high k oxide 구조에서 Metal gate 쓰는 이유, poly depletion effect란?

오늘은 오랜만에 MOSFET 소자 얘기입니다. 오늘 다뤄볼 주제는 MOSFET의 물질 발전 과정에 관해서인데요. MOSFET 구조에서 gate 역할은 무엇일까요?

● MOSFET에서 gate의 역할 이해

질문을 이렇게 해보죠. 댐에서 방류할 때 여는 문(gate)의 역할은 뭔가요? 말 그대로 문입니다. 닫아놓으면 물이 밖으로 안 흘러요. 열어놓으면 물이 방류되죠.
 

 
MOSFET의 gate도 문입니다. 열면 전류가 흘러요. 전자가 움직여요. 닫으면 전류가 안흘러요. 전자가 안 움직여요. 전류가 흐를 땐? 스위치가 켜졌다. 전등과 연결한다면 전등이 켜지겠죠. 전류가 안 흐를 땐? 스위치가 꺼졌다. 전등이 안 켜지겠죠.
 

● gate가 갖춰야 할 조건

MOSFET은 스위치입니다. 껐다 켰다할 수 있는 스위치. 근데 gate를 열었다 닫는데 10초 걸려봐. 스위치 껐다 켜는데 10초가 걸려봐. 전등 키는데 10초 걸려봐. 견딜 수 있습니까? 절대 못 견딥니다.
 
gate는 그래서 빠릿빠릿해야 돼요. 전류가 잘 흐르지 않는 부도체가 아니라, 전류가 잘 흐르는 도체에 가까워야 빨리 스위치를 껐다 킬 수 있어요.
 

● 첫 번째 gate 물질 : metal

그래서 맨 처음에는 gate 물질로 알루미늄 같은 금속을 사용했습니다. 왜? 금속은 도체니까. 전류가 잘 흐르니까. 게이트를 빨리 열고 닫을 수 있으니깐.
 
근데 문제점이 하나 생겼습니다. 

- 낮은 녹는점 660 ℃ (주요 이유)
 
어찌저찌 MOSFET 만들면서 gate 물질로 알루미늄까지 깔았다고 칩시다. 이제 뒤에 공정이 더 있겠죠? 공정 온도가 한 900도쯤 됩니다. 어라? 알루미늄 녹는점이 660도인데, 900도 공정을 또 한다고? 후속 공정 중 알루미늄 살살 녹는거야~ 기껏 만들어 놓은 구조, 망가지는 문제가 있었습니다.
 
- 문턱전압이 조절되지 않는다. (서브 이유)
 
metal은 Si과 다르게 doping이 안됩니다. Si은 n doping, p doping으로 전자가 잘 흐를지 hole이 잘 흐를지 정할 수 있잖아요. metal은 그게 안돼. 항상 일함수(=work function)나 페르미 레벨 고정입니다. 이건 물질 고유의 값이야.

일함수 고정이니까 threshold voltage(=Vth)도 고정인 거야.(정확히는 바꾸기 힘들다) Vth는 gate의 work function과 Si substrate의 work function차이로 정해지는데, gate의 work function을 바꿀 수가 없어. 바꾸려면 새로운 물질 써야 돼.
 
work function 고정되면 뭐가 문제냐구요? 비유해볼게요. 고등학교 때 국영수 성적 합쳐서 250점 이상 맞아야 한다고 칩시다. 만약 국어를 못 봤어. 그럼 영어 수학 열심히해서 250점 넘으면 되죠. 2과목 열심히 하면 됩니다.
 
근데 갑자기 뭔 일 터져서 영어 성적 모든 학생 70점 고정이래. 근데 내가 국어를 못봤어. 그럼 수학을 진짜 100점 맞아야 250점 넘을까 말까 간당간당한 거야. 일함수 고정이란 이런 겁니다. Vth 바꿀 수 있는 요인을 하나 잃는 거지.

 

 

만약 work function 조절이 가능하다면, Vth를 바꾸고 싶을 때 work function 조절로 슝 바꾸면 됩니다. Si의 경우 doping으로 work function값 조절이 되거든요. 조절이 불가능하다면? Qd를 바꾸거나 Ci를 바꾸거나 다른 걸 열심히 바꿔야 돼요. 영어성적이 고정이라 수학을 진짜 개개개개열심히 해야 하는 거야. 아주 복잡한 방법, 돈 많이 드는 방법을 써야 합니다. 불편한 거죠. 주요 이유는 아니지만 서브 이유 정도입니다.

● 두 번째 gate 물질 : Poly Si

아 metal 못써먹겠다 싶어 나온 것이 poly silicon입니다. 왜 하필 실리콘이냐? SiO2랑 궁합이 좋아. SiO2가 Si랑 같은 집안 사람 아입니까. 최익현이랑 최형배랑 같은 집안인 것 처럼 말야.

