반도체 미세화 목적과 영향

최근 뉴스에서 7 나노, 5 나노, 3 나노 공정이라는 말을 자주 접합니다.

 

모바일 기기는 물론, 몸에 착용하는 웨어러블 기기에도 반도체가 들어가면서 반도체 소형화의 중요성이 커지고 있습니다.

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오늘은 차세대 디바이스에 맞춰 점점 작아지는 반도체 미세화 목적과 영향에 대해 알아보겠습니다.

 

반도체 소자를 미세화하는 이유

 

(1) 규모의 경제 (생산성 향상)

반도체 미세화하게 되면 한 장의 웨이퍼에서 생산할 수 있는 반도체 개수가 증가하게 됩니다.

 

반도체 개수의 증가는 원가절감, 규모의 경제 효과를 가져오기 때문에 미세화 한계에 끊임 없이 도전하는 것입니다.

 

(2) 성능 향상

반도체는 트랜지스터로 구성되어 있는데 트랜지스터가 많으면 많을수록 성능이 향상됩니다.

-> 소자를 미세화 하면 Channel Length가 줄어들게 됩니다.

 

줄어든 Channel Length는 채널의 저항이 줄어들게 되고 전자를 모아야 하는 영역이 줄어들기 때문에 C도 감소하게 됩니다.

 

따라서 RC 모두 줄어 RC Delay를 제곱배로 줄일 수 있는 효과가 생기게 됩니다.

 

Channel Length 감소 효과

 

Channel Length가 감소하여 미세화가 될수록 Short Channel Effect라는 부작용이 생깁니다.

 

부작용 중 하나가 Source와 Drain의 Depletion(공핍) 영역이 만나는 Punch Through 현상입니다.

 

소자의 크기는 줄어들었으나, Depletion(공핍) 영역은 줄지 않았기 때문에 PunchThrough에 취약한 방향이 됩니다.

 

PunchThrough PunchThrough 감소 방법 Depletion(공핍) 영역을 줄여야 합니다.

 

따라서, 아래 식과 같이 Na 도핑을 많이 쳐서 Depletion region을 줄여야 합니다.

소자 영역이 1/s배 만큼 줄었으면, S제곱 배만큼 도핑 농도를 올려야 합니다.

 

Depletion Region theory  

 

도핑 농도를 올리면 또 발생하는 문제가 있습니다.

 

도핑 농도를 올리면 Threshold Voltage가 증가합니다.  

 

Threshold Volatge Theory

 

올라가는 Threshold Voltage를 control하기 위해 Cox를 건드릴 수 밖에 없다.

 

Cox는 어떻게 건드리면 좋을까?

 

일단 Cox 식에 대해서 살펴보면 Threshold Voltage가 올라가는 것을 막기 위해.. Cox는 커져야 합니다.

 

A는.. 이미 우리가 소자를 미세화 했기 때문에 커지게 할 수가 없고... 결국 d를 바꾸게 됩니다.

 

즉 Gate와 Si 사이에 있는 Oxide의 두께를 얇게 가져가야 합니다.  

 

그래서 옛날 공정까지는 이렇게 계속 소자가 미세화 되면서 도핑을 많이 치고, Oxide 두께를 줄여가면서 더 발전하는 소자의 특성을 만들 수 있었습니다.  

 

다만... Oxide의 두께가 무한정으로 작아질 수 없습니다.

 

왜냐하면 얇아지면 얇아질수록 누설 전류가 많이 흐르기 때문입니다.

 

그래서 우리는 HKMG 라는 것을 도입하기 시작했습니다.

 

 

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