POSTECH “미래소자 및 회로 연구실 (Technology Enablement of Advanced MOS structure, TEAM)”은 연구실 이름에서 알 수 있듯이, 현재 industry에서 사용하는 Si-FinFET를 포함한 Gate-All-Around FET 및 다양한 미래 소자의 design, fabrication, 측정 및 특성 분석, TCAD 시뮬레이션 및 analytic 모델링을 이용한 정량적 벤치마킹을 통해 미래 반도체 소자 기술의 실현 가능성을 극대화 하는 연구를 진행하고 있습니다. 반도체 소자의 크기가 수십 나노미터(10-9 m) 수준으로 작아진 현재의 시점에서 차세대 반도체 소자에 대한 연구는 필수가 되었으며, 이 연구는 반도체 산업이 나아가야할 방향을 제시하는 역할을 수행할 수 있을 것입니다.
우리 연구실은 2017년 백록현 교수님의 지도 아래 시작하여 2018년 12월 현재, 박사 후 연구원 1명, 석사과정 4명으로 이루어져 있으며, 매년 2~3명의 신입생을 모집하고 있습니다. 백록현 교수님은 고려대학교 전기전자전파공학부에서 학사 학위, POSTECH 전자전기공학과에서 석사, 박사 학위를 취득하셨습니다.
현재 우리 연구실에서 연구 중인 반도체 소자는 크게, 차세대 logic 반도체 소자용 Gate-All-Around silicon-nanosheet field-effect-transistor, 차세대 memory 소자용 phase change RAM, 3D vertical NAND Flash memory 구조가 있습니다. 연구 분야가 industry와 연관이 많이 되어있는 만큼, 국내의 반도체 기업들과 산학 연구 과제를 진행하고 있으며, 세계적인 수준을 보유하고 있는 국내 기업과의 협업으로 최신의 기술을 유치하여 연구를 진행하고 있습니다.
2-1. 차세대 소자(Gate-All-Around FET)의 전산 모사를 통한 특성 분석
반도체 단일 소자 연구는 소자 성능의 개선과 집적도 향상을 위해서 channel length를 줄이는 방향으로 발전해왔습니다. 하지만 너무 짧은 channel length는 그에 따른 문제를 발생시켰고, 그를 해결하기 위해 현재는 planar 구조의 MOSFET 대신에 FinFET 구조가 사용되고 있습니다. 이제는 FinFET 구조로도 short channel effect를 해결하지 못해서 그를 해결할 수 있는 차세대 소자에 대한 연구가 필요한 상황입니다. 우리 연구실에서는 그러한 요구에 맞춰 차세대 소자 중에서도 short channel에 의한 문제를 잡을 수 있는 Gate-All-Around 소자에 대한 연구를 진행하고 있습니다.
Gate-All-Around 소자란 글자대로 gate가 소자 channel의 전면을 둘러싸고 있는 구조의 MOSFET입니다. Channel을 감싸고 있기 때문에 gate가 channel을 더 잘 control 할 수 있고, 이는 현재 보다 gate length가 더 짧은 소자에 적합합니다. 우리는 TCAD 툴을 이용해서 가상으로 Gate-All-Around 소자 구조를 만든 뒤 다방면으로 분석하는 연구를 하고 있습니다. 먼저 차세대 소자 node에 해당하는 구조를 만들고 그의 특성을 분석해 기존 소자와 비교를 진행했습니다. 이런 연구는 다음 세대에서 어떤 소자가 사용되어야 할지에 대한 guideline을 제공합니다. 다음으로 실제 공정상 일어날 수 있는 현상들을 TCAD 상에 구현해서 그에 따른 특성 변화에 대해 연구해왔습니다. 예를 들어, Channel의 모양에 따른 특성 변화에 대한 연구와 U-shape source/drain이 소자 성능에 미치는 영향에 대해 연구를 수행하고 있습니다.
