CMOS 소자 제작 ① - HKMG의 필요성

이번 게시글 부터는 교내 연구실에서 진행한 CMOS 소자 제작 및 공정 조건에 따른 특성변화에 대해서 다뤄 보겠습니다. 아마 많은 반도체 관련 인턴이나 취준생분들은 익숙하거나 알고 싶은 내용일 수도 있을 것 같아요! 재밌게 봐주세요

 

1. CMOS란 무엇인가?

CMOS는 Complementary Metal Oxide Semiconductor라는 이름에서 알 수 있다시피 N ,P type의 MOSFET을 함께 써서 전력효율을 높인 MOSFET 구조입니다. CMOS는 인버터로 1을 넣으면 0이 나오고 0을 넣으면 1이 나오는 구조입니다. 아래그림에 1을 넣어주면 아래 있는 NMOS만 on이 되면서 0이 0을 넣으면 위에 있는 PMOS만 On이 되면서 1이 나오는 구조입니다. 자세한 동작원리는 유투브나 검색해보시면 아마 더 자세히 나오는게 있을거에요.

출처 : SK하이닉스 뉴스룸

아무튼 이 CMOS가 반도체 역사를 바꿨다고 봐도 무방할 정도로 MOSFET과 CMOS의 발명은 엄청났는데 그 이유는 바로 획기적으로 낮은 전력사용량 때문입니다. 

 

2. CMOS 제작 과정

위 구조를 보면 알 수 있다시피 CMOS는 동일 기판위에 두 타입의 MOSFET을 심어야 합니다. 실제로는 산업현장에서 쓰는 것에 비해면 정말 간단한 공정이라고 하는데도 찾아보면 총 100step 가량 됩니다. 

출처 http://contents.kocw.or.kr/KOCW/document/2014/Chungbuk/parkkeunhyung/13.pdf

학부생 입장에서 보기에는 엄청 복잡해보이는데 실제 산업현장의 공정과는 비교도 할 수 없게 쉬운거라고 해요. CMOS제작 flow는 너무나 잘 정리된 곳이 많아서 찾아보시면 훨씬 잘 설명해주시는 부분이 많을거에요. 저는 총 제작보다는 공정 조건에 따른 소자의 특성에 대한 분석을 다룰거라 양해 부탁드립니다. 

 

3. Oxide layer의 중요성

아마 많은 분들이 High-K 혹은 HKMG 등에 단어에 익숙하실거라 생각듭니다. 지금까지 반도체 시장에서 혁신이 크게 있었다면 아마 HKMG, EUV, HBM이였지 않았을까(물론 제 개인적인 의견입니다.) 라고 생각이 들정도로 꽤나 혁신적인 변화였는데요. 그럼 여기서 High-K material이 뭔지, 또 왜 필요했는지, metal gate는 또 뭔지 이런거에 대해 알아야겠죠? 지금부터 설명드러갑니다~

 

• High-K material이란?

High-K 물질에서 K는 유전율을 말합니다. 즉 고유전율 물질을 의미하게 되는데요. 유전율을 oxide layer에서 쉽게 이해하자면 '얼마나 분극이 잘되는지?' 입니다. MOSFET구조를 보시면 그 의미를 알 수 있습니다. MOSFET구조에서 우리는 gate즉 metal, 실제 Si을 쓸떄는 Poly-Si에 우리가 전압을 걸어줍니다. 그러면 Oxide layer가 그 전류를 흘려주지는 않지만 그 영향을 받아서 밑 기판에 channel을 형성하게 해줍니다. (이게 말로만 설명하려다 보니 조금 이상하긴 한데 아마 대부분 이해하시지 않을까 싶어요. 잘 이해가 안되신다면 설명이 부족해서 죄송합니다.) 이때 이 Oxide layer가 영향을 얼마나 잘 전달하냐 가 얼마나 분극이 잘되냐 와 정확히 똑같은 의미라고 보시면 될거 같습니다. 기존 SiO2의 경우 유전율이 3.9정도 됩니다. 아무튼 반도체에서 말하는 High-K는 이 전기장을 metal 구조에서 기판까지 잘 전달해주는 물질 정도로 생각하시면 될거 같습니다.

 

• High-K material이 왜 필요해졌는가?

그렇다면 여기서 드는 의문점이 왜 기존에는 SiO2를 썼냐는 점이겠죠? 처음부터 Higj-K 물질을 사용했으면 되는게 아닌가? 라는 의구심이 드시는게 당연합니다. 이는 생각보다 단순한 이유입니다. 우선 애초에 High-K, Low-K가 SiO2를 기준으로 정해집니다, 이게 무슨 대정의 같은 게 아니라 기존에 SiO2를 쓰다가 무언가 더이상 쓸 수 없는 이유가 생겨서 바꿀려고 생각한거죠. 그렇다면 왜 처음에는 SiO2를 썼냐? 이는 기판이 Si이였기 떄문입니다. Si과 SiO2는 당연히 계면 안정성도 뛰어나고 산화막을 형성하기도 공정의 난이도나 가격문제에서 굉장히 좋은 선택지였습니다. 하지만 앞서 말씀드린 것처럼 문제가 생기기 시작합니다. 소자 자체가 너무 집적화되며 작아지자, Oxide layer의 크기도 같이 작아지게 됩니다. 그러다 보니 metal의 전자가 tunneling 하여 기판에 내려가게 되고, 이는 전자의 신뢰도를 떨어트리게 된거죠. 그래서 두께는 두껍게 얇지만 기존의 capacitance를 유지 (해당식을 보시면 좀 더 이해가 쉬울거에요! C=εA(절연막 넓이)/L(절연막 두께))      할 수 있는 물질인 High-K 물질이 필요해진겁니다. 

 

• HKMG란?

앞서 말한 것 처럼 SiO2를 썻던 이유가 계면안정성이 크기 때문이다. 라고 말씀드렸는데 Oxide layer를 HfO2나 다른 High-K물질을 사용하면서 기판이나 기존의 Poly Si 게이트와의 안정성 문제가 생겼습니다. 이를 위해 gate를 Metal Gate로 바꿔주게 되는데 이를 HKMG구조라고 합니다. 기판과의 안정성 문제는 해결하기 위해 기판과 Oxide layer사이에 SiO2를 아주 얇게 barrier layer로 써주거나 하는 과정을 거칩니다. 

 

본격적인 CMOS 소자 특성분석 전에 왜 HKMG가 필요한지에 대해 포스팅 해봤는데요. 다음글부터는 본격적으로 CMOS 소자 제작 recipe와 소자특성 분석에 대해 다뤄보겠습니다.