근데 어라? Silicon은 반도체잖아요. bandgap이 1.12eV잖아. 금속(bandgap = 0eV)에 비해 저항이 몇백 배 더 높아. 전류 잘 안 통해. 근데 게이트는 전류가 잘 통해야 하잖아요. 해법이 다 있지.

● highly doped poly Si

Poly Si위에 임플란트 팍팍 때려줍니다. 임플란트가 뭐냐구요? 치아 고장나면 뽑고 임플란트한다고 하잖아요. 특정 원소를 Si 안에 심는 것. 그게 임플란트예요. 별거 아니에요~
 
Boron이나 Arsenic, Phosphorus 팍팍 발라줍니다. 닭꼬치에 소스 바르듯 발라줘요. 그리고 뜨겁게 달궈. 뜨거우면 확산이 일어납니다. 만화 보면 바닥이 뜨거울 때 핫뜨핫뜨 하면서 뛰어다니잖아요. 원소도 뜨거우면 여기저기 뛰어다닙니다. 어디로? Si 안으로!

쩍쩍 갈라진 길 빈틈이 많다.

n이나 p doping 마구 되는 거예요. 그냥 Silicon이 아니라 다결정인 poly silicon이잖아. grain boundary가 많잖아. 빈틈이 많아서 도핑 넣으면 쑥쑥 잘 들어갑니다. grain boundary가 뭐냐구요? 위 사진(갈라진 길)에 틈이 있잖아요. 그런 틈같은 거예요. 물 넣으면 얼마나 잘 들어가겠어~느낌 알잖아~
 

 

● 도핑으로 조절 가능한 월급

도핑 농도 조절이 된다? 최외각 전자를 자유전자로 만들 때 필요한 에너지 = 일함수 조절(work function)이 아주 잘된다. 일함수 조절이 되면 문턱전압(threshold voltage) 조절도 된다. 그냥 내가 상상하는 데로 되는 거야. 전류 아주 잘 통해요~
 
쉽게 풀어쓸게요. 문턱전압 = 일하는 데 직원이 만족할만한 월급입니다. 문턱전압 이상 걸어줘야 스위치가 켜지는 거거든요. 전류가 흐르는거거든요. 직원도 똑같잖아. 자기가 원하는 만큼 월급을 받아야 일을 열심히 하잖아. 메탈에서는 이게 안됐어. 월급 다르게 주고 싶으면 새로운 금속, 새로운 직원을 찾아야했습니다.
 
근데 poly Si gate에서는 같은 직원인데 월급을 그냥 내가 원하는데로 정해도 돼. 3월은 2만원, 4월은 4만원 이런 식으로! 직원이 얼마 받든 다 열심히 일하겠대. 그냥 내가 맘대로 조절할 수 있는거야. 다른 직원(금속) 구할 필요 없죠? 얼마나 좋아요? 도핑이란 이런 것입니다.

- 절대 안 녹지
 
게다가 녹는점? Silicon이잖아~ 1414도야. 이봐 황시목이! Silicon이 무너지면 wafer가 무너져. Siliccon은 절대 안 무너집니다!
 
- 접촉 특성도 좋다.
 
그리고 SiO2랑 또 궁합이 좋아. Si랑 SiO2랑 또 한 식구 아입니까. 접촉 특성이 아주 좋습니다. 비싸지도 않아. 실리콘이니깐. 이러한 경향 평생 갈 줄 알았죠.
 

● Scale down에 따른 Poly Si gate의 몰락

하지만 생각도 못한 문제 터집니다. 반도체에서 문제가 왜 생길까요? 누가 물어본다면 무조건 이렇게 대답하세요.
 
사이즈가 작아지기 때문에, scale down 때문에
반도체의 모든 문제는 사이즈가 작아지면서 생깁니다. 유식한 말로 집적도가 높아지면서 생기는 문제다!
 
SiO2가 너무 얇아지다 보니, 누설 전류가 생겨. tunneling으로 얇은 막 뚫고 gate에서 channel로 탈출하는 거야. 멕시코랑 미국의 국경 같은 거죠. 막 넘는 거야.
 
유전 상수와 전류 차단의 관계 high k material relationship between dielectric constant and current block

유전 상수와 전류 차단의 관계 high k material relationship between dielectric constant and current block

그래서 뭐가 나왔다? 아주 두꺼운 국경, 즉 high k material이 등장했다.
 

● 누설전류 방지용 high K material의 등장

high k material이 등장하여 gate oxide로 사용하였습니다. high k라서 두께를 두껍게 가져갈 수 있어. 누설전류? 트럼프가 세운다고 했던 국경마냥 아주 튼튼-하다!
 
근데 역시나 문제점이 발생합니다.
 

