반도체 신뢰성 hot carrier effect에 대하여. section 1

반도체 소자 신뢰성을 평가하기 위해서는 기본적으로 어떤 상황에서 왜 생기는지 이해를 해야 열화 현상에 대해서 분석하고 해결하는 의미를 찾을 수가 있습니다. 본 포스팅에서는 hot carrier effect라고 불리는 열화 현상에 대해서 어떤 상태에서 생기고, 발생했을 때 어떤 문제가 있는지 설명하도록 하겠습니다.

 

-.Hot carrier effect란?

지난 포스트(https://tech-goodtohear.tistory.com/25)에서 설명했던 것처럼 열화 현상은 특정 전류 특성이 시간이 지남에 따라 변화되는 현상입니다. 아래 그래프에서 검정색 선이 기존에 잘 만들어진 반도체 특성이라고 한다면, 특정 시간이 지난 후에 오른쪽 그림의 빨간색 선처럼 변화되는 현상이 바로 열화 현상이라고 할 수 있습니다.

 

 

Hot carrier effect란 위의 그림에서 보인 것처럼 threshold voltage가 증가하고, 전류가 감소하는 현상을 의미합니다. NMOSFET에서 특히 크게 발생하며 트랜지스터를 장시간 사용하면 나타나는 현상입니다. 이름에서 예상할 수 있듯이 hot carrier 뜨거운 carrier라고 생각할 수 있지만, 진짜 뜨거운 것이 아닙니다. 위키피디아에서 검색해 보면 알 수 있는데, 인용해 보면, kinetic energy를 얻어 potential barrier를 넘을 수 있는 carrier를 hot carrier라고 표현하고 있습니다. 스탠포드 대학교 강의 자료에서 가르치는 표현을 인용해 보면, carrier어의 에너지는 온도 term으로 표현되는데, 이 때 lattice temperature보다 높은 온도를 가지고 있기 때문에 hot carrier라고 표기한다 라고 되어 있습니다. 쉽게 말해서 큰 운동 에너지를 가진 전자를 열 에너지로 환산하면 매우 높은 온도에 해당하니, 뜨거운 운반자, 뜨거운 전자 hot carrier, hot electron이라고 표현을 하는 것입니다. 스탠포드 대학교 자료는 구글에서 검색하시면 바로 나오며, ee392b 수업 자료입니다.

 

NMOSFET에서는 electron이 channel을 이동하는 majority carrier입니다. 이 electron이 channel 수평 방향으로 electric field를 받아 에너지를 얻어 potential barrier를 충분히 넘는 carrier가 됐을 때 hot electron이라고 부르며, 이 hot electron이 gate oxide 영역에 damage를 주면서 열화 현상이 발생하게 됩니다. 아래 그림은 gate oxide 내부에 electron이 trapping된 상태를 보여주고 있습니다. 이렇게 trapping 된 electron은 channel에 electron이 오지 못하도록 방해하기 때문에 threshold voltage가 증가한 것처럼 전류 특성을 변화시키게 됩니다. 같은 극성이기 때문에 서로 밀어내기 때문입니다.

 

 

Electron이 gate oxide에 trapping되게 된 이유는 gate oxide에 걸리는 플러스 전압 positive bias때문입니다. NMOSFET이 동작함에 있어서 gate oxide에도 positive bias가 걸려 있게 됩니다. 즉 electron이 source로부터 출발하여 electric field에 의해 충분한 에너지를 얻은 상태에서 gate oxide에서 이를 끌어당기는 positive bias가 있을 때 electron은 gate oxide 쪽으로 끌려가 oxide 내부에 trapping 될 확률이 존재하게 됩니다. 또한 electron이 channel 수평 방향으로 충분히 많은 양의 electron과 에너지가 주어지게 되면서 impact ionization에 의해 electron과 hole의 pair가 무수히 많이 발생하게 됩니다. 따라서 무수히 많이 발생된 hot electron이 gate oxide쪽으로 이동하게 되어 gate oxide에 trapping되는 현상으로써 트랜지스터를 열화 시키게 됩니다.

 

Electron이 많을수록 이와 같은 hot carrier 현상은 더 많이 발생하며, threshold voltage와 current를 크게 열화 시키게 됩니다. 그렇다면 이러한 열화 현상이 어떤 동작에 어떻게 영향을 미치는지 다음 포스트에서 확인해 보도로 하겠습니다. 2탄을 확인해 주세요.