FD-SOI, 세상을 뒤집어 한계를 극복하는 파운드리 사업부의 솔루션

이번 아티클에서는 PDSOI와 FDSOI를 통해 SOI 기술에 대해 더 자세하게 알아보려고 한다. PDSOI 그리고 FDSOI SOI는 Box와 채널용 단결정 실리콘의 두께에 따라 PDSOI(Partially Depleted SOI)와 FDSOI(Fully Depleted SOI) 두 가지 종류로 구분된다.

PDSOI의 장점과 단점 PDSOI는 전력소자 등의 아날로그 제품에 응용되며, 채널용 단결정 실리콘 두께는 약 50nm~100nm, 매립 유전체층(Box) 두께는 약 100~200nm이다. 지난 편에서 이야기 한 것 처럼 Bulk 트랜지스터 대비 Junction을 통한 누설 전류를 차단 가능하고, 소스와 드레인과 Body사이에 생성되는 Capacitance가 줄어드는 장점이 있다. _{※ Box: Buried Oxide Layer (Box)} 단, 기판에 전압이 가해지지 않아서 Floating body effect를 발생시킨다. 전자는 드레인쪽으로 이동하지만, Hot Carrier Effect에 의해 생성된 정공은 빠져나갈 곳이 없어 채널용 실리콘에 누적된다. 이로 인해 채널용 실리콘에 양전압이 가해지는 효과로 소자가 최초 동작 이전 상태 대비 동작 후 특성이 달라지는 Hysteresis가 발생한다. 또한 이렇게 쌓인 정공의 양이 일정 수준 이상이 되면 양전압에 의해 소자의 Vth가 낮아지는 효과로 소자가 OFF시 Off current가 증가되고, On시에는 드레인 전류가 Vth가 낮아지는 시점부터 갑자기 증가하는 Kink effect가 발생한다.

FDSOI의 장점 반면, 삼성전자 파운드리 사업부의 공정 기술로 생산 중인, FDSOI 소자는 PDSOI 소자에 비해 더 많은 장점을 가지고 있다. 이에 지난 2015년 3분기, 28나노 FDSOI 공정 기반 제품을 공개하면서, FDSOI 기술을 파운드리 공정에 적극 채용하고 있다. FDSOI는 매우 얇은 채널용 실리콘을 가진 구조로 초박형 몸체(UItra Thin-Body, UTB) SOI라고도 불린다. 몸체 두께는 약10nm, 매립 유전체층Box 두께는 약 20~25nm 이다. 채널용 실리콘의 두께가 얇아서 전체가 공핍 전하층으로 만들어지는 Fully Depleted Device를 만들수 있다. FDD는 게이트가 채널을 조절할 수 있는 능력이 커서 소스 드레인 사이의 거리가 짧아지면서 채널 누설 전류가 증가하는 현상인 단채널 효과를 줄일 수 있다. 일반적으로 FDD를 만들수 있는 방법은 Channel Silicon의 두께를 줄이는 것이다. 유사 기술로는 FinFET이나 GAA도 있지만, 3차원 구조로 구성돼 있어 복잡하기 때문에, 2차원 평판 구조를 가진 FDSOI는 일찍 도입이 가능했다. Vth는 트랜지스터를 On 상태로 켤 수 있는 크기의 게이트의 전압을 의미하는데, Vth가 높으면 소자를 On 상태로 두기 위해 더 큰 게이트 전압이 필요해 지며, 반대로 Vth가 낮으면 불완전한 OFF상태로 채널 누설 전류가 흐를 수 있기에 Vth를 적정 수준으로 통제하는 것이 필요하다. 앞서 언급한 바와 같이, FDSOI는 게이트의 채널 컨트롤 능력이 커서 short-channel effects를 줄일 수 있기 때문에 발생하는 Vth드랍을 보완하기 위한 Doping을 하지 않거나, 도핑의 농도를 아주 낮은 수준으로 낮출 수 있다. 이로써 도핑으로 인한 캐리어와 불순물간의 산란을 방지할 수 있으므로 이동도가 개선될 수 있다. 그리고 불순물 수 증가에 따라 발생하는 Random Dopant Fluctuation에 의한 문턱 전압 변동 폭도 감소시킬 수 있다. FDSOI에도 한계점이 있다. 대표적인 단점은 Self-heating effect다. 절연용 매립 유전체층(BOX)는 우수 단열재 (SiO2)이기 때문에, 동작 중 발생한 열이 방출되기 어렵다. 따라서 몸체 온도가 상승해서 소자의 이동도가 낮아짐으로 인해 채널 전류 감소가 발생할 수 있다. 이번 편에서는 삼성전자 파운드리 사업부의 기술 중 FDSOI에 관해 알아 보았다. 끊임 없이 기술 한계를 극복하면서 반도체 업계를 선도해 왔던 삼성전자 파운드리사업부. 앞으로도 미래 기술을 발굴하고 개발하며, 반도체 초미세화를 이루어 나갈 삼성전자의 미래가 주목된다.