Structures of the GAA FETs
(a)Cross-section of Nanowire FET (b)Cross-section of NSFET (c)NSFETs with U-shaped S/D profile
2-2. 소자 모델링을 통한 소자 parameter 추출 및 특성 분석
모델링을 통해 소자의 parameter를 추출하는 것은 소자 성능 분석에 핵심적인 역할을 수행합니다. 또한 추출한 parameter를 기반으로 회로를 구성하여 분석하면 소자의 성능이 회로 단에 미치는 영향에 대해 알 수 있습니다. 현재 3DIC 소자 구조 연구가 각광 받고 있는 시점에서 이런 소자 모델링은 더욱이 중요해지고 있습니다. 그런 소자 모델링 기법 중 가장 주목 받고 있는 것은 virtual source 모델링입니다. Virtual source 모델링은 source 단의 channel에서의 carrier 속도와 농도의 곱으로 전류를 모델링하는 방식입니다. 앞서 언급하였듯이 최신 반도체 공정 기술은 channel의 길이가 점점 줄어들고 있는 추세입니다. 이러한 상황에서는 carrier가 scattering을 거의 받지 않는 semi-ballistic transport 특성을 가집니다. Semi-ballistic 소자를 분석하는 데에는 virtual source velocity를 추출하고 ballistic efficiency를 구해주는 것이 핵심입니다. 이런 ballistic efficiency는 소자 성능을 말해주며, 현재 logic 소자는 이런 ballistic efficiency를 개선시키는 방향으로 개발되고 있습니다. 이렇게 소자의 성능을 대표하는 parameter들을 잘 추출해서 각 소자 간의 벤치마킹을 진행하는 것이 저희의 주된 연구 중 하나입니다.
(a)Conceptual diagram of virtual source modeling (b)Measured Id-Vg and modeling result (c)Mobility & velocity extracted by the virtual source modeling
2-3. 차세대 메모리 반도체 Phase Change RAM의 기생 RC 성분을 고려한 성능 개선
PCRAM as SCM(Storage Class Memory)
(a)Memory hierarchy of PCRAM(SK hynix) (b)Structure of 3D Cross-point Array (Intel)
광범위하게 사용되고 있는 대표적인 메모리 반도체인 DRAM과 NAND Flash가 미세화의 한계에 부딪힘에 따라 차세대 메모리 반도체에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 저희 연구실에서는 3가지 차세대 메모리 반도체 중 Joule heating에 따라 상태가 변화하는 상변이(phase change) 특성으로 데이터를 저장하는 PCRAM에 대하여 연구하고 있습니다. PCRAM은 DRAM과 NAND Flash의 장점을 모두 지니고 있습니다. DRAM 보다 높은 집적도와 가격 측면에서 유리하며, NAND Flash 보다는 속도 측면에서 우수한 특성을 지니고 있습니다. PCRAM은 DRAM과 NAND Flash의 중간적인 성능으로 인해 이전까지 DRAM과 NAND Flash가 접근할 수 없었던 새로운 어플리케이션으로의 적용이 가능하다는 점에서 큰 부가가치가 있는 소자입니다. 집적도 향상을 위해 PCRAM은 3D Cross-point array라는 구조를 이용해 cell을 집적하여 구현될 수 있습니다. 하지만 이 구조에서는 인접 cell 사이의 거리가 줄어듦에 따라 전기적, 열적 간섭 현상의 문제가 야기됩니다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 우선적으로 단일 cell을 구현하여 어떠한 parameter가 주요하게 영향을 미치는지 분석하는 연구를 진행하고 있으며, 추후 이 데이터를 바탕으로 여러 cell이 있을 때의 시뮬레이션을 통해 전기적, 열적 간섭을 최소화 할 수 있는 parameter 값을 추출해 내는 것이 연구의 최종 목표입니다.
(a) Single PCRAM cell design (b) Resistance-Current curve (c) Current-Voltage curve
(a) Impact analysis of maximal transition rate (b) Impact analysis activation energy
Impact analysis of SET pulse time (b) Impact analysis of Impact Ionization factor
2-4. 3D vertical NAND Flash memory의 program 열화 분석 및 효율성 개선
HDD를 대체하는 SSD
기존 데스크탑ㆍ휴대용 laptop PC에 데이터 저장 장치로 하드디스크 드라이브(HDD)를 많이 사용하였습니다. 하지만 기계적 동작에 의해 구동되는 하드디스크는 느리고, 충격에 약하다는 단점이 있습니다. 전하를 이용한 방식으로 빠른 속도와 데이터 집적도가 높은 SSD(Solid State Memory)가 HDD를 대체하는 메모리로써 최근 각광을 받고 있습니다. 기존에는 이동식 저장장치 즉, USB와 SD card 등 소형 저장장치에 많이 사용되었던 Flash memory가 최근에 PC로 점차 영역을 확장하고 있습니다.
