초록 ▼

□ 연구개요
강유전체(ferroelectric) 물질을 게이트 스택(gate stack)에 도입하여 음의 커패시턴스(negative capacitance) 특성을 활용해, 기존 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 근본적 한계인 60 mV/dec 이하의 문턱전압이하기울기의 역수(subthreshold swing: SS)를 가지는 차세대 저전력/고성능 반도체 소자–NCFET(negative capacitance FET)-를 개발
다양한 소자구조와 물질조성비 등에 대한 연구를 바탕으로 이력현상(hystere

□ 연구개요
강유전체(ferroelectric) 물질을 게이트 스택(gate stack)에 도입하여 음의 커패시턴스(negative capacitance) 특성을 활용해, 기존 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의 근본적 한계인 60 mV/dec 이하의 문턱전압이하기울기의 역수(subthreshold swing: SS)를 가지는 차세대 저전력/고성능 반도체 소자–NCFET(negative capacitance FET)-를 개발
다양한 소자구조와 물질조성비 등에 대한 연구를 바탕으로 이력현상(hysteresis)을 최소화 하여 신뢰성이 높은 실용 가능한 소자를 개발하는 것에 목표를 두고 있음

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구의 목표는 최적 디자인의 NCFET 제작 및 전기적 특성 평가, 신뢰성 향상 기술 개발 등에 있음. 이를 위한 세부 목표로서 HfZrO 및 HfAlO와 같은 CMOS 기술과 호환 가능한 강유전체 박막 성장 기술 및 소자 제작을 위한 단위공정기술을 개발함. 성장한 강유전체 박막으로부터 모델 파라미터를 추출하고 시뮬레이션에 적용, 이력현상을 억제하면서 스팁 스위칭이 가능한 NCFET 디자인을 도출함
상기 결과를 바탕으로 NCFET을 제작하고 전달특성을 측정한 결과, MOSFET 대비 SS가 개선됨을 확인함. 최적 성능을 보이는 NCFET의 경우, 전류가 약 10⁴배 증가하는 동안 60 mV/dec 이하의 SS를 유지하는 등 MOSFET의 한계를 극복 할 수 있는 가능성을 보여줌. 계면 특성 개선을 위해 어닐링 공정을 개발하고 이를 적용함으로써 NCFET의 신뢰성을 향상할 수 있음을 확인함.
제작한 NCFET은 이론적 최적화에도 불구하고 이력현상이 발생함. 이력현상은 채널 폭에 민감하게 의존하였으며, 특정 채널 폭에서 가장 적은 값을 가짐을 확인. 이러한 실험 결과는 이력현상이 이상적인 MOS 커패시턴스뿐만 아니라, 기생 커패시턴스의 영향을 받을 수 있다는 점을 시사하고 있다고 여겨지며 관련 현상에 대해서는 후속 연구가 필요할 것으로 판단함. 강유전체 박막의 온도 및 반복 측정에 따른 신뢰성을 평가 하였으며, 안정적인 동작을 위해서는 물질 특성의 최적화가 필요할 것으로 판단됨

□ 연구개발결과의 중요성
한국 반도체시장은 메모리분야(DRAM, Flash 등)는 세계 최고의 기술력 및 시장점유율을 확보하고 있지만, 로직반도체 분야는 상대적 약세를 보이고 있음. 2019년도 현재 국내 기업들은 기술 선도 기업과의 격차를 줄이기 위해, R&D 및 생산 기반을 확충하고 전문 인력을 채용 하는 등 공격적인 투자를 하고 있음
4차 산업혁명 시대로 접어들면서 반도체 수요가 급증하고 그 결과, 로직반도체 기술에 있어 소비전력 및 전력밀도의 감소가 가장 주요한 기술적 이슈가 됨. 본 연구의 주제인 NCFET 기술은 MOSFET의 근본적 한계를 극복하는 가파른 스위칭 특성을 바탕으로 구동전압을 낮추어 초저전력 동작이 가능함
즉, 차세대 저전력·고효율 로직반도체 소자로서 주목받고 있는 NCFET 연구에서 관련 기술을 선점하고 미래 반도체기술에 활용함으로써, 메모리뿐만 아니라 비메모리 반도체 시장 점유율을 높이는 등 한국 반도체 사업이 한 단 계 더 나아갈 수 있는 원동력을 마련 할 수 있을 것으로 기대함
본 연구에서 발명·연구된 기술은 로직반도체 소자의 핵심기술인 트랜지스터 기반의 스위칭 소자를 개발하는데 있음. 이는 컴퓨터 CPU, 모바일 전자기기의 AP, 차량용 반도체 소자의 제어·연산 장치 및 우주·항공·선박 사업 등 반도체 사업 전반에 있어 응용될 수 있음

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 가. 연구의 배경 및 필요성 ... 3
• 나. 국내외 연구 동향 및 연구의 시급성·중요성 ... 3
• 다. 최종연구목표 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 가. 1차년도 (2017.06-2018.05) ... 4
• 나. 2차년도 (2018.06-2019.05) ... 6
• 다. 연구의 확장 (2차년도 연차실적계획서) ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 7
• 4. 참고문헌 ... 8
• 5. 연구성과 ... 11
• 끝페이지 ... 15