High-Frequency Analysis of Ferroelectric's Negative Capacitance for Low-Power Transistor Design = 저전력 트랜지스터 설계를 위한 강유전체의 음의 커패시턴스에 대한 고주파 분석

국문 초록 (Abstract)

트랜지스터 소형화와 스위칭 속도 향상으로 초박막 게이트 산화막 및 강유전체 필름을 광대역 주파수에서 정확히 특성화하고, 이들의 음수 캐패시턴스(NC) 거동을 활용하는 것은 저전력·고성능 CMOS 기술의 핵심 과제가 되었습니다. 본 논문에서는 다음 세 가지 목표를 위해 실험·분석·시뮬레이션 기법을 종합적으로 개발·검증합니다.

MHz부터 수십 GHz에 이르는 주파수 대역에서 절연체 및 강유전체의 유전율 및 loss tangent를 추출

소신호 및 대신호 영역에서 Landau 이론을 통해 NC 현상을 정량화

NC 안정화 헤테로구조를 활용하여 커패시턴스 부스팅 및 MOSFET의 서브쓰레숄드 스윙(SS) 개선 달성

제2장에서는 ‘hetero-mono’ MIM 방법을 제안합니다. 서로 다른 레이어 구조의 두 MIM 커패시터(헤테로레이어 vs. 모노레이어)를 동일 웨이퍼상에서 측정한 뒤 임피던스를 차분함으로써, 별도의 디-앰베딩 없이 0.1–67 GHz 구간에서 HfO₂ 및 Al₂O₃의 유전율과 loss tangent를 6.1% 미만 오차로 정확히 추출합니다.

제3장에서는 동일한 임피던스 차분 개념을 강유전체에 확장하여, 반경이 다른 두 원형 MFM 커패시터를 이용해 HfZrO의 응답을 고립시킵니다. 0.1–20 GHz 구간의 전파 모사 및 실험 결과, dipolar 분산 특성과 더불어 loss tangent에서 나비형 비선형성이 마이크로파 대역까지 지속됨을 세계 최초로 관찰했습니다.

제4장에서는 5 nm HfZrO/3 nm Al₂O₃ 헤테로구조의 소신호 분석을 통해 0.5–30 GHz 구간에서 안정적인 음(–)유전율(–17.9 → –16.5)을 확인합니다. 대신호 역추정 기법을 적용하여 주파수 의존 Landau 계수(α ≈ –3.0×10⁹ m/F, β가 7.9 → 14.3×10⁹ m⁵/FC²로 증가)를 추출함으로써, 고주파 환경에서도 Landau 이론이 유효함을 입증합니다.

제5장에서는 TCAD 시뮬레이션을 통해 1 nm SiO₂ 계면층이 HfZrO 두께 tₚₑ ≤ 3.1 nm에서 FE의 NC 상태를 안정화하여 히스테리스 없는 커패시턴스 부스팅(최대 8배)을 달성함을 보이고, 이를 MOSFET 게이트 스택으로 통합 시 유효 산화막 두께(EOT)를 0.44–0.59 nm로 감소시키고 SS를 약 70 mV/dec에서 약 68 mV/dec로 개선함을 확인합니다.

제6장에서는 두 가지 FFT 기반 워크플로우를 개발합니다.

광대역 복소유전율 추출(1 kHz–25 GHz) 결과를 이용한 피코초 샘플링 펄스의 순방향 Q(t) 예측

0–0.5 GHz 단펄스 시간영역 역추정 기법

이들 기법은 DRAM 유사 펄스의 전하 동역학 예측과 실운영 파형에서의 현장 유전 특성 추출을 모두 가능하게 하는 만능 툴킷을 제공합니다.

고주파 광대역 측정, 시간영역 역추정, Landau 모델 추출, TCAD 기반 소자 연구를 유기적으로 결합한 본 연구는 음수 캐패시턴스 안정화 절연체 스택을 차세대 초박막 저전력 전자소자에 통합하기 위한 이론·실험·시뮬레이션의 기초를 마련합니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With ever-shrinking transistor dimensions and faster switching speeds, accurately characterizing ultra-thin gate-oxide and ferroelectric films across broad frequency bands—and leveraging their negative-capacitance (NC) behavior—has emerged as a critical enabler for low-power, high-performance CMOS technologies. This dissertation develops and validates a comprehensive suite of experimental, analytical, and simulation techniques to:

Extract the permittivity and loss tangent of dielectrics and ferroelectrics from MHz to tens of GHz.

Quantify NC phenomena via Landau theory in both small-signal and large-signal regimes.

Harness NC-stabilized heterostructures for capacitance boosting and subthreshold-swing (SS) improvement in MOSFETs.

