본 연구에서는 ZrO₂ 게이트 유전체를 사용하는 게르마늄 p형 MOSFET(pMOSFET)의 전기적 성능에 후금속 어닐링(PMA)과 후증착 어닐링(PDA)이 미치는 영향을 조사했습니다. PDA를 생략한 소자는 PMA 온도를 350°C에서 500°C로 올릴 때 온상태 전류(I_ON), 서브스레시홀드 스윙(SS), 정전용량 환산 두께(CET)가 점진적으로 개선되었습니다. 높은 PMA 온도에서 ZrO₂ 결정화로 유전율이 증가하고 계면 상태 밀도(D_it)가 감소하여 CET가 낮아지고 유효 정공 이동도(μ_eff)가 향상되었습니다. 반면 400°C PDA를 받은 소자는 더 작은 CET와 더 가파른 SS를 달성했으나, PDA 없는 소자보다 μ_eff가 낮았습니다.
게르마늄(Ge)은 차세대 CMOS용 고이동도 p채널 소재로 점점 더 주목받고 있으며, 실리콘을 크게 상회하는 정공 이동도를 제공합니다[1-3]. 이 장점을 완전히 활용하려면 고품질 게이트 유전체와 견고한 표면 패시베이션이 필수적입니다[4-7]. HfO₂, ZrO₂, La₂O₃, Y₂O₃ 등 여러 고-k 유전체가 정전용량 환산 두께(CET)를 1nm 미만으로 낮추기 위해 탐구되었습니다. 그중 ZrO₂는 높은 유전율(결정상 κ ≈ 28-30)과 Ge와의 우수한 계면 품질로 두드러집니다[12-14]. ZrO₂ 결정화가 CET를 낮추고 μ_eff를 높인다는 보고가 있으나[15, 16], 다양한 어닐링 경로가 소자 성능에 미치는 영향은 충분히 연구되지 않았습니다. 본 연구는 PMA와 PDA가 ZrO₂ 유전체 Ge pMOSFET에 미치는 영향을 조사하여, 높은 PMA 온도가 μ_eff를 현저히 향상시키고 CET를 감소시킴을 보입니다.
ZrO₂ 유전체 Ge pMOSFET 제조 공정은 그림 1a에 나와 있습니다. 소자는 n형 Ge(001) 웨이퍼(0.088-0.14 Ω·cm) 위에 제작되었습니다. 순차적 HF(1:50) 세척과 DI 린스 후 ALD 챔버로 진입했습니다. 오존 후산화(OPO) 단계로 300°C에서 1nm Al₂O₃ 층 증착 후 15분 현장 OPO로 표면 패시베이션을 수행했습니다. 이후 TDMAZr과 H₂O 전구체로 250°C에서 5nm ZrO₂ 층을 증착했으며, Zr 소스는 85°C로 가열했습니다. 선택된 시료는 급속 열 어닐러에서 400°C 60초 PDA를 수행했습니다(웨이퍼 II); 나머지 웨이퍼는 무 PDA 그룹(웨이퍼 I)입니다. 100nm TaN 게이트를 스퍼터링, 패터닝, 식각했습니다. 소스/드레인 영역은 BF₂⁺ 이온 주입(30keV, 1×10¹⁵ cm⁻²)으로 형성하고, 15nm Ni 컨택을 리프트오프로 형성했습니다. 마지막으로 도펀트 활성화와 금속화 완성을 위해 350, 400, 450, 500°C에서 30초 PMA를 수행했습니다.
a ZrO₂ Ge pMOSFET 제조 공정. b 완성 트랜지스터 SEM 이미지. c 게이트 스택과 소스/드레인 보여주는 XTEM 단면. d 400°C 어닐링 소자 HRTEM. e 500°C 어닐링 소자 HRTEM.
그림 1b는 전형적 소자 SEM 뷰, 그림 1c는 게이트, 유전체, 소스/드레인 영역을 보여주는 XTEM 단면입니다. 그림 1d-e는 500°C PMA 후 ZrO₂ 층이 완전히 결정화되었으며 Al₂O₃ 계면층 두께가 약 0.7nm임을 보여줍니다.
