EBS 위대한 수업 3 (반도체란 무엇인가) 7~10강

EBS 위대한 수업 3 (반도체란 무엇인가) 7~10강

위대한 백스물 번째 강연 '반도체란 무엇인가' (시즌 3 서른아홉 번째)

 

 

(2024.07.19 방송)

 

 

잭 리(Gregory Mankiw) 텍사스대 전기컴퓨터공학과 교수

 

 

 

 

7강  모스펫 트랜지스터

 

 

 

 

모스펫

: 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터

 

오늘날 대부분의 집적 회로 칩에 들어가는 기본 부품

 

 

정교한 집적 회로 칩에는 500억 개 이상의 트랜지스터가 들어있다

대부분이 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터이다

 

 

모스 기반 트랜지스터의 종류

1. N 채널 트랜지스터

2. P 채널 트랜지스터

 

→ 두 종류의 트랜지스터 모두 4개의 단자를 갖고 있다

 

 

- 게이트: 전류를 제어하는 제어 단자, 반도체 기판 위에 얇게 깔린 산화막(웨이퍼) 위에 있다

- 소스 단자: 전자나 정공 같은 전하가 들어오는 곳, 이곳을 통해 채널로 흘러간다

- 드레인 단자: 채널을 통해 흘러온 전하가 빠져나가는 단자

- 보디(벌크): 모스펫 트랜지스터의 기판

 

 

♧ 모스펫의 작동 방식

 

N 채널 모스펫

 

 

이 상태에서 게이트에 즉 모스펫이 켜지는 최소보다 높은 양의(+) 전압을 가한다

양의 전압이 충분히 높다면 기판에 있는 전자를 위로 끌어당기는 힘이 생긴다

양의 전압에 의한 전기장이 산화막을 통해 표면으로 전자를 끌어당긴다

그러면 전기가 잘 통하는 채널이 만들어지면서 양 끝에 있는 소스와 드레인을 연결한다

즉 양의 전압이 표면으로 전자를 잔뜩 끌어당겨서 채널을 만드는 것이다

드레인은 보통 양의 전압을 띠는데 일종의 싱크대처럼 전자를 끌어당긴다

 

 

모스펫은 기본적으로 이런 연쇄 작용을 거치면서 작동한다

게이트에 전압을 가하면 채널의 전하량이 변한다

즉 전압에 따라 채널의 저항이 바뀌고

저항이 낮아지면 전류량은 늘어난다

그 전류량이 바로 트랜지스터의 출력이다

 

도시의 수원에서 물을 가져오는 수도꼭지처럼

수원이 소스 단자고 게이트를 수도꼭지의 손잡이로 비유할 수 있다

물이 빠지는 싱크대가 바로 드레인이다

 

 

 

하지만 실제로 최초의 모스펫이 제조된 건 1960년이었다

기술이 부족했기 때문에 35년을 기다려야 했다

우선 결함이 없는 고품질의 실리콘 산화막이 필요했고

또한 실리콘 기판과 실리콘 산화막 사이의 계면에도 결함이 없어야 했다

 

산화막은 물론 산화막과 기판 사이 계면에 결함이 있으면

전압을 가했을 때 오히려 결함 부분에 전하가 쌓인다

이는 전도성이 없어 쓸모가 없다

 

1960년대 중반에 원래 쓰던 저마늄 대신 실리콘을 도입했다

또한 실리콘과 산화막의 정제 기술을 개발한 후에야

모스펫을 실용화할 수 있었다

 

지난 60년간 산화막 두께를 열심히 줄여 왔다

왜냐하면 산화막 두께는 게이트와 채널 사이의 거리인데

 

 

결합도를 높이려면 게이트와 채널의 거리를 좁혀야 하는데

그게 바로 산화막 두께다

 

☞  산화막이 얇을수록 결합도가 높아지고 트랜지스터 성능이 좋아진다

 

수천 옹스트롬에서 11-12옹스트롬까지 줄였다

(1옹스트롬=0.1나노미터)

