[반도체소자] 6. Punch through

Punch through

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Punch through는 DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)과 마찬가지로 Short Channel Effect(SHE)의 대표적인 예시입니다. Punch through는 Sourc와 Drain에서의 Depletion layer가 서로 만나게 되어 Channel이 아닌 기판(Substrate) 영역에서 전류(Leakage current)가 발생하는 현상입니다. 

Left: VDS = 0 Right: VDS > 0

그림과 같이 V_DS를 인가해주면 Drain의 Depletion layer의 두께가 증가하여 Source의 Depletion layer와 맞닿게 됩니다. 이에 따라 Carrier가 Depletion layer를 통해 이동하여 전류(Leakage current)를 발생시킵니다.

 
♭ Long channel MOSFET

Long channel MOSFET에서는 V_DS를 인가해주어도 채널의 길이가 충분히 길기 때문에 Source와 Drain의 Depletion layer가 만나지 않아 문제가 발생하지 않았습니다.

 
♭ Short channel MOSFET

Short channel MOSFET에서는 V_DS를 인가해주면 채널의 길이가 짧기 때문에 Drain의 Depletion layer 두께의 증가에 따라 Source 영역의 Depletion layer와 맞닿게 되어 Leakage current를 발생시킵니다.

 
♭ Solution
DIBL과 마찬가지로 Body doping concentration을 증가시키면 Depletion layer의 두께가 감소하여 Punch through 현상을 개선할 수 있지만 Threshold voltage도 같이 증가하기 때문에 Body doping concentration을 증가시킬 수 없습니다.

1. Halo(Pocket) doping
Halo(Pocket) doping은 Source/Drain 영역 인근에 국부적으로 높은 농도의 불순물을 도핑하여 Depletion layer의 두께를 감소시켜 Punch through를 방지합니다.
 
2. Retrograde doping
Retrograde doping은 기판(Substrate) 영역에 직선 형태로 높은 농도의 불순물을 도핑하여 Depletion layer의 두께를 감소키셔 Punch through를 방지합니다.
 
♭ SOI(Silicon on insulaotor) MOSFET

SOI MOSFET은 Body 아래에 두꺼운 산화물(BOX; Buried Oxide)을 삽입한 기판을 사용하는 기술입니다. BOX으로 VDS를 인가해주어도 Source와 Drain의 Depletion layer가 만나지 못하기 때문에 Punch through가 발생하지 않습니다.
(자세한 내용은 추후 SOI MOSFET 포스팅에서 추가적으로 다루도록 하겠습니다.)
 
<출처>
Y. B. Kim, "Chanllenges for Nanoscale MOSFETs and Emerging Nanoelectronics", Transcations on Electrical and Electronic Materials, 11 (2010) 93-105.

 
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