저온 게르마늄 박막 공정 및 트랜지스터 제작 연구

Abstract

최근 미세화 공정이 점차 한계에 다다름에 따라 20nm 이하 공정에서는 미세화에 따른 성능 및 경제적 이득이 크게 떨어짐에 따라 집적회로를 적층하는 3차원 집적회로 (3D IC)에 대한 필요성이 증대되고 있다. 기존에도 비정질 SiO2에 고 이동도 채널층을 형성하는 것으로 현재까지 Si, 산화물계, Ge, 탄소계 등 다양한 소재가 연구되고 있다. 그중 게르마늄은 1,900 cm2/V·sec의 높은 정공이동도를 가지고 있고 다른 물질에 비해서 상대적으로 낮은 증착 온도를 가지고 있어 M3D용 박막 소재로 적합하다. 현재 비정질 물질 위에 450℃ 이하 온도에서 직접 단결정 물질을 증착하는 것은 불가능하므로 현재까지 연구는 단결정 기판을 본딩하거나 비정질 물질을 증착 후 결정화하는 방법을 이용하고 있다. 재결정화 방법의 경우 일반적으로 높은 성장 온도와 긴 결정화 시간을 요구한다. 따라서 Ge을 고 이동도 채널 소재로 Si BEOL에 활용되기 위해서는 한계가 명확한 재결정화 방법을 이용하기 보다는 Si BEOL에 단결정 혹은 단결정에 가까운 결정질 Ge을 저온 성장하는 혁신적인 기술이 필요하다. 본 논문에서는 UHV-CVD (Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition)를 사용하여 이차원 MoS2 위에 게르마늄을 성장하는 연구를 진행했다. MoS2위에 성장할 경우 SiO2와 같은 비정질 위에 바로 성장하는 것에 비해 van der Waals 결합 면 위에 좋은 결정성으로 높은 이동도를 얻을 수 있다[2]. 또한 성장 온도를 낮출 수 있어 디스플레이용 TFT (Thin-Film Transistor)를 비롯해 3차원 집적 소자 개발이 가능하다. 박막의 특성을 확인하기 위해서 먼저 SiO2에 MoS2를 전사한 후, 게르마늄을 성장하는 실험을 실시했다. 전사한 MoS2의 경우 CVD를 이용하여 SiO2에 직접 성장한 MoS2에 비해 표면 상태가 더 깨끗하다. 450℃에서 UHV-CVD를 이용하여 게르마늄을 성장시켰다. 이를 TEM을 통해서 단면 분석을 한 결과 2차원으로 형성된 MoS2 박막 위로 결정성을 가진 게르마늄을 확인할 수 있었다. MoS2와 Ge 경계 면에서 눈에 띄는 결함은 관찰할 수 없었고, SAD(Selective Area Diffraction)를 통해 Ge가 단결정임을 확인할 수 있었다. MoS2의 박막의 경우 2D 물질의 특성을 띄는데 이로 인해 표면에 본딩을 위한 dangling bond가 존재하지 않는다. 이 특성으로 인하여 오히려 격자 상수의 큰 차이가 발생함에도 불구하고 게르마늄의 결정성이 2D 물질의 그것을 따라갈 수 있다. 그 다음 대면적 성장을 위해서 CVD를 이용하여 합성한 MoS2에 게르마늄을 성장하는 실험을 진행했다. MoS2를 합성하는 방법에 따라 종류를 달리하여 진행했다. 첫 번째는 SiO2에 Mo를 뿌리고 Sulfurization을 이용하여 합성한 것이다. 두 번째는 SiO2에 ALD(Atomic Layer Deposition)를 이용하여 MoS2를 합성한 것이다. 마지막은 Al2O3에 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 MoS2를 합성한 것이다. 첫 번째 기판의 경우 표면의 일부에 MoS2 1ML가 형성되어있다. 이를 이용하여 단일 grain위에서의 게르마늄의 결정성과 표면 특성을 확인할 수 있었다. 340℃에서 GeH4 30sccm을 흘려 성장시켰을 때 SiO2와 MoS2위에 선택적 성장을 하는 것을 확인할 수 있었다. Raman spectroscopy를 이용하여 측정을 했을 때 bulk Ge의 동일한 peak을 나타내는 것을 확인했다. 또 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 표면 특성을 확인했을 때 5nm이하의 surface roughness를 확인할 수 있었다. 두 번째로 ALD를 이용하여 합성한 샘플에 성장을 진행하였다. SiO2위에 MoS2가 고르게 성장했다는 장점이 있다. 위의 샘플과 동일한 조건에서 성장했을 때 게르마늄이 증착하는 것을 확인했다. 하지만 ALD로 성장한 MoS2의 경우 Single crystalline을 띄지 않았기 때문에 그 위에 성장한 게르마늄 또한 결정성이 확보되지 않았다. 마지막으로 Sapphire기판위에 합성된 MoS2를 이용하여 실험을 진행했다. 첫 번째 샘플에 비해서 MoS2가 형성된 밀도가 높기 때문에 게르마늄이 대면적으로 성장할 수 있다는 점이 특징이다. 온도와 압력을 나누어 실험을 진행하여 온도와 압력이 낮을수록 surface roughness가 향상되는 경향성을 확보했다. Hall effect mobility를 확인했는데 85cm2/V·정도의 정공이동도를 확보했다. SiO2에 직접 성장시킨 샘플의 경우 약 23cm2/V·정도인 것에 비해 높은 수치이다.

본 연구는 재결정화 방법에 비해서 낮은 온도에서 게르마늄을 성장시켰으며 SiO2에 직접 증착한 박막에 비해서 높은 이동도를 확보하였다. 다양한 기판 위에서 게르마늄을 증착함으로써 M3D용 게르마늄 박막을 확보했다는 것에 의의가 있다.