12옹스트롬은 겨우 원자층 네다섯 개 두께로 엄청나게 얇다

 

채널에 전자가 있고 게이트에 양의 전압이 가해졌을 경우

전자는 음전하를 띄는데 근처에 양의 전압이 있으면 쉽게 끌려간다

결국 전자는 산화막이 절연체인데도 불구하고 뚫고 올라간다

 

전자가 산화막을 뚫고 올라가면 '누설 전류'가 발생한다

누설 전류는 아무 쓸모가 없고 총전류량만 늘려서

전력을 소모하게 한다

배터리를 예상보다 빨리 닳게 만든다

무슨 방법이 있을까?

 

연구자들은 고민 끝에 깨달았다

게이트와 채널의 결합도를 결정하는 건

산화막의 물리적 두께만이 아니라

전기적 두께도 중요하다는 것을 알게 됐다

 

산화막 두께를 줄이는 건 우리가 오래전부터 해 왔던 방법이다

또 다른 방법은 바로 산화막의 유전율을 높이는 것이다

 

 

유전율, 즉 K값을 높이려면 어떻게 해야 할까?

 

 

다시 말해 실리콘 산화막 대신 하프늄 산화막을 사용하면

6배 더 두껍게 만들 수 있다는 말이다

11-12옹스트롬이 아닌 72옹스트롬 두께로 만들어도

게이트와 채널 사이에 동일한 전기적 연결 강도를 유지할 수 있다

 

그러면서도 물리적 두께는 더 두꺼워졌기 때문에

누설 전류를 줄일 수 있다

2007년 45 나노미터 공정을 돌파한 뒤로는

고유전율 물질이라는 걸 사용하기 시작했다

이제 실리콘 산화막으로는 누설 전류를 억제할 수 없기 때문이다

 

고유전율 물질은 결함도 많고 문제도 많아 다루기 몹시 어렵다

실리콘 반도체와 고유전율 산화막 사이의 계면은 매끄럽게 하기 힘들지만

안 쓸 수는 없으니 쓰기는 써야 한다

실리콘 반도체 위에 극히 얇은 실리콘 산화막을 한 겹 올려서

최소한의 계면 품질을 확보할 수 있다

 

고유전율 물질 덕분에 트랜지스터의 누설 전류를 억제하면서

소자를 더 미세화할 수 있었다

 

 

 

 

(2024.07.22 방송)

 

 

8강  핀펫 트랜지스터

 

 

 

 

반도체를 미세화하면 전자가 줄줄 새서 누설 전류를 일으킨다

누설 전류는 전력 소모량이 증가하기 때문에 반도체에 좋지 않다

이런 트랜지스터가 500억 개 모이면

누설 전류가 쌓여서 금방 배터리가 소모된다

그래서 재료를 바꿨다

 

유전율이 4인 실리콘 산화막 대신

유전율이 24에 달하는 고유전율 물질인

하프늄 산화막 등을 쓰기 시작했다

 

 

♤  소자의 크기를 수평적으로 줄이면 어떻게 되는가?

 

소자를 수평적으로 줄이려면 채널 길이가 중요하다

 

 

- 반도체 소자의 크기를 줄이는 이유는 장점이 많기 때문이다

· 물리적 거리가 짧으면 전자가 소스에서 드레인까지 더 빠르게 이동한다

  트랜지스터 속도가 훨씬 빨라지고 전력 소모량도 줄어든다

· 빠르고, 성능도 좋고, 전력 소모도 적다

· 풋프린트 하나당, 즉 칩의 단위 면적당

  더 많은 트랜지스터를 욱여넣을 수 있다

 

- 문제점

· 채널 길이가 점점 짧아지면 N형 트랜지스터의 경우

  소스는 강하게 N+로 도핑된 영역이다

 

 

  드레인에 양의 전압을 가하면 게이트 전압이 0V라도

  소스 쪽 전자들이 양의 전압을 보고 건너가려 한다

  물론 계면은 게이트가 제어할 수 있도록 잘 설계하지만

  계면 밑은 제어할 수 없다

 

