유전체 유전율 study

전기적 관점에서 물질을 나누면 도체(conductor)와 유전체(dielectric material)로 나눌 수 있다. 도체는 자유전자가 있어서 전기가 잘 통할 수 있는 물질이다. 유전체는 전기가 잘 통하지 않는 물질이다. 유전체를 배울 때 유전율(permittivity)을 배우게 된다. 유전율은 한자로 誘電率 이라고 한다. 誘電 은 전기를 유도한다는 뜻이다. 따라서 誘電率은 전기를 유도하는 정도라고 할 수 있다. 두 개의 금속판 사이에 유전율이 높은 물질을 채워넣으면 두 개의 금속판에 적은 전압을 가해도 많은 전하를 저장할 수 있다. 이것은 유전 물질의 분극(polarization) 현상 때문이다. 금속은 자유전자(free electron)가 존재하므로 전압을 가하면 일정한 방향으로 자유롭게 움직이는 것이 가능하다. 그러나 유전물질(dielectric material) 은 자유전자가 없어서 전압을 가해도 자유롭게 움직일 수 없다. 그러나 전자가 이동할 수는 없어도 한쪽으로 치우치는 형태로 변할 수는 있다. 자유전자도 없고 전기도 통하지 않아서(그래서 절연체(insulator)라고도 한다.) 아무 쓸모도 없을 것 같은 유전체가 실제로는 전기 회로에서 아주 중요한 역할을 한다. 그 원리를 알아보는 것은 재미있는 일이 될 것이다.

1. 유전체의 분극
유전체가 분극되는 경우는 다음과 같다.

1.1 극성분자(Polar Molecules)

극성 분자(Polar Molecules)는 분자 구조상 극성을 가질 수 밖에 없는 형태다. 물(H2O)이 대표적인 극성 분자이다. 물은 산소가 음극(-)성이며 양쪽에 위치한 수소가 양극성(+)을 가지기 때문에 평소에도 분자 자체가 극성을 가지고 있다. 극성 분자는 평소에는 무질서하게 배열되어 있어서 전체적으로 봤을 때는 서로 상쇄되어 버린다. 그러나 양 극에서 전압을 가하면 일정하게 배열되어 버린다. 왼쪽 그림에서 물의 분자와 전기쌍극자가 전기적으로 같은 것으로 표시하고 있다. 앞으로는 물 분자대신 전기적으로 등가인 전기쌍극자(Electric Dipole) 형태로 표시한다.

1.2 무극성분자(Non-Polar Molecules)

무극성 분자(Non-Polar Molecules)는 어느 한쪽으로 치우지지 않고 전기적 극성을 가지지 않는다. 그러나 양 극단에 전압을 가해주면 전자가 한쪽으로 치우치게 된다. 전자가 빠져나간 곳은 자연스럽게 양극(positive)을 가지게 된다. 이것은 양쪽으로 길게 잡아 끌어 당기는 형태가 되어 길쭉한 모양이 된다.

보통의 원자는 전자와 핵의 전기적 특성이 서로 상쇄되어서 외부에서 보면 원자 전체의 전기적 특성은 0이 되어 버린다. 그런데, 외부에서 (+)극성을 가지는 물체를 가까이 한다면 전자는 외부에서 접근하는 물체에 가까이 가려고 할 것이다.  물체를 가까이 가져가면 전자와 핵의 전기적 특성이 외부에 나타나게 된다. 전기적 중성상태의 원자를 공처럼 생겼다고 하면 이 때의 모양은 공을 찌그러트린 모양이 된다.

