[반도체 특강] 수직축으로 본 전자들의 여행: MOSFET

근대과학까지 전자는 전기분해 등 주로 기체, 액체 상태로 쉽게 생성시켰습니다. 그러나 전자를 쉽게 얻는 대신 의도하는 시간까지 보관할 수 없기 때문에 유체를 통하여 얻은 전자를 활용하는 데는 제약이 많았지요. 그 후 금속 말고도 고체 속에 자유전자를 넣어서 오래 보관할 수 있는 경이로운 매체인 반도체가 나타나게 되었습니다. 오늘은 자유전자가 여러 형태의 반도체를 붙여놓은 트랜지스터라는 특출난 고체 속에서 어떠한 기능을 하는지 알아보도록 할 텐데요. 다양한 종류의 트랜지스터 중에서도 범위를 좁혀서 집적화(IC: Integrated Circuit)에 사용되는 트랜지스터의 구성과 기능을 자세하게 소개해볼까 합니다. 그럼 IC용 트랜지스터의 수직축 영향과 수평축 기능에 대해 살펴보도록 할까요?

트랜지스터의 십자 모델

▲ 트랜지스터의 십자 모델

MOSFET은 반도체로 구성된 IC를 움직이는 최소 기능 단위인 집적화 트랜지스터를 구성하는 소자입니다. 여기서 소자란 기능적으로 홀로서기를 할 수 있는 가장 작지만 꼭 필요한 성분(요소)을 의미하는데요. 트랜지스터는 어떻게 십자 방향으로 영향을 받는 것일까요? MOSFET은 MOS(모스) + FET(팻)의 합성어입니다. MOS는 트랜지스터에 수직 축으로 영향을 주고, FET은 수평축으로 기능을 발휘 합니다. 이렇게 트랜지스터는 먼저 위에서 아래로 영향을 받습니다. 그렇게 받은 영향 하에서 자유전자가 주어진 조건에 따라서 수평축으로 움직여 십자 모형의 트랜지스터를 동작 시키는 것이죠.

수직축 방향으로의 영향을 주는 MOS

▲ MOS(Metal Oxide Semiconductor)의 구조 출처: Basic Insight “NAND Flash 메모리 동작특성

트랜지스터의 물리적 구성은 어느 방향으로건 도전성 물질과 절연성 물질이 번갈아가면서 형성되어 있습니다. 그 중 수직축 방향으로 형성되는 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)는 Metal(3층) Oxide(2층) Semiconductor(1층)의 약자의 의미대로 3개 층이 위에서 밑으로 겹겹이 쌓여있는 형태를 나타냅니다. 상부 층인 Metal은 트랜지스터에 전압을 연결하기 위한 Gate층인데 실제로는 Poly Silicon이라는 Metal보다는 저항이 높지만 절연체 보다는 도체에 가까운 복합물질을 사용합니다.

Gate와 기판(Substrate) 사이에는 절연층을 두었고, 이 절연층을 통과하여 자유전자들이 이동할 수는 없습니다. 그러나 절연층 바로 밑에서 받쳐주고 있는 기판층(Substrate)을 흐르는 자유전자(FET)들은 의도하는 대로 조절할 수 있게 전압을 작용시켜 기판의 일정 영역(경계면)에 영향을 줍니다. 수직방향의 MOS는 위에 앉아서 수평방향으로 일하는 FET을 관리합니다.

MOS층은 트랜지스터들을 고집적 시킬 수 있는 혁신적인 구조를 제공합니다. 이는 트랜지스터를 동작시키는데 매개체로 활용되는 전자의 이동거리를 다른 어느 형태보다도 효과적으로 줄일 수 있기 때문입니다. 물론 너무 줄이면 부작용도 생겨 트랜지스터가 동작하지 못합니다. 여기서 전자의 이동은 Source단자에서 Drain단자까지의 거리를 의미합니다.

산화막 쌓기, 인간이 만든 가장 얇은 막 Oxide

▲ NAND Flash 메모리 단면

철이 공기 중에 노출되어 녹이 쓰는 현상을 종종 보신 적이 있으실 텐데요. 이는 철이 오랜 시간 동안 공기 중의 산소와 결합된 자연 산화막을 만드는 과정입니다. 반도체 역시 만드는 과정에 산화 공정이 존재합니다. 철이 녹슨 산화막은 불필요하지만, 반도체 산화막은 없어서는 안될 매우 중요한 작용을 하지요. 반도체 산화막은 자유전자들의 이동을 철저히 제한하기도 하고, 유전체 작용을 응용하기도 합니다. 그런 산화막(Oxide)은 기판 바로 윗층에 연이어서 쌓아 올립니다.

