반도체 미세 공정에서 하이-케이 유전체 도입의 필연성과 차세대 소재 전망이 궁금합니다.

Question

최근 반도체 집적도가 높아지면서 기존에 사용하던 이산화규소층이 얆아짐에 따라 누설 전류 문제가 심각해지고 있따고 들었습니다. 이를 해결하기 위한 하프늄 계열의 high-k 물질이 도입되었다고 알고 있는데 구체적으로 어떤 원리에 의해 터널링 효과를 억제하고 정전 용량을 유지하는지 재료역학적 관점에서 설명 부탁드리며 향후 반도체 소자 미세화의 한계를 극복할 가장 핵심적인 신소재는 무엇이라고 보시는지 견해가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

기존에 사용하는 이산화규소는 너무 얇아지면 전자가 터널링으로 새어나가는 현상이 발생합니다. 근데 하프늄 기반의 high-k 소재는 유전율이 크기 때문에 두께를 더 두껍게 유지하면서도 같은 정전용량 확보가 가능하다고 하죠.

두껍게 만들어서 전자가 통과하기 어렵게 하면서도 전기적으로는 성능을 유지하는 구조로 누설전류를 줄여버리는 겁니다.

앞으로는 그리고 2차원 반도체 같은 소재와 함께 새로운 high-k 소재 조합들이 미세화의 한계를 뛰어넘기 위한 핵심요소가 되지 않을까 예상해봅니다.

감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

반도체 미세공정에 보면 SiO2가 너무 얇아지면 전자가 터널링으로 새어나갑니다. 이 때, high k는 유전율이 크기 때문에 같은 정전용량을 더 두꺼운 막으로 확보해서 물리 두께 증가를 통해 앞서 얘기했던 누설을 크게 줄이게 됩니다.

HfO2 같은 하프늄 계열의 경운 높은 k와 공정 안정성, ALD 적합성이 장점이긴 합니다. 그래서 계면과 트랩, 고정전하나 결정화 같은 결함에 대한 관리가 필수적입니다.

차세대에는 고이동도 채널들이 유력하게 거론되고 있습니다. 대표적으로는 SiGe, Ge, III-V, 2D 채널 같은 것들이요.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

MOSFET에서 게이트 산화막이 얇아 질수록 기존의 이산화규소는 물리적 두께 감소로 인해 전자가 장벽을 양자역학적으로 통과하는 터널링 확률리 급격히 증가해 누설전류가 커지는데 하프늄 산화물과 같은 high-k 물질은 유전율이 높아 동일한 정전용량을 더 두꺼운 물리적 두께로 확보할 수 있어 전위 장벽을 두껍게 유지하면서 터널링을 지수적으로 억제합니다 재료 관점에서는 높은 유전율과 충분한 밴드갭 그리고 실리콘과의 계면 안정성이 결합되어 등가산화두께는 줄이면서도 기계적 전기적 신뢰성을 확보하는 것이 핵심입니다 향후 미세화 한계를 극복하려면 그래핀이나 이황화몰리브텐 같은 2차원 반도체 태널 소재가 단채널 효과와 누설전류를 근복적으로 줄일 수 있는 가장 중요한 신소재 축이 될 것이로 보입니다

Answer 4

안녕하세요.

high-k 유전체는 높은 유전율 덕분에 물리적으로 두께를 두껍게 유지함에도 정전 용량을 확보하기 때문에 미세화로 인한 터널링 누설 전류를 효과적으로 줄일 수 있습니다.

소재 중에는 하프늄 계열 물질은 전자의 유효 질량과 밴드 구조 특성상 전자 침투 확률을 낮춰주기 때문에 소자 안정성을 높일 수 있어요.

차세대 해법으로 제시되는 것들은 2차원 반도체나 강유전체 유전체, GAA 구조 등이 주목 받고 있습니ㄷ.