용액공정을 통한 강유전체 기반 저전압 구동 전계효과 트랜지스터에 관한 연구

Abstract

금속 산화물 반도체 집적회로가 급속도로 발전하게 되고 트랜지스터의 고집적화가 진행됨에 따라 나노 스케일의 전자 산업 발전이 크게 촉진되었다. 그러나 발전하는 산업에 맞춰 고성능의 전자소자를 구현하기 위해서는 높은 전자 이동도뿐만 아니라 소형화되는 트랜지스터에 적합한 수nm의 얇은 두께, 그에 따른 전기적 특성을 정밀하게 조절할 수 있는 반도체 소재 기술의 개발이 필수적이다. 기존 SiO2의 경우 절연층 박막이 특정 두께 이상으로 줄어들 경우 Tunneling 현상이 발생하게 되고 이로 인해 의해 누설전류가 급격히 증가하여 게이트 절연층의 역할을 제대로 하지 못하게 된다. 따라서 소자의 고집적화라는 산업적 이슈에 따라 높은 유전율을 가진 High-k 물질을 사용한 저전압 강유전성 전계 효과 트랜지스터(FE-FET) 또는 비휘발성 메모리 어플리케이션(FERAM)의 개발이 이루어지고 있으며, 일반적으로 사용되는 FET 구조에서 게이트 절연막을 강유전성 절연층 박막으로 대체함으로써 실현할 수 있는 강유전체 기반 트랜지스터 소자는 차세대 비휘발성 메모리 기술의 개발 초기 단계부터 많은 관심과 지속적인 연구 개발이 진행되었다. 현재 Pb(Zr,Ti)O₃(PZT), SrBi₂Ta₂O9 (SBT)등의 페로브스카이트(Perovskite) 구조 바탕의 강유전체 물질이 가장 많이 사용되고 있으나 이 구조의 강유전성 물질들은 실리콘과의 계면에 형성되는 표면층이 불규칙적이고 이로 인해 전체 분극이 줄어들어 강유전성을 감소시킬 수 있다. 또한 낮은 밴드갭 에너지에 의해 높은 누설전류가 발생하게 되는 등 소재 고유의 물성이 우수한 트랜지스터 특성을 구현해 내기에는 어렵다는 문제점이 지적되고 있다. 그에 비해 최근 새로운 강유전체 물질로 떠오르고 있는 이원계 금속 산화물은 기존의 물질에 비해 상대적으로 높은 밴드갭 에너지(5.7eV)를 가지고 있어 수nm의 얇은 두께에서도 누설전류를 줄일 수 있고 트랜지스터의 우수한 전기적 특성 구현이 가능해진다. 본 연구에서는 비휘발성 메모리 특성을 갖는 강유전성 물질인 Hafnium oxide와 Zirconium oxide를 게이트 절연막으로 사용하여 저전력에서 구동이 가능한 FE-FET를 제작하는 방법을 제안하였다. Indium Oxide와 Gallium Oxide의 금속 산화물 반도체를 활성층으로 사용하고 Hafnium Oxide와 Zirconium Oxide를 다양한 비율로 혼합하여 제조한 강유전체 물질을 게이트 절연층으로 대체하여 강유전체 기반 전계 효과 트랜지스터를 제작함으로써 강유전성 게이트 절연막이 트랜지스터의 전기적 특성에 어떠한 영향을 미치는지 비교하였다.