인텔 High-k/Metal Gate 기술발표

인텔 2003년 High-k/Metal Gate 기술발표

2007년 11월 출시된 45nm제품부터 적용되었음

- Intel은 미래의 트랜지스터 물질에 대한 확연한 진보를 이루어냈다.

- 이 새로운 트랜지스터의 2가지 핵심 부문은 :

           게이트 유전 물질이 "high-k" 물질로 이루어져 있다. (k값에 관한 것은 제가 서너번 언급 하였었습니다.)

           게이트 전극은 메탈로 구성

- Intel은 이 혁신적인 것을 집적하고 종래의 성능을 갈아치우는 트랜지스터를 만드는 것에 성공하였으며, 이와 함께 극적으로 전류 누출을 줄이게 되었다.

- Intel은 high-k-metal gate가 45nm 제조 공정에 도입될 것이라 믿고 있는데, 이것의 양산은 2007년에 이루어질 것이다.

이게 왜 중요한가?

- 트랜지스터들이 전력 소비를 억제하면서, 계속적으로 미세해지고 더 좋은 성능을 가져다 준다면 이 과정은 필요하다.

- 다른 업체들이 같은 문제로 계속적으로 작업 중인데, Intel만큼 진보한 곳은 없다.

- 이들 단계는 Moore의 법칙을 계속적으로 이어가게 할 것이며, 거대하고 저렴한 컴퓨팅 파워를 선도할 것이며 오늘날 상상도 못한 어플리케이션을 가능케 할 것이다.

트랜지스터가 무엇인가?

- 간단한 스위치

 - 전류는 gate에서 특정 전압이 걸리면 source에서 drain으로 흐르게 된다. ; 그렇지 않으면, 흐르지 않게 된다. 

(게이트 전압은 형광등 스위치 처럼 아날로그적인 위치를 갖는다.)

- NMOS 트랜지스터들은 게이트가 고전압이 걸렸을 때 켜지게 된다. ; PMOS 트랜지스터들은 게이트에 저전압이 걸렸을 때 켜지게 된다.

- 트랜지스터 설계에 있어서의 목표 : 작고, 빠르고, 싸고, 저전력으로 만드는 것.

*CMOS(상보성 금속 산화 반도체)는 NMOS(음성) 과 PMOS(양성) 트랜지스터로 구성되어 있다.

트랜지스터를 작게 만드는데에 있어서의 문제는 무엇인가?

- 작아지는 트랜지스터들은 빠르고 싸지만...

 - 게이트 유전체, 전통적으로 실리콘 산화물(SiO2)로 만들어진 것들은 오직 아주 적은 원자 층만큼의 두께로 해야한다.

- SiO2는 산화물에 있어 이상적이나, 이런 얇은 두께로는, 전류 유출이 나오게 된다.

 - 수도꼭지가 잠기면 물방울도 떨어지지 않아야 한다.

게이트 유전체는 오늘날 원자 층만큼의 두께밖에 되지 않는다.

Moore의 법칙을 계속적으로 이어가기 위한 새로운 물질 찾기

High-K가 뭔가?

- 업계는 SiO2의 교체물질을 찾고 있는데 혈안이 되어 있다.

 - Intel은 몇십년동안 게이트 산화막을 SiO2로 하는것에 대해 선도를 해왔다.

- 이 물질은 (누전을 막기 위해) 두꺼워야 하지만 높은 "k" 값을 가져야 한다.

 - "k" 값은, 물질의 유전 상수로써, 트랜지스터의 성능에 직접적으로 연관되어 있다.

 - 수도꼭지가 틀어지면, 물이 쏟아져 나오게 되듯이.

High-k 유전물질은 누전을 획기적으로 줄이게 된다.

High-k를 이용함에 있어 난제는 무엇인가?

SiO2를 High-k로 교체함으로써 다결정 실리콘 게이트 전극에서의 내부작용으로 일어나는 2가지 문제를 해결할 수 있다.

1. 전압한계가 불규칙하다. 

- 게이트 유전체/게이트 전극 경계의 결함으로 하여금 트랜지스터의 스위칭 전압을 너무 높게 할 수 있다.

2. 전자

 산란 

- 전자들은 유동성을 덜 가지게 된다. (느려진다.)

해결책 : 금속 게이트 사용

- 일반적인 게이트 전극은 다결정 실리콘이다.

- NMOS 트랜지스터에 특정 금속을 이용함으로써, 그리고 PMOS에도 다른 것을 적용하고, 제한된 공정 방법으로 혼합 하면, 이 두가지 문제는 없어지게 된다.

- 이 혼합으로, Intel은 Moore의 법칙에 상응하는 크기 변경으로 트랜지스터 설계를 하여 기록적인 성능을 성취할 수 있게 되었다.

Intel의 발표

- Intel은 5년 동안의 연구를 통해, 올바른 high-k 물질을 찾아내는데 성공했다고 발표 하였다.

- Intel은 또한 NMOS와 PMOS에 호환되는 게이트 전극 물질을 찾아내었다.

- Intel은 이것들을 집적하는 데에 성공하였으며 기록적인 트랜지스터 성능을 이루어냈다.

켜졌을 때 아주 높은 구동 전류를 얻고, 꺼졌을 때 아주 낮은 누전을 보인다.

쉽게 설명해서