1.3 유전체가 분극되는 과정

분극현상으로 분자들이 쭉 늘어서면 표면을 제외한 내부는 전하들이 가까이 위치하는데 이것은 극성을 상쇄시켜 버리므로 없는 것처럼 보인다. 따라서 남는 전하들은 표면에 위치하는 전하들뿐이다. 이 전하들이 유전체 내부에 전계를 만든다. 이 전계는 외부전계를 상쇄시키므로 외부에서 보면 전기장이 약해진 것처럼 보인다.  permittivity(유전율) 가 크면 분극에 의해서 내부에서 생기는 전계도 그만큼 강해진다. 여기서 주의할 것은 분극으로 나타난 전하는 어디로 이동할 수 있는 전하가 아니다. 때문에 자유롭게 이동할 수 있는 전하와 구별하기 위해서 구속전하 (bound charge)라는 말을 붙인다. 일반적으로 전하라고 하면 자유롭게 이동할 수 있는 자유전하(free charge)를 말하는 것이다.

2. 커패시터에서 유전체의 역할

 커패시터는 두 장의 금속판을 마주 보게 하고 양극판에 전극을 연결하여 두 장의 금속판 사이의 전압이 전지의 전압과 같아질 때 까지 전하를 모아주는 장치이다. 여기서 주목해야 하는 것은 전지의 전압과 양 금속판의 전압이 같아지면 그 때부터는 전하가 이동하지 않는다는 것이다. 전하를 이동시키는 것은 전지에서 가해지는 압력이며 압력이 같아지면 이동할 수 없기 때문이다. 그러므로 전하를 많이 담도록 하기 위해서는 높은 전압을 가해서 압력을 크게 하면 된다는 것을 알 수 있다.

금속판 면적을 크게하거나, 거리를 줄인다. And 유전체를 이용
유전물질을 금속판 사이에 끼워주면 전하를 금속판에 더 많이 담을 수 있게 된다.

유전체는 보통 전류는 흐르지 않지만 전하가 유도되어 외부자기장보다 약한 내부 자기장을 형성하는 물체.
전류가 아예 안흐르지는 않지만 일반적으로 유전체=절연체=부도체로 쓰이는 경우가 많으며 보통의 경우에는 전류가 흐르지 않는다.

유전율은 유전체가 전하를 유도할수 있는 비율.유전체는 외부 전기장에 의해 편극전하(물질의 원자나 분자속에 속박되어있는 전자가 전기력을 받아 원자 또는 분자속에서 이동하며 분극할떄 나타나는 전하)가 발생하는데, 이 편극의 크기는 같은 전기장이라도 물질마다 다르게 된다. 이 다른정도를 나타내는 물질상수가 유전율.
High-K는 물질상수가 높은 유전체, Low-K는 물질상수가 낮은 유전체

'High-K, Low-k'
공정이 점점 미세화 되면서 SiO2를 대신할 물질을 찾게 되었다. 그래서 나온개념이 High-K, Low-K.
그런데 왜 공정수준이 미세화되면서 SiO2를 대신할 물질을 찾게 되었을까?

Capacitor, C
우선, 캐패시터에 대해 살펴보자

우선, 캐패시터에 대해 살펴보자.
캐패시터의 역할은 전하를 저장하는 창고역할을 한다. 즉, 전류가 흐르지 못하게 차단한다.

창고 크기를 늘리고 싶으면 면적을 키우거나, 유전율을 높이거나 거리를 줄이면 된다.

MOSFET

공정 수준이 작아지면서 소자의 크기도 점차 작아지게 되었고 그로 인해 크기가 작아진 소자가 원래의 기능을 하지 못하게 되었다. 위의 그림에서 보면, Gate-Insulator의 역할은 부도체로서 전류를 차단해야하는데 소자가 작아지면서 완벽하게 차단하지 못한다. Gate-Insulator은 SiO2로 이루어져있는데 이 SiO2의 두께가 얇아지고 크기가 작아지면서 제 기능을 하지 못하게 되었다.

C의 값을 늘려야 MOSFET에서 전류를 차단하는 역할을 확실히 할 수 있는데, 소자가 작아지면서 Gate-Insulator도 작아지게 되어 제 기능을 하지 못하게 되었다. 그래서 생각하게 된 게, 새로운 물질을 사용하자.
SiO2대신 다른 물질을 사용하자.
새로운 물질은 기존의 SiO2의 ε값과 다를 것이며 이 값을 조절해서 전류 제어를 해보자.

