high-k, low-k

 

 

캐패시턴스가 높다 → 분극 현상이 잘 형성된다 → 채널을 잘 형성

캐패시턴스가 낮다 → 분극 현상이 잘 안일어난다 → 절연이 잘된다

 

 

 

 

미세화 되면서 gate insulator의 면적 A가 줄어들게 된다.

t도 줄이는데 한계가 있다. (t를 줄이기 위해 ALD를 사용한다.)

따라서 k를 높여줌으로서 커패시턴스 C를 올려주어야 한다.

 

 

 

 

비유전율

κ = εr = ε / ε0

 

 

 

high-k

k→∞

게이트옥사이드, DRAM의 캐패시터에 쓰인다.

 

low-k

k→1

절연막에 쓰인다.

(어떤 물질이 대표적으로 쓰일까?)

 

 

SiO2 유전율 3.9

진공에서 유전율이 1이다.

공기도 거의 유전율이 1이다.

 

원래 반도체 게이트 옥사이드로 SiO2가 사용되었었고

이에 따라 4보다 작은 것이 low-k

4보다 큰 것이 high-k로 불린다.

 

 

 

 

 

 

하지만 k를 너무 올려주게 되면 밴드갭이 줄어 누설전류가 생길 수 있다.

따라서 적절한 HfO2가 사용되고 있다.

ALD를 이용해 HfO2를 쌓게 되지만,

SiO2에 비해서 절연성이 떨어지며 계면 특성이 좋지 않다는 단점이 있다.

 

DRAM 캐패시터로는 ZrO2가 사용되고 있다.

(HfO2가 ZrO2보다 좋아 보이는데 ZrO2는 왜 쓰이는 것일까?)

 

 

 

 

SiO2에 비해 HfO2는 약 5배의 k를 가지고 있다.

이는 캐패시턴스를 5배 늘린다는 이야기가 될 수도 있지만,

두께 t를 5배 더 쌓아서 누설전류를 막을 수 있다는 이야기도 되고

면적 A를 5배 줄여 더욱 집적 할 수 있다는 이야기도 된다.

 

 

 

 

 

high-k 물질을 사용하게 되면서

gate에 poly-Si를 쓰지 못하고 metal을 쓰게 된다.

이를 HKMG (high-k metal gate)라고 부른다.

 

기존 high-k 물질에 poly-Si를 사용하게되면

HfO2의 산소와 poly-Si의 Si가 만나 SiO2를 형성하게 된다.

마치 2개의 층을 형성하게 되는 것이다.

따라서 오히려 캐패시턴스가 줄게 되는 것이다.

이 현상을 gate depletion effect라고 부른다.

이를 막기 위해 poly-Si 에서 metal로 바뀐 것이다.

 

+) 공정 과정 중 기술력이 부족해서 metal 대신 poly-si를 썼다.

metal 증착시 metal성 particle을 통제하지 못했기 때문에 (진공 펌프가 미약했다.)

metal 대신 highly doped poly-Si를 썼다.

하지만 이제는 metal성 particle을 통제할 수 있는 기술이 발전된 것이다.

2005년 부터 Metal이 쓰였다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

low-k

절연막으로 low-k를 써야한다.

배선을 통해 신호들이 전달되는데

절연이 잘 되지 않는다면 신호들을 주변에서 잡아두게 되고

지연현상이 생기게 된다.