오늘은 유전율(permittivity)에 대해 짧막하게 알아보고 유전상수와 전류차단이 무슨 관계일지 적어보려고 합니다.
high k 물질은 분명 유전율이 높은 데 왜 반도체에서 누설전류를 차단하는 gate oxide로 사용되는지 이해가 잘 안됐는데 드디어 이해가 됐거든요.
먼저 유전율의 개념부터 알아볼겠습니다.
유전율이란 외부에서 전기장을 가했을 때 전하가 얼마나 편극되는지에 나타내는 척도입니다. 도체는 유전율에 대해 언급을 안하는데 도체의 경우 전기장을 걸면 그냥 전류가 흐르기 때문입니다. 부도체의 경우 전류가 흐르지 않고 '편극'이 일어나게 되는데 이 '편극'이 얼마나 잘 되냐를 나타내는 것이 유전율입니다.
가운데를 보시면 유전체가 배열되어 있는데 위의 경우는 부도체라고 보시면 됩니다. 부도체안에 있는 전자들은 부도체의 강한 결합 때분에 결합을 탈출하지못하고 고대로 있습니다. 그러나 원자핵주위는 조금씩 움직일 순 있죠. 그래서 왼쪽에 +, 오른쪽에 -를 걸게 된다면 원자핵 주위에서 전자가 움직입니다. 인력과 척력에 의해 왼쪽은 -, 오른쪽은 +로 배열이 됩니다. 왼쪽과 오른쪽이 나뉘어졌다 해서 POLARIZATION, 편극되었다고 합니다.
유전체 내부에서 왼쪽이 -로 배열되는 이유: 왼쪽의 가해진 전기장 +는 인력을 통해 유전체 내부에 있는 -를 끌어당깁니다.
유전체 내부에서 오른쪽이 +로 배열되는 이유 : 오른쪽에 가해진 전기장 -는 인력을 통해 유전체 내부에 있는 +를 끌어당깁니다.
그런데 부도체중에서는 편극이 잘 되는 친구가 있고 편극이 잘 되지 않는 친구가 있습니다. 그래서 이들을 구분하기 위해 유전율이라는 개념을 만들어 냈습니다. 유전 상수는 relative permittivity로 상대유전율, 비유전율을 나타냅니다. 주로 dielectric constant라고 부르죠. 유전상수는 상대 유전율인데 진공상태랑 비교해서 얼마나 유전율이 크냐를 나타냅니다.
유전 상수가 클수록(진공상태 대비 유전율이 높을수록) 전자가 그나마 잘 움직입니다. 전자가 잘 움직여야 분극이 잘 되기 때문입니다. 강한 부도체일수록 원자와 원자사이 결합이 강해 전자가 잘 못움직일텐데(결합속에 전자 있음) 분극이 잘된다는 것은 결합이 부도체중에서 그나마 약하다는 뜻입니다.
결합이 약하다는 것은 bandgap이 작아 전자가 excited되기 쉽다는 뜻이죠. 부도체중에서 전류가 흐를 확률이 그나마 높다는 뜻입니다.
유전 상수가 작을수록 전자가 잘 못움직이기 때문에 전류가 흐를 확률이 매우 낮습니다.(강한부도체, bandgap이 크다)
유전상수가 줄어들면 부도체의 기능이 더욱 강화돼 누설전류 차단이 더 쉽습니다. 이는 tunneling으로 인한 누설전류가 아니라 그냥 bandgap이 작아 발생하는 누설전류를 말합니다.
유전상수가 커지면 부도체의 기능이 더욱 약화돼(bandgap이 작아짐) 누설전류 차단이 더 어렵습니다.
반도체에서 capacitor이 많이 이용되는데요. 그 이유를 한번 알아보겠습니다.
유전체는 주로 도체와 도체 사이에 집어넣어서 축전기로 사용됩니다. 축전기는 전기를 저장하는 장치입니다. 반도체에서 Capacitor의 역할은 회로에서 건전지를 확 빼버려도 Capacitor가 완충작용을 해 전압이 확 바뀌는 것을 방지하는 역할입니다. Capacitor가 없다면 건전지를 뺏다 넣다 반복할 때 전압이 확확 바뀌기 때문에 장치가 금방 망가집니다.
