원자층 증착법 기반 Al2O3/In₂O₃ 준이차원 전자 채널을 활용한 트랜지스터 성능 최적화 연구
Optimization of Transistor Performance Using Thermal ALD-Based Al₂O₃ /In₂O₃ Quasi-2D Electron Channel.
- 주제(키워드) 원자층 증착법 , 준이차원 전자 채널 , 트랜지스터
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034642
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
반도체 산업이 스케일링의 한계에 직면함에 따라, 이를 극복하기 위한 평면 스 케일링을 넘어선 소자의 수직 적층 방식인 More than Moore 접근법이 활발히 연 구되고 있다. 이러한 접근법 중 하나인 모노리식 3차원 집적화(M3D)는 높은 집적 도와 3D 적층 구조를 통한 데이터 처리 속도 향상 및 전력 효율 개선 효과로 주목 받고 있다. 이에 따라 다양한 금속 산화물이 M3D 통합에서 BEOL 호환 채널층 후 보로 연구되고 있으며, 그중 인듐 산화물(In₂O₃)은 우수한 물리적 및 전기적 특성으 로 주목받고 있다. 그러나 In₂O₃ 채널 내 고유 트랩 결함은 소자 성능을 제한하며, 큰 hysteresis와 열화된 바이어스 안정성을 초래하는 문제가 있다. 본 연구에서는 SiO₂/Si 기판 위에 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 총 두께 8nm인 Al₂O₃/In₂O₃(3nm/5nm) 스택을 형성하여 준이차원 전자 가스(2DEG) 채널을 구현한 BEOL 트랜지스터를 제시하였다. 트랜지스터는 20nm Al₂O₃ 게이트 유전체 층과 Au/Ti(40nm/10nm) 전극을 이빔 증착법으로 형성하였으며, 총 공정은 200°C 이하 에서 이루어졌다. 2DEG 채널 형성으로 Hall 측정 결과, 전도도는 66배, 전자 이동도는 18배 향상되 었으며, 채널 표면은 약 100pm 수준의 우수한 매끄러움을 보였다. XPS, TEM, AFM 분석을 통해 Al₂O₃/In₂O₃ 상부 계면에서 Al₂O₃의 환원력에 의해 In₂O₃가 국소적으 로 환원되고, 이로 인해 2DEG가 형성됨을 확인하였다. 이러한 분석 결과를 바탕으 로 산소 공공이 2DEG 형성에 미치는 영향을 규명하며 전기적 특성 개선의 근거를 제시하였다. 최적화된 채널을 적용한 트랜지스터는 91 cm²/(V·s)의 높은 전계 효과 이동도, 극 도로 낮은 누설 전류(~10⁻¹⁵ A), 10¹² 이상의 On/Off ratio, 약 100 mV/dec의 낮은 Subthreshold swing 스윙을 달성하였다. 또한, 0V 이상의 양의 문턱 전압(Vₜₕ)과 거 의 0에 가까운 hysteresis를 나타냈다. 상단의 Al₂O₃ 박막은 2DEG 형성을 촉진함과 동시에 효과적인 패시베이션 층으로 작용하여 소자 안정성을 크게 향상시켰다. 이로써 본 연구는 In₂O₃가 미래 M3D BEOL 통합에서 채널 재료로서 높은 잠재력 을 가지고 있음을 입증하며, 차세대 고성능 소자 개발에 기여할 수 있는 가능성을 제시하였다.
more목차
제１장 서 론 1
제１절 무어의 법칙의 한계 1
제２절 M3D (Monolithic 3D) 구조 3
제３절 BEOL 트랜지스터 연구의 필요성 5
제４절 이차원 전자구름 이론적 배경 및 한계 8
제２장 Qusai-2DEG Al₂O₃ /In₂O₃ 박막 증착 및 평가 10
제１절 이론적 배경 및 실험 측정 방법 10
1.Atomic layer deposition (ALD) 10
2. Al₂O₃ /In₂O₃ 계면의 전자 구름 형성 원리 12
3. E-beam을 이용한 Electrode 형성 13
4. Spectroscopy Ellipsometer (SE) 14
5.High Resolution X-ray Diffraction (HR-XRD) 14
6. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 15
7.Hall measurement 및 I-V 17
1.7.1 Hall measurement 17
1.7.2 I-V measurement 17
8. High Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) 19
제２절 실험 방법 20
1. Al₂O₃ /In₂O₃ 증착 20
2.1.1 In₂O₃ 증착 20
2.1.2 Al₂O₃ 증착 20
2. Au/Ti 전극 형성 21
제３절 실험 결과 21
1. Al₂O₃ /In₂O₃의 증착 결과 21
2. 전기적 분석 23
3. 밴드갭 분석 27
4. 화학적 분석 28
5. 구조 및 표면 분석 32
5.1.1 XRD 32
5.1.2 AFM, KPFM 33
5.1.3 TEM-EELS 35
6. 결론 39
제３장 Al₂O₃ /In₂O₃ 2DEG 트랜지스터 제작 및 평가 41
제１절 박막 트랜지스터 41
1. 박막 트랜지스터 이론적 배경 41
제２절 Al₂O₃ /In₂O₃ 트랜지스터 제작 45
1. 트랜지스터 구조 설계 45
2. 트랜지스터 제작 46
2.2.1 노광 공정 46
2.2.2 식각 공정 46
2.2.3 트랜지스터 구현 47
제３절 Al₂O₃ /In₂O₃ 트랜지스터 특성 평가 49
1. In₂O₃ 박막 트랜지스터 전기적 특성 49
2. Al₂O₃ /In₂O₃ 박막 트랜지스터 전기적 특성 51
3. 트랜지스터 전기적 특성 비교 54
4. 결론 57
제４장 In₂O₃ 트랜지스터의 응용분야 61
제１절 뉴로모픽 향 In₂O₃ UV 트랜지스터 61
1. UV 트랜지스터 연구의 필요성 61
2. In₂O₃ UV 트랜지스터 제작 및 특성 평가 62
3. 결론 66
제２절 HZO 기반의 In₂O₃ FeFET 67
1. FeFET의 필요성 67
2. FeFET 제작 및 전기적 특성 평가 69
2.2.1 In₂O₃/HZO FeFET 69
2.2.2 In₂O₃/Al₂O₃ /HZO FeFET 72
제５장 결론 74
제６장 Reference 76