 

  게이트가 통제할 수 있는 건 실리콘 웨이퍼의 위쪽뿐이고

  아래쪽은 통제할 수 없기 때문에

  채널 길이가 너무 짧아지면 소스와 드레인 사이에서

  전자 누설이 발생한다

 

모스펫 나노 소자는 켜는 게 아니라 끄는 게 문제이다

나노 소자를 끄려면 대장인 게이트의 통제력을 강화해야 한다

전자가 누설되는 이유는 대장은 저 위에 있고

부하들은 저 아래 반도체 기판 안쪽에 있기 때문이다

부하들은 대장이 가까이 있지 않으면 빈둥거리고 나돌아 다닌다

 

 

- 문제 해결방법

· 기판을 통해 누설되는 전자 밑에 실리콘 반도체 기판 대신

  절연체인 산화막을 깔면 전자는 절연체를 뚫을 수 없다

 →  '실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판을 쓰는 것

· 게이트를 채널 위에 놓는 대신 게이트가 채널을 감싸게 한다

 

 

이런 구조를 핀펫 혹은 트라이게이트라고 한다

게이트가 왼쪽과 오른쪽은 물론 위쪽에도 있기 때문이다

이 구조는 대장인 게이트의 통제력이 채널 안쪽까지 닿게 해 준다

이런 걸 전문 용어로 정전 제어를 강화한다고 한다

  

 

핀펫의 장점

 

1. 누설 전류가 줄어 전력 소모량 감소

  (배터리가 오래간다)

 

2. 게이트의 통제력 강화

  (채널이 3차원으로 바뀌었기 때문에

  트랜지스터의 동작 속도가 빨라져서

  집적 회로의 성능 자체도 좋아진다)

  (트랜지스터의 단위 면적 당 전류량 증가)

 

3. 트랜지스터 소자의 미세화

  (3나노미터 공정을 달성할 수 있다)

 

 

핀펫의 문제점

 

1. 제조의 어려움

  (500억 개의 트랜지스터를 만든다면 핀은 그 이상을 만들어야 한다)

  (핀들의 너비와 높이도 거의 동일해야 한다)

 

2. 지느러미 채널의 열 배출

  (평면형은 열이 기판을 통해 전도돼서 패키지 밖으로 빠져나갈 수 있지만

  핀은 세로로 서 있기 때문에 핀에서 발생하는 열을 배출하기 어렵다)

  

 

2000년대 초에 핀펫의 상용화에 대해 물었다면

대부분 불가능하다고 했을 것이다

(핀의 너비를 균일하게 맞추는 건 정말 어렵다)

핀펫을 구원하고 상용화한 기술이 자기 정렬 이중 패터닝이다

 

 

이러한 자기 정렬 이중 패터닝 혹은 스페이서 패터닝 기술을 이용하면

핀의 너비가 훨씬 균일해진다

핀펫은 이미 널리 사용되고 있다

22나노미터 공정은 2013년, 2014년쯤 상용화됐다

그 뒤로 계속 미세화가 진행됐고

그 영역에서는 핀펫이 압도적으로 많이 쓰이고 있다

 

 

 

 

(2024.07.23 방송)

 

 

9강 GAA 트랜지스터

 

 

 

 

핀펫은 게이트가 채널의 3면 만을 감싸고 있다

전자가 여전히 기판을 통해 새어나갈 수 있다는 것이다

게이트라는 대장의 정전 제어능력을 한층 더 강화하면 좋을 것이다

 

 

 

기존의 평면형 소자는 물론 핀펫보다도 강하다

정전 제어가 강해지면 어떻게 될까?

