반도체 소자 MOSFET의 신뢰성 reliability 란? 열화 현상이란 무엇인가

안녕하세요. 공돌이 입니다.

반도체 개발에 있어서 신뢰성 이라는 항목은 매우 중요한 항목입니다. 간단하게 설명하면 여러분이 사용하는 휴대폰이 딱 1년만 쓰고 고장이 난다면 기분이어떨까요? 수백만원짜리 제품을 구입했는데 1년만에 고장이 난다? 여기서 말하는 고장은 물리적인 고장이 아닌 반도체 자체의 고장 즉 프로세싱이 안되는현상을 의미합니다. 또 반대로 전기차가 주행 중에 전기적 신호 전달 결함으로 문제가 생긴다거나 특정 조작이 되지 않는 경우가 반도체의 신뢰성 때문에 발생할 수가 있습니다. 이처럼 반도체의 신뢰성은 단순 제품의 품질 뿐만이 아니라 우리의 안전에도 영향을 줄 수 있는 내용입니다.

 

그렇다면 반도체 개발자들은 신뢰성을 어디서부터 보기 시작할까요? 바로 MOSFET이라 불리는 가장 기본적이 1개 소자에 대해서부터 신뢰성 분석을 합니다. 아래 그림을 보겠습니다.

 

먼저 왼쪽 그래프는 정상적인 MOSFET의 drain 전류 vs gate 전압 입니다. I-V curve라고도 불리는 그래프 입니다. MOSFET 소자를 설계하는 사람이 gate 전압에 1 volt를 인가 했을 때 특정 목표 전류가 흐르도록 설계를 했다고 가정 하겠습니다. 즉 이 MOSFET소자는 1 volt가 인가되면 특정 전류가 반드시 흘러야 스위치 역할을 한다고 할 수 있습니다. 또한 0 volt를 인가하면 전류가 0이되어 소자가 꺼지는 특성을 보이도록 설계한 모습을 알 수 있습니다.

 

다음은 우측의 그래프에 주목해 주세요. 어떤 외부적 요인, 혹은 설계 미스로인해 1 volt 라는 전압을 인가했음에도 기존 검정색 커브와 달리 빨간색 커브처럼특정 전류 레벨에 도달하지 못 한 모습을 볼 수 있습니다. 또한 0 volt를 인가하지 않았는데도 이미 전류가 0에 달하여 소자가 꺼져버린 상황임을 확인할 수있습니다. 이처럼 하나의 MOSFET소자에서 기존의 동작과 달리 전류가 못 흐르게 되거나 원하는 전압에서 원하는 동작을 하지 않는 현상을 degradation 또는 열화 되었다라고 표현하고있습니다. 

 

반도체 소자가 특정 전류에서 켜지는 전압을 우리는 threshold voltage라고 교과서에서 배웠습니다. 그리고 drain 전류가 saturation 영역에 있는 전류를 drain saturation current라고 배웠습니다. 즉 위 그림에서처럼 특정 열화 현상으로 인해 threshold voltage와 drain saturation current의 열화 현상은실제 제품이 동작함에 있어서 큰 영향을 미치게 됩니다. 예를 들어 실제 켜져야 하는 타이밍에 켜지지 않고 조금 더 있다가 켜진다거나, clock을 통해 서로 다른 제품간 sync를 맞춰놓은 부분이 틀어져 상호 통신이 안되게 되는 경우를 생각할 수 있습니다. 그리고 그림에 표기된 빨간색 그래프가 만약 검정색 보다 앞에 있으면 어떻게 될까요? 1 volt가 됐을 때 기존 설계보다 전류가 많이 흘러 너무 좋다! 라고 생각할 수 있지만, 반대로 0 volt에서 소자가 꺼지지 않게 됩니다. 간단한 예로 휴대폰을 사용하고있지 않은데, 분명 그 어떤 작업도 안 하고 있는데 자꾸 베터리 소모가 발생하는 것과 유사하다고 생각하면 됩니다. 즉 꺼지지 못 하여 전류를 계속 소비하는 형태입니다. 

 

I-V curve에서 보이는 열화 현상 중에는 subthreshold swing의 열화도 보입니다. 특정 시간 안에 빠르게 소자가 켜져서 1이라는 신호 혹은 빨리 꺼져서 0이라는 신호를 전달 해야 하는데, subthreshold swing의 열화가 커져 설계자가 설계한 시간 안에 동작을 하지 못 하는 현상도 있습니다.

