High - K와 HKMG

: 고유전율 물질.

High - K를 설명하기 전에 유전율에 대해 설명하자면

○ 유전율

: 전기장이 인가될 때, 전하를 잡아두는 정도를 나타내는 척도.

유전율은 절연막의 분극 현상에 의해 나타난다. 게이트에 전압을 인가하면 절연막을 구성하는 원자는 원자핵과 전자로 분리하게 된다. 이때 유전율이 클수록 분극 현상이 더 잘 일어나 절연막 하부(채널)에 전하를 잘 모을 수 있게 된다.

○ High - K란?

: 반도체 기술이 점차 발전함에 따라 집적도의 향상의 가치가 올라간다. 따라서 TR의 크기가 작아지므로 절연막의 두께를 점점 얇게 만들어야 한다.

이때, 절연막의 두께가 너무 얇아져 터널링과 같은 현상으로 누설전류가 증가하게 된다.

따라서 적당한 막 두께를 유지하면서 채널에 전하를 효과적으로 저장할 수 있는 High - K 소재를 사용하게 되었다.

기존 사용하던 SiO2 산화막 대신 유전율이 높아 분극 현상이 잘 일어나는 하프늄 옥사이드(HfO2) 기반 절연막을 사용하게 되었다.

- SiO2의 유전율 = 3.9, Band Gap = 9.1eV

- HfO2의 유전율 = 20~25, Band Gap = 5.8eV

즉, 동일 두께 대비 HfO2막이 SiO2막 보다 약 5배 정도 채널에 형성되는 전하 밀도가 높다.

따라서 절연막의 두께가 두꺼워져 기존 SiO2막에서 문제 되었던 누설 전류 문제를 해결할 수 있다.

그러나 유전율이 높을수록 Energy Band Gap은 작아지기 때문에, 높은 유전율만을 추구하다가 누설 전류가 오히려 증가할 수 있다.

○ Cox(Oxide Capacitance) = Eox / Tox

: 산화막과 관련된 용량. SiO2대신 HfO2를 사용하면 물리적인 막의 두께는 증가하지만 전기적인 두께가 감소된다.

: 절연막이 High - K물질로 바뀌면서 게이트의 재질도 poly - si에서 Metal로 바뀌게 된다.

poly - si는 Metal에 비해 녹는점이 높아 열적안정성이 높으며, 공정 프로세스에서 도핑 농도를 조절하여 Threshold Voltage(Vt)를 조절할 수 있다는 장점이 있지만,

High - K물질에 poly - si를 사용하면 저항이 높고 Gate depletion effect에 의해 오히려 Cox값이 감소하게 되어 Metal로 소재를 변경하게 되었다.

※ Gate depletion effect

: HfO2 막 위에 poly - si 전극을 형성할 경우 그 경계에서 si와 oxygen이 만나 얇은 SiO2 막이 형성된다.

이 SiO2 막에 의해 기생 커패시턴스가 생긴다.

이는 Cox와 직렬로 연결(저항의 병렬)되어 전체 커패시턴스가 감소되며 Cox뿐만 아니라 기생 커패시턴스가 인가된 Gate 전압을 나누어 갖게 되어 게이트의 영향력이 감소하게 되며, 문턱전압(Vt)의 증가와 누설전류의 증가를 야기한다.

※ High - K의 단점

: 앞에서 언급했듯이, 유전율이 높다는 것 외에 SiO2막 보다 뛰어난 장점이 없다.

열산화 방식으로 형성되는 SiO2 산화막과 달리 High - K 절연막은 ALD 방식으로 10nm이하의 두께층을 만든다.

ALD 방식을 사용하여 우수한 막질을 형성하더라도 Si 기판과 계면 특성이 좋지 않아 계면에서 전하 캐리어의 이동이 원활하지 않아 전류 특성에 영향을 끼친다.

또한, High - K 물질도 두께가 점점 얇아지면서 낮은 Energy Band Gap에 의해 절연 특성이 좋지 않아 누설 전류 문제가 발생하고 있다.

콩2의 2모저모