2차원 반데르발스(2D vdW) 물질 및 텔루륨 산화물을 이용한 계면 엔지니어링 반도체 채널의 제작 및 특성 연구 = Fabrication and Characterization of Interface-Engineered Semiconducting Channels: 2D vdW Materials and Tellurium Oxide

국문 초록 (Abstract)

2차원 반데르발스(vdW) 반도체 및 비정질 산화물 반도체는 극도로 얇은 채널 두께로 인해 주변 계면 환경에 의해 소자 성능이 결정되는 특성을 갖는다. 본 연구에서는 이러한 계면 의존성을 제어하여 소자의 전기적 특성과 신뢰성을 동시에 확보하기 위한 인터페이스 엔지니어링 전략을 제안하고, 그에 따른 물리적, 전기적 특성 변화를 체계적으로 분석하였다.
첫째, 과노광(overexposed) PMMA 공정을 활용하여 기판의 간섭을 원천적으로 차단한 서스펜디드(Suspended) MoS2 소자를 성공적으로 구현하였다. 전자빔 노광량에 따른 PMMA의 가교 결합(cross-linking) 조건을 확립하여, 약 60% 수준으로 정규화된 안정적인 MoS2 지지 구조를 형성했다. 제작된 서스펜디드 소자에 ALD 기반의 Al2O3 패시베이션을 적용한 결과, 채널 상하부 모두에 영향이 미쳐 드레인 전류가 기판 부착형 대비 약 3 orders 이상 상승함을 확인하였다. 이러한 성능 상승은 Al2O3 박막 내부에 존재하는 양의 고정 전하가 채널 상하부에 유도하는 강력한 정전기적 게이팅 효과에 기인한 것으로, 수치 시뮬레이션 결과가 실제 실험 데이터와 긴밀히 부합함을 확인하였다.
둘째, HfS2 소재의 열 산화 공정 조건을 확립하여 고품질 HfS2/HfOx 헤테로 구조(heterostructure)를 형성하고 그 산화 거동을 분석하였다. 온도 및 산소 유량 제어가 가능한 프로브 박스가 통합된 in-situ 라만 측정 시스템을 활용하여, 산화 온도와 시간에 따른 피크 변화를 실시간으로 모니터링하였으며, 이를 통해 HfS2와 HfOx가 재현성 있게 공존하는 최적의 공정 조건을 도출하였다. 이와 더불어 박막의 수직 부피 팽창과 광학적 특성 변화를 확인하였으며, HfS2와 HfOx의 조성비를 산출하여 하이브리드 박막 형성을 검증하였다. 이러한 결과는 향후 RRAM 및 인공 시냅스 소자와 같은 차세대 메모리 시스템 설계를 위한 중요한 기술적 가이드를 제공할 것으로 기대된다.
마지막으로, Se 합금화된 TeOx 기반 p형 산화물 트랜지스터에 ALD Al2O3 패시베이션 공정을 도입하고 그 물리적 기작을 규명하였다. TeOx 채널 내 Se 합금화는 비정질 네트워크의 배경 도핑 농도를 억제하여 점멸비(on/off ratio)를 개선하였으나, 이동도 저하 및 히스테리시스 심화라는 상충 관계(trade-off)가 관찰되었다. 이를 극복하기 위해 적용된 Al2O3 패시베이션은 ALD 공정 중 수반되는 어닐링 효과를 통해 계면 트랩을 패시베이션하고 외부 환경 요인을 차단함으로써, 소자의 온-전류와 이동도를 각각 약 1 order 및 3-5배 이상 향상시키는 동시에 히스테리시스를 획기적으로 안정화하였다.
결론적으로 본 연구에서 제시한 공정 솔루션은 소재 및 구조적 한계를 극복하여 차세대 소자의 구동 능력을 최적화할 수 있는 실질적인 방안을 제시한다. 이러한 연구 결과는 향후 고성능, 저전력 기반의 차세대 반도체 시스템 구현을 위한 인터페이스 엔지니어링 전략 수립의 기초 자료가 될 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 2D Semiconductor Devices 1
• 1.2 Interface Issues in 2D Devices 3
• 1.3 2D van der Waals Materials 5
• 1.4 Oxide Semiconductors 6
• Ⅱ. A Simple Overexposed PMMA Strategy for High-Drain-Current Suspended 2D MoS2 Devices 7
• 2.1 연구 배경 및 목적 7
• 2.2 연구 방법 9
• 2.3 연구 결과 12
• 2.4 결론 19
• Ⅲ. Formation and Characterization of HfS2/HfOx Heterostructure via Thermal Oxidation of HfS2 20
• 3.1 연구 배경 및 목적 20
• 3.2 연구 방법 22
• 3.3 연구 결과 24
• 3.4 결론 32
• Ⅳ. Enhancement of Electrical Characteristics in Se-alloyed TeOx-based p-type Transistors via ALD Al2O3 Passivation 33
• 4.1 연구 배경 및 목적 33
• 4.2 연구 방법 35
• 4.3 연구 결과 37
• 4.4 결론 42
• 참고문헌 43
• Abstract 49