반도체 주식투자 - High K(1)

반도체의 주식투자 시리즈이다. 개인적 공부한 내용을 작성하며 복기하고, 기초적인 이해를 돕고자 글을 작성한다. 디테일과 전문성이 필요하다면 이 글을 읽은 뒤에 추가적인 공부가 필요하다고 생각한다. 반도체에 이해가 전혀 없는 이들을 위해 기초적인 틀을 돕고자 비전공자로 이해한 내용을 서술한다. 이번에는 High-K에 대한 내용이다.

 

반도체의 발달

반도체는 발전을 거듭하고있다. 미세화 공정과 발전된 패키징 방법으로  지금도 발전하고 있다. 1946년 애니 미국에서 최초로 개발한 진공관 컴퓨터의 경우 파이 값을 계산하는데 70시간이 소요되었다고한다. 그러나 지금 우리 손에 항상 지니고다니는 스마트 폰의 경우 파이 값 계산은 0.05초면 가능하다. 기술 발전의 결과이다.

 

반도체는 스위치 역활을 한다. 낮은 전압에서는 반응이 없지만, 높은 전압에서는 반응을 하게된다. 소방 경보 시스템을 생각해보자. 일정한 온도, 불이나게 되면 경보소리와 함께 불을 끄기위한 물이 뿜어져 나온다. 일정 온도이상에서 작동하는 소방 스위치는 반도체의 원리라고 볼 수 있다.

 

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

전기로 작동하는 스위치이며, 인간이 만든 제품 중에 가장 많이 팔리는 제품이다. 스마트폰, 가전제품, PC등 우리 생활에 빠질 수 없는 것들에 사용되고 있다.

 

반도체 셀 1개의 단면을 그림으로 설명해보자 전압이 가해지면 게이트를 통해 전달되고 소스에서 드레인을 거쳐 작동하는 원리이다. 게이트는 전류를 제어하는 스위치이며, 소스는 전류 운반 캐리어를 공급한다. 드레인은 채널 밖으로 전류를 이동시켜준다. 전기적으로 작동하지 않는 반도체에 전기적 특성을 부여해 특정 목적으로 설계된 반도체가 작동하는 원리이다.

 

 

 

D램의 경우 단면도가 다른 특징이 있다. 커패시터의 존재한다. 커패시터는 전하를 저장하는데, 많은 전하를 저장할 수록 D램의 성능이 좋아진다. 즉 D램의 성능과 직결되있다.

 

 

 

전압이 가해지면 소스에서 드레인을 거쳐 전류가 흐르고 전하를 커패시터에 저장하게 된다. 여기서 High-K가 등장하게 된다. 커페시터에 저장된 전하를 잘 보관하고 있기 위해서 필요한게 High-K이다.

 

 

유전율

전하를 꾀어내는 성질. 즉, 전하를 오래 붙들고 있으려는 성질이다. 미세화로 커패시터는 얇아진다. 얇아지면서 전하가 밖으로 빠져나가는 경우가 발생한다. 이를 방지하고자 유전율이 높은 물질로 증착한다. 여기에 사용되는 것이 High-K이다.

 

 

유전율을 높이려면 유전율이 높은 소재인 High-K 전구체를 사용한다. 

 

유전율이 Sio2 -> 3.9, ZrO2 -> 40이다. ZrO2는 유전율이 높지만, 밴드갭이 작아 누설 전류가 발생하는 단점이 있다. AI2O3는 ZrO2와 반대로 유전율은 낮으나 누설전류 발생을 제어해준다. 그래서 이를 혼합한다. ZrO2/AI2O3/ZrO2 -> ZAZ이다. 

ZAZ는 최종 유전율이 25이며 유전율은 높으며, 누설전류는 낮은 소재이다.

 

쉽게이해하자, D램의 성능과 연결된 것은 많은 전하를 저장하는것과 비례한다. 전하를 저장하기 위해서는 유전율이 높은 소재가 필요하게되는데 이게 High-K이며 여기에 사용되는 소재가 ZAZ라고 이해하자.

 

최근에도 미세화가 무어의 법칙(비용과 노력의 증가대비 효율성은 낮아지는 법칙)으로 한계에 도달하고 있다. 그래서 유전율, 전하 보유량을 늘리는 소재를 개발하는데 노력하고 있다. 앞서 말한 ZAZ의 업그레이드 버전인 TiO2가 그것이다. 

유전체는 TiO2 + 전극 RU를 사용하면 앞선 ZAZ + 전극 TiN보다 유전율이 높아져 D램이 성능이 더 개선되게 된다.

 

 

High-K 커패시터 밸류체인(미래에셋증권 참고)

ZrO2/AI2O3/ZrO2, ZAZ, Zr(지르코늄 전규체) : 일본 아데카, SK트리켐, 메카로, 디엔에프, 레이크머티리얼즈

 

TiO2, Ti 전구체 : 솔브레인, SK트리켐, 디엔에프, 오션브릿지, 메카로, 레이크머티리얼즈

 

RU, RU전구체 : 한솔케미칼, 메카로, 솔브레인, 데인에프