 

이러한 열화 현상은 반도체 소자를 장시간 사용함에 따라 발생하게 됩니다. 결국 전자가 오고 가고 지나가는 길이 있을 것이고, 그 길도 많이 사용하면 데미지가 발생하게 됩니다. 쉽게 말해 신규 고속도로를 길이 깔끔하지만 시간이 지나면 움푹 페인 곳도 발생하고, 여기저기 너덜너덜해져 충분한 속도를 낼 수가 없게 됩니다. 장시간 사용 뿐만 아니라 외부 환경도 중요합니다. 날씨가 춥거나 더우면 차량이 고속도로에서 제대로 된 속도를 낼 수가 없습니다. 또한 뜨거워진길 바닥은 쉽게 부서질 수 있습니다. 전자도 비슷합니다. 온도에 따라 이동도 mobility라고 불리는 전자의 속도가 온도에 따라 달라지게 됩니다. 또한 전자가지나가는 길을 channel이라고 부르는데, channel과 gate oxide 사이도 외부 온도가 뜨거울 때 더욱 쉽게 상처를 받을 수 있게 됩니다. 따라서 반도체를 만들고 개발함에 있어서 외부 환경적인 요소도 고려를 해야만 합니다.

 

외부 온도를 신경써야 하나요? 그렇게 까지 뜨거워지나요? 라고 질문을 할 수 있습니다. 당연히 고온 뿐만이 아니라 저온에 대한 평가가 필요합니다. 우리가살고 있는 지구안에서도 극한의 온도를 다양하게 경험할 수 있습니다. 사막이 있는 곳은 낮에는 불 없이도 후라펜만 있으면 계란 후라이를 할 수 있고, 남극,북극, 추운 지방에서는 마이너스 20~30도는 쉽게 내려갑니다. 휴대폰이 밖에 날씨가 춥다고, 덥다고 동작을 안 하면 곤란하겠죠? 간단한 예로 과거 애플 휴대폰은 추운 지방에서 장시간 노출이 되면 휴대폰이 꺼지는 상황이 발생했었습니다. 물론 베터리 문제도 한몫 했습니다. 하지만 실제 온도에 따른 동작 이슈를고려해 사전에 특정 온도 이하에서는 제품을 보호하기 위해 스스로 꺼지도록 프로그래밍이 되어 있었던 적도 있었습니다. 또 다른 예로 우리가 사용하는 컴퓨터에서 볼 수 있습니다. CPU와 그래픽카드는 컴퓨터에서도 일을 매우 많이 하는 부품 입니다. 따라서 온도를 측정해 보면 70~80도 까지 쉽게 올라갑니다. 만약 이러한 고온이 유지가 된다면 컴퓨터는 스스로를 보호하기 위해 꺼지게 됩니다. 하지만 우리는 그것을 원하지 않기 때문에 쿨링 펜과 같은 공랭식을 이용하여 지속적으로 온도를 낮추려고 하는 것이지요. 아마 오버 클럭을 사용하시는 분은 더 잘 아실 것으로 판단됩니다. 오버 클럭 전용 제품이 있는 것 처럼 온도에 대한 제품이 가지는 스펙을 따로 처리 할 수도 있습니다.

 

이처럼 반도체 신뢰성은 다양한 제품에 사용되며 다양한 환경에 대한 보증을 요구 받고 있습니다. 그리고 수십년을 사용해도 문제 없도록 개발자에게 요구를소비자가 하고 있습니다. 따라서 어떻게 사전에 이러한 문제를 인지하고 또 테스트할 수 있는지에 대한 요구가 매우 많이 있습니다. 향후에는 지금보다 더 많은 곳에 반도체가 사용될 것이기 때문에 이러한 신뢰성 연구 분야는 더욱 발전이 필요로 할 것으로 생각이 됩니다.

 

이렇게 신뢰성에 대해서 간략히 알아 보았습니다. 내용만 봐도 매우 흥미로움을 느끼셨을 거라고 생각합니다. 그렇다면 이러한 신뢰성에 영향을 주는 전문적이 아이템은 무엇이 있으면 이것을 어떻게 측정하는지에 대해서 향후 포스팅을 이어가 보고자 합니다.

 

감사합니다.