(a)HDD:a set of concentric circular platters(disks) covered with magnetic material
(b)SSD:a set of chips based on semiconductor materials
NAND Flash memory의 필요성
1981년, 컴퓨터 무역 쇼에서 마이크로소프트의 설립자 빌 게이츠는 이런 말을 하였습니다. “640KB면 누구에게나 충분하다(640K ought to be enough for anybody).” 하지만 2018년인 현재 개인용 PC의 용량은 GB를 넘어 TB급으로 사용되고 있습니다. 인간의 데이터 집적화에 대한 욕구는 끝이 없으며 이 욕구를 충족시켜주기 위해서는 NAND Flash memory가 필수적입니다. 더불어 4차 산업혁명을 통하여 빅데이터, AI, 클라우드 기반의 데이터 센터, 자율 주행차, 5G 통신, 사물인터넷(IoT : Internet of Things) 등 대용량의 데이터 처리가 필요한 분야들이 급격하게 성장하고 있습니다. 이에 따라 NAND Flash memory의 중요성이 부각되고, 수요도 증가하고 있습니다. 게다가 소형화, 경량화를 지향하는 laptop PC, mobile에서도 NAND Flash memory의 역할은 점점 커져가고 있습니다.
3D vertical NAND Flash memory의 등장 : 2D planar NAND Flash memory의 scaling의 한계
NAND Flash memory의 기술 세대가 거듭할수록 집적도는 2배씩 늘어나고 있습니다. 하지만 2D planar NAND Flash memory는 패턴 크기가 작아짐에 따라 공정 난이도가 증가하고, charge를 저장하는 nitride storage layer나 floating gate의 면적이 줄어들면서 저장 가능한 전하의 수도 감소하게 되었습니다. 그에 따라 기생 capacitance 성분이 증가하고, 인접 셀 간의 간섭의 영향도 증가하게 되어 scaling의 한계에 도달하게 되었습니다. 이를 해결하기 위하여 3D stacked structure로 구조 방식이 변화하였고, 이를 더 개선하여 3D vertical (channel) NAND Flash memory로 변모하였습니다. 3D vertical 구조는 GAA(Gate-All-Around)구조로 channel에 대한 planar 구조에 비하여 control이 높습니다(gate-controllability). 또, nitride의 면적이 동일 두께 기준으로 planar에 비하여 더 커서 저장 가능 전하의 수가 더 많게 되고, 양방향의 direct tunneling을 우려하여 tunneling oxide 두께를 더 이상 줄이는 것이 제한되는 상황에서 GAA 구조로 scaling의 한계를 극복할 수 있습니다.
Schematic diagram and cross-sectional view of 3D V-NAND array (K.-T. Park et al., NVMTS, 2014)
NAND Flash memory의 구동 방식
NAND Flash memory는 charge를 저장하는 storage layer에 전자가 차 있거나 비어 있는 상태로 데이터를 저장합니다. Storage layer에 전자의 유무로 인하여 gate에서 바라보는 Vth 값이 변하고 이 값을 통하여 저장된 데이터를 읽습니다. NAND Flash memory의 기본적인 동작은 세 가지로써 storage layer에 전자가 유입되는 것을 program, 전자를 없애는 과정을 erase, 저장된 Vth를 읽는 과정을 read라고 합니다. 전자가 저장되어 있는 상태를 program state, 전자가 비어있는 상태를 erase state로 데이터 저장을 판단합니다.