그림 2는 웨이퍼 I 소자의 300kHz에서 측정된 인버전 정전용량(C_inv) 대 게이트 전압(V_GS)입니다. 추출된 CET 값은 350, 400, 450, 500°C PMA에서 각각 1.95, 1.80, 1.67, 1.52nm입니다. 높은 PMA에서 CET 감소는 ZrO₂ 결정화로 κ가 ~20-23(비정질)에서 ~28-30(결정질)으로 증가하고 벌크 트랩 밀도가 낮아진 데 기인합니다. 이 C-V 곡선 이동은 유전체 품질 개선을 확인합니다.
웨이퍼 I Ge pMOSFET의 350, 400, 450, 500°C PMA에서의 인버전 C_inv-V_GS 곡선.
그림 3a는 웨이퍼 I 소자의 전달 특성과 게이트 누설(I_G)입니다. 모든 트랜지스터는 L_G=4µm, W=100µm입니다. 게이트 누설은 모든 PMA 온도에서 드레인 전류 이하로 유지됩니다. 특히 500°C 어닐링 소자는 I_ON/I_OFF 비 > 10⁴을 달성했습니다. 그림 3b는 다양한 오버드라이브(|V_GS-V_TH|)에서 I_D-V_DS 곡선입니다. 350°C 대비 500°C 소자는 V_DS=-1.0V와 |V_GS-V_TH|=0.8V에서 각각 47%, 118% 높은 드레인 전류를 보입니다. 그림 3c는 V_DS=-0.5V, |V_GS-V_TH|=-1V에서 I_ON 통계를 요약하며, 500°C 어닐링이 소스/드레인 저항 감소, 낮은 CET, 높은 μ_eff로 우수한 온상태 성능을 제공함을 확인합니다.
a 350, 400, 450, 500°C 어닐링 소자의 I_D, I_S, I_G 대 V_GS. b 다양한 오버드라이브에서 I_D-V_DS 곡선. c 500°C 소자가 최고 I_ON 기록.
그림 4는 다양한 PMA 온도에서 미드갭 D_it, SS, V_TH 통계 플롯입니다. 최대 전도도 법으로 추출한 D_it 값은 350, 400, 450, 500°C에서 각각 1.3×10¹³, 9.5×10¹², 9.2×10¹², 6.3×10¹² cm⁻²eV⁻¹입니다. 500°C 소자는 가장 작은 D_it와 CET로 가장 가파른 SS를 보입니다. D_it와 SS가 최고 보고 Ge 트랜지스터보다 높지만, OPO 공정 추가 최적화(Al₂O₃ 두께, 산화 온도, 시간)로 추가 개선 가능합니다. V_TH는 PMA 온도 증가에 따라 양의 방향으로 이동하며, 이는 CET와 D_it 감소를 반영합니다. 전반적으로 500°C PMA에서 최적 전기적 성능을 달성합니다.
a 미드갭 D_it, b SS, c V_TH 비교(350, 400, 450, 500°C 어닐링).
유효 정공 이동도(μ_eff)는 L_G 1.5-9µm 범위 소자에서 ΔR_tot/ΔL_G 법[18]으로 추출했습니다. 그림 5a는 |V_GS-V_TH|=-1V, V_DS=-0.05V에서 R_tot 대 L_G; 대응하는 R_SD 값은 350, 400, 450, 500°C에서 각각 7.85, 7.15, 6.10, 4.35 kΩ·µm으로 높은 PMA 온도에서 도펀트 활성화 개선을 나타냅니다. 기울기 ΔR_tot/ΔL_G는 500°C 소자에서 가장 작아 384 cm²V⁻¹s⁻¹의 최대 μ_eff를 산출하는데, 이는 400°C 대비 31% 높습니다. 높은 인버전 전하 밀도(Q_inv ≈ 1×10¹³ cm⁻²)에서 500°C 소자는 우월한 이동도를 유지합니다. 결정질 ZrO₂는 벌크 트랩 밀도를 낮춰 원거리 쿨롱 산란을 최소화하고, 매끄러운 ZrO₂/Ge 계면은 표면 거칠기 산란을 줄여 피크 이동도를 높은 Q_inv로 이동시킵니다.
a 다양한 PMA 온도 소자의 |V_GS-V_TH|=-1V, V_DS=-0.05V에서 R_tot 대 L_G. b μ_eff 대 Q_inv, 500°C에서 피크 강조.