● Poly depletion

- scale down에 따른 poly-Si 자체의 문제점
 
곰처럼 두꺼운 poly Silicon일 때 원자가 10000개 있다고 칩시다. 도핑 1000개 했어요. 일단 10% 도핑됐죠. 후속 공정에도 도핑하는 공정이 또 있습니다. 그 공정에서 확산이 발생해 도핑 원자 10개가 poly-Si로 들어왔어요. 도핑 농도 10.1%입니다. 쥐꼬리만한 영향이쥬?

근데 poly Si이 개구리가 된 거야. 얇은 poly Silicon일 때 원자가 1000개 있다고 칩시다. 도핑 100개 했어요. 일단 10% 도핑됐죠. 마찬가지로 후속 공정에 도핑 공정이 있어요. 근데 scale down 하면서 주위의 확산 방지막들도 같이 얇아진 거야. 이 공정에서 확산이 발생해 도핑 원자 30개가 poly-Si로 들어왔어요. 도핑 농도 13%입니다. 어라...? 영향이 좀 많이 커졌는데?
 
더 작아지면? 확산에 의한 도핑의 영향 더 커지죠. 난 threshold voltage 0.5V만 움직이려 했는데, 예상치 못하게 3V씩 바뀌는 거야. 3월에 직원 월급 0.5만원 준다고 공지했는데 얘는 3만원 준다고 알아먹은거야. 0.5만원 주니까 일을 안해!! 이런 느낌이예요.
 
이해하기 쉬우라고 극단적인 예시를 들었지만 보통 도핑 농도가 과하게 되기보단 상쇄됩니다. n doping 한 영역에 p type 원자가 확산해서 도핑을 상쇄시키죠. Vth 감소율이 예상보다 적게 변합니다. 항상 예상과 다른 것은 문제가 되죠.
 
- gate와 gate oxide 사이 접촉 특성의 문제점
 
원래는 Poly Si와 SiO2가 접촉한 구조였잖아요. Si랑 O가 만나도 그 아래에 있는 SiO2 그대로 생성됩니다. 변한 게 없어.
What is the Contact resistance 컨택저항이란 무엇인가?

What is the Contact resistance 컨택저항이란 무엇인가?

근데 위 구조 그림 보세요. HfO2 같은 high k로 gate oxide가 바뀌었을 때는 다릅니다. gate의 Poly-Si와 HfO2가 만나봐. Si랑 O가 접촉하는 부분 무조건 있겠죠. 눈 맞는 거야. 눈 맞아서 SiO2 형성하는 거야. 아니 원래는 HfO2 있어야 할 자리인데 SiO2도 같이 생긴 거야.

그래서 SiO2로 인한 기생 capacitance라는 것이 생깁니다. 도체와 도체 사이 부도체면 capacitance잖아! SiO2로 인한 capacitance 예상했나요? 난 못했어~ 기생충마냥 아주 작지만 특성을 좀먹는거야. 그래서 기생 capacitance입니다.
 
저도 첨에 oxide층 두 개 있으면 capacitance 두 개 생긴 걸로 보는 건가? 도체는 하나씩인데? 의문 가졌거든요. 2개 생긴 게 맞더라구요.
 

 
아무튼 우리 scale down 왜 해요? gate oxide의 두께인 d값 낮춰서 C값 올릴라고! capacitance 값 올릴라고. 기껏 cap 값 올리려고 했는데 SiO2가 생겨서 capacitance가 직렬로 연결되어버렸습니다.

공식에 따르면 C 값은 직렬일 때 감소하죠? 이를 poly depletion이라 부릅니다. 원래 Vth 조절이 쉬운 점, 접촉 특성이 좋은 점 때문에 poly-Si 썼는데 이러면 쓰는 이유가 없지. 아 이거 이젠 안 되겠다. 다시 metal로 회귀합니다.
 

물론 metal로 돌아가면서 high k oxide와 잘 어울리는 metal도 찾아냈습니다. 과거 접촉 특성이 안좋던 문제? 연구로 해결 완료! 덕분에 허니콤보엔 엽떡같은 최적의 조합이 탄생하였고 HKMG(high k metal gate)란 단어도 만들어졌죠. HKMG는 엽떡허니콤보같은 단어 조합이라 보시면 됩니다.

● 정리

이렇게 gate의 물질은 최종적으로 metal을 쓰고 있습니다. 정리해볼까요?

1. metal 썼다. 녹는점이 낮아 후속 공정에서 녹아버린다.
2. poly Si를 썼다. 저항이 높아 switch on/off 속도가 느리다. n or p doping 해서 저항 낮췄다. 녹지도 않는다.
3. scale down이 되면서 누설전류가 문제 됐다. SiO2 대체용으로 high k material을 썼다.
4-1. poly Si랑 접촉해서 SiO2를 생성하고 기생 capacitance를 형성해 C 값을 낮췄다.
4-2. 작아진 poly Si는 주위 도핑 원소의 확산에도 영향을 크게 받는다.
5. Poly Si의 문제점이 너무 많아져 metal을 다시 쓰기로 결정했다.
 
질문은 댓글로 남겨주세연~~