(a)Cross-section schematic of a charge trapping memory transistor (C. Zhao et al., Materials, 2014)
(b)Program operation of NAND Flash memory (P. Pavan et al., Proc. IEEE, 1997)
Multi-bit program 효율성 개선
3D vertical NAND Flash 또한 집적도를 늘리기 위하여 적층 수가 증가함에 따라 etching하는 기술의 난이도가 증가합니다. 이 난이도를 감소하면서 집적도를 증가시킬 수 있는 방법이 하나의 data cell에 저장하는 전하의 개수를 조절하여 2-bit을 저장하는 방식인 MLC(Multi-Level Cell) 기술이며, 3-bit, 4-bit이 각각 TLC(Triple-Level Cell), QLC(Quadruple-Level Cell)에 해당합니다. channel hole을 etching하는 공정의 난이도를 감소시키는 이 기술도 한계가 존재하는데 인접한 program state간의 겹치는 현상(data fail)이 발생합니다. 이렇게 겹치는 현상을 줄이기 위해선 인접한 program state 간 간격인 Vth gap margin이 커야 합니다. 이를 위해서 program 효율을 저하하는 원인을 분석하여 Vth 분포의 width를 줄여야 합니다. 현재 연구실의 NAND group은 cell 단위 wafer level 및 chip level test를 통한 측정 분석을 계획하고 있으며, 이를 통하여 실제 기업에서 양산되는 수준의 3D vertical NAND Flash memory의 program 열화와 효율성 개선 방법 제시를 연구 목표로 잡고 있습니다.
(a)MLC Technology (Y. Cai et al., DATE, 2012)
(b)PVn의 upper tail과 PVn+1의 lower tail의 overlapped fail bits (K. Mizoguchi et al., IMW, 2017)
TEAM 연구실은 생긴지 2년 밖에 되지 않은 신생 연구실이라 구성원 수가 많지 않지만, 각 구성원이 각자의 주제를 맡아 연구를 진행하면서 국가 과제 및 산업체 과제를 수행하고 있습니다. 신생 연구실의 장점으로는, 보다 빠르게 과제 관련 연구에 투입되어 직접 자신의 연구를 진행함으로써 실력을 향상시킬 수 있다는 점과, 구성원의 수가 적은 만큼 자주 교류를 하게 되어 서로의 연구에 대한 정보와 피드백을 많이 해줄 수 있다는 점이 있습니다.
연구실 전반의 생활은 자유로운 분위기 속에서 원하는 연구를 할 수 있는 환경입니다. 교수님께서는 개인이 원하는 연구나 그에 필요한 교육이 있으면 최대한 지원해 주시며, 그에 대한 조언과 피드백을 상세하게 해주십니다. 또한 연구에 대한 안목을 넓힐 수 있는 여러 기회도 제공해 주십니다. 그의 일환으로 세계 최대의 반도체소자 학회인 IEEE IEDM(International Electron Device Meeting) 2018에 연구실 구성원이 모두 참석하여 최신 연구 동향을 파악할 수 있는 기회를 가질 수 있었습니다. 뿐만 아니라, 연구 외적으로 힘든 일이나 고민에 대해서도, 인생 선배, 힘든 대학원 생활을 먼저 겪어본 선배의 입장에서 따뜻한 위로와 노하우를 전수해주시곤 합니다.
연구실의 공식적인 스케줄은, 매주 월요일에는 연구실 구성원들 간의 간단한 미팅을 통해, 전달 사항 및 필요한 정보 공유하는 등의 시간을 가지며, 일주일에 한 번씩 그룹 별로 교수님과의 세미나를 통해 연구에 대한 논의를 합니다. 교수님과의 세미나에서 진행 중인 연구에 대한 성과나 문제점들에 대하여 논의하며 연구의 방향을 잡아가고 있습니다. 또한, 교수님과의 미팅이 끝나면, 연구실 회식을 통하여 친목의 자리를 가지며, 맛있는 음식들을 먹으면서 대학원 생활에 에너지를 충전하기도 합니다.
IEEE IEDM 2018 참석 (왼쪽 세 번째 분이 백록현 교수님)
■ 주소 : 경상북도 포항시 남구 청암로 77 포항공과대학교 LG연구동 220호
■ TEL : 054-279-2897
■ 홈페이지 : http://sites.google.com/view/team-postech-ac-kr/home
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