반도체의 미세공정이 더 커질수록 누설전류가 많아지는 이유가 무엇인가요?

Question

반도체의 미세공정이 더 본격화 될수록 수율이 매우 낮고 원가가 비싸다고 들었습니다.

특히 이러한 원인중 하나가 누설전류가 많아져서 굉장히 공정이 까다롭다고 들었는데 그렇다면 왜 누설전류가 많아지는건지 그 원인이 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 주영민 과학전문가입니다.

제가 아는 개념을 한번 설명해보겠습니다.

반도체가 작아져지게 되면 미세공정이 들어가게 되고

그러다 보면 전자의 터널링 현상이 발생합니다

여기서 터널링이란? 파동 성일을 가진 입자들이 어떤 확률로 빠져나가는 현상을 말합니다

즉, 누수가 생기게 됩니다. 전력 손실

이러한 전자 누수는 전력손실뿐만 아니라 전자가 자기맘대로 움직이면서 반도체가 계속 전류가 흐르는 도체처럼 행동할수도 있는 문제가 생깁니다.

Answer 2

1. 경계면 효과 (Edge Effect): 미세공정에서 반도체 소자의 크기가 축소됨에 따라 경계면의 길이도 줄어들게 됩니다. 경계면은 전하가 이동하는 경로이며, 경계면 효과로 인해 전하의 이동 경로가 제한되어 누설전류가 발생합니다.

2. 양자 터널링 (Quantum Tunneling): 미세공정에서 반도체 소자의 크기가 매우 작아짐에 따라 양자 터널링 현상이 더욱 중요해집니다. 양자 터널링은 전자가 에너지 장벽을 통과하여 다른 영역으로 이동하는 현상을 말합니다. 미세한 공정에서는 양자 터널링이 증가하여 전자가 장벽을 통과하여 누설전류가 발생합니다.

3. 역방향 효과 (Reverse Bias Effect): 미세공정에서는 반도체 소자의 정파극과 역파극 사이의 거리가 줄어들게 됩니다. 이로 인해 역방향 효과가 증가하며, 역방향 효과는 소자의 누설전류를 증가시킵니다.

4. 서브스레숄 전압 (Subthreshold Voltage): 미세공정에서는 소자의 작동 전압도 저하됩니다. 작동 전압이 낮아지면 소자의 임계 전압도 감소하며, 이로 인해 소자가 더 빠르게 작동하게 됩니다. 그러나 작동 전압이 낮아지면 서브스레숄 영역에서 누설전류가 증가하게 됩니다.

이러한 이유로 인해 반도체의 미세공정이 더 커질수록 누설전류가 증가하게 됩니다. 이는 전력 소비의 증가와 발열 문제 등을 야기할 수 있으며, 미세공정 기술의 발전과 함께 이러한 문제에 대한 대응책이 연구되고 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 형성민 과학전문가입니다.

미세공정에서는 반도체 소자의 크기가 축소되면서 전자가 물질의 장벽을 통과할 때 터널링 현상이 발생할 가능성이 높아집니다. 터널링은 전자가 에너지 장벽을 통과하는 현상으로, 전자가 에너지를 소모하지 않고 물질의 장벽을 통과하여 누설 전류를 발생시킵니다. 따라서, 미세공정에서는 반도체 소자의 크기가 줄어들면서 터널링 현상이 증가하고, 이로 인해 누설전류가 많아집니다.

Answer 4

안녕하세요. 김태경 과학전문가입니다.

반도체는 게이트에 전압이 일정이상 들어오면 소스와 드레인이 연결되어 작동을 하는건데여

점점 작아지다 보면 소스와 드레인이 너무 가까워 게이트 전압을 걸지않아도 전류가 흘러 동작하는 것입니다

Answer 5

안녕하세요. 김태헌 과학전문가입니다.

미세화와 소재 개발도 한계에 다다르자 게이트 구조의 혁신이 일어나면서 태어난 구조가

'FinFET' 라는 게이트 구조입니다.