채널 길이가 5나노미터 이하로

극히 짧아지면 단채널 효과가 극대화된다

 

*단채널 효과(short channel effect): 채널 길이가 짧아지면서 전류 조절 기능이 저하되는 현상

 

단채널 효과가 일어나면 누설 전류가 증가하고

문턱 전압의 편차가 심해진다

그런데 게이트-올-어라운드 모스펫을 사용하면

정전 제어 능력이 좋아져서 그러한 문제들이 최소화된다

균일한 정전기 구속이 가능해졌기 때문이다

 

누설 전류는 물론 전력 소모 역시 줄어들게 된다

그 결과 소자는 더 빠르게 작동한다

 

 

게이트-올-어라운드 모스펫은 어떤 형태여야 할까?

게이트가 나노와이어 형태의 채널을 감싸면 어떨까?

 

 

나노시트가 더 우수한 구조인 것이 실험 및 현장 테스트로 밝혀졌다

 

나노와이어도 정전 제어 능력이 좋아서

누설 전류가 적긴 하지만 구동 전류가 작은 게 문제다

나노시트에 비해 소자 하나당 구동하는 전류가 너무 적다

 

나노시트는 칩의 단위 면적당 구동 전류가 더 크고

소자폭에 비해 강력해서 면적 미세화에 도움이 된다

 

5나노미터 이하의 영역에선 나노시트를 써 왔다

그렇다면 나노시트는 어떻게 제조하는 걸까?

 

 

다양한 화학적 공법을 이용하면 실리콘은 건드리지 않고

실리콘 저마늄만 식각 할 수 있다

예를 들면 염화수소 가스나 암모니아 과산화수소 혼합물,

황산 과산화 수소 혼합물 등을 사용할 수 있다

 

 

반도체 파운드리에서 핀펫 기술은 

14~16나노미터부터 약 10나노미터 공정 선폭까지 쓰였다

 GAA 나노시트 기술은 앞으로 최소 2세대 공정에서 쓰일 것이다

 

 

나노시트의 문제점

 

· 균일하게 제조하기 어렵다

실리콘-저마늄의 희생층을 식각 하는 방식으로는

나노시트의 형태가 왜곡될 수도 있다

그러면 채널이 의도한 방향에서 벗어나

전하의 이동도가 낮아진다

 

· 나노시트의 모서리가 뾰족해지지 않도록 조심해야 한다

뾰족한 모서리 쪽에는 전기장이 강하게 형성된다

그러면 채널이 의도한 것보다 일찍 켜지게 된다

 

 

트랜지스터가 완전히 켜지기 전에

나노시트의 모서리 부분이 먼저 켜진다는 말이다

따라서 나노시트를 정밀하고 균일한 형태로

안정적이게 생산하는 건 몹시 어려운 일이다

 

아주 세밀한 식각 기술이 필요하고

산화막과 금속 게이트를 균일하게 증착해야 한다

 

 

반도체 업계에서는 다음 가능성을 찾아 계속 연구 중에 있다

(미래의 반도체)

 

1. CFET

상보형 전계 효과 트랜지스터

 

 

2. VFET

수직형 전계 효과 트랜지스터

 

 

3. TMDFET

전이 금속 디칼코게나이드 전계 효과 모스펫

 

 

 

 

 

 

(2024.07.24 방송)

 

 

10강 반도체의 미래

 

 

 

 

핀펫은 게이트가 채널의 3면 만을 감싸고 있기 때문에

5나노미터 공정 밑으로 미세화하기 어렵다

 

 

5나노미터 공정부터는 게이트-올-어라운드 모스펫(GAA)을 써야 한다

현재 업게 최고 수준의 공정 선폭은 3나노미터 정도이다

 

현재 연구 중인 새로운 소자 구조

(CFET / VFET / TMDFET)

 

 

1. CFET(상보형 전계 효과 트랜지스터)

N 채널과 P 채널을 합친 것

위아래로 쌓여있는 형태

 

 

- CFET의 장점

트랜지스터의 집적도를 높일 수 있다

2개의 트랜지스터를 3차원으로 쌓았기 때문이다

보시다시피 트랜지스터를 위아래로 쌓으면

저항이 줄어들고 불필요한 기생 용량도 감소한다

 

 

더불어 다음 공정 단계인 미세화에도 유리하다

 

