<MOSFET>7. MOSFET의 scaling(사이즈 줄이기)

이번 포스팅에서는 반도체의 scaling역사와 앞으로의 반도체 개발방향에 대하여 간략하게 알아볼 것이다.

 

 

MOSFET의 성능은 ON Current가 좋고, OFF current가 작을 수록 좋다.

 

 

MOSFET Scaling

ON Current를 개선시키는 방법으로는 MOSFET의 channel길이를 줄이는 방법인 Scaling이 있다.

MOSFET의 channel 길이가 줄면

1. 동작속도 향상(channel 길이가 짧아지면 드레인 전류가 증가한다.)

2. 반도체 칩 하나의 단가 하락 - 반도체는 웨이퍼 단위로 생산되어 한 웨이퍼를 만드는 모든 비용은 거의 동일하다.그래서 하나의 웨어퍼에 많은 칩을 넣는 것이 생산단가를 낮춘다.

등의 효과를 기대할 수 있다.

사진 출처 : TSMC

MOSFET의 크기는 꾸준하게 감소하고 있다.

또한 크기를 줄이는 것 뿐만 아니라 여러가지 기술들이 적용되어 MOSFET의 성능을 높여왔다.

 

MOSFET의 성능을 높이기 위한 2가지 기술로

1. Strained Silicon

2. High-k metal Gate(HKMG)가 있다. 

 

strained silicon은 hetero junction에서 발생하는 접합면의 스트레스인 장력을 이용하여 carrier의 mobility를 증가 시키기는 방법이다. channel 길이가 90nm가 되었을 때 도입한 기술이다. 

High-k metal Gate는 이전에 Gate로 사용하던 doped poly si대신에 유전율이 더 우수한 metal Gate를 사용하여 cunductance를 올리는 방법이다. channel의 길이가 45nm가 되었을 때 도입한 기술이다. 

 

 

하지만 2011년부터 30nm이하로 channel 길이가 더 줄어들면서 short channel effect를 더이상 control하기 힘들어져 새로운 3D구조인 FinFET구조를 도입했다.

그렇다면 FinFet구조는 기존의 방식과 어떻게 달라졌는지 간략하게 알아보겠다.

 

FinFET

short channel effect를 control하기 힘들어져 도입한 새로운 구조인 FinFet은 기존 MOSFET의 채널이 2D로 생기는 것과 달리, 채널이 3D로 형성된다. 

MOSFET은 Gate를 통해 channel 조정을 원하지만, channel의 길이가 짧아지면서 $V_D$의 영향력이 커졌다.

그래서 $V_D$의 영향력을 최소화 하기 위해 Gate의 숫자를 늘리는 방법으로 고안한 것이 FinFet이다.

 

3개의 면이 모두 Gate역할을 하면서 short channel effect를 더욱 효과적으로 줄일 수 있게 되었다. 

우리는 이러한 3D transistor를 FinFET이라고 하며 이때 Fin은 3차원으로 솟은 channel영역을 지느러미와 비슷하다고 하여 FinFET이라고 불린다. 

 

사진 출처 :&nbsp;https://maltiel-consulting.com/Intel_22nm_3D_Tri-Gate_FinFETs_Transistors_maltiel_semiconductor_consulting.html

 

현재는 하나의 Fin을 가진 FinFET이외에도 $I_D$를 더 높이기 위해 더 많은 Fin을 가진 multiFin도 현재 연구가 진행되고 있다. 

 

 

GAA(Gate All Around)

사진 출처 : 삼성전자

Transistor의 크기가 더 작아지면서 FinFET으로도 전류 제어의 어려움을 겪기 시작했다.

이에 대안으로 등장한 것이 GAA이다.

Gate를 4면에서 감싸는 형태인 GAA는 현재 삼성전자가 3nm로 크기로 양산중이다. 

GAA는 2022년 양산을 시작한 차세대 트랜지스터 기술이다.  

 

FinFET에 다음으로 트랜지스터 구조 패러다임을 바꾼 GAA는 앞으로 반도체 시장에서의 귀추가 주목된다. 

 

 

 

 

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작성자: 김현수 / 수정 및 검토: 손동휘, 이현우