일함수 금속, 다중 문턱 전압을 구현하는 방법

고층 빌딩 한 채 안에도 엘리베이터가 한 종류만 있는 경우는 드뭅니다. 저층 상가를 오가는 완속 엘리베이터와, 로비에서 꼭대기까지 한 번에 쏘아 올리는 고속 직통 엘리베이터가 용도에 따라 따로 설계되어 있죠.

칩 하나 안에도 사정은 똑같습니다. 전력을 아껴야 하는 회로와 속도가 생명인 회로가 섞여 있어, 트랜지스터마다 켜지는 기준점을 다르게 맞춰야 합니다. 그 기준점을 조율하는 열쇠가 바로 게이트에 쓰는 일함수 금속이며, 오늘은 이 금속으로 여러 개의 문턱 전압을 어떻게 만들어 내는지 살펴보겠습니다.

한 빌딩에 완속과 고속 엘리베이터를 함께 두는 이유

트랜지스터가 켜지기 시작하는 전압을 문턱 전압(Vth, Threshold Voltage)이라고 합니다. 엘리베이터 버튼을 눌렀을 때 움직이기 시작하는 기준점에 해당하죠.

문턱 전압이 낮은 소자는 작은 전압에도 쉽게 켜져 속도가 빠르지만, 꺼진 상태에서 전류가 새어 나가 전력을 많이 씁니다. 반대로 문턱 전압이 높은 소자는 누설이 적어 저전력이지만 그만큼 반응이 느리죠.

그래서 고성능 코어에는 문턱 전압이 낮은 빠른 소자를, 대기 전력이 중요한 블록에는 문턱 전압이 높은 소자를 섞어 씁니다. 이렇게 한 칩 안에 서로 다른 문턱 전압을 갖춘 소자를 두는 것을 다중 문턱 전압(Multi-Vt) 설계라고 합니다.

일함수 금속이 문턱 전압을 결정하는 원리

그렇다면 문턱 전압은 무엇으로 정해질까요. 핵심 변수 중 하나가 게이트 금속의 일함수(Work Function)입니다. 일함수란 금속에서 전자 하나를 떼어내는 데 드는 에너지로, 금속마다 고유한 값을 가집니다.

게이트 금속의 일함수가 반도체의 에너지 띠와 어떻게 맞물리느냐에 따라 채널을 켜는 데 필요한 전압이 달라집니다. 즉 일함수 금속을 무엇으로 쓰느냐가 그 소자의 문턱 전압을 상당 부분 결정하는 셈이죠.

그래서 nMOS와 pMOS는 애초에 서로 다른 일함수를 가진 금속을 씁니다. nMOS에는 전도대에 가까운 일함수를 가진 금속을, pMOS에는 가전자대에 가까운 금속을 써서 각각의 문턱 전압을 적정 수준으로 맞춥니다.

다중 문턱 전압을 구현하는 두 가지 방법

같은 nMOS라도 여러 단계의 문턱 전압을 만들어야 할 때, 현대 고유전율 금속 게이트(HKMG) 공정에서는 크게 두 가지 길을 씁니다.

흔히 문턱 전압은 옛날처럼 채널에 불순물을 더 넣어 조절하면 그만이라고 생각하기 쉽습니다. 하지만 소자가 미세해지면서 채널 도핑을 늘리면 불순물 산포로 특성이 들쭉날쭉해지기 때문에, 요즘은 게이트 쪽의 일함수와 쌍극자를 조절하는 방식이 주류가 되었습니다.

일함수 금속 패터닝의 공정 난이도

문제는 이 얇은 금속막들을 좁은 공간에 정확히 나누어 넣는 일이 매우 까다롭다는 점입니다. 게이트 하나의 폭이 수 나노미터(nm) 수준인데, 그 안에 여러 금속을 층층이 쌓고 일부만 골라 식각해야 하죠.

특정 영역의 금속만 걷어낼 때 이웃 소자의 금속이나 아래 고유전율 막이 손상되면 문턱 전압이 엉뚱하게 틀어집니다. 몇 단계의 일함수 금속을 쓰느냐에 따라 마스크와 식각 공정이 그만큼 늘어나 원가와 수율에 직접 영향을 줍니다.

GAA 나노시트처럼 채널이 사방을 감싸인 구조에서는 시트 사이 좁은 틈까지 금속을 고르게 채우고 선택적으로 제거해야 해 난이도가 한층 더 높아집니다. 그래서 금속 종류를 무한정 늘리기보다, 쌍극자 조절을 함께 써서 공정 단계를 줄이려는 노력이 이어집니다.

다중 문턱 전압 구현 방식 비교

두 가지 접근이 각각 어떤 특성을 갖는지 정리하면 선택의 기준이 분명해집니다.

구분	금속 종류·두께 조절	쌍극자 엔지니어링
조절 위치	게이트 금속층	고유전율 막과의 계면
조절 방식	금속막 적층과 선택적 식각	La, Al 등 원소 첨가
공정 부담	마스크·식각 단계 증가	상대적으로 단계 절감
주의점	이웃 소자·하부막 손상	첨가량과 열처리 제어

핵심 정리

한 빌딩에 완속과 고속 엘리베이터를 따로 두어 용도를 나누듯, 일함수 금속은 칩 안의 소자마다 켜지는 기준점인 문턱 전압을 다르게 맞춰 저전력 회로와 고속 회로를 함께 살리는 열쇠입니다.

게이트 금속의 일함수가 문턱 전압을 좌우하므로, 금속 종류와 두께를 조절하거나 계면에 쌍극자를 넣는 방식으로 다중 문턱 전압을 구현합니다. 다만 얇은 금속을 좁은 공간에 선택적으로 나누는 패터닝이 공정 난이도와 원가를 좌우한다는 점이 늘 과제로 남습니다.

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