MOSFET 구성의 종류(증가형, 공핍형, Planar, FD-soi, FINFET, GAAFET, MBCFET)

MOSFET의 종류

1. 채널에 따른 분류

1) 증가형 MOSFET

○ Gate에 전압을 인가하여 소스와 드레인 사이에 채널을 형성하는 일반적으로 알고 있는 모스펫입니다.

○ E-MOSFET(Enhancement)라고도 합니다.

2) 공핍형 MOSFET

○ 증가형 MOSFET의 반대되는 개념으로 물리적으로 채널이 미리 형성되어 있습니다.

따라서 따로 게이트에 전압을 걸어주지 않더라도 전류가 흐르는 상태이며,

게이트 전압을 조절해 전류를 차단하거나 약하게 조절할 수 있습니다.

 

○ 이 원리는 E-MOSFET과 반대라고 생각하시면 됩니다.

N-type E-MOSFET의경우 +전압을 인가해 정공을 밀어내고 N채널을 형성한다면,

E-MOSFET의 경우 – 전압을 인가해 정공을 채널로 끌어들여 채널을 좁게 만들게 됩니다.

 

○ E-MOSFET의 경우 채널을 미리 형성시키는 공정으로 인해 추가적인 Mask가 필요하고, 이에 공정 비용이 증가합니다. 또한 문턱전압의 균일성을 유지하기 힘들어 IC 회로에서는 사실 거의 사용하지 않습니다.

 

○ D-MOSFET(Depletion)이라고도 합니다.

2. 구조에 따른 분류

1) Planar FET

○ 1세대 MOSFET으로 일반적으로 대학교에서 배우는 MOSFET 구조입니다.

○ 이러한 MOSFET은 그 성능 증가와 크기 감소를 위해 선폭을 줄이게 되는데, 이에 Source와 Darin사이가 너무 가까워 각종 Secondary effect가 나타나게 됩니다.

○ Secondary effect를 방지하기 위해 FD-Soi, FinFET, GAAFET, MBCFET 등 다양한 구조의 MOSFET이 개발되게 됩니다.

2) FD-Soi

○ SIMOX 공정(si 기판에 산소를 주입하고 1300도 이상으로 가열하는 공정)을 이용해 Source, Darin, Channel 아래 Ultra-thin Baried oxide를 형성하는 기법입니다.

 

○FD-Soi의 효과로는

첫 번째로 누설전류가 감소합니다. Source, Darin, 채널을 P-sub과 격리시키기 때문에 캐리어가 채널 외에 다른 곳으로 흐르지 않게 됩니다.이에 누설전류가 감소합니다.

 

두 번째로 Latch-up을 방지합니다.

C-MOS의 경우 n-type과 p-type이 접촉된 부분이 존재해 Latch-up 현상이 발생할 수 있습니다. 하지만 FD-Soi를 사용할 경우 N-Well과 P-sub을 분리해 기생 CAP을 없애고 Latch-up 현상을 방지합니다.

 

○ 이렇게 기생 CAP을 없애는 현상은 반도체 속도 증가로 이어집니다. 왜냐하면 기생 Cap이 사라짐으로 인해 RC Delay가 줄어들기 때문입니다.

3) FinFET

○ FINFET은 기존에 Planar FET의 채널을 위로 쌓아 올린 형식입니다.

마치 낸드 플래시 72단 36단과 같이 쌍아 올려 집적도를 올렸다고 생각하시면 됩니다.

 

○ 이렇게 쌓아올린 채널은 Gate에 파고든 형태를 하고 있어 상어 지느러미와 비슷한 형상을 가지게 됩니다. 때문에 FinFET이라는 이름이 붙었습니다. 일각에서는 물고기 지느러미와 유사해서 FinFET이라는 이름이 붙었다고도 합니다.

 

○ Planar FET이 1개의 면으로 전류의 흐름을 결정하는 것에 비해 왼쪽, 오른쪽, 위쪽 3개의 면으로 전류의 흐름을 결정해 전류 제어 특성이 더 좋습니다.

 

○ FinFet의 경우 14nm ~ 4nm공정에서 사용하며, TSMC의 경우 3nm 공정에서도 FinFET 공정을 사용하겠다고 발표했습니다.

 

○ FinFet의 효과로는

첫 번째 반도체 크기가 감소합니다.

FinFET은 Planar FET과 다르게 채널이 가로가 아닌 세로로 형성되어 전체적인 반도체 크기가 감소합니다.

 

두 번째 전류량이 증가합니다.

3면을 사용하는 덕분에 단면의 채널을 갖고 있는 PlanarFET 보다 채널의 width가 증가해 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다.

 

세 번째 효과적으로 전류를 통제할 수 있습니다.

전류를 3면으로 통제해 더욱 효과적입니다. 따라서 누설전류나 Short Channel Effect 등을 줄일 수 있습니다.

4) GAAFET

○ 채널의 전면이 Gate로 둘러쌓인 나노 와이어 구조를 하고 있습니다.

둥근 채널을 게이트가 전방위로 감싸고 있어 전류 제어 특성이 FinFET보다 좋습니다.

 

○ 삼성의 발표자료에 따르면 FinFET과 비교했을 때 성능이 35% 정도 증가했고, 소비전력은 50% 정도 감소했으며, 차지공간은 45% 감소하는 효과를 볼 수 있었다고 합니다.

5) MBCFET

○ GAAFET에서 사용하는 나노와이어 구조를 나노 시트 구조로 대체한 형태입니다.

 

○ GAA와 같이 높은 전류제어 특성을 가졌으며, 게이트에 닿는 면적이 넓어 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다.

<사진 출처>

삼성전자 : https://www.samsungsemiconstory.com/kr/%EC%82%BC%EC%84%B1%EC%A0%84%EC%9E%90-%EC%82%BC%EC%84%B1-%ED%8C%8C%EC%9A%B4%EB%93%9C%EB%A6%AC-%ED%8F%AC%EB%9F%BC-2019-%EA%B0%9C%EC%B5%9C/