다음으로 PDA가 소자 특성에 미치는 영향을 살펴봅니다. 그림 6은 400°C PMA된 웨이퍼 I(무 PDA)와 웨이퍼 II(400°C PDA) 소자의 C_inv-V_GS 비교입니다. PDA 소자는 현저히 낮은 CET(1.29nm vs 1.80nm)를 보입니다. 그림 7a에서 PDA는 게이트 누설을 증가시키는데, 이는 CET 감소 때문으로 보입니다. 그러나 무 PDA 소자가 동일한 오버드라이브(-0.8V)에서 포화 영역에서 24% 높은 드레인 전류를 보입니다(그림 7b).
400°C 어닐링된 웨이퍼 I과 II 소자의 C_inv-V_GS 플롯.
a 웨이퍼 I과 II 소자(400°C PMA)의 I_D, I_S, I_G 대 V_GS. b 다양한 오버드라이브에서 I_D-V_DS 곡선.
그림 8은 PDA 유무 소자의 D_it, SS, V_TH 통계 결과입니다. PDA 소자는 더 낮은 D_it와 평균 SS 142mV/decade로 개선된 ZrO₂/Ge 계면을 나타냅니다. V_TH는 두 그룹 간 차이를 보이며, 밴드갭 근처 트랩 밀도 변동을 반영합니다.
400°C 어닐링된 웨이퍼 I과 II 소자의 a D_it, b SS, c V_TH 비교.
그림 9는 400°C PMA 소자의 R_tot 대 L_G입니다. R_SD는 무 PDA 7.15 kΩ·µm, PDA 7.30 kΩ·µm입니다. PDA 소자는 211 cm²V⁻¹s⁻¹의 최대 μ_eff를 보이며, 무 PDA 400°C 소자보다 낮습니다. 이동도 저하는 ZrO₂ 유전체 내 고정 전하로부터 향상된 원거리 쿨롱 산란에 기인합니다.
a 웨이퍼 I과 II(400°C PMA)의 R_tot 대 L_G. b PDA 유무 소자의 μ_eff 대 Q_inv.
PMA와 PDA가 ZrO₂ 유전체 Ge pMOSFET에 미치는 영향을 체계적으로 탐구했습니다. 500°C PMA로 달성된 ZrO₂ 게이트 유전체 결정화는 CET를 현저히 낮추고 정공 이동도를 높여 384 cm²V⁻¹s⁻¹의 최대 μ_eff와 향상된 드레인 전류를 산출했습니다. 400°C PDA 단계는 CET와 D_it를 추가로 감소시키나, 무 PDA 소자 대비 이동도를 저하시키고 누설을 증가시킵니다. 따라서 고온 PMA(PDA 없음)가 Ge pMOSFET 성능 최적화의 선호 경로입니다.
본 논문 결론을 뒷받침하는 데이터셋은 논문에 포함되어 있습니다.
나노물질
초록 ZrO₂ 게이트 유전체를 사용한 고이동도 Ge nMOSFET을 시연하고, 오존(O₃) 처리, O₃ 후처리, 무처리 등 다양한 계면 특성을 가진 트랜지스터와 비교했습니다. O₃ 처리 시 EOT 0.83 nm의 ZrO₂ 유전체를 가진 Ge nMOSFET이 중간 반전 전하 밀도(Q_inv)에서 Si 범용 이동도보다 높은 682 cm²/Vs의 피크 유효 전자 이동도(μ_eff)를 얻었습니다. 반면 Al₂O₃ 계면 층을 가진 O₃ 후처리는 극적으로 향상된 μ_eff를 제공하여, 중간 Q_inv(5 × 10¹² cm⁻²)에서 Si 범용
프로젝트 개요 아두이노 나노로 제어하는 전자석과 홀 효과 센서를 이용한 자기 부상(Magnetic Levitation) 장치입니다. 영구 자석(네오디뮴)을 공중에 띄우고, 홀 센서로 자기장 강도를 측정해 전자석 전류를 PID 또는 간단한 임계값 제어로 조절하여 안정적으로 부상시킵니다. 3D 프린팅 프레임 선택 가능, 펌웨어 업로드 후 PC 없이 12V 전원만으로 독립 동작합니다. 필요한 부품 부품수량비고 아두이노 나노 R31기타 아두이노도 가능하나 실드는 나노 전용 전자석 12V, 직경 25
