HKMG
HKMG (High-K Metal Gate)는 트랜지스터의 게이트를 구성하는 부분인 Oxide층 유전율이 높은 물질로 대체하는 기법입니다.
MOSFET을 구성하는 Oxide층은 일반적으로 SiO2를 사용해왔습니다. 여러가지 이유들이 있지만 산화막과 접착력이 우수하고, 높은 열을 가해도 녹는점이 높아서 내성이 매우 높아서 과거에는 SiO2를 오래동안 사용했습니다.
하지만 점점 트랜지스터를 작게만드는 경향과 함께 Metal과 Oxide층도 이에맞추어 크기와 면적을 작게만드는 것이 중요해졌습니다.
이로인해서 Metal과 Oixde층의 두께 또한 낮아지면서 아래 그림과 같이 Oxide층과 Metal영역을 전자가 Tunneling하여 통과할 수 있을 정도로 얇아졌습니다.
이때 트랜지스터 전원이 꺼져있는 상태에서 전류가 흐르는 ‘누설전류’가 발생하여 의도치않은 전원을 소모하고 부정적인 영향을 미치게 되었습니다.
Leakage Current
기존 트랜지스터를 계속 Scaling하여 크기를 줄여나갈 때 발생할 수 있는 누설전류의 종류에는 여러가지가 있습니다.
하지만 HKMG와 관련된 이슈는 Gate로 흘러가는 누설전류 성분이라고 말씀드릴 수 있습니다. Oxide층의 두께가 매우 얇기 때문에 Oixde층을 전자가 양자역학적 현상에 의해서 Tunneling하여 Gate로 흘러들어갈 수 있습니다.
Tunneling은 양자역학적 현상이기때문에 인간이 Control하기란 매우 어렵습니다. 이를 극복하기 위해 기존 SiO2보다 절연능력이 좋은 물질에 대한 연구가 활발히 진행되었습니다.
Oxide Capacitance
HKMG에서 High-K 즉, 유전율이 높은 물질을 찾는 것에는 ‘Capacitance’와 밀접한 관계가 있습니다. Cpacitance는 아래와 같이 식을 구성할 수 있습니다.
- εox : Oxide(산화막)의 유전율
- tox : Oixde(산화막)의 두께
Oxide층의 커패시턴스는 유전율과 두께로 표현이 가능합니다. 여기서 High-K 물질을 사용하고자 하는 목적은 유전율을 기존보다 증가시켜 두께를 조금 더 증가시키고자 하는 것입니다.
아래 식들을 비교해보겠습니다. (가)식은 기존 산화막의 Capacitance를 나타낸 것이고, (나)식은 High-K 물질을 사용한 Capacitance를 나타낸 것입니다.
High-K 물질을 사용하면 유전상수에 항이 더 추가되어 유전율이 더욱 더 증가합니다. 그로인해서 tox를 조금 더 증가시키더라도 기존 Capacitance와 동일하거나 그보다 높은 값을 유지할 수 있습니다.
위 트랜지스터의 구조를 보면 알 수 있듯, High-K 물질을 사용했을 때 기존의 Oixde층보다 더욱 더 큰 두께로 구성해도 유전율이 기존보다 더 크다면 Capacitance값을 동일하거나 그보다 더 크게 유지할 수 있습니다.
High-K Metal Gate의 단점
Gate Oxide로 흐르는 누설전류를 막을 수 있다는 큰 장점이 있지만 HKMG를 무작정 적용할 수 없는 단점이 존재합니다.
그 단점은 바로 Silicon과 접착력이 우수한 High-K물질을 찾거나 조합하기가 어렵다는 단점이 있습니다.
MOSFET은 결국 Metal과 Oxide그리고 Semiconductor를 적절하게 조립하여 트랜지스터를 구성하는 것인데, Oxide층에 아무리 유전율이 높은 물질을 적용한다고 하더라도 Silicon과 잘 붙어있을 수 없다면 MOSFET의 동작 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 High-K 물질이더라도 Silicon과 잘 결합할 수 있는 물질을 찾는 것이 매우 중요합니다.