[반도체 소자] : "HKMG에 대해서 설명하세요"

HKMG는 High-k Metal Gate의 약어로 앞선 교육에서 게이트의 영향력을 향상시키기 위해서 도입된 기술입니다. 최근 삼성에서 512GB DDR5 차세대 DRAM에서 HKMG 공정을 첫 도입해서 전력소모를 약 13% 감소시킨 저전력 반도체의 특성의 제품을 개발했습니다.

[반도체 시사] "삼성전자, HKMG 공정을 첫 적용한 512GB DDR5 메모리 개발"

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질문 1]. HKMG 공정에 대해서 설명하세요.

• Keyword : [Threshold voltage, Capacitor, 바디효과 최소화]

소자 dimension이 점점 작아지면서, oxide thickness를 줄이는데 한계에 봉착했습니다. 그래서 도입된 것이 바로 High-k materials 입니다. 높은 유전율의 물질을 사용함으로써 물리적인 두께는 확장하되, 전기적인 두께를 감소시켜 oxide capacitance, Cox를 향상시킬 수 있습니다. 그로 인해 게이트 영향력을 증대시킬 수 있고 이는 곧 누설전류를 억제할 수 있어 저전력 소자의 구현을 가능하게 합니다.

 

[세부설명]
현재 gate oxide의 두께는 1nm 수준까지 도달했습니다. 1V 동작을 보면 10kA/cm 칩사이즈가 1x1인 경우 10kA가 흐릅니다. 이 전류의 크기는 도저히 파워케이블로 감당할 수 없는 크기입니다. MAX current를 낮추기 위해서는 oxide thickness를 두껍게 해야하고 두께가 10배 증가 시키려면 유전율 또한 10배 증가시켜야만 합니다. 그러면서 또 기존 소자의 동작특성을 유지하려면 Electric field 또한 유지가 되어야 하고, 그래서 도달한 결론이 바로 high-k 물질을 사용하는 것입니다. 그래서 앞선 질문1의 대한 답변이 physical thickness는 확장시킬 수 있고, electrical 두께는 감소시켜 oxide capacitance를 향상시킬 수 있다는 말이 바로 이 의미입니다.

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[꼬리 1-1]. HKMG는 High-k Metal Gate인데 왜 Metal gate를 사용하는지에 대해서 설명해보세요.

MOSFET에서는 다양한 이유로 poly-Si을 사용했습니다. poly-Si의 장점은 metal에 비해 녹는점이 높아 열적안정성이 높습니다. 이러한 이유로 공정 프로세스 내의 마진이 넓고, 또한 도핑농도를 이용하여 workfunction 조절할 수 있어 threshold voltage를 modulation 할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 소자가 점점 더 미세화 되면서, 즉 집적도가 높아지면서 SiO2의 두께가 얇아지고 그에 따른 터널링에 의한 누설전류 (Gate→channel)로 인해 결국은 High-k 물질이 도입됐습니다. 그리고 high-k 물질에 poly-Si 게이트를 사용할 시 저항이 높고, depletion effect에 의해 오히려 oxide capacitance 값이 작아지는 결과를 초래하기 때문에 metal gate가 채택되었습니다. 

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[꼬리 1-2]. Poly-Si에 도핑 계속하면 저항 낮출 수 있지 않나요.

물론 Poly-Si은 grain boundary로 인해 도펀트의 diffusion이 활발히 일어나면서 도핑농도에 따라 저항은 작아지게 됩니다. 하지만 일정 수준의 도핑농도를 넘어서게 되면 도핑 불순물 원자들끼리 공유결합을 형성하면서 crystallization 결정화가 일어나고 오히려 저항이 증가하게 되는 이슈가 발생합니다.

