FinFET과 GAAFET, MBCFET / TSV와 화합물 반도체

 

 반도체는 도체와 부도체의 중간의 성질. 즉, 전기가 통할 수도, 안 통할 수도 있는 소재를 말한다. 전자가 흐르거나, 흐르지 않게 제어를 할 수 있어야 하고 이에 기본적인 형태를 'MOSFET'이라고 한다.

 

• 2020.10.10 - [과학과 공학 이야기/반도체와 디스플레이] - 반도체 공정 전 다이오드와 트랜지스터, 커패시터 간단 원리

source : 삼성

source : 삼성(왼쪽이 MOSFET, 오른쪽 FinFET)

 

 위는 기존에 많이 봤을 MOSFET 구조이다. 왼쪽이 구형의 MOSFET 구조고, 오른쪽은 한 단계 업그레이드된 구조인 'FINFET'이다. 전자는 하늘색 벽을 통과해 하얀 화살표 방향으로 이동을 하게 된다. 하늘색 벽은 톨게이트라고 보면 되고, 아래 짙은 파란색은 도로라고 보면 된다.

 

 전자가 도로를 지나 톨게이트를 통과하면서 전류가 흐르는 것이라고 보면 된다. 그런데 기술의 발전을 위해서 과학과 공학자들은 더 작은 공간에서 더 많은 전자가 지나가기를 바란다. 그러길 위해 톨게이트의 길이를 줄여보려고 했다. 하지만 톨게이트의 길이를 줄였더니, 허락되지 않은 전자들이 몰래 지나가는 일이 생긴다. 이를 '터널 효과'라고 한다. 수많은 톨게이트에서 전자가 새어나가는 것은 제어가 되지 않으며 기술적 문제를 야기할 수 있다.

 

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 그래서 더 작은 공간에서 전자들이 많이 원활하게 통과할 수 있도록, 도로를 수직방향으로 쭉 늘린 것이 'FINFET'이었다. 이 방법은 14 나노미터 공정부터 쓰였다. 하지만 4 나노미터 공정에서부터 한계가 나타난다.

 

 머리카락보다 훨씬 작은 4나노미터 이하의 반도체를 개발하기 위해 삼성은 새로운 방법을 개발한다. 도로를 톨게이트 공중에 만들어버리는 것이다. 그것도 여러 개를 만든다. 이를 'GAAFET(Gate All Around)'라고 한다.

 

 그리고 여기서 공간을 줄이고 높은 효율을 낼 수 있는 기술인 'MBCFET(Multi Brigde Channel FET)'를 개발한다. 이는 기존 'GAAFET'에서 공중에 설치한 도로의 폭을 종이처럼 얇고 긴 나노시트를 적층 하여 만든 기술이다.

 

souce : IBM / GAAFET의 모습 

 

 더 작은 크기에서 전자가 이동할 수 있도록 면적을 넓혀준 기술이 FinFET(2세대), GAAFET(3세대), MBCFET(4세대)라고 보면 된다. 그리고 전자가 쉽게 이동할 수 있으니, 그만큼 더 빨리 신호를 전달할 수 있고 성능이 좋아진다는 의미가 된다. 

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 다만 그렇다 하더라도 재료 내에서 전자가 움직일 수 있는 속도는 정해져있다. 물론 여러 실험을 통해 전자의 이동속도에 변화를 줄 수 있다고는 하나, 반도체의 소재를 바꾸는 것이 더욱 빠르다.

 

source : Nanometre-scale electronics with III–V compound semiconductors

 

 실리콘 내 전자의 속도는 1600이나 화합물 반도체인 GaAs, InAs라는 재료를 쓰게 되면 9200, 40000(cm^2/Vs)이기 때문이다. 

 

 또한. 디램과 같은 메모리 반도체의 용량을 높이기 위해서 여러 디램을 PCB 기판 위에 금을 이용한 와이어로 연결해준다. 이때 칩과 칩 사이나 기판 사이에서 신호 지연이 일어나기도 하며, 갈수록 작아지는 반도체의 크기로 인해 제약이 많아진다. *와이어는 크기 면적이 크며 인풋 대비 아웃풋이 적다.

 

 이를 개선하고자 나온 방식이 디램을 위로 적층 하는 방식이다. 다만, 이때도 역시 와이어로 연결할 경우 인풋 대비 아웃풋이 적으며, 와이어의 길이가 길어질수록 전기저항은 그만큼 커지므로 효율이 적다. 크기 면적이 큰 것은 물론이다.

 

 이러한 단점을 한번 더 개선하고자 나온 것이 적층 후 중간에 구멍을 뚫어 그 사이에 Cu와 같은 소재를 채워 전극을 만들어준다. 한마디로 엘리베이터를 만들어주는 셈. 이를 'Through Silicon Via = TSV'라고 부른다.

 

 구멍을 뚫을 때 반도체가 휘어져버릴 수 있어 그만큼 어려운 기술이지만, 양산할 경우 접합 길이(interconnection)가 짧아지며, 효율이 좋아진다.

 

 앞으로 AI와 5g 등 더 많은 데이터를 한 번에 처리해야 하는 기술이 많아지는 만큼 더 많은 신호 처리가 필요할 것이다. 미래의 반도체는 이러한 방법을 위해 실리콘을 대체할 화합물 반도체와 적층 방식 기술에 대한 연구가 활발히 진행되지 않을까 싶다.

 

 

GAAFET 원리

MBCFET 원리