반도체 기술은 끊임없는 혁신과 발전을 거듭하며, 엔지니어들은 새로운 솔루션을 찾고 있습니다. 이 중에서도 CMOS Isolation 기술은 반도체 기술에서 핵심적인 부분을 차지하고 있습니다. 이 포스팅서는 CMOS Isolation 기술의 주요 종류와 그들 간의 비교 분석을 알아보겠습니다.
CMOS Isolation이란?
CMOS는 nMOS와 pMOS라는 서로 상대적인 트랜지스터를 결합한 구조입니다. CMOS는 소비전력이 적고, 집적도가 높아서 다양한 전자기기의 집적회로에 널리 사용됩니다. 그런데 CMOS를 구성하는 트랜지스터들은 서로 접촉하면 전류가 누설되어 원하는 기능을 수행하지 못하게 됩니다. 따라서 CMOS를 제작할 때는 트랜지스터들을 절연시키는 공정이 필요한데, 이를 CMOS Isolation이라고 합니다.
LOCOS Isolation
LOCOS(Local Oxidation of Silicon)는 초기에 사용된 CMOS Isolation 기술로 소자 주변에 산화층을 형성하여 소자 간 분리합니다. 실리콘 기판 위에 산화 막과 질화 막을 증착한 후, 포토리소그래피와 식각 공정을 통해 원하는 패턴을 만든 다음, 열 산화 공정을 통해 실리콘을 산화시켜 절연 막을 형성하는 방식입니다. LOCOS는 공정이 간단하고, 절연 막의 품질이 좋아서 오랫동안 사용된 방식입니다. 그러나 LOCOS는 산화막이 질화 막을 넘어서 옆으로도 확장되는 Bird’s Beak이 발생하여 트랜지스터의 사용 영역을 줄이고, 산화 막의 두께가 불균일해지는 문제가 있습니다. 또한 LOCOS는 절연 막의 두께가 두꺼워서 집적도를 높이기 어렵습니다.
STI
STI(Shallow Trench Isolation)는 LOCOS의 단점을 극복하기 위해 개발된 기술로, STI는 실리콘 기판에 얕은 트렌치를 만든 후, CVD (Chemical Vapor Deposition) 방식으로 산화 막을 증착하여 트렌치를 채우고, CMP (Chemical Mechanical Polishing) 공정으로 평탄 화하여 절연 막을 형성하는 방식입니다. STI는 LOCOS에 비해 Bird’s Beak이 적고, 절연막의 두께가 얇아서 집적 도를 높일 수 있습니다. 그러나 STI는 트렌치의 모서리 부분에서 전하가 누적되는 코너 효과 (Corner Effect)가 발생하여 임계전압이 변하고, 트렌치의 밑부분에서 음의 전하가 누적되는 펀칭 스루 (Punch Through) 현상이 발생하여 누설 전류가 증가하는 문제가 있습니다. 또한 STI는 공정이 복잡하고, 비용이 높습니다.
SOI
SOI(Silicon on Insulator) 기술은 새로운 방법의 Isolation입니다. 실리콘 기판과 절연 막, 그리고 다시 실리콘으로 이루어진 샌드위치 구조의 기판을 사용하여 트랜지스터를 제작하는 방식입니다. SOI는 트랜지스터의 사용 영역이 절연 막으로 완전히 분리되어 있어서 누설 전류가 적고, 소비전력이 낮습니다. 또한 SOI는 접합 용량이 작아서 동작 속도가 빠르고, 방사선에 강한 특징이 있습니다. 그러나 SOI는 제조비용이 매우 높고, 열이 잘 방출되지 않아서 열 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 SOI는 Floating Gate Effect이라고 하는 현상이 발생하여 트랜지스터의 동작이 불안정해질 수 있습니다.
집적도 및 전력 효율성, 제조 난이도 비교 분석
STI가 LOCOS에 비해 더 큰 집적도가 가능하며, SOI는 낮은 전력 소모와 고집적도 및 높은 성능을 발휘합니다. 전력 효율성은 SOI가 다른 두 기술에 비해 전력 소모를 줄일 수 있습니다. 제조 난이도는 STI는 LOCOS에 비해 더 복잡하고, SOI는 STI 보다 복잡하지만 고성능 디바이스를 위해서는 복잡한 제조 과정인 SOI가 필요합니다.
반도체 CMOS Isolation은 회로에서 소자들을 절연하고 전기적으로 분리하는 기술입니다. LOCOS, STI, SOI 등의 다양한 종류가 있으며, 각각의 장단점과 특징 있어 사용 분야와 목적에 따라 선택되어야 합니다. CMOS Isolation의 종류에 따라 소자의 성능과 특성이 달라지므로, 적절한 절연 기술을 선택하는 것이 중요합니다.