HfO₂-SnS 이종접합 구조의 Out- of-Plane 및 In-Plane 강유전성과 전기적 특성 분석 연구
The Study of Out-of-Plane and In-Plane Ferroelectricity and Electrical Properties in HfO₂- SnS Heterojunction Structures
- 주제(키워드) Ferroelectric
- 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/000000034645
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구는 HfO₂와 SnS 의 강유전성 특성을 활용하여 온도와 진동을 동시에 감지할 수 있는 센서 소자를 설계하고 분석한 결과를 제시하였다. 반도체 공정에서 Process Control 은 점점 중요성이 커지고 있으며, 특히 극저온 온도나 외부 진동과 같은 물리적 변수의 실시간 감지가 수율 향상과 불량 예방을 위해 필수적이다. 그러나 현재 공정에서는 대부분 전자현미경 분석과 같은 사후적 접근 방식에 의존하고 있어, 실시간으로 공정 변수를 감지할 수 있는 기술적 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 HfO₂의 수직 분극과 SnS 의 수평 분극 특성을 결합한 접합 구조 소자를 설계하여 온도와 진동을 하나의 소자로 동시 감지할 수 있는 방안을 제시하였다. HfO₂는 높은 유전율과 안정적인 강유전성을 가지며, 열에 따른 수직 분극 변화가 온도 감지에 적합하다는 점을 확인하였다. SnS 는 비대칭적인 이방성 구조로 인해 수평 방향에서 민감한 강유전성 특성을 나타내며, 진동 감지에 유리함을 보였다. 두 물질을 접합한 소자를 설계한 후, 열처리 및 증착 조건을 최적화하여 강유전성 응답을 극대화하였다. 이를 통해 HfO₂-SnS 소자는 온도와 진동 센싱 간 간섭을 최소화하면서 안정적인 감응 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 첫째, HfO₂의 수직 방향 분극 특성을 활용하여 상온에서 250℃까지의 온도 변화에 따른 PV 히스테리시스 루프를 측정하였으며, 온도 증가에 따라 Capacitance 값이 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해 HfO₂가 온도 센싱 소자로 활용될 가능성을 확인하였다. 둘째, SnS의 수평 방향 분극 특성을 분석한 결과, 진동 주파수 변화에 따른 분극 변화가 뚜렷하게 나타났으며, 0 Hz 에서 800 Hz 까지의 범위에서 민감한 감응 특성을 확인하였다. 특히, 진동 강도가 증가할수록 SnS 의 히스테리시스 루프 면적이 증가하는 것으로 나타나, SnS 가 진동 센서로 활용 가능함을 보였다. 셋째, HfO₂와 SnS 접합한 소자는 단일 소자로 온도와 진동을 동시에 감지할 수 있는 설계를 가능하게 하였다. 실험 결과, 소자는 각각의 물리적 변수(온도 및 진동)에 대해 독립적이고 민감한 응답을 제공하며, 프로세스 모니터링 시스템에서 실시간 공정 제어의 가능성을 제시하였다. 이 소자는 온도와 진동에 따라 강유전성 특성이 비선형적으로 변화하는 메커니즘을 기반으로 하며, 반도체 공정의 Process Control 및 IoT 기반 관리 시스템에 활용 가능성이 높다고 판단되었다. 결론적으로, 본 연구는 HfO₂와 SnS 접합 소자를 통해 온도와 진동을 동시에 모니터링할 수 있는 다기능 센서 소자의 가능성을 입증하였다. 이러한 접근법은 반도체 공정에서 수율 향상과 공정 안정성 확보를 위한 중요한 기술적 기여로 평가될 수 있다. 향후 연구에서는 이 소자의 장기 안정성과 대면적 제조 공정의 적용 가능성을 검토하여 실용화를 위한 추가적인 개발을 진행하고자 한다.
more목차
제 1 장. 서 론 1
1. Semiconductor Process control 을 위한 신소재 연구의 필요성 1
2. 이론적 배경 3
가. 강유전성 (Ferroelectricity) 3
나. Hafnium Dioxide (HfO₂) 4
다. Tin(II) sulfide (SnS) 5
라. Radio Frequency Sputtering (RF Sputtering) 6
마. Atomic Layer Deposition (ALD) 7
바. X-ray Diffraction (XRD) 8
사. Transmission Electron Microscopy (TEM) 10
아. X ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 11
자. Atomic Force Microscopy (AFM) 13
제 2 장. HfO₂ 및 SnS Thin Film 제조 및 특성 분석 15
1. 서론 15
2. 실험 방법 16
가. RF magnetron Sputtering 16
나. Atomic Layer Deposition (ALD) 17
다. Rapid Thermal Annealing (RTA) 19
라. X-ray Diffraction (XRD) 19
3. 실험 결과 및 고찰 20
가. HfO₂의 구조적 특성 분석 20
나. HfO₂의 전기적 특성 분석 23
다. HfO₂의 온도에 따른 특성 분석 24
라. SnS 의 구조적 특성 분석 27
마. SnS 의 전기적 특성 분석 28
바. SnS 의 진동에 따른 특성 분석 29
4. 결론 31
제 3 장. HfO₂-SnS Heterojuction 구조의 제조 및 특성 분석 32
1. 서론 32
2. 실험 방법 33
가. Cr/Pt Electrode: E-beam evaporation 33
나. Measurement Method 33
3. 실험 결과 및 고찰 35
가. 구조적 특성 분석 35
나. 전기적 특성 분석 38
다. 화학적 특성 분석 40
라. AFM / PFM 분석 44
4. 결론 46
제 4 장. 결론 48
참고문헌 50
