IAZO 채널 엔지니어링을 통한 HZO 기반 FeFET의 전기적 특성 및 안정성 향상 연구
Improving Electrical Characteristics and Stability of HZO-Based FeFETs through IAZO Channel Engineering
- 주제(키워드) FeFET , IAZO , TFT , PEALD
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036237
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 IAZO 채널 엔지니어링을 통해 HZO 기반 강유전 전계효과 트랜지스터（Ferroelectric Field-Effect Transistor, FeFET）의 전기적 특성과 동작 안정성을 향상시키고자 하였다. HZO 기반 FeFET 는 강유전체의 잔류 분극을 이용하여 비휘발성 문턱전압 상태를 구현할 수 있는 소자로, 저전력 메모리 및 뉴로모픽 소자 응용에 적합하다. 그러나 산화물 반도체 채널을 적용한 FeFET 에서는 강유전체 박막의 분극 특성뿐만 아니라 채널 전도도, 산소 관련 결함, 계면 안정성 및 전하 트랩이 memory window 와 readout 특성에 큰 영향을 미친다. 초기 In₂O₃ 기반 소자에서는 Thermal ALD 에서 PEALD 공정으로 전환한 이후 과도한 negative threshold voltage（Vth）와 높은 저전계 채널 전도성이 관찰되었다. In₂O₃ PEALD 공정 조건을 변화시켜 O₂ flow, plasma power, stage temperature 의 영향을 확인하였으나, Vth 문제는 충분히 개선되지 않았다. 이에 따라 해당 문제는 단순한 증착 조건의 문제가 아니라, In₂O₃ 채널의 과도한 전도성과 Al₂O₃/In₂O₃ 계면 불안정성이 복합적으로 작용한 결과로 판단하였다. 이를 검증하기 위해 negative PR 기반 HZO patterning 공정을 도입하고 Al₂O₃- free HZO FeFET 구조를 제작하였으며, 해당 구조에서 transfer hysteresis 와 memory behavior 를 확인하였다. 이후 과도한 채널 전도성을 억제하기 위해 Al 을 도입한 IAZO（In–Al–Zn–O） 채널을 설계하였다. Al cycle ratio 조절을 통해 IAZO 채널의 조성을 변화시켰으며, 이에 따른 Vth, on-current, subthreshold swing 및 mobility 변화를 비교하였다. 그 결과, IAZO 조성 제어가 산화물 채널의 전도도와 문턱전압을 조절하는 효과적인 방법임을 확인하였다. 또한 Al₂O₃ capping 을 적용한 TFT 및 소재 분석을 통해 IAZO 채널의 표면 안정화와 oxygen-related state 감소 가능성을 확인하였다. 최종적으로 Au/Cr source-drain electrode, IAZO channel, HZO ferroelectric layer, W gate electrode 로 구성된 IAZO 기반 HZO FeFET 를 제작하였다. 최적화된 IAZO FeFET 는 기존 In₂O₃ 기반 구조 대비 memory window 가 약 0.8 V 에서 1.4 V 로 향상되었으며, program voltage 에 따른 Vth modulation 을 나타냈다. 또한 V_G = 0 V, V_read = 0.5 V 의 저전계 retention 조건, 85 °C 고온 동작, 4 개월 장기 안정성 평가에서도 FeFET 동작이 유지되었다. 결론적으로, 본 연구는 HZO 기반 FeFET 의 안정적인 메모리 동작을 위해 산화물 채널의 전도도와 계면 안정성 제어가 필수적임을 제시하였다. 특히 IAZO 채널 엔지니어링은 In 기반 산화물 채널의 전하 수송 특성을 유지하면서 과도한 전도성을 억제하고, memory window 와 동작 안정성을 향상시킬 수 있는 효과적인 전략임을 확인하였다. 주제어: HZO, FeFET, IAZO, 산화물 반도체
more목차
제 1 장 서론 1
제 1 절 연구 배경 1
제 2 절 HZO 기반 FeFET 의 필요성 3
제 3 절 산화물 채널 FeFET 의 필요성과 한계 5
제 4 절 IAZO 채널 엔지니어링의 필요성 7
제 5 절 연구 목적 및 논문 구성 9
제 2 장 PEALD 공정 전환에 따른 In₂O₃ 기반 HZO FeFET 의 문제 분석 및 구조적 검증 12
제 1 절 PEALD 공정 전환과 In₂O₃ 기반 소자의 재현성 문제 12
제 2 절 과도한 negative Vth 와 채널 전도성 문제 13
제 3 절 In₂O₃ PEALD recipe modulation 을 통한 채널 요인 분석 15
제 4 절 Al₂O₃/In₂O₃ 계면 불안정성 가설 17
제 5 절 Negative PR 기반 HZO patterning 공정 도입 19
제 6 절 Al₂O₃-free HZO FeFET 제작 및 memory behavior 검증 20
제 3 장 IAZO 채널 엔지니어링을 통한 HZO 기반 FeFET 의 전기적 특성 및 안정성 향상 24
제 1 절 IAZO 채널 도입 배경 및 조성 설계 24
1. In₂O₃ 기반 채널의 장점과 한계 24
2. Ga 대신 Al 을 도입한 이유 25
제 2 절 IAZO cycle ratio 에 따른 박막 형성 27
1. PEALD 기반 IAZO super-cycle 설계 27
2. 조성 제어와 전기적 특성 평가 방향 29
제 3 절 IAZO 조성에 따른 TFT 전기적 특성 변화 30
1. Transfer curve 변화 30
2. Four-indicator 기반 trade-off 분석 31
3. 후속 FeFET 적용을 위한 조성 선정 방향 33
제 4 절 Al₂O₃ capping 을 통한 IAZO 채널 안정화 검증 34
1. Al₂O₃ capping 적용 목적 34
2. Al₂O₃ capping 에 따른 TFT 전기적 특성 변화 34
3. 구조 및 화학 분석을 통한 capping 효과 검증 36
제 5 절 최적화된 IAZO FeFET 의 memory window 향상 38
1. 최종 IAZO 기반 HZO FeFET 구조 38
2. Transfer 특성 및 memory window 39
3. Program voltage 에 따른 Vth modulation 41
제 6 절 Retention, 고온 동작 및 장기 안정성 평가 42
1. 저전계 retention 특성 42
2. 85°C 동작 안정성 43
3. 장기 Vg–Ids 안정성. 44
4. In2O3 와 IAZO 의 산소 관련 상태 비교 45
제 4 장 결론 48
제 1 절 연구 결과 요약 48
제 2 절 연구의 의의 52
제 3 절 향후 연구 방향 53
참고문헌 56
