반도체 소자에는 다양한 유전물질이 쓰인다. 그렇다면 high-k 물질과 low-k 물질은 어디에 쓰입니까?

[high-K]

하이-k(High-k) 물질이란 유전율(誘電率: Permittivity, k로 표시)이 높은 물질을 의미한다. 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 하이-k 물질이라고 한다. 반도체로 유전율이 낮은 물질은 로우-k(Low-k)라고 한다.

반도체는 게이트나 캐파시터를 만들 때 부도체인 유전체로 인접한 회로를 분리한다. 이 유전체는 반도체 내의 배선과 배선 사이의 전기적 간섭을 차단하고, 트랜지스터의 기본 구성 단위인 게이트를 절연하는 데 사용한다. k가 높을수록 배선간 전류누설의 차단능력이 뛰어나고 게이트의 절연 특성이 좋아 미세 회로를 만들 수 있는 장점이 있다. 특히 최근 반도체 회로의 미세화에 따라 디자인 룰이 50나노 이하로 내려가면 크로스토크(Cross Talk)와 같은 전류 누설이 문제가 된다. 절연막으로 하이-k 물질을 사용하면, 전하를 가두어 전류 누설을 막을 수 있다. 현재 개발된 하이-k 물질은 하프니움 다이옥사이드(HfO2), 지르코니움다이옥사이드(ZrO2) 등이 있으며, 이보다 k값이 높은 물질의 개발이 활발한 상황이다.

[low-K]

저유전체는 일반적으로 4이하의 낮은 유전 상수(dielectric constant) 값을 가진 물질로, 반도체 절연 물질로 쓰이는 산화 실리콘(SiO2)에 비해 향상된 절연 능력을 가지고 있는 유전체 물질을 말한다.

반도체 재료 중에서도 유전율이 3.0 이하의 저유전 재료 (low-k 물질)들은 차세대 반도체 금속 배선의 층간 물질 (ILD: Interlayer Dielectric, IMD: Intermetallic Dielectric)등으로의 이용이 검토된다. 이는 기존의 층간 절연 물질(ILD: Inter-Layer Dielectric)인 SiO2 의 유전율(K값)이 3.9~4.2로서 너무 높아 반도체 칩의 고집적화, 고속화 등에 문제를 야기하기 때문이다.

캐패시터에 양 전극 사이에 들어가는 물질은 고유전물질을 사용해야겠지만, 그 외 캐패시터 용도가 아닌 단순히 절연만을 원하는 절연막에는 저유전상수 물질을 사용하는 것이 유리하다. 특히, 반도체 소자에서는 전도체 물질이 겹겹이 쌓여있고, 그 사이를 산화막 등의 절연막이 채우고 있는데 이러한 절연막이 고유전물질인 경우 소자를 구동하기 위한 전력이 많이 필요하기 때문이다.