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FinFET 구조는 누설 전류를 효과적으로 막기 위해 게이트가 채널에 닿는 면적을 극대화한 것입니다.

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GAA 구조 역시 누설 전류를 방지하기 위해 한 단계 더 진화한 개념으로 이해하사면 됩니다.

Answer 6

안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.미세공정은 반도체 소자의 크기를 작게 만드는 과정입니다. 소자가 작아질수록 반도체 표면에 있는 접합과 전극 사이의 거리가 짧아지게 됩니다. 이로 인해 전자가 접합 및 전극을 우회하거나 터널링 현상이 발생하여 누설전류가 증가할 수 있습니다.

Answer 7

안녕하세요. 김경렬 과학전문가입니다.

반도체 공정이 너무 작은 영역이다 보니깐 우리가 흔히 알고 있는 물리학적인 역학보다는 양자 역학적인 움직임을 보이게 됩니다.이렇게 반도체 공정이 미세화되다 보면 전자가 이동하는 회로선에서 양자 터널링 현상이 생겨나게 됩니다

해당 현상이 어떤 현상이냐 하면 전자가 전선 즉 회로를 따라서 이동을 해야 하는데 전자가 회로에서 벗어나서 이동을 하는

현상이 일어나게 됩니다.이를 '누설 전류'라고 합니다.

이게 공정이 더 미세화될수록 더욱 심해지게 됩니다

이게 반도체 미세 공정의 최대의 난제라고 할 수 있읍니다.

그래서 반도체를 미세하게 만들기 힘든 것입니다

Answer 8

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.

충격이라는건 우리가 생각하는 물리적인 충격과

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신호간섭, 전압, 전류, 온도에 따른 충격이 있습니다.

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미세 공정으로 갈수록 이러한 요소에는 취약해집니다.

Answer 9

안녕하세요. 정준민 과학전문가입니다.

반도체 미세공정은 기술의 발전으로 인해 반도체 소자의 크기를 계속해서 줄여나가는 과정입니다. 미세화는 소자의 크기를 작게 만들어 더 많은 소자를 집적할 수 있게 하지만, 동시에 소자 간의 고립을 어렵게 합니다. 작은 크기의 소자는 전류가 더 쉽게 흐를 수 있으며, 이는 누설전류의 증가로 이어질 수 있습니다.

Answer 10

안녕하세요. 이준엽 과학전문가입니다.

반도체 미세공정에서 누설전류가 증가하는 원인은 다양한 요소에 의해 발생할 수 있습니다. 일반적으로 반도체 소자가 미세해질수록 누설전류가 증가하는 경향이 있습니다. 이는 주로 다음과 같은 이유로 인해 발생합니다:

1. 미세화된 구조: 반도체 미세공정에서는 소자의 크기를 축소시킴으로써 더 많은 소자를 한 칩에 집적할 수 있습니다. 그러나 소자가 미세해질수록 전자가 자유롭게 움직여 미세한 경로를 통해 누설할 가능성이 높아집니다.

2. 양자 터널링: 미세한 구조에서는 양자 터널링 현상이 발생할 수 있습니다. 양자 터널링은 전자가 에너지 장벽을 통과하여 누설 전류를 발생시키는 현상입니다.

3. 서브 쓰레숄드 전류: 반도체 소자는 일정 전압 이상이 인가되어야 정상적으로 동작합니다. 그러나 미세한 소자에서는 매우 작은 전압이 인가되어도 일부 전자가 동작에 관여하게 됩니다. 이는 서브 쓰레숄드(sub-threshold) 전류라고 알려져 있으며, 누설전류의 주요 원인 중 하나입니다.

이러한 원인들로 인해 누설전류가 증가하면 전력 소모가 증가하고, 소자의 동작 정확성과 안정성이 저하될 수 있습니다. 이에 따라 반도체 미세공정에서는 누설전류를 최소화하기 위해 다양한 기술적인 대책들이 사용되고 있습니다. 예를 들어, 저전력 소자 설계, 절연층의 개선, 전자 장치의 최적화 등이 이에 해당합니다.