Parasitic Capacitance 종류 및 형성 과정

MOSFET에는 원치 않은 다양한 기생 Cap (Parasitic Capacitance)이 발생하게 됩니다. Para. Cap은 의도치 않게 전하를 모을 수 있는 모든 부분을 얘기합니다. 유일하게 의도하여 전하를 모으는 것은 MOS 구조 내 Oxide 입니다. 이러한 Para. Cap은 Vt 변화, AC 및 DC 특성 저하 등 다양한 변화를 야기합니다. 그 중 Gate와 Source/Drain, Body 내에서 발생하는 Para. Cap을 정리해보고 예상되는 소자 변화 및 개선 방안에 대해서 얘기해보겠습니다.

그림 1. MOSFET Parasitic Capacitance

1. Overlap Capacitance

Source/Drain Implantation 후 Dopant가 Random Diffusion 하면서 Gate 아래 위치하게 됩니다. 이러한 산포는 Gate와 Oxide 사이에서 기생 Cap을 형성하게 됩니다.

Overlap Cap은 RC Delay 및 DIBL 관점에서는 열화를 유발하지만 Channel Length를 줄여 Rch, 저전력 소자의 Vt 관점에서는 개선되는 방향입니다.

이러한 Trade Off 관계가 있기 때문에 소자별 특성을 잘 파악할 필요가 있으며 추가적인 정보가 필요하시다면 아래 Overlap Cap 관련하여 Review한 논문을 참고 부탁드립니다.

 

https://tomisemiconductor.tistory.com/10

[논문 Review] Gate to S/D Overlap Capacitance 영향

2. Source/Drain Junction Capacitance

NMOS 기준으로 P-type Body와 n+ Doping된 Source/Drain이 접합됩니다. PN 접합이 발생하기 때문에 Depletion Region이 발생하게 됩니다. 이 Depletion 영역은 전하를 모으게 되고 Cap으로 작용합니다.

이 때 C= εA / W 로 W는 Depletion 영역의 두께 입니다. W는 도핑 농도가 높을수록 감소합니다. 즉, Source/Drain의 도핑 농도, Body의 도핑 농도가 높을수록 Junction Cap은 증가합니다.

그림 2. Junction Capacitance 형성

3. Depletion Capacitance

Channel을 형성하기 위해 Inversion 상태를 만들어야합니다. 그러기 위해서는 Depletion 상태를 지나가야 합니다. Depletion 영역이 Body에 만들어지면 Para. Cap으로 작용하게 됩니다. Junction Capacitance과 동일하게 도핑농도에 영향을 받지만 차이점은 한쪽만 도핑되어있는 Case이기 때문에 Body 도핑 농도에만 의존합니다. 즉, Body의 도핑 농도가 높을수록 Junction Cap은 증가합니다.

 

4. Interface Trap Charge(Qit) Capacitance

그림 3. Oxide Charge 형성

 

Interface Trap Charge(Qit)는 Si과 Oxide 내에 결함으로 발생합니다. Si Bulk의 경우 최외각 전자들이 주변 Si와 결합하면서 Band를 형성하지만 표면의 Si은 결합할 원자가 없어 Bandgap 내에 Defect으로 남아있게 됩니다. Si이 Inversion되면 Interface Trap Site에 전자(혹은 정공)이 채워지면서 Interface Trap Charge가 증가하고 Vt는 Slow하게 변합니다. 전하가 발생하면 이는 전하를 축적하는 Capacitance로 작용하게 됩니다.

그림 4. Interface Trap Charge 형성 과정

 

따라서 이러한 Interface Trap을 줄이기 위해 Si atom Density가 작은 면의 Wafer를 사용하게 됩니다. (111) 방위 대비 (100)의 Si atom Density가 작아 Interface Trap이 감소하여 소자 동작이 안정적입니다. 다만 화학적 활성도가 낮아 반응속도가 느립니다.

그림 4. Si 방위에 따른 atom Density

 

Band 형성 과정은 해당 자료는 참고하면 도움될 것 같습니다. https://www.globalsino.com/EM/page2632.html

Conduction band