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[세부설명] Highly doped poly Si
Poly-Si은 다결정 실리콘으로 grain boundary가 많습니다. 이 grain boundary를 따라 불순물을 implant할 경우 poly-Si의 workfunction을 조절할 수 있습니다. 이 work function은 소자의 문턱전압과 관련되고 poly-Si의 이러한 특성 때문에 채택된 것이죠. 이게 metal이 아닌 poly-Si gate를 사용한 가장 큰 이유입니다. metal은 work function을 조절하기가 너무 어렵습니다. 조절할 수가 없습니다. 그러다 보니 threshold voltage를 조절하려면 완전히 다른 소재의 물질이 필요한 것이었습니다. 하지만 Poly-Si 같은 경우는 도핑으로 work function 조절이 가능하니 도핑농도를 통해 원하는 스펙으로 소자를 설계할 수 있는 것입니다. 그 외에도 앞서 말했던, 높은 녹는점으로 인해 열안정성이 우수하여 공정마진이 넓다는 장점이 있고 게이트 물질이 SiO2 산화막 위에 올라가야 하는데, SiO2와 Poly-Si의 접촉 특성이 매우 우수합니다. 

 

[꼬리 1-3]. Gate depletion effect가 무엇인지 설명해보세요.

보통 High-k 물질은 HfO2가 SiO2를 대체하는 gate oxide로 채택되었습니다. HfO2 산화막 위에 poly-Si 전극을 형성할 경우, HfO2와 poly-Si 계면에서 Si와 oxygen이 만나 얇은 SiO2 막이 형성됩니다. SiO2 박막 형성에 의해 기생 캐패시턴스가 생기게 되고 이는 Oxide capacitance와 SiO2에 의해 생긴 기생 capacitance가 직렬로 연결된 구조입니다. 회로관점에서 보면 capacitance가 직렬로 연결되면 전체 capacitance는 감소된어, 역시 oxide capacitance, Cox에 인가되어야 하는 gate voltage를 기생캡 성분이 나누어 가지게 되고 게이트 영향력이 감소해서 문턱전압의 증가와 누설전류를 야기하게 됩니다. 그래서 Threshold voltage 조절이 쉽고, Si와 contact이 우수한 poly-Si을 사용하지 못하고 metal gate가 채택된 가장 큰 이유입니다.

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[꼬리 1-4]. High-k materials이 무엇이 있고 Metal gate는 무엇이 있나요.

High-k 물질은 유전율이 높은 소재를 의미합니다. 유전율은 전계 내에서 소재가 전하를 얼마나 가지고 있는지 즉, 얼마나 분극이 큰지를 나타내는 지표입니다. 하지만 분극이 큰 만큼, 결합이 약하다는 의미이고 그래서 유전율과 에너지 밴드갭은 반비례 관계에 있습니다. 절연막은 말 그대로 밴드갭이 큰 물질을 사용해야 하며, 동시에 유전율이 큰 소재를 채택해야 합니다. 최근 HKMG 공정기술에서 채택하고 있는 High-k 소재는 HfO2이며, HKMG 공정기술의 가장 큰 이슈였던 metal gate와의 접착 특성을 해결하는 최적의 소재로 TaN, TiN 소재가 주목받고 있는 것으로 알고 있습니다.

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[꼬리 1-5]. Metal gate의 이슈는 무엇이 있는지 설명해보세요.

metal gate의 소재는 low work function의 소재와 high work function 소재로 나눌 수 있습니다. low work function의 metal은 저항이 낮지만 stability에 이슈가 존재합니다.  high work function metals은 4eV대의 Al은 etching이 수월하지만 500도에서 melting이 되는 이슈가 발생합니다. 5eV의 높은 work function의 metal인 Pt는 열적 안정성이 우수하지만 식각이 어렵다는 이슈가 존재합니다. 그래서 metal gate는 열적 화학적 안정성이 높아야 하며, High-k 소재와의 접착특성 또한 우수애햐 합니다. 그리고 기존 CMOS 공정 적용이 가능해야 하고, 저항이 낮고 증착기술이 유연해야 합니다. 당연히 gate depletion effect로 인한 기생커패시턴스 이슈도 없어야 합니다.

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HKMG 공정기술은 MOSFET 외에도 DRAM의 커패시터의 유전율로 사용되며 더 높은 전하밀도를 위해 High-k 물질이 적용되고 있습니다. 미세화트랜드에 주목받는 공정기술이기 때문에 꼭 숙지하시길 바랍니다. 질문이 있으면 댓글로 남겨주시길 바랍니다.
이것으로 교육을 마치겠습니다. 이상.