인위적인 산화막을 만들 때는 높은 온도를 이용하는데요. 섭씨 약 1,000도 전후로 뜨겁게 달구어진 전기로 속에 수증기(두꺼운 막용) 혹은 산소가스(얇은 막용)를 집어넣습니다. 그런 다음 웨이퍼 표면을 구성하는 성분인 실리콘과 산소가스가 서로 반응하게 하여 얇은 산화막을 만듭니다. 수증기를 이용할 경우는 막이 두껍게 쌓여 인접 트랜지스터와 서로를 구분하는 칸막이용으로 사용하고, 산소가스를 이용할 경우는 막을 매우 균일하고 얇게 형성할 수 있어서 MOS의 구성원 역할을 시킵니다. 웨이퍼의 재료로 실리콘을 사용하는 가장 중요한 이유 중의 하나는 바로 산화막인 이산화규소(SiO2)를 만들기 위함입니다.

특히 Gate단자 밑에 있는 터널산화막은 두께가 약 2~20nm로써, 이는 인간이 만든 막 중에서 가장 얇은 막입니다. 일반적인 원자의 평균 직경이 약 0.2nm이므로 터널산화막은 일반 원자가 약 10 ~ 100개 정도 늘어서 있는 정도의 높이입니다. 반도체에는 여러 가지 막이 있는데, 이렇게 막을 위로 쌓는 방식을 Stacking방식이라 합니다. 현재 대부분의 반도체 업체가 Stack방식을 사용하는데요. 유럽의 유일한 자존심이었던 인피니언 반도체 회사는 Stack과는 반대로 밑으로 파고 들어가는 Trench방식을 고집했습니다. 그러나 얼마 지나지 않아 기술적 한계로 인하여 DRAM 메모리 사업을 접어야 하는 고초를 겪기도 했습니다.

반도체에도 존재하는 쌍극자 운동

▲ 쌍극자 운동

반도체에 웬 쌍극자 운동이냐고요? 도체에 전압을 인가하면 도체 내에서 전자가 이동하여 전류를 흐르게 합니다. 그러면 산화막에 전압을 가하면 어떻게 될까요? Gate단자에 양전압을 주어도 절연체인 산화막을 구성하는 원자 속에 들어 있는 전자들은 원자를 박차고 이동하지는 못하므로 전류가 흐르지는 않습니다.

그러나 절연체를 구성하는 각각의 원자 내에서는 양전위 쪽으로는 전자들이 좀 더 모여들고 그 반대방향에서는 전자가 이동된 전하량만큼 반대 부호인 플러스가 됩니다. 이는 전자들이 원자핵을 중심축으로 자체적인 고유의 궤도를 돌다가 궤도상에서 한쪽으로 모여들기 때문입니다. Gate단자에 음전압을 가하면 물론 그 반대 현상이 일어나게 되겠지요. 따라서 반도체 산화막인 절연체 아래위로 전위 차이를 만들면, 반대부호인 음전하와 양전하가 매우 가까운 거리에서 형성됩니다. 이를 쌍극자 현상이라고 합니다. 터널산화막내에서는 이런 쌍극자들은 절연체를 구성하는 원자 전체에 영향을 끼치므로 쌍극자들은 원자 개수만큼 도열해 있게 됩니다.

절벽사이에 구름다리를 놓다

▲ MOS가 만든 구름다리

절연체 하부층은 기판(Substrate)인데, 이 판(Layer)은 어느 방향으로부터도 전압이 직접 가해지지는 않습니다. 기판은 P형 반도체(P-N-P일 경우는 N형)이기 때문에 약 20%의 원자들은 정공을 하나씩을 달고 외부의 결정을 기다립니다. 판 전체적으로는 중성을 유지하면서, 어느 방향으로건 전압이 전달되면 판 내부에서 전자의 쏠림 현상이 발생됩니다. 또한 기판 좌우에는 Source단자와 Drain단자가 버티고 있어서 그 사이에 있는 영역은 외부에서 전압이 가해지지 않는 한 어떤 전자도 움직이지 않는 잠자는 골짜기와 같은 상태를 유지합니다. 그러니까 P형 반도체 속에 있는 전자들이 볼 때는 Source단자와 Drain단자는 높은 절벽이 됩니다.

계곡의 상층부에 있는 Gate단자에 양전압을 가하면, 산화막층은 고맙게도 쌍극자 운동을 하게 되고, 쌍극자 영향 덕분으로 기판 상층부에는 양전압이 가해지는 효과를 낳습니다. 그러면 기판을 형성하고 있던 원자 속에 있는 전자들은 이웃 원자가 끼고 있는 정공(P형 반도체)을 징검다리 삼아 기판의 상층부로 모여듭니다. 가해진 전위 에너지로부터 기운을 얻어 움직이게 된 것이지요.

음전하들이 기판의 경계면으로 많이 몰려들게 되면 전자형 구름다리를 형성합니다. 그렇게 되면 절연체 위에는 양전압이 걸리고, 절연체 밑에는 음전하가 응집해있는 형상으로 MOS가 축전기(Capacitor)와 같은 역할을 하게 되는 것이지요. 즉, MOS가 Source와 Drain을 연결 짓는 구름다리를 만들었고 반도체에서는 이 구름다리를 채널(Channel)이라 부릅니다. 전자 구름다리를 n-Channel, 정공 구름다리를 p-Channel이라고 합니다.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.