Chapter 2 introduces the “hetero-mono” MIM method: by measuring two on-wafer capacitors (heterolayer vs. monolayer) and subtracting their impedances—without manual de-embedding—we extract HfO₂ and Al₂O₃ permittivity and loss with less than 6.1% error over the 0.1–67 GHz range.

Chapter 3 extends impedance-subtraction to ferroelectrics, using two circular-patch MFM capacitors of different radii to isolate HfZrO’s response. Full-wave simulations and measurements from 0.1–20 GHz reveal dipolar dispersion and, for the first time in tan δ, a butterfly-shaped nonlinearity persisting into the microwave band.

Chapter 4 presents a small-signal analysis of a 5 nm HfZrO/3 nm Al₂O₃ heterostructure from 0.5–30 GHz, uncovering stable negative permittivities (–17.9 → –16.5) under zero bias. Large-signal inversion yields frequency-dependent Landau coefficients (α ≈ –3.0×10⁹ m/F, β rising from 7.9 → 14.3×10⁹ m⁵/FC²), confirming Landau theory’s validity under high-frequency excitation.

Chapter 5 uses TCAD simulations of series FE-DE capacitors to show that a 1 nm SiO₂ interfacial layer stabilizes the ferroelectric’s NC state for HfZrO thicknesses ≤ 3.1 nm—achieving up to 8× capacitance boosting without hysteresis—and, when integrated as a MOSFET gate stack, reduces effective oxide thickness to 0.44–0.59 nm and improves SS from ~70 mV/dec to ~68 mV/dec.

Chapter 6 develops two FFT-based workflows: a forward Q(t) prediction from broadband complex-permittivity extraction (1 kHz–25 GHz) for picosecond-sampled pulses, and a short-pulse time-domain inversion over 0–0.5 GHz. Together, they form a versatile toolkit for predicting charge dynamics in DRAM-like pulses and extracting in-situ dielectric dispersion under realistic waveforms.

By bridging high-frequency broadband measurements, time-domain inversion, Landau-model extraction, and TCAD-based device studies, this work lays the groundwork for integrating NC-stabilized insulator stacks into next-generation ultra-scaled, low-power electronics.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents v
• List of Tables vi
• List of Figures xii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Motivation 1
• 1.2 Ferroelectric’s Negative Capacitance 3
• 1.3 Goal of the Study 5
• Chapter 2. Broadband Characterization of Thin-Film: Method 1 7
• 2.1 Existing Characterization Methods and Challenges 9
• 2.2 ‘Zin-Hetero – Zin-Mono’ Method Description 11
• 2.3 Validation of the Proposed Method through 3-Dimensional Full-Wave Electromagnetic Simulation 17
• 2.4 Experimental Characterization of High-k Materials (HfO₂ and Al₂O₃) 22
• 2.5 Summary 35
• Chapter 3. Broadband Characterization of Thin-Film: Method 2 37
• 3.1 ‘Zin-A1 – Zin-A2’ Method Description 40
• 3.2 Validation of the Proposed Method through 3-Dimensional Full-Wave Electromagnetic Simulation 46
• 3.3 Experimental Characterization of Ferroelectric (HfZrO) 51
• 3.4 Summary 67
• Chapter 4. Dispersive and Non-Linear Characteristics of Ferroelectric in Negative Capacitance State Using High-Frequency Measurement 69
• 4.1 Behavior of NC-Stable Heterostructure Capacitor 71
• 4.2 Small-Signal Analysis of Ferroelectric’s Negative Capacitance 77
• 4.3 Large-Signal Analysis of Ferroelectric’s Negative Capacitance 85
• 4.4 Methods 96
• 4.5 Summary 106
• Chapter 5. Optimization of Ferroelectric Thickness for Stable Negative Capacitance State in Heterostructure Capacitors and Transistor Structures using TCAD Simulation 107
• 5.1 Capacitance Boosting in Heterostructure Capacitor 109
• 5.2 Subthreshold Swing Improvement in MOSFET 135
• 5.3 Summary 143
• Chapter 6. Time-Domain and Frequency-Domain Analysis of Dispersion in Ferroelectric–Dielectric Heterostructure Capacitors 145
• 6.1 Heterostructure Capacitor Design 147
• 6.2 Measurement Setup 149
• 6.3 Q(t) Prediction from High-Frequency Permittivity 152
• 6.4 Inverse Extraction of Insulator Properties from Time-Domain Pulse Response 166
• 6.5 Summary 175
• Chapter 7. Conclusion 177
• Bibliography 180
• Abstract (In Korean) 191
• Acknowledgement (In Korean) 193