Short Channel Effect] #1 _정의 및 대표 현상
0. Short channel effect (SCE) 란?
반도체 산업은 device의 미세화 (scaling down)를 통해 speed, cost, power consumption 성능을 향상 시켜왔습니다.
산업의 발전 초창기에는 소자를 미세화 (sacaling down)하는데 큰 문제가 없었지만,
점점 소자의 크기가 작아지면서 기존에는 없었던 다양한 문제가 발생하게 됩니다.
이러한 channel이 짧아지면서 발생하는 의도하지 않은 현상을 "short channel effect"라고 합니다.
본 포스팅에서는 SCE가 발생하는 원인 및 대표 현상을 다루고 후속으로 업로드할 글에서는 현상과 그에 따른 문제 그리고 개선 책으로 제시되어온 기술들에 대해서 살펴보고자 합니다.
- 무어의 법칙: 24개월마다 반도체 집적회로의 성능이 2배로 증가 or cost 가 2배로 저렴해 짐
- chip 면적이 2배가 줄어들기 위해서는 channel length는 0.7배씩 감소 (0.7^2 =0.45)
1. Short channel effect의 발생 원인
※아래 두 그림은 channel length (Lg ) 에 따른 device를 나타내고 있습니다. Lg 또한 다양한 기준으로 설정이 가능하지만, 본 포스팅에서는 Source (S)와 Drain (D)간의 물리적인 거리로 지정하여 설명하도록 하겠습니다. 원래는 scaling rule에 따라 device를 design 해야하지만, 해당 그림은 channel length의 비교를 위해 간략히 그린 그림으로 이 점 참고하여 내용을 봐주시면 감사하겠습니다. :)
charge sharing model
하단의 Long/ Short channel MOSFET은 상단의 구조를 그갖는 MOSFET에서 S/D및 Channel의 Depletion 영역을 고려한 charge sharing model을 적용한 schematic입니다. 원래 S/D의 Depletion region을 고려하지 않는다면, 상단에 파란 빗금 + 빨간 빗금 영역인 gate 하부 직사각형 영역이 gate에 의해 control되는 영역이 됩니다.
하지만 실제로는 S/D에 의해 body 영역에 depletion region이 형성 되는데 이는 gate의 control과 무관하게 발생하는 영역입니다. 이것은 실제로 gate 아래에 body영역이지만 gate에 의해 control 되지 않는 영역이 발생하게 됩니다. 이러한 영역을 고려하여 몇가지 가정을 기반으로 MOSFET의 Depletion region 및 channel 영역을 설명하는 model이 charge sharing model입니다. 이 모델에 따르면 gate에 의해 control되는 channel은 파란색 빗금 사다리꼴 모양과 같으며, 빨간색 빗금의 부분은 gate에 의해 control되지 않는 S/D의 depletion 영역으로 규정하게 됩니다.
long channel vs short channel
long channel에서는 이러한 영역이 전체 channel영역에서 차지하는 비중이 높지 않습니다.
하지만, short channel에서는 전체 channel의 전하량에서 이러한 영역이 차지하는 비중이 높아지게 됩니다.
→ 그만큼 gate의 channel에 대한 control 능력이 저하 되는 것!이며
= MOSFET의 On/Off 를 담당하는 gate의 control 능력이 저하되므로 다양한 문제가 발생하게 되는 것입니다.
요약: MOSFET에서는 구조상 gate가 control해야하는 channel과 S/D의 depletion region이 중복되는 영역이 발생
중복영역/전체 channel 영역 portion을 봤을때 long channel에서는 큰 영향을 주는 요소가 아님.
But, short channel에서는 gate가 control하는 전하량 자체가 워낙 적기 때문에 소자 특성에 큰 영향을 줌
= gate controllability를 현저하게 저하시킴.
2. SCE의 대표 현상
- Punch Through
- GIDL
- DIBL
- SS (Subthreshold swing) degradation
- Leakage (Subthreshold) current
- VTH roll-off
- Hot carrier effect
- Impact ionization
- Tox tunneling
과 같은 현상들이 발생하게 됩니다. 다음 포스팅에서 부터 각 현상의 발생 메커니즘과 더불어 이러한 현상들을 개선하기 위해 도입된 기술들에 대해 차례로 살펴보도록 하겠습니다.
글 읽으시느라 수고 많으셨습니다. 오늘도 행복한 하루 되세요:)
