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High-k report

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최초등록일 2022.02.21 최종젿작일 2021.11
광운대학껓 전자재료 보고서 반도체공정
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High-k report
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    목차

    1. Introduction
    2. Capacitance in DRAM
    3. Gate insulators in MOSFET
    4. Conclusion
    5. Reference

    본내용

    1. Introduction
    High-ĸ material은 SiO2에 비해 유전율이 높은 물질을 말하며, ĸ(dielectric constant)는 유전상수를 나타낸다. SiO2는 3.9의 ĸ를 가지고 있으며 아래 식에 의해 ĸ값이 클수록 capacitance가 증가한다.
    C= ĸɛ0s/d (ĸ: 유전상수, ɛ0: 진공의 유전율, d: 전극간 거리, s: 표면적)------(1)
    현재 많이 사용되고 있는 소자들인 DRAM과 MOSFET에서 scaling down을 진행할 때 고려할 부분은 capacitance이다. 경제, 성능면에서 이득을 가지기 위해서는 필연적으로 scaling down이 진행되어야 하는데 위 식에서 볼 수 있듯이 표면적이 줄어들게 되면 capacitance도 줄어든다. 이미 한계에 다다른 구조적인 면에서의 발전보다 유전상수가 높은 물질을 이용하여 scaling down하는 것이 효율적인 방법이다.

    2. Capacitance in DRAM
    DRAM은 컴퓨터의 주기억장치로 사용되고 있는 반도체 소자로 가장 널러 사용되고 있는 메모리이다. 스위치 역할을 하는 1개의 Transistor왿 전하를 저장하는 1개의 capacitor로 구성되어 있다. 이들의 사이즈를 줄임으로서 집적도를 높일 수 있는데 여기서 capacitor의 표면적이 줄어들어 DRAM의 용량이 줄어드는 문제가 발생하고 더불어 cell transistor의 junction leakage current도 있다. 메모리의 용량을 증가시키기 위해 구조적으로 planar, Box, HSG, OCS 등 여러 발전이 있었지만 그것만으로는 한계가 분명했고, 유전상수도 같이 증가시켜야 했다. Transistor의 문제는 뒤에서 다루기로 한다.

    참고자료

    · 광운대학껓 반도체공정(1), 21-2, 강의자료
    · The Role of the Trench Capacitor in DRAM Innovation, IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter (Volume: 13, Issue: 1, Winter 2008), Hideo Sunami
    · DRAM Capacitor의 유전율 향상을 위한 ZrO2/Al2O3/TiO2 박막의 전기적, 구조적 특성 연구, 서울대학껓 댿학원, 공학전문댿학원 응용공학과, 2019. 2. 황철성
    · 배선 기술 동향 The Magazine of the IEIE, Volume 28, Issue 8, Pages.63-74, 2001/1016-9288(pISSN), 김기범, 차국헌, 김재성, 주영창
    · High-k 게이트 절연물질의 전기적 특성: 도전과 현 문제점 및 해결책, RESEAT, 2007-04-03, 김정수
    · The High-k Solution, IEEE Spectrum (Volume: 44, Issue: 10, Oct. 2007)
    · 신재료 메모리 기술 개발 동향, itfind, 유병곤, 유종선
    · DRAM capacitor의 발전 현황, Electrical & Electronic Materials, Volume 26 Issue 2, Pages.32-39, 2013, 1226-7937(pISSN), kim Seong-Geun
    · Gate stack technology for nanoscale devices, June 2006, Materials Today 9(6):32–40, Byoung Hun Lee, Jungwoo Oh, Hsing Huang Tseng, Rajarao Jammy

  • Easy Ai 요약

    이 문서는 반도체 소자의 scaling down을 위한 핵심 기술로 고유전율 물질인 high-ĸ material의 활용에 대해 다루고 있다. 먼저 capacitance 증가를 위해 high-ĸ material이 필요한 이유를 설명하고, DRAM과 MOSFET에서의 구체적인 적용 사례를 소개하고 있다. DRAM의 경우 SiO2에서 HfO2, Ta2O5, ZrO2, SrTiO3, (Ba, Sr)TiO3 등 다양한 high-ĸ 물질로 발전해왔으며, MOSFET에서도 SiO2를 대체하기 위해 Al2O3, HfO2, ZrO2 등이 연구되었다. 하지만 높은 유전율만으로는 문제가 해결되지 않으며, Fermi level pinning 효과, 증착 공정상의 어려움 등 여러 가지 과제들이 남아있다. 이를 해결하기 위해 다양한 접근법들이 시도되고 있으며, planar CMOS 구조의 한계를 넘어 FinFET, nanowire 등 새로운 구조의 소자에 대한 연구도 병행되고 있다. 결과적으로 high-ĸ material의 활용은 반도체 소자 scaling down에 필수적인 기술이며, 지속적인 연구 개발을 통해 소자의 성능과 경제성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

  • 자료후기

    Ai 리뷰
    high-ĸ material의 활용을 통한 반도체 소자의 scaling down 동향과 DRAM, MOSFET 등 주요 소자에서의 적용 사례를 자세히 다루고 있으며, 향후 발전 방향과 과제에 대해서도 논의하고 있다.

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