High-k, Low-k

1. K(Permittivity)

  High-k, Low-k를 들어 보셨나요? 이를 이해하기 위해서는 K(permittivity, 유전율), Dielectric(유전체), Dielectric constant(유전상수)에 대해서 먼저 이해해야 합니다.

 

Dielectric이란 유전체를 말하며 '전기장 안에서 극성을 지니는 절연체'를 말합니다. 도체와는 달리 유전체는 절연체이기 때문에 전하가 통과하지 않습니다만, 양전하에 대해 유전체의 음전하가, 음전하에 대해 유전체의 양전하가 늘어서게 되어 극성을 띄게 됩니다.

 

그 결과로, 유전체가 가지고 있는 고유한 유전율 K(permittivity)에 따른 유전 상수(Dielectric constant) 만큼 전기장의 전위차는 감소하게 됩니다. 유전체는 감소한 전위차에 해당되는 에너지를 저장하게 되고 이 성질 때문에 유전체는 전자기장 안에 있는 물질에 에너지를 저장하는 용도로 사용할 수 있습니다.

 

Dielectric에 외부 전기장을 인가하면, Dielect Polarization(유전분극)이 발생하게 됩니다. 이로 인해 가해진 전기장의 반대 방향으로 Polarization이 발생하게 이것에 의해 전기장이 생성되어서 dielectric내의 Electric Field intensity E는 작아집니다.  

 

유전율이란 것은 간단하게 외부 전기장이 Dielectric안에서 작아진 비율을 나타냅니다. 매질이 전기장에 미치는 영향이라고도 볼 수 있겠습니다. 유전율이 높다면 매질에서 전기장의 세기가 줄어 듭니다. 같은 양을 가지는 물질이 있다면 유전율이 더 높은 물질이 더 많은 양의 전하를 저장할 수 있습니다. 유전율이 높다는 것은 내부에서 dielectric Polarization이 더 잘 일어난다는 것으로 전하가 내부에 더 많다는 것을 의미하기 때문입니다.그래서 유전율이 높을수록 전자회로를 더 작게 만들 수 있습니다.

 

2. High-k, Low-k

    High-k는 ε값을 크게 제어해서 전류를 잘 흐르지 못하게 하고, Low-k는 ε값을 작게 제어해서 전류를 잘 흐르게 하는 것입니다. k란 유전상수로 값이 클수록 가질 수 있는 전기 용량이 큰 것입니다.

 2-1. High-K

     유전율이 높은 물질을 말합니다. 반도체는 gate나 capacitor를 만들 때 부도체인 유전체로 인접한 회로를 분리합니다. 이 유전체는 반도체 내의 배선과 배선 사이 전기적 간섭을 차단하고 트랜지스터 기본 구성 단위인 게이트를 절연하는데 사용합니다. k가 높을 수록 배선 간 전류 누설 차단 능력이 좋고 게이트 절연 특성이 좋아 미세 회로를 만들 수 있습니다. 최근 반도체 회로의 미세화로 인해 디자인 룰이 어느 이하로 내려가면 전류 누설의 문제가 됩니다. 절연막으로 high -k물질을 사용하면 전하를 가두어 전류 누설을 막을 수 있습니다. 현재는 high-k물질로 Hfo2, Zro2등을 사용하고 있습니다. 이것들은 Gate insulator에 SiO2보다 높은 ε값을 사용합니다.

2-2. Low-K

     저유전체는 4이하의 낮은 유전상수 값을 가지는 물질입니다. ILD, IMD등에 사용되며 층간 절연 물질인 SiO2의 유전율이 3.9~4.2로 높아서 반도체 고집적화 진행시 문제를 야기하기 때문에 사용합니다. 

Low k는 전류를 차단하는 것이 주 목적으로 전류가 흐르는 통로에 ε값이 낮은 물질을 두어 전류 이동 중의 손실이 없게 합니다. 

 

선폭의 미세화로 gate delay는 감소하는 반면, 배선 공정의 미세화로 인해 밀집된 interconnection은 배선간의 정전용량 Capacitance와 Resistance의 증가로 RC 지연효과가 크게 나타나게 되어 Total Signal Delay time이 증가하는 문제가 발생했습니다. 따라서 소자의 고집적화 , 고속화를 위해 RC Delay를 최소화하는 것이 중요하며 낮은 유전율을 갖는 층간 절연물질 개발이 필요합니다.

 

참고 자료 및 문헌

https://amanan1004.tistory.com/28?category=1007231 

High-k, Low-k에 대해 알아보자

http://ko.wikipedia.org/wiki/유전체_(물리학) 

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