소자의 소형화로 인해 MIM(Metal-Insulator-Metal) Capacitor의 절연막의 초박막화가 가속화되고 있으며, 이러한 절연막을 통한 양자 터널링으로 인해 누설전류는 급격히 증가하고 있다. 이에 높은 유전상수를 갖는 산화물 유전체 및 터널링 효과를 개발하기 위한 연구가 다방면으로 진행되어 왔다._x000D_
<br>티탄산 스트론튬 SrTiO3(STO)는 페로브스카이트형 고유전율 산화물로 삼원계 금속 산화물이다. 삼원 금속 산화물의 유전상수 값은 이원 금속 산화물의 유전상수 값보다 몇 배 높다. 또한, 뛰어난 절연 특성과 매우 높은 전하를 저장 가능한 능력을 갖으며, 가시광 영역에서 뛰어난 투명성과 높은 안정성으로 tunable microwave capacitor, PTV thermistor/varistor, Ultralow-temperature scanning microscope, semiconductive ceramics, 그리고 DRAM용 capacitor와 같은 다양한 응용 분야에 적용 가능하다._x000D_
<br>SrTiO3는 넓은 온도 범위(상온 포함)에서 높은 Capacitance 성능을 유지할 수 있어 등가산화물두께(EOT, Equivalent oxide thickness) 5 Å, 누설전류 10-7 A/cm2를 만족할 것으로 기대된다. 그러나 얇은 박막의 SrTiO3(STO)는 높은 터널링 누설 전류로 Capacitor 기반 소자에 적합하지 않은 점과 이원 산화물에 비해 낮은 Conduction band offset energy를 극복해야 한다._x000D_
<br>먼저, 이번 연구에서는 고유전율 산화물의 높은 누설 전류 문제를 해결하기 위해, 샘플에 존재하는 다른 물질에 손상을 주지 않고 초박막에 도핑 가능한 효과적인 방법인 고주파(RF) 마그네트론 스퍼터링을 이용한 코스퍼터링(Co-Sputtering) 증착 기법을 사용하여 SrTiO3(STO)에 균일하고 균질한 알루미늄 도핑을 진행하였다. 그 결과, 알루미늄 도핑에 따라 기존 capacitor 구동전압으로 알려진 0.8 V 기준에서 누설전류밀도가 6.27 x 10-8 A/cm2까지 감소하는 것을 확인하였으며, 동시에 3.1 Å의 EOT와 186.1의 유전상수 값을 확보하였다. 알루미늄 도핑으로 인해 SrTiO3(STO) 박막의 결정 구조와 전도대 가장자리 전자 구조의 변화로 고유전상수 산화물 MIM Capacitor의 개발에 존재하는 문제를 해결하기 위한 방안을 제시하였다._x000D_
<br>또한, 10 kHz ~ 1 MHz 주파수 범위에서 넓은 범위(tuning range)로 capacitance가 변화하는 특성을 확인하였다. 이러한 특성은 DC 전압 인가를 통해 마이크로파를 전기 신호로 가변 tunable/variable capacitor 활용에 대한 가능성을 제시한다._x000D_
<br>하지만 기존 MIM capacitor의 DC 전압에 따른 capacitance에서 나타나는 pyro-dielectric 특성이 아닌 낮은 전압(1V 이하)에서는 선형으로 증가하지만, 이보다 높은 전압에서는 Capacitance 값이 saturation 되는 특성을 확인하였다. Angle resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy(ARXPS) 분석을 통해 SrTiO3(STO) 박막과 Metal 사이의 계면의 정밀 분석을 실시하였으며, trap level과 VBM 및 SE 분석을 통한 에너지 갭을 활용하여 에너지 밴드 모델링을 제시하였다._x000D_
<br>결과적으로, 소자가 미세화 될수록 게이트 절연체의 두께가 극도로 얇아지면서 양자역학적 터널링 현상으로 인해 게이트 누설 전류가 급격히 증가하는 문제를 알루미늄 도핑된 고유전물질인 SrTiO3 활용을 통해 해결 가능성을 제시하였다. 또한, 다양한 주파수 영역에서 가변 가능한 capacitance 특성을 확인을 통해 기존에 벌크형 SrTiO3 기반으로 연구된 tunable capacitor 분야에 SrTiO3 초박막의 활용 가능성을 제시하였다.
