핑을 사용하던 것을 왜 역경사 바디 도핑으로 바꿨을까요?

1. 원가를 줄이기 위해서 트랜지스터를 더 작은 크기로 줄이는 것을 가능하게 한다.
2. 불순물 산란을 줄인다.

그럼 먼저 1번 이유에 대해 살펴봅시다.

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1. 원가를 줄이기 위해서 트랜지스터를 더 작은 크기로 줄이는 것을 가능하게 한다.

일반적으로 파운드리에서는 웨이퍼 1장당 생산가격을 받습니다. 설계자 입장에선 웨이퍼 1장당 가격이 정해져있으므로 최대한 많은 칩을 생산해야 합니다. 칩을 많이 생산하기 위해선 트랜지스터가 동일한 성능을 내면서 작아져야 했습니다.

하지만 트랜지스터가 작아지는 것은 어느 순간 소자 성능에 안 좋은 영향을 끼치게 됩니다. 그것을 우린 Short channel effect(이하 "SCE")라고 퉁쳐서 말합니다. SCE는 여러 종류가 있지만 여기서 설명할 것은 두 가지가 있습니다.

- Hot carrier effect
- Punch-Through

* Hot carrier effect

MOSFET 동작 시 캐리어(전자)가 Drain 방향으로 이동하는데, 이때 Vg(게이트전압)에 의해 Gate 방향으로 전자가 끌려가게 되고, (전자에너지가 충분히 높으면) 게이트 산화막에 Trap되는 현상입니다.

원인 : Channel길이↓ & 캐리어에 가해지는 전계↑ → 캐리어가 더 높은 에너지를 갖고 드레인으로 이동 → 이동하던 와중에 게이트 전계에 의해 게이트 쪽으로 캐리어 끌어당겨짐 → 캐리어가 게이트 산화막으로 주입되어 Trap 발생 or 공핍영역에서 Avalanch Breakdown 발생 → 기판전류(Substrate Current)↑ → 산화막에 Trap된 전하에 의해 Vth 변함 & MOSFET 수명↓

해결책: 근본적 원인은 "드레인 근처의 전계가 커서 발생" → 드레인 근처 부근의 전계를 낮출 필요 있음 → PN접합에서 P영역과 N영역의 도핑농도차이를 줄이면 Peak Electric Field가 낮아지는 특성 이용

∴ Drain 영역의 도핑농도↓ → 전계↓
( 예. 소스와 드레인 도핑을 전체적으로 낮추게 되면? → 소스 및 드레인의 저항↑ → MOSFET 전류 ↓ → MOSFET 성능 저하)

이에 따라 도입된 공정이 LDD(Lightly Doped Drain) 공정입니다.

* Punch-Through

소스와 드레인의 공핍영역이 맞닿아 드레인 전압에 의해(Vg에 관계없이) 캐리어가 소스에서 드레인으로 이동하는 현상입니다. 일반적으로 반도체 회사에서 이 특성을 나타내는 것이 "BVDSS"입니다.

원인 : 소스와 드레인 간 거리가 짧아짐 → 트랜지스터의 정확한 on/off 동작 불가능
전계는 평평한 곳보단, 뾰족한 곳에 집중되는 경향이 있음 → 드레인 접합도 드레인 코너 부위에 전계 집중

해결책: 드레인 코너 부위의 기판 도핑농도를 국부적으로 증가시키기 위해 "Punch-Though Stop Implant(=Halo Implant)" 공정 도입 → 코너부위의 공핍영역 증가 억제

바디 도핑 프로파일 그림을 다시 볼까요?

역경사 바디 도핑 프로파일을 보면 약 0.05um 지점까지 도핑이 낮게 된것을 볼 수 있습니다. 이것은 어떻게 생각해보면 Hot carrier effect를 최소화하기 위함이라고 생각할 수 있습니다.(물론 불순문 산란을 줄이는 목적이 주요하긴 합니다.)

그리고 약 0.1um 지점부터 도핑농도가 18승 정도 되는 것을 확인할 수 있는데 Punch through 현상을 보완하기 위함입니다.

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2. 불순물 산란을 줄인다.

위에서도 언급했듯이 트랜지스터가 작아지면서 동일한 성능을 내길 바랍니다. 하지만 사이즈가 작아지면서 트랜지스터 특성을 저하시켰고 이것을 해결하고자 반도체 표면에 산란을 줄여 이동도를 높일 필요가 있었습니다.

캐리어가 결정 내에서 이동할 떄 충돌 혹은 산란을 일으킵니다. 여기에는 두 가지 주요 원인이 있는데 포논 산란과 이온화 불순물 산란이 바로 그것입니다.

불순물 산란에 기인하는 이동도는 도너와 억셉터 이온 농도에 반비례합니다.(아래 그림 참고)

균일 바디 도핑의 경우 역경사 바디 도핑보다 표면에서 도핑농도가 높기 때문에 도너 혹은 억셉터 이온이 많을테고 캐리어가 이동하면서 불순물 산란 영향을 더 많이 받게 됩니다.

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이 정도면 현대 반도체 소자에서 역경사 바디 도핑을 왜 채택했는지 이해가 될 거라고 생각합니다.

추가로 알아둘 점이 있습니다. 그건 바로 역경사 바디 도핑 프로파일은 Vsb가 커짐에 따라 공핍층이 많이 변하지 않는다는 사실입니다. 왜일까요?

그것은 바로 공핍층의 두께는 기본적으로 낮게 도핑된 영역의 두께가 영향을 많이 끼친다는 사실입니다.
아래 그림을 통해 설명하겠습니다.

표면 쪽은 농도가 높으니 Wdep1으로 표시한 것처럼 전체 Wdep에서 많은 비율을 차지하고 있을 겁니다.
Vsb가 커지게 되면 정공들이 Vsb 쪽으로 이동하게 되고 Wdep2의 크기는 점점 커지겠죠.
하지만 Wdep2가 전체 Wdep에서 차지하는 비율은 미미합니다.

그 결과 Vsb가 커짐에 따라 Wdep가 거의 변하지 않음을 의미하고 그것은 바디 효과 계수와 같이 표현될 수 있음을 의미합니다. 바디 효과와 관련된 내용은 아래 포스팅을 확인 바랍니다~

2021.06.04 - [DEVICE PHYSICS] - MOSFET에서 Vt와 Body effect

MOSFET에서 Vt와 Body effect

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이번 포스팅에서는 현대 소자에서 Retrograde body doping profile가 채택된 기술적 배경을 중점적으로 알아봤습니다.
이와 관련하여 궁금한 점은 댓글로 남겨주시면 성심성의껏 답변드리도록 하겠습니다.