접합 누설 열화의 위치를 면적과 둘레로 좁히는 방법

트랜지스터의 문턱 전압은 거의 변하지 않았는데 대기 전류가 늘었다면, 게이트만 조사해서는 원인을 놓칠 수 있다. 역바이어스된 접합에서도 전류가 흐를 수 있기 때문이다. 접합 누설 열화는 접합의 전류 경로가 사용이나 스트레스 이후 달라지는 문제다. 누설이 증가했다는 사실과 그 증가를 만든 결함의 위치는 구분해서 판단해야 한다.

공핍 영역의 결함은 캐리어 공급원이 될 수 있다

역바이어스 접합의 공핍 영역에서는 생성된 전자와 정공이 전기장에 의해 양쪽으로 분리된다. 결함 준위가 이 생성 과정에 관여하면 이상적인 확산 전류만으로 설명되지 않는 누설이 나타날 수 있다. MIT 강의는 공핍 영역의 트랩을 통한 생성·재결합을 다루며, 역방향 전류의 크기가 공핍 폭과 생성 조건에 의존함을 설명한다. MIT 6.720J Lecture 16, 3–6쪽

같은 접합 면적이라도 결함의 상태와 공핍 영역이 달라지면 누설이 달라질 수 있다. 접합 주변에 집중된 경로가 있다면 전체 면적보다 둘레가 더 직접적인 기하 변수일 수도 있다. 이 둘을 구분하기 위해 총 전류 하나를 원인 이름으로 바꾸기보다, 조건을 바꿔 어떤 비례 관계가 성립하는지 확인하는 편이 낫다.

면적과 둘레를 따로 바꿔 보면

가설을 비교하는 가상 모델을 I = J면적A + j둘레P로 두자. A는 접합 면적, P는 둘레이며 두 계수는 각각 nA/cm²와 nA/cm 단위다. 동일한 온도와 읽기 전압에서 균일한 두 성분이 더해진다고 정한다. 이는 특정 공정의 실제 누설 법칙을 확정한 식이 아니다.

한 변이 100µm인 정사각형은 A = 10⁻⁴cm², P = 0.04cm다. 한 변이 200µm이면 면적은 네 배, 둘레는 두 배다. J면적 = 10nA/cm², j둘레 = 1nA/cm라면 처음 전류는 각각 41pA와 84pA다. 면적 성분은 1pA와 4pA, 둘레 성분은 40pA와 80pA다.

열화 이후 j둘레만 3nA/cm로 바뀌면 전류는 121pA와 244pA가 된다. 증가량은 80pA와 160pA로 정확히 두 배다. 반대로 J면적만 30nA/cm²가 되고 둘레 계수가 그대로라면 증가량은 2pA와 8pA로 네 배다. 동일한 모형 안에서는 증가량의 크기뿐 아니라 기하에 대한 비례가 후보를 좁힌다.

두 개의 측정으로 결함을 확정할 수는 없다

위 비교는 두 계수가 각 구조에 공통이라는 가정에 의존한다. 실제로 면적을 바꿀 때 접합 깊이, 모서리 형태, 주변 공정까지 달라졌다면 단순한 면적·둘레 분해가 깨진다. 구조 두 개에 계수 두 개를 맞춰 얻은 일치만으로 모델이 검증되는 것도 아니다. 추가 크기와 형상에서 같은 계수가 통하는지 확인해야 한다.

온도 의존성도 단서가 된다. 생성 전류의 캐리어 공급과 결함의 시간상수가 온도에 반응하기 때문이다. 다만 온도 기울기 하나가 특정 결함의 고유한 지문이라고 단정할 수는 없다. 여러 전류 경로가 더해지면 관찰한 기울기는 혼합된 값이 될 수 있다. 전압을 바꿨을 때의 증가 역시 공핍 영역 변화 등과 함께 해석해야 한다.

pA 수준에서는 측정 회로의 바탕 전류와 검출 한계도 확인해야 한다. 열화 전후의 온도, 전압, 안정화 시간이 다르면 접합이 달라지지 않아도 차이를 볼 수 있다. 가상 계산의 작은 면적 성분을 읽어내려면 그 차이를 구분할 측정 정확도가 먼저 필요하다.

접합 누설 열화를 조사하는 실용적인 순서는 읽기 조건을 맞추고, 전류 증가를 면적과 둘레에 대해 비교한 뒤, 온도와 전압 의존성으로 가설을 시험하는 것이다. 문턱이 정상이라는 결과는 접합의 생성 경로까지 정상이라는 보증이 아니다. 전체 누설을 어디에서 나온 증가로 설명할 수 있는지가 최종적으로 답해야 할 질문이다.