[ Nandflash ] 01. Channel, MOSFET이라는 세상의 다리

Channel, MOSFET이라는 세상의 다리

MOSFET은 인간이 만든 생산품 중 가장 많이 팔린 제품이다. 하지만 이런 MOSFET도 초창기에는 주목을 받지 못했다. MOSFET의 트랜지스터 3개 단자 중 가장 중요한 역할을 하는 Gate 단자를 어떤 위치에, 어떻게 형성시키느냐가 관건이었기 때문이다. 이 문제를 적절히 극복함으로써 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)은 비로소 원조 트랜지스터인 BJT(Bipolar Junction Transistor)보다 성능과 집적 면에서 월등히 앞서게 되었다.

이렇게 산고의 고통을 겪은 Gate의 존재 이유는 무엇일까? 바로 Source와 Drain사이에 채널(Channel)이란 다리를 놓기 위함이다.

이 다리는 성격이 묘해서 좋아하는 캐리어만 통과시키는데, 심지어 트랜지스터 각 단자의 도핑 물질이나 외부에서 인가하는 전압 극성도 어떤 채널을 선택하느냐에 따라서 모두 따라게 된다. 트랜지스터를 동작시키는 데 가장 중요한 열쇠를 쥔 채널(Channel)에 대해 알아보자.

#===================================================== 증가형 MOSFET의 채널 형성 조건 =====================================================

채널은 Substrate 층에 존재하되, Oxide 층과 Sub 사이인 경계면에 형성된다.

채널이 제 기능을 하려면 2가지 조건이 필요하다. 먼저 채널이 들어갈 MOSFET 내의 물리적인 공간이 확보되어야 하고, 두 번째로 외부에서 Gate에 적절한 전압을 인가해주어야 한다. 또한, 채널은 짧은 시간에 다양한 변화를 제어할 수 있어야 한다.

소수 캐리어가 모여서 연결한 채널은, 다수 캐리어가 Source에서 Drain으로 이동하는 다리가 된다.

전자가 넘어갈 n_type 다리를 n_Channel이라 하고, 정공이 넘어갈 p_type 다리를 p_Channel이라 한다.

만약 전자가 지나갈 다리가 p_type인 Hole로 구성되면, 전자-정공이 동시에 상쇄되어(EHP 소멸) 전자가 건너가지도 못할 뿐더러 다리도 끊어지게 된다.

# ================================================= 채널을 중심으로 한 단자들의 Type 결정 ===================================================

채널을 활성화하는 layout을 위해서는 밑바탕에 채널 type과 반대 type의 Substrate(Bulk)를 놓고, Source와 Drain을 채널 type과 같은 type의 불순물 반도체로 구성한다.

Bulk 위에는 type과 상관없으면서 강력한 Oxide Layer를, 그리고 Oxide의 위에는 도전층인 Poly-silicon을 타설한다.

이렇게 채널 type이 정해지면, 나머지 단자들의 type이 차례로 결정된다.

예를들어 n_Channel이라면 P_type Substrate가 밑에 깔리고, Source와 Drain은 n_type이 된다. 이는 type이 항상 인접한 단자와 반대 불순물 type으로 구성되기 때문이다.

#============================================== 채널 형성 방식으로 본 MOSFET, 증가형과 공핍형 ===============================================

MOSFET은 채널을 바라보는 관점에 따라 여러가지로 나뉜다. 채널을 형성하는 방식으로 보면, 증가형(Enhancement : E-MOSFET)과 공핍형(Depletion : D-MOSFET)으로 구분할 수 있다.

증가형은 채널이 없는 공백 상태에서 채널을 서서히 증가시켜 드레인전류량을 늘릴 수 있도록 조절하는 Model이고, 공핍형은 이미 형성된 채널 속에 공핍층을 생성하고 증가시켜서, 채널 폭을 서서히 좁히는 방식으로 원하는 드레인 전류량을 약하게 하여 조절하는 형태이다.

그런데 공핍형은 Fab공정 진행시 채널을 미리 형성시켜 동작시키는데, 이때 최대 드레인 전류치가 정해진다. 이런 공정으로 인해 Mask와 공정 Step이 추가로 증가하게 된다.

이는 MOSFET보다 원가가 높아지는 원인이다. 따라서 특별한 기능이 필요한 곳이 아니면, MOSFET은 증가형(E-MOSFET)을 사용하는것이 좋다.

# =============================================== 채널과 각 단자에 인가되는 전압의 상관관계 ================================================

채널 type에 따라 Gate, Source, Drain, Bulk 단자에 인가하는 전압의 극성도 결정된다. 트랜지스터를 동작시키기 위한 외부전압은 Gate전압이 가장 중요하다. 그리고 그 Gate 전압의 변화에 가장 민감하게 반응하는 것이 바로 채널이다. 채널의 두께나 길이 또한 Gate 전압에 따라 동기화된다.

예를 들어, nMOSFET이라면 전자를 끌어와야 하는 Drain에 플러스 전위, 전자를 내보내야 하는 Source에는 Drain보다 낮은 전위(혹은 제로 전위)를 걸어주어야 한다.

Gate에는 전자 다리를 놓아야 하므로 플러스 전위를 걸어준다. Substrate(Bulk)에는 Source와 같은 전위를 걸어주거나, Bulk를 보호하기 위해 Source보다 낮은 전위(혹은 마이너스 전위)를 걸어야 한다.