Capacitor가 있다면 건전지를 확 빼도(전압이 확 바뀌어도) 부도체 내에서 편극이 한번에 확 되지 않기 때문에 전하 유도가 천천히 일어나서 전압이 천천히 바뀝니다.
그렇기 때문에 반도체 내에서 capacitance값은 어느정도 유지가 되어야합니다.
(k = dielectric constant, 입실론0 = 유전율, A는 유전체 면적, t= 유전체 두께)
위는 원래 식, 
그럼 왜 반도체 회사에서 유전상수 k가 큰 high k material을 찾고 있을까요? 분명 위에서 유전상수가 커지면 누설전류 차단이 힘들다고 말했는데요.
반도체의 scale down(크기 줄이는 기술발전)이 이뤄지는 동안 capacitance 식의 두께를 나타내는 t값이 줄어들고 있습니다. t가 너무 줄어들면 MOS구조중 Oxide구조가 너무 얇아져서 전류가 흐르지 말라고 둔 oxide를 전자가 tunneling effect로 훌쩍 넘어갈 수 있습니다(tunneling으로 인한 누설전류). 그래서 반도체 회사에서는 high K material을 찾아 다니는 것이죠.
유전 상수k 가 커지면 t를 어느정도 두껍게 할 수 있기 때문에 tunneling으로 인한 누설전류를 막아줄 수 있습니다. 분명 k가 크면 전류가 잘 흘러서 전류를 막는 역할인 oxide의 기능이 떨어지기는 합니다. 하지만 엄청높은 k 물질(30이상)을 쓰지 않는이상 부도체의 역할(전류 못흐르게 막는)을 성실히 수행합니다. tunneling으로 인한 누설전류를 막는 것이 훨씬 더 중요하기 때문에 high k 물질을 쓰고 있습니다.
기존에 쓰던 SiO2는 k가 3.9이고 high k 물질중 하나인 GeO2는 k가 5.2입니다. high k라고 부르지만 그렇게 크지 않죠?
※ 참고로 C값인 capacitance(전기용량)는 적당히 크면 좋습니다. DRAM같은 데이터 저장장치는 전하를 저장하는 방식으로 데이터를 저장하기 때문입니다. 예를 들어 전자1개= excel file, 전자2개= ppt파일 등으로 저장합니다. t가 매우 작아지면 C가 엄청 커지겠지만 터널링이 일어나기때문에 두께를 어느정도 유지해야합니다. But 두께가 두꺼우면 C가 작아지기 때문에 이를 상쇄하기 위해서 high - k material을 씁니다.
※ C값이 너무 크면 데이터 refreshing하는데 시간이 오래걸리는 단점이 있습니다. 데이터 refreshing은 방청소라고 생각하시면 됩니다. 방이 너무 크면 방청소가 오래걸리듯 C값이 너무 커서 저장을 많이한다면 방청소가 오래걸립니다.
제가 이부분에서 high k material은 누설전류를 잘 차단하니 유전상수가 클수록 전류가 잘 못흐른다고 생각했습니다.
하지만 사실은 유전상수가 클수록 전류가 그나마 잘흐르고 유전상수가 작을수록 전류 차단이 잘 이뤄집니다.
도움이 되셨다면 공감버튼이나 댓글 부탁드려요.
*올만에 확인했는데 좋아요 개달다구리~ㅎㅎㅎㅎ
'공대 대학원 생활 & 반도체 지식' 카테고리의 다른 글
| RIE(Reactive Ion Etching)에 대해 알아보기(feat. 플라즈마의 원리) (2) | 2019.02.21 |
|---|---|
| sample을 TEM으로 보기 위해 필요한 공정 :: Focused ion beam(FIB), Ion milling (2) | 2019.02.20 |
| 반도체에서 핀홀 결함은 왜 생길까 :: why the pinhole defects are created in semiconductor (2) | 2019.02.15 |
| X-ray diffraction(XRD)를 쓰면 알게되는 정보와 그래프 (61) | 2019.02.14 |
| parasitic effect란 무엇인가? :: parasitic capacitance 정의 알아보기 (7) | 2019.02.13 |