- CFET의 단점

제조 난이도 : 위아래로 트랜지스터를 정렬하는 게 어렵다

열 노출량 : 위쪽 트랜지스터를 제조할 때 고열을 가해야 하는데

그 열이 아래쪽 트랜지스터에 영향을 준다

과열점 발생 : 트랜지스터가 위아래로 다닥다닥 붙어 있다 보니 

발생한 열이 빠져나가기 힘들다

 

2. VFET(수직형 전계 효과 트랜지스터)

 

 

- VFET의 장점

트랜지스터의 집적도가 매우 높아 미세화하기 쉽다

소자가 차지하는 면적을 최소화할 수 있기 때문이다

또한 채널을 수직으로 세우면 채널 길이를 

극도로 짧게 만들 수도 있어 훨씬 빠르고 성능 좋은

트랜지스터를 만들 수 있다

 

- VFET의 단점

제조 난이도 : 크기와 소재의 질을 정확히 통제하기 어렵다

열 배출이 어렵다 : 집적도가 높은 구조이기 때문이다

집적 회로를 만들기 어렵다 : 

 

3. TMDFET(전이 금속 디칼코게나이드 전계 효과 트랜지스터)

좋은 모스펫은 게이트의 채널 통제력이 좋아야 한다

 

 

- TMDFET의 장점

실리콘보다 훨씬 높은 전자 이동도를 가진다

그리고 TMD 층은 두께가 원자 단위로 극히 얇기 때문에

게이트의 정전 제어 능력이 아주 좋아진다

트랜지스터의 성능도 좋아지고 누설 전류와

전력 소모량도 줄어든다

소자를 미세화하기도 아주 좋다

 

- TMDFET의 단점

다른 소재와의 접촉 저항이 너무 높다

TMD는 소스나 드레인 같은 금속 단자와의

접촉 저항이 너무 높아서 문제가 된다

두께가 얇고 균일한 웨이퍼 면적의 TMD 층을 제조하기 어렵다

 

 

 

실리콘 기술의 미래

 

실리콘 기반 집적회로 기술의 다음 혁신은

인공지능이 촉발할 것이다

 

인공지능은 엄청난 기술력을 필요로 한다

인공지능엔 대규모 연산 능력이 필요하다

그래픽 카드나 CPU 같은 프로세서의 성능이 아주 뛰어나야 한다

인공지능이 탑재되는 장치는 에너지 효율도 아주 뛰어나야 한다 

모바일 장치가 그렇다

 

인공지능은 거대한 데이터베이스에

빠르게 접근할 수 있어야 한다

메모리 대역폭, 즉 초당 전송되는 데이터 양이 엄청 높아야 한다

그러려면 새로운 실리콘 기반의 집적 회로를 설계해

프로세서와 메모리 장치를 긴밀하게 결합할 수 있어야 한다

 

인공지능은 행렬 연산과 텐서(다차원 데이터 배열) 연산을 많이 한다

 

 

뇌 구조를 모방한 인공지능 장치가 필요하다

 

 

기기 자체에서 인공지능이 작동해야 한다

온 디바이스 AI라고 하는데 스마트폰이나 드론에 쓰인다

 

 

AI 장치는 빠르게 진화하기 때문에 그에 맞는 하드웨어가 필요하다

사용자 맞춤형으로 설계하고 변경할 수 있는 AI 칩이 필요하다

 

그리고 엣지 AI 또는 엣지 컴퓨팅이라는 것도 있다

 

 

즉 제한된 공간과 전력 환경에서 칩이 작동해야 한다는 것이다

 

인공지능 집적회로는 수많은  조건을 요구하기 때문에

기술을 한층 더 발전시킬 것이다

 

 

인공지능은 반도체 기술에 

현재진행형으로 큰 영향을 끼치고 있다

인공지능과 반도체의 상호 의존성이 

현대의 기술적 환경에서 엄청 강하다는 뜻이다

 

실리콘 반도체의 미래는 아주 밝다

인공지능의 발전이 실리콘 반도체의 혁신을 꾀할 것이다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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