2차원 (2D) 평면 구조의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)는 단순한 물리적 스케일링뿐만 아니라 추가 접근 방식을 통해 성능 개선을 위해 상당한 변화가 필요합니다. 장치 구조 및 재료 변경에 대한 최근 두가지 접근 방식이 있습니다. 첫 번째는 Tri-gate (FinFET)에서 게이트 올 어라운드 (GAA)와 같은 3차원 (3D) 트랜지스터를 개발하는 것입니다. 다른 하나는 Si 보다 캐리어 이동도가 높은 Si1-xGex와 같은 새로운 채널 재료를 도입하는 것입니다. 특히 GAA MOSFET은 단층 구조가 아닌 수직 적층 방식으로 채널 수를 늘리는 혁신적인 구조이다. 여러 층의 Si 채널을 얻기 위해 Si/Si1-xGex 적층 구조에서 Si1-xGex을 선택적으로 에칭하는 것과 같이 수직 적층 구조를 형성하는 여러가지 방법이 존재한다. 그러나 얇은 채널층을 사용함에 따라 기생저항 등의 문제가 발생할 수 있으며, Si1-xGex를 식각 하는 과정에서 Si 채널 표면의 손상이 발생할 수 있다. 또한 채널 수가 증가함에 따라 연속 에피택셜 증착으로 인한 과도한 열 예산이 문제를 일으킬 수도 있다.

이에 본 논문에서는 실리콘 기반 GAA MOSFET에 대해 초박형 Si 채널 상의 고유전율 유전체의 전기적 특성을 연구하기위해 원자층 증착 법 (ALD)을 사용한 고유전율의 다양한 전기적 특성을 평가하였다. 전기적 특성들은 대표적으로 다중 주파수 캐패시턴스-전압 (C-V), 누설 전류 밀도 (I-V) 측정을 하였다. 또한 GAA 금속 산화물 반도체 채널 형성을 위해 Si1-xGex/Si 적층 구조 모사를 하여 Si1-xGex 층을 제거한 상태의 Si 박막의 표면상태를 확인하기 위해 주사 탐침 현미경 (AFM)과 비행시간형 이차이온질량분석 (TOF-SIMS) 장비를 사용하였다. 이후 Si1-xGex 층의 제거에 의한 계면 결함을 확인하여 이를 보완하기 위해 표면 산화 방법과 수소이온 리모트 플라즈마를 사용하여 전기적 특성 개선을 확인하였다.

또한 차세대 GAA 금속 산화물 제조를 위한 고이동성 채널 재료인 Si1-xGex과 고유전 물질 (하프늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드)의 C-V, I-V 와 같은 다양한 전기적 특성을 분석하였다. 또한 Ge에 의한 전기적 특성 저하를 개선하기 위해 약1nm 두께의 알루미늄 옥사이드 계면층 또는 오존을 사용한 산화막 개선 공정을 적용하여 특성개선을 확인하였다. 또한 HfO₂/Si0.7Ge0.3 캐패시터에서 금속 후 열처리 방법 (PMA)을 적용하여 고압조건의 후처리 공정이 dangling bonds를 패시베이션 하는데 효과적임을 확인하였다. 또한 중수소를 사용하는 경우 수소를 사용한 패시베이션 보다 외부 전기적 스트레스에 더 효과적이었다. 마지막으로 후처리 공정 온도를 조절하여 고압조건의 후처리 공정이 고온에서도 계면특성을 지속적으로 개선하고 누설전류의 증가를 지연하는데 효과적임을 확인하였다.