High-k, Low-k

소자에서 전류가 잘 흐르거나, 흐르지 말아야 할 곳이 있다.
High-k는 ε값을 크게 제어해서 전류를 잘 흐르지 못하게 하고 Low-k는 ε값을 작게 제어해서 전류를 잘 흐르게 한다.

k : 유전상수 (값이 클수록 가질 수 있는 전기용량이 큼)

High-k

High-k란 유전율이 높은 물질을 말한다. 유전율이란 부도체(유전체)이면서도 내부에 전자기파의 진행을 가능하게 하는 정도를 의미한다. 이는 물질내부의 양전하와 음전하가 얼마나 민감하게 반응해 움직이느냐의 정도를 말하는 것으로 이 유전율이 높은 물질을 high-k, 낮은 물질을 low-k라 한다.

반도체는 Gate나 Capacitor을 만들 때 부도체인 유전체로 인접한 회로를 분리한다. 이 유전체는 반도체 내의 배선과 배선 사이의 전기적 간섭을 차단하고, 트랜지스터의 기본 구성 단위인 게이트를 절연하는데 사용한다. k가 높을수록 배선 간 전류누설의 차단능력이 뛰어나고 게이트의 절연특성이 좋아 미세 회로를 만들 수 있는 장점이 있다.

특히 최근 반도체 회로의 미세화에 따라 디자인 룰이 50나노 이하로 내려가면 Crosstalk와 같은 전류 누설이 문제가 된다. 절연막으로 high-k 물질을 사용하면, 전하를 가두어 전류 누설을 막을 수 있다. 현재 개발된 high-k 물질은 하프니움 다이옥사이드(Hfo2), 지르코니움다이옥사이드(ZrO2) 등이 있으며, 이보다 k값이 높은 물질의 개발이 활발한 상황이다.

High-k는 전류를 차단하는 게 주 목적이므로, Gate-Insulator에 SiO2보다 높은 ε값을 갖는 물질을 사용한다.

High-k 물질은 Hf 계열의 Source로 업체마다 조금씩 다르며, 적용 공정 또한 조금씩 다르다. 현재는 Hf Source를 대체할 물질(Al, Zr, Ta, STO, BST 등)을 찾거나, Hf Source에 다른 물질을 추가하여 증착시키는 방법 등 여러가지 방향으로 연구되고 있다. Insulator를 Metal 계열의 High-k로 바꾸면서 Gate 물질 또한 변화가 요구되어 기존의 Poly-silicon에서 Metal Gate로 변경하였다.

Low-k

저유전체는 일반적으로 4이하의 낮은 유전상수 값을 가진 물질로, 반도체 절연 물질로 쓰이는 산화 실리콘에 비해 향상된 절연 능력을 가지고 있는 유전체 물질을 말한다.
반도체 재료 중에서도 유전율이 3이하의 저유전 재료들은 차세대 반도체 금속 배선의 층간 물질(ILD : Interlayer Dielectric, IMD : Intermetallic Dielectric) 등으로의 이용이 검토된다. 이는 기존의 층간 절연 물질인 SiO2의 유전율 값이 3.9~4.2 로서 너무 높아 반도체 칩의 고집적화, 고속화 등에 문제를 야기하기 때문이다.

커패시터에 양 전극 사이에 들어가는 물질은 고유전물을 사용하며, 그 외 단순히 절연만을 원하는 절연막에는 저유전상수 물질을 사용하는 것이 유리하다.

고유전물질인 경우 소자를 구동하기 위한 전력이 많이 필요하기 때문이다.
Low-k도 전류를 차단하는 게 주 목적이므로, 전류가 흐르는 통로에 ε값이 낮은 물질을 두어, 전류의 이동중에  손실이 없게 한다.

증착과정에서 미세화라는 트렌드로 인해 High-K전구체에 대한 수요가 발생. 미세화가 계속 진행되자 기존 이산화규소(SiO2)절연막으로는 한계가 있고 이에따라 유전율이 높은 High-K전구체를 증착시켜 누설전류를 줄이게 됨.