[기초신소재실험]TiO2 첨가에 따른 capacitance 변화

실험 이론 및 원리

1. 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.

 

2. 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. 선폭의 미세화로 인해 Gate delay는 감소하는 반면, 배선공정의 미세화로 인하여 밀집된 Interconnection은 배선간의 정전용량(Capacitance, C)과 저항(Resistance, R)의 증가로 RC 지연효과가 크게 나타남으로 인해 Total Signal Delay Time이 증가하는 문제가 발생한다. 따라서 소자의 고집적화, 고속화를 위해서는 RC delay를 최소화하는 것이 가장 중요하며 이를 위해서는 저항이 작은 도체의 개발과 낮은 유전율을 갖는 층간 절연물질 개발이 절실히 요구된다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) PVA, DI WATER, additive(TiO2), Glass 기판, 구리 호일, 유리 피펫

2) 오븐, 실버 페이스트 (상부전극), Probe station, insulator 물질, 스카치테이프

실험 방법

1. 용액 만들기

1) PVA 7g과 DI WATER 27㎖을 섞어 용액1을 만든다.

2) PVA 7g과 DI WATER 27㎖, additive인 TiO2 10㎎을 섞어 용액2을 만든다.

3) Glass 기판 2개에 각각 스카치테이프를 4겹으로 쌓아서 구리 호일이 구겨지지 않게 잘 고정 시킨다.

4) glass 기판 1개에는 용액1을 유리 피펫으로 균일하게 골고루 펴 바른다.

5) 나머지 glass 기판 1개에는 용액2을 유리 피펫으로 균일하게 골고루 펴 바른다.

6) 두 기판을 오븐에 넣어 80도로 하루 정도 잘 말려준다.

7) 두 기판에 실버 페이스트(상부전극)를 바르고 말린다.

8) 실버 페이스트에 DOT을 올려서 C-V를 Probe station으로 측정한다.

그림1. 용액1를 바른 기판1

그림2. 용액2를 바른 기판2

실험 결과

1. 결과 분석

1) Glass1의 가장 큰 dot (1,1)

AC (V)	Frequency	Cp average (F)
0.5	100	5.89-12
0.5	1000	5.46
0.5	10000	5.16
0.5`	100000	4.96
0.05	100	6.02
0.05	100000	5.14
평균값		5.44

 

(1,1)-0.5-100	(1,1)-0.5-1000
(1,1)-0.5-10000	(1,1)-0.5-100000
(1,1)-0.05-100	(1,1)-0.05-100000

 

2) Glass1의 가장 작은 dot (5,2)

AC (V)	Frequency	Cp average (F)
0.05	100	5.27
0.05	1000	4.82
0.05	10000	4.38
0.05	100000	3.86
0.5	10000	4.38
평균값		4.54

(5,2)-0.05-100	(5,2)-0.05-1000
(5,2)-0.05-10000	(5,2)-0.05-100000
(5,2)-0.5-10000

 

3) Glass2의 가장 작은 dot (3,2)

AC (V)	Frequency	Cp average (F)
0.05	100	3.72
0.05	1000	3.22
0.05	10000	3.06
0.05`	100000	2.83
0.5	100	2.83
0.5	1000	2.70
평균값		3.06

 

(3,2)-0.05-100	(3,2)-0.05-1000
(3,2)-0.05-10000	(3,2)-0.05-100000
(3,2)-0.5-100	(3,2)-0.5-1000

 

4) Glass2의 가장 큰 dot (1,1)

AC (V)	Frequency	Cp average (F)
0.05	100	4.85
0.05	1000	4.62
0.5	100	5.89
0.5`	1000	5.63
평균값		5.25

 

(1,1)-0.05-100	(1,1)-0.05-1000
(1,1)-0.5-100	(1,1)-0.5-1000

 

5) 종합 결과

	용액1 (PVA)	용액2 (PVA+TiO2)
가장 큰 dot	5.44	5.25
가장 작은 dot	4.54	3.06
평균값	4.99	4.155

 

토의 사항

1. 실험 고찰

TiO2를 선택한 이유

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 Gap(eV) CB offset(ev) Si   1.1   SiO2 2.9 9 3.2 Si3N4 7 5.3 2.4 Al2O3 9 8.8 2.8 Ta2O5 22 4.4 0.35 TiO2 80 3.5 0 SrTiO3 2000 3.2 0 ZrO2 25 5.8 1.5 HfO2 25 5.8 1.4 HfSiO4 11 6.5 1.8 La2O3 30 6 2.3 Y2O3 15 6 2.3 a-LaAlO3 30 5.6 1.8

High-k, Low-k

k : 유전상수 (값이 클수록 가질 수 있는 전기용량이 큼)

실험 선택지에 있던 additive 중 TiO2의 유전상수가 가장 크기 때문에 선택했다.

오차의 원인을 알아보면 다음과 같다.

첫 번째 이유는 용액의 문제이다. 제작한 용액은 실온에서 빠른 속도로 굳기 때문에 실험과정에서 용액이 굳거나 변질되는 등의 어려움이 있었다. 또한 유리피펫으로 용액을 골고루 펴 바르는 과정이 수작업으로 이루어지는데다 용액의 특성에 의해 골고루 펴 바르지 못한 것도 오차발생의 큰 원인이다.

두 번째 이유는 실버 페이스트(상부전극) 크기의 불균일성이다. 측정값인 capacitor 값은 상부전극의 크기에 큰 영향을 받는데, 실버 페이스트를 바르는 과정 역시 수작업으로 이루어지기에 동일한 크기의 상부전극을 만드는 것이 어렵기에 크기의 차이가 발생했다.