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)

2019년 4월3일 우리나라에서 5G(세대) 서비스를 시작한지 5년 반이 조금 넘은 상황에서 6G 서비스에 대한 논의가 진행 중이다.6G 통신 기술은 초고속 데이터 전송, 초저지연, 대규모 연결을 제공하는 차세대 무선 통신 기술로 고주파 대역(테라헤르츠 수준)에서 효율적인 전송이 핵심 과제다.이 과정에서 커패시터(capacitor·축전기)의 유전체 특성은 주파수 응답 특성, 열적 안정성,  소형화/집적화 및 전자기파 차폐/간섭방지 등 등 다양한 측면에서 중요한 역할을 담당한다.테라헤르츠 주파수 대역의 6G 통신의 경우에는 커패시터의 유전율 변화와 손실 계수(Dielectric Loss)가 주파수 응답 특성에 큰 영향을 미친다.특히 무선주파수(RF) 회로에서 사용되는 커패시터는 신호 필터링 역할을 수행하며 유전체 특성이 불안정하면 왜곡과 신호 손실이 발생할 수 있다. 고유전율 물질은 높은 에너지 저장 능력을 제공하지만 고주파에서는 손실을 증가시킬 수 있기 때문이다.6G 통신 장비는 고전력 및 고주파 동작으로 열 발생이 많으므로 커패시터의 유전체는 온도 변화에 강한 특성을 가져야 성능 저하를 방지할 수 있다.또한 6G 통신 장비는 소형화된 기기와 높은 집적도를 요구하므로 유전체 물질의 유전율이 높으면 더 작은 크기의 커패시터로 동일한 전기 용량을 구현할 수 있다.고유전율 및 낮은 손실 특성을 가진 커패시터는 전자기 간섭(EMI)을 줄이고, 신호 무결성을 보장하는 데 기여한다.이와 같은 커패시터의 유전율 특성의 중요성을 고려해 이번 회에서는 '유전체의 두께가 서로 다른 MOSCAP들을 이용한 얇은 유전체 특성화 방법' 논문을 소개한다.본 논문은 2023년도 한국전자파학회 하계종합학술대회 논문집 Vol. 11, No. 1 2023. 8. 23~26에 게재됐다.◇ 서론... 커패시터의 단면적 차이를 기반으로 유전체 특성을 추출하는 기존 방법은 정확도에 영향기존 커패시터 구조에서 유전체 특성을 추출하는 전형적인 방법은 커패시터의 단면적 차이를 기반으로 하지만 이 방식은 도체에서 발생하는 기생 성분(저항, 인덕턴스 등)을 정확히 추출해야 한다. 유전체 특성 추출 정확도에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.◇ 본론... Reactive 차폐코일 설계본 논문에서 제안하는 방식은 타겟 유전체 두께의 차이를 이용해 유전체 특성을 추출한다. 이 방식은 유전체를 설정한 두께로 정확히 증착할 수 있다면 기생 성분을 고려하지 않고도 높은 정확도로 유전체 특성을 추출할 수 있는 장점이 있다. 이를 활용해 Al₂O₃의 광대역 복소 유전율 특성(0.1-20GHz)을 MOSCAP 구조에서 추출했다.본 연구에서는 유전체의 복소 유전율 특성을 효과적으로 추출하기 위해 이종층과 단층 커패시터의 입력 임피던스 차이를 이용해서 유전체 특성 추출하는 기존 방식을 변형했다.타겟 유전 체 두께 차이를 이용하기 위해 제작한 두 MOSCAP 시료들의 설계 구조와 등가회로는 각각 Fig. 1, 2과 같다.▲ Fig 1. 제작한 MOSCAP 구조▲ Fig. 2: MOSCAP 등가회로MOSCAP의 설계에서, 타겟 유전체 두께를 제외한 나머지 구조와 두께를 동일하게 설정했다. 이를 통해 Fig. 2의 (a)와 (b) 등가회로에서 타겟 유전체에 해당하는 성분(Rt−2nm, Ct−2nm, Rt−4nm, Ct−4nm)을 제외한 다른 성분들(Rp, Lp, RSi, CSi, RSiO2, CSiO2)의 크기는 이 동일한 특성을 유지하도록 설계됐다.두 MOSCAP 시료의 입력 임피던스의 차이를 활용해 Al₂O₃의 복소 유전율 특성을 광대역 주파수(0.1-20GHz) 범위에서 추출한 결과는 Fig. 3에 제시됐다.▲ Fig 3. Al2O3의 복소 유전율 특성 추출 결과◇ 결론... 타겟 유전체 두께 차이를 활용한 유전체 특성화 방법 제안본 논문에서는 기존의 커패시터 면적 차이를 이용한 유전체 특성화 방법의 한계를 극복하기 위해 타겟 유전체 두께 차이를 활용한 유전체 특성화 방법을 제안했다.해당 방법을 위해 타겟 유전체 두께를 다르게 설정한 MOSCAP 시료를 제작 및 등가회로 모델링을 진행했다.최종적으로 제안한 MOSCAP 시료의 등가 회로를 기반으로 0.1-20 GHz 광대역이면서 정확하게 타겟 유전체 Al2O3의 복소 유전율 특성을 추출했다.한편 본 논문에서는 직접 언급되지는 않았지만 유전체의 두께가 매우 얇은 경우(수 nm 이하) 특정 재료의 증착 기술(CVD, ALD 등)이 두께 균일성과 정확도를 보장하지 못할 수도 있다.비균질한 유전체(예: 다결정성 유전체)에서는 두께 차이에 따른 측정 오차가 발생할 가능성이 있다.일부 유전체(예: 고유전율 세라믹, 유기 유전체 등)는 특정 주파수 대역에서 비선형적인 응답을 보일 수 있으므로 주파수에 따른 모델링의 복잡성이 증가해 입력 임피던스 차이 분석의 정확도를 떨어뜨릴 수도 있다는 점을 고려해야 한다.▲ 신윤상 전문위원 (서울대학교)