일반적인 반도체 기반 가변 커패시터(Varactor) 다이오드는 P-N 접합에서 변형으로 동작하며 특정 주파수 대역에서만 성능이 최적화된다.반면에 강유전체 금속 절연체-금속 커패시터(MIMCAP)은 DC 전압 변화에 따라 커패시턴스가 비선형적으로 변화하는 특성이 있다. 마이크로파 대역에서도 높은 Q-factor(품질 계수)를 유지할 수 있다.이를 활용해 주파수 가변형 안테나(Tunable Antenna), 위상 배열 안테나(Phased Array Antenna), 주파수 변조 회로 등에 적용될 수 있다.또한 강유전체는 고주파에서도 빠르게 응답할 수 있으며, 기존 반도체 기반 RF 스위치보다 낮은 삽입 손실(Insertion Loss)과 높은 절연 특성을 가질 수 있다.특히 강유전체는 전압-의존적 비선형 특성을 활용해 주파수 혼합(Frequency Mixing), 위상 변조(Phase Modulation), 진폭 변조(Amplitude Modulation, AM) 등 다양한 RF 신호 처리에 적용될 수 있다.또한 강유전체의 높은 유전율(High Permittivity) 덕분에, 동일한 크기에서 더 높은 커패시턴스를 제공하여 RF 필터의 크기를 줄일 수 있다, 강유전체는 저소음 증폭기(LNA) 및 다중 대역 필터(Dual-band 또는 Multi-band RF Filter)에 적용된다.또한 일반적인 RF 소자는 높은 전력 소모로 인해 배터리 구동이 어려운 경우가 많지만 강유전체는 낮은 전압에서도 큰 커패시턴스 변화를 제공할 수 있어 에너지 효율적인 RF 시스템의 설계에 적용될 수 있다.강유전체 특성의 중요성을 고려해 이번 회에서는 면적이 서로 다른 MIMCAP 고주파 측정을 통한 아주 얇은 강유전체 비선형성 특성화 방법' 논문을 소개한다. 2024년도 한국전자파학회 하계종합학술대회 논문집 Vol. 12, No. 1 2024. 8. 21~24에 게재됐다.◇ 마이크로파(Microwave) 대역에서 강유전체의 비선형 특성에 대한 관심 증가강유전체(Ferroelectric)는 특유의 결정 구조로 인해 자발 분극(Spontaneous Polarization) 특성을 갖는다. 이러한 특성 덕분에 차세대 반도체 소자의 게이트 옥사이드(Gate Oxide)로 주목받고 있다.특히 강유전체의 자발 분극 특성으로 인해 DC 전압에 따른 커패시턴스 변화가 비선형적이다. 전형적인 나비 모양(Butterfly-shaped)의 커패시턴스-전압(C-V) 곡선을 형성한다.◇ 강유전체의 비선형성이 주파수에 따라 어떻게 변화하는지 분석강유전체 소재인 HfZrO₂를 절연층으로 활용한 단층 구조의 원형 패치(Circular Patch) 형태 Metal-Insulator-Metal (MIM) 커패시터를 제작하여, 강유전체의 비선형성이 주파수에 따라 어떻게 변화하는지를 분석했다.또한 실험 과정에서 측정 구조 내 기생 성분(Parasitic Elements)을 배제하고 강유전체(HfZrO₂)의 전압에 따른 유전율(Dielectric Permittivity) 변화를 분석하기 위해 중심 원형 패드의 면적이 서로 다른 단층 커패시터의 입력 임피던스 차이를 이용하는 방식을 도입했다.이를 위해 다양한 면적을 가진 커패시터 시료를 제작했으며 이에 대한 설계 구조 및 등가회로를 각각 Fig. 1 및 Fig. 2에 제시했다.▲ Fig 1. 제작한 MIM 커패시터 구조▲ Fig 2. 간략화 시킨 면적에 따른 MIM 커패시터 등가회로강유전체의 두께는 5나노미터(nm)로 매우 얇게 증착됐으며 중심 원형 패드는 반지름이 각각 10마이크로미터(μm)와 20μm인 패턴으로 제작됐다.두 패턴의 등가회로에서 강유전체의 임피던스를 제외한 기생 성분은 주로 도체에서 발생하는 저항 및 인덕턴스, 그리고 실리콘 기판에서 발생하는 저항 및 커패시턴스 성분이 포함된다.하지만 동일한 디자인 파라미터로 설정된 두 커패시터는 주파수에 따른 기생 성분이 동일하다고 가정할 수 있다. 따라서 두 구조의 입력 임피던스를 차분하면 각 면적에 해당하는 강유전체의 임피던스 차이를 얻어낼 수 있다.이러한 방법론을 적용하기 위해 두 커패시터에 동일한 전압 스위프(-2 V ~ 2 V의 double sweep)를 적용해 입력 임피던스를 측정했다.이를 통해 전압에 따른 HfZrO₂의 유전율을 0.1~20기가헤르츠(GHz)의 주파수 범위에서 추출했다. 중심 원형 패드의 반지름이 20μm인 커패시터의 비선형 특성 결과는 Fig. 3에 제시했다.▲ Fig 3. 주파수에 따른 HfZrO의 커패시턴스-전압◇ MIM 커패시터의 원형 패드 면적 차이를 이용해 강유전체(HfZrO₂)만의 커패시턴스를 추출하는 방법론 제안MIM 커패시터의 원형 패드 면적 차이를 이용해 기생 성분을 배제하고 강유전체(HfZrO₂)만의 커패시턴스를 추출하는 방법론을 제안했다.이를 통해 0.1~20 GHz의 광대역에서 강유전체의 주파수 의존적 비선형성을 정밀하게 분석할 수 있었다. 주파수 도메인에서 소신호 분석 기법을 적용하면 강유전체의 비선형 특성인 나비 모양의 커패시턴스-전압(C-V) 곡선을 효과적으로 유도할 수 있음을 확인했.또한 이러한 비선형 특성이 주파수에 따라 어떻게 변화하는지를 체계적으로 분석해 확인할 수 있었다.이와 같이 마이크로파(Microwave) 대역에서도 충분히 적용가능한 강유전체의 비선형 특성을 활용하면 더욱 빠른 스위칭 속도를 필요로 하는 반도체 소자가 구비된 5G/6G 등의 통신 환경에서도 활발히 사용될 수 있을 것으로 기대된다.▲ 신윤상 전문위원 (서울대학교)