HKMG (원본) (5) - 시드위키

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High-K/Metal Gate

반도체 산업에서 사용되는 실리콘을 이용한 트랜지스터 개발 기반에서 벗어나 신소재인 High-K 소재를 도입한 트랜지스터를 사용한 공정을 지칭한다. High-K 소재를 사용하면서 발생하는 문제를 해결하기 위해서 트랜지스터의 게이트를 금속소재로 변경한 특색을 설명하기 위해서 High-K와 함께 Metal gate를 표기함으로서 High-K/Metal Gate라고 부르게 되었다.

원래는 상품명에 가까운 것으로 인텔이 첫 상용제품 제작에 성공하면서 홍보에 사용한 문구였으나 이제는 High-K 소재를 도입한 반도체를 총칭하는 명칭으로 자리잡았다.

== 기초 ==
반도체란 ‘반쯤 전기를 통한다’는 뜻으로(semi-conductor), 현세대의 주요 반도체란 실리콘(이산화규소,SiO2) 다층막(웨이퍼)에 특정 소재를 극소량 투입해서 결정물이 가지는 특성이 다이오드 성질을 내거나, 트랜지스터 성질을 내거나, 때로는 회선과 같은 단순도체가 되기도 하고 저항이나 콘덴서가 되기도 하는 특성을 이용해서 구성해왔다. (실리콘 자체는 비전도체임)

트랜지스터는 간단히 설명하자면 일종의 스위치로, 전류는 평소에는 흐르지 않은채로 대기상태로 있다가 게이트(구성도의 n구간)에 특정 전압이 걸리면 전자가 소스(source)에서 드레인(drain)으로 흐르게 된다. 이러한 방식을 통해서 필요한 때 0과 1의 값을 주고 받는 것을 통해서 제어하는 것으로 IC장비를 구성하는 것이다.

IC를 구성하는 트랜지스터는 오른쪽 구성도처럼 구성이 되며, 트랜지스터의 세밀도를 높이면(공정을 더 작은 공간으로 집적시키면 - 구성도에서 소스 n+에서 드레인 n+까지의 거리, 즉 전자 e-의 이동거리를 좁히면) 그에 비례해서 저항이 감소하고, 거리가 짧아진만큼 더 낮은 전압으로 전자를 이동시킬 수 있으므로 더 낮은 전력으로 트랜지스터를 작동시킬 수 있게 된다.

== 문제 ==
그러나 공정이 점차 세밀해지고 집적도가 높아짐에 따라서 n구간의 거리가 너무 좁아지게 되면서 ‘터널링효과’가 발생해 소스n+에서 드레인n+를 향해 자유전자가 흘러가게되는 문제가 발생할 확률이 높아지게 된다. 이렇게 통제되지 않은상태로 전자가 오가며 소모되는 전력누수 현상이 발생하면 원래 목표하던 전력소모 감소와 속도향상이라는 목적을 이루기 어려워지게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 업계에서는 오래전부터 실리콘을 기반으로하는 반도체 구조를 벗어나기위한 신소재 개발에 많은 노력을 해왔다. 트랜지스터들이 전력 소비를 억제하면서 계속적으로 더 좋은 성능을 추구하기위해서는 미세공정으로의 이행은 반드시 필요한 작업이기 때문이다. 여기서 필요한 소재는 누전을 막기 위해 충분히 두꺼워야 하지만 높은 유전값(K)을 가져야 한다.

== 해결 ==
이를 위해서 수 많은 업체들이 엄청난 금액을 투자해 연구를 계속해왔으나 실질적인 결실을 얻은 것은 2007년에 이르러서였다. 인텔은 수많은 실험을 거쳐 위의 조건을 갖춘 High-K 소재로 이산화하프늄(HfO2)을 도입하게 된다.

그러나 여기에도 문제는 있었다. 그저 High-K 소재로 실리콘을 대체한 것만으로는 전압한계가 불규칙한 문제가 발생해 트랜지스터 스위칭 전압을 높여야 하는 경우가 생긴다. 또한 전자의 산란으로인해 전자 속도가 느려지는 문제가 발생해 유동성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있었다.

이 문제를 해결하기 위해서 게이트에 다결정 실리콘 대신 금속 소재 게이트(Metal Gate)를 도입하게 된다. 트랜지스터의 NMOS와 PMOS위치에도 이전과는 다른 소재를 도입함으로서 발생하는 문제를 해결하고 미세 공정에서 발생하던 문제를 모두 휘어잡는데 성공한 것이다. 이를 통해 더 낮은 전력 소모와 더 낮은 발열을 가능케 했다.

이를 통칭으로 High-K/Metal Gate, 약칭해서 HKMG라고 부르는 것이다.

== 도입 ==
전세계에서 최초로 2007년 인텔이 상용화에 성공하였으며, 이를 통해 경쟁 업체에 비해서 월등한 전력관리와 낮은 발열을 구현한 바 있다.

2010년에는 삼성에서도 High-K 공정 도입에 성공해 2012년부터 High-K공정이 도입된 모바일CPU를 생산할 계획을 가지고 있다.

== 영상 ==
[youtube(mrE7mI85Fhk)]

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