# ==================================================== 네 종류의 MOSFET알아보기 ====================================================

이번에는 MOSFET을 채널 type으로 분류하겠다.

증가형(E-MOSFET), 공핍형(D-MOSFET), 모두 채널을 n_type과 p_type으로 세분할 수 있다.

즉, MOSFET은 모든 옵션을 고려하면 전부 4가지로 나눌 수있다. Source와 Drain사이에 Electron 다리가 연결될 때는 n_type MOSFET(nMOSFET)이라고 하고, 통로로 Hole이 연결되어 다리를 놓는 경우를 pMOSFET이라 부른다.

특히 증가형 nMOSFET과 증가형 pMOSFET이 한 쌍을 이뤄 CMOSFET(Complementary)을 구성한다. CMOSFET은 반도체 기본 동작인 ON/OFF를 결정하는 핵심소자로써, CMOSFET 동작은 다음에 설명하자~

# ================================================= 증가형 nMOSFET 채널 형성 과정 ======================================================

1. 공핍(Depletion) 단계

   전형적인 MOSFET의 증가형 nMOSFET을 예로 들어보자 Source와 Drain단자를 0[V]로 놓는다. Gate에 인가되는 전압을 계속 증가시키면 n_Channel이 두꺼워 진다. 이 때 두꺼워지는 채널을 관찰해보면 2~3단계를 거치게 된다.

   처음에는 Gate의 약한 플러스 전압에 의한 Bulk 내의 양전위 기울기(Gate에서 멀어질 수록 전위가 떨어짐)로 인한 영향으로, Gate에 가까이 있는 3족 원소의 최외각전자들이 에너지를 받아서 공유결합에서 살짝 빠져나온다. 최외각 껍질에서 빠져나온 전자들은 아직 공유결합된 원자들의 원자핵의 인력 영향권 내에서 자유롭게 벗어나지 못한 상태(낮은 Gate 전압)로 공유결합 주위를 서성임.

   

   이렇게 형성된 영역이 공핍영역이다. Gate에서 멀리 떨어져 있는 공유결합들은 Gate의 전위에너지가 충분하지 못하여 원자로부터 탈출하지 못한 전자들이 쌍극자와 같은 형태로만 엉거주춤한 행동을 취하게 된다.

2. 반전(Inversion) 단계

   인가된 Gate전압을 더욱 높인다.

   Gate 전압이 Vt라는 문턱 전압을 넘어서면 Bulk내의 소수 캐리어인 전자들이 Oxide-sub(Bulk) 경계면으로 모여들기 시작한다. 이때가 약한 반전층이 형성되는 시기이다.

   

   이 반전층(Inversion Layer)이 두꺼워지면 Source에 있던 전자들이 건너갈 다리가 된다. Vgb(gate-bulk 전압)을 더욱 올리면, Bulk전자들이 그에 비례하여 Gate를 향해 더욱 많이 모여들게 된다. 반전층이자 전자다리가 더욱 튼튼해져서 Source의 전자들이 건너기에 충분한 두께가 된다.

   이 반전층은 n_type(Source)의 다수 캐리어인 전자들의 숫자보다 밀도가 더욱 높아진다. 이 Sub 영역은 p_type 반도체이면서 마치 n_type반도체처럼 보이는 영역이다. 물론 Vgb를 제거하면 반전층도 즉시 없어진다.

# ================================================= 증가형 pMOSFET 채널 형성 과정 ======================================================

pMOSFET도 유사하다. 지금은 직접적으로 중요하지 않기 때문에 나중에 알아보겠다.

# ==================================== 캐리어들의 눈사태를 막아주는 공핍층, Channel Length Modulation ======================================

트랜지스터를 제대로 동작(ON/OFF)시키려면 Drain Current(Id)를 많이 흐르게 하는 것이 최우선이다. Id는 Drain-Source 사이의 전압(Vds)를 키워야 한다.

그러나 드레인 전압이 커지면, Gate 전압에 의해 형성된 Channel 길이가 줄어드는 부작용이 따른다.

이는 Drain Junction에서 두꺼워지는 공핍 영역으로 인해 어느 정도 길어야 할 채널이 밀려나기 때문이다. 이렇게 Vds로 인하여 채널의 길이가 고무줄처럼 늘었다 줄었다 하는 현상을 Channel Length Modulation이라고 한다. 이는 n_Channel, P_Channel 모두 같다.

반면, Channel Length Modulation은 Drain 전류(Id)가 너무 많이 흐르는 것을 방지해주는 역할을 한다.

즉, 어느정도 높은 Drain 전압이상에서는 전압을 아무리 높여도 Drain 전류가 포화하여 더 이상 증가하지 않고 일정량의 전류만 흐르게 하는것이다.

왜냐햐면 Jd(Drain Junction) 공핍층이 증가하면 채널이 짧아지고 끊어지게 된다. 캐리어들은 더는 손쉬운 다리를 이용하지 못하고, 길이 없는 골짜기를 지나게 되어 저항이 커진다. 즉, 다행히도 전자나 Hole인 캐리어들의 눈사태(Avalanche)가 일어나지 않게 된다.

만약 공핍층이 커지지 않고 채널 길이가 그대로였다면, 캐리어들의 숫자는 Avalanche 현상으로 무한정 많아지게 되고 트랜지스터는 열이 받아 타버릴 것이다.