반도체 소자 트랜지스터 전류 특성 개선 방법

반도체 소자 트랜지스터의 특성을 개선 시키기 위해서 다양한 연구가 옛날부터 진행되어 왔습니다. 전류는 아래 수식으로 이루어져 있기 때문에 쉽게 어떤 것을 변경 시키면 특성을 개선할 수 있는지 알 수 있습니다. 아래 수식은 대학교 교과서와 구글에서 발췌하였습니다.

 

 

u는 mobility를 의미하고 Cox는 oxide capacitance를, W/L는 channel의 width와 length를 의미합니다. 직접도를 높여야 하기 때문에 L을 최대한 줄여서 전류의 특성을 개선 할 수 있습니다. L이 줄어들게 되면 전류 특성 개선을 분명 볼 수 있지만, channel 수평 방향으로 electric field가 증가하기 때문에 증가된 electric field로부터 힘을 얻은 carrier가 트랜지스터에 악영향을 미칠 수 있습니다. Channel 수평 방향으로의 electric field로 힘을 얻은 carrier를 hot carrier라고 부르며 이 hot carrier에 의한 트랜지스터 열화 현상을 hot carrier 열화가 발생했다 라고 이야기 합니다. 이러한 hot carrier 열화 현상을 완화 하기 위해서 다양한 방법이 트랜지스터에 적용되어 있습니다. 해당 내용은 다음 신뢰성 hot carrier 포스트에서 어떤 방식으로 어떤 문제를 해결 했는지 포스팅 하겠습니다.

 

L 감소를 통한 전류 특성 개선을 위해서는 신뢰성 특성을 잡아 가면서 트랜지터를 개발 해야 합니다. 하지만, L이 너무 짧으면 gate가 전류를 끄고 싶어도 끄지 못 하는 현상도 나타나고, 또 무작정 작게 만들지 못 하는 현재의 기술적 한계가 있기 때문에 L 감소 이외의 다른 특선 개선 방법이 필요하게 됩니다.

 

이러한 고민 없이 가장 단순 무식하게 Vgs라고 쓰여진 gate 전압에 인가된 전압을 높이는 방법도 있습니다. 하지만 저전력 장시간 휴대해야 하는 휴대폰을 생각 해 본다면 무작정 전압을 높일 수가 없다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 가장 단순 무식한 방법이지만 전류 특성을 개선할 수 있는 좋은 방법이 아닙니다.

 

다음 개선 방법으로 Cox 를 증가시키는 방법입니다. Cox 는 아래 수식으로 정의 됩니다. 

 

 

유전상수/oxide두께 로 정의되는 Cox이기 때문에 유전 상수를 바꾸거나 oxide 두께를 변경할 수 있습니다. 기술적으로 가장 간단한 것은 역시 oxide를 얇게 만들어주기만 하면 Cox값이 커지기 때문에 전류를 증가시킬 수가 있게 됩니다. 무작정 얇게 할 수 있을까요? 좋은 예는 아니지만, 칼로 두부를얇게 자른다고 생각 해 봅시다. 어느 순간이 되면 더 이상 얇게 만들기가 너무나도 어려워 집니다. 반도체도 동일한 맥락으로 이해할 수 있겠네요.

 

또한 oxide가 절연체로써 역할을 해 줘야 하는데 너무 얇아 지면 그 역할을 할 수가 없습니다. 즉 gate tunneling leakage current가 증가하게 됩니다. 개발자가 원하지 않는 주변으로 흘러나가는 전류를 leakage current 누설 전류라고 부르며 이 누설 전류는 파워를 소모 하기 때문에 절대 좋지 않은 것입니다. 단순한 예로 휴대폰이 꺼져 있어서 대기 상태로 유지 되어 최소한의 파워를 소모 해야 하는데, 누설 전류가 지속적으로 발생을 한다면 파워를 지속적으로 소모 하는 것이니 휴대폰을 사용하지 않아도 배터리 소모가 빨라 소비자가 불만을 토로하는 상황이 발생하게 됩니다. 이렇기 때문에 oxide를 지속적으로 얇게만드는 것 또한 기술적 제작 한계와 더불어 누설 전류 문제로 지속적인 감소가 어려운 상황입니다.

 

Cox에서 유전 상수도 바꿀 수 가 있습니다. 지금 사용하는 물질보다 높은 유전 상수를 사용하는 물질을 사용하면 됩니다. 물질을 바꿔서 Cox값을 크게 증가시킬 수 있지만 여전히 이 또한 무작정 새로운 물질을 쓰기 어렵다는 부분과 기술적 한계점, 신뢰성 측면에서 어려움이 발생하고 있기 때문에 유전 상수가 높은 물질을 계속 바꾸면서 사용하는 것도 한계가 있습니다. 유전상수가 다른 물질을 사용하면서 나타나는 신뢰성 문제점에 대해서는 신뢰성 포스트를 통해 소개 해 보도록 하겠습니다.

 

마지막으로는 u mobility를 개선 하는 방법입니다. 전압, L, Cox 변화의 한계에 부딪혀 다음으로 접근 한 것이 mobility boosting 기술입니다. Strain technology라고 불리며 tensile stress와 compressive stress를 인가함으로써 electron과 hole의 mobility를 증가 시키는 기술 입니다. 특정 기술을 시원하게 언급하고 싶지만, 저작권 issue가 있을 수 있기 때문에 구글에 intel TEM으로 검색 하셔서 이미지를 보시면 빠르게 확인하실 수 있습니다. 이러한strain technology 역시 전류 특성 개선에 좋은 영향을 미치지만 신뢰성 측면에 악영향을 미치게 됩니다. 좋은 장점이 있으면 반드시 안 좋은 점이 튀어 나오기 때문에 해당 부분을 고려하여 가장 적절한 수준으로 기술 적용이 필요합니다.

 

전류 특성을 개선하는 총 3가지 방법에 대해서 정리 해 보았습니다. 3가지 기술 모두 전류 특성을 개선할 수 는 있으나, 기술적 한계와 신뢰성 문제가 함께 발생합니다. 좋은 기술이지만, 항상 양날의 검이기 때문에 신뢰성 문제를 해결하는 대안도 반드시 필요하게 됩니다. 다음 포스트에서는 위에서 언급한 트랜지스터 특성 개선 시 나타난 신뢰성 문제를 어떻게 해결 했는지 교과서 부분과 논문들을 이용하여 설명 해 보고자 합니다.