반도체 공정 기초 3. High k와 Low k 의미와 비교

"High-k, Low-k" 우리가 반도체를 공부하며 많이 듣는 이야기이지만 명확히 어떤의미를 지니는지는 헷갈리는게 일반적이다. 처음에 반도체를 만들때에는 그저 SiO2면 충분했다. 그러나 시간이 지나면서 점차 High-k와 low-k를 가진 물질을 찾기 시작했고 최근에는 여러 다양한것들이 논의중이다. 그렇다면 왜 SiO2는 대체되기 시작했을까?

 

소자의 미세화로 인한 Gate-insulator의 역할에 대한 SiO2의 효과 저하

위 그림에서 보다시피 시간이 지나면서 소자가 점점 미세화되기 시작했다 특히나 10nm밑으로 진행되면서 gate insulator가 제 역할을 못하게되었다. 원래는 소자간 전류를 원할때만 통하게 해야하는데 넣으면 흘러버리는 전류로 인해 소자가 불능이 되어버리게 된다. 그래서 high-k와 lok-k가 대두되기 시작한것. 그렇다면 두개는 무엇을 의미할까 그 이전에 우리는 캐패시터의 역할을 알아야한다.

 

캐패시터 C

 

캐패시터란 전하를 저장하는 창고이다. 창고라는것은 어디 가지 못하게 쌓아두는것이다. 즉 전류가 흐르지 못하게 양쪽에 에너지를 모아두는것. 캐패시터값은 C로 나타내고 공식은 다음과 같다.

 

k는 물체의 상수값, ε0는 유전율, A는 면적, t는 유전체(중간물체-공기도 포함)의 거리를 뜻하며 따라서 C를 늘리고 싶다면 유전율을 늘리거나 면적을 증가시키면 된다. 여기서 HIGH-k가 나오는것이다. 물론 여기서 k는 상수값이 아닌 유전율이다. 

 

여기서 SIO2는 대략 4정도의 유전율값을 가진다 이것을 기준으로 높으면 High-k 낮으면 low-k라 하는것, 여기까지 왜 high-k를 쓰는지 설명하였다. 

 

소자가 미세화되고 소자간 거리가 줄어들면서 insulator 역할을 하는 SiO2가 제 역할을 해내지못해 C값을 올리려 유전율 값 k를 올리게된것.

대략적인 high-k를 나타낸 그래프

그렇다면 반대로 Low-k는 ε값을 작게 제어해서 전류를 잘 흐르게 하는것이다. 즉 창고를 좁게만들어 언능언능 내보내게 만든것이 low-k인것.

 

위 그림에서 보다시피 Cu는 전도성이 매우 좋다. 소자는 작아졌지만 그에비해서 aspect ratio나 소자층은 매우 많아져 높이로보면 좁은땅에 세워진 63빌딩과 같은 느낌이다. 그런 상황에서 위에서 전기를줘서 가장 아래층까지 전류가 도달하려면 상당한 시간이 걸린다. 이를 더 잘통하게 하기위해서 low-k 물질을 써 전류가 더 빠르게 흐를 수 있도록 만들어주는것이다.