• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.259-259
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• 2016

반도체 산업 전반에 걸쳐 이루어지고 있는 연구는 소자를 더 작게 만들면서도 구동능력은 우수한 소자를 만들어내는 것이라고 할 수 있다. 따라서 소자의 미세화와 함께 트랜지스터의 구동능력의 향상을 위한 기술개발에 대한 필요성이 점차 커지고 있으며, 고유전(high-k)재료를 트랜지스터의 게이트 절연막으로 이용하는 방법이 개발되고 있다. High-k 재료를 트랜지스터의 게이트 절연막에 적용하면 낮은 전압으로 소자를 구동할 수 있어서 소비전력이 감소하고 소자의 미세화 측면에서도 매우 유리하다. 그러나, 초미세화된 소자를 제작하기 위하여 high-k 절연막의 두께를 줄이게 되면, 전기적 용량(capacitance)은 커지지만 에너지 밴드 오프셋(band-offset)이 기존의 실리콘 산화막(SiO2)보다 작고 또한 열공정에 의해 쉽게 결정화가 이루어지기 때문에 누설전류가 발생하여 소자의 열화를 초래할 수 있다. 따라서, 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 게이트 절연막 엔지니어링을 통해서 누설전류를 줄이면서 전기적 용량을 확보할 수 있는 연구가 주목받고 있다. 본 실험에서는 high-k 물질인 Ta2O5와 SiO2를 적층시켜서 누설전류를 줄이면서 동시에 높은 캐패시턴스를 달성할 수 있는 게이트 절연막 엔지니어링에 대한 연구를 진행하였다. 먼저 n-type Si 기판을 표준 RCA 세정한 다음, RF sputter를 사용하여 두께가 Ta2O5/SiO2 = 50/0, 50/5, 50/10, 25/10, 25/5 nm인 적층구조의 게이트 절연막을 형성하였다. 다음으로 Al 게이트 전극을 150 nm의 두께로 증착한 다음, 전기적 특성 개선을 위하여 furnace N2 분위기에서 $400^{\circ}C$로 30분간 후속 열처리를 진행하여 MOS capacitor 소자를 제작하였고, I-V 및 C-V 측정을 통하여 형성된 게이트 절연막의 전기적 특성을 평가하였다. 그 결과, Ta2O5/SiO2 = 50/0, 50/5, 50/10 nm인 게이트 절연막들은 누설전류는 낮지만, 큰 용량을 얻을 수 없었다. 한편, Ta2O5/SiO2 = 25/10, 25/5 nm의 조합에서는 충분한 용량을 확보할 수 있었다. 적층된 게이트 절연막의 유전상수는 25/5 nm, 25/10 nm 각각 8.3, 7.6으로 비슷하였지만, 문턱치 전압(VTH)은 각각 -0.64 V, -0.18 V로 25/10 nm가 0 V에 보다 근접한 값을 나타내었다. 한편, 누설전류는 25/10 nm가 25/5 nm보다 약 20 nA (@5 V) 낮은 것을 확인할 수 있었으며 절연파괴전압(breakdown voltage)도 증가한 것을 확인하였다. 결론적으로 Ta2O5/SiO2 적층 절연막의 두께가 25nm/10nm에서 최적의 특성을 얻을 수 있었으며, 본 실험과 같이 게이트 절연막 엔지니어링을 통하여 효과적으로 누설전류를 줄이고 게이트 용량을 증가시킴으로써 고집적화된 소자의 제작에 유용한 기술로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.339-339
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• 2012

지난 몇 년 동안, 투명 비정질 산화물 반도체는 유기 발광 다이오드, 플렉서블 전자 소자, 솔라 셀, 바이오 센서 등 많은 응용분야에 연구되고 있다. 투명 비정질 산화물 반도체 그룹들 중, 특히 비정질 IGZO 박막 트랜지스터는 비정질 상태임에도 불구하고 높은 이동도와 낮은 동작 전압으로 훌륭한 소자 특성을 보인다. 이러한 고성능의 IGZO 박막 트랜지스터는 RF 마그네트론 스퍼터링이나 pulsed laser deposition과 같은 고진공 장비를 이용하여 이미 여러 그룹에서 제작되고 발표되었다. 하지만 진공 증착 시스템은 제조 비용의 절감이나 디스플레이 패널의 대면적화에 큰 걸림돌이 되고 있고, 이러한 문제점을 극복하기 위해서 용액 공정은 하나의 해결책이 될 수 있다. 용액 공정의 가장 큰 장점으로는 저온 공정이 가능하기 때문에 글라스나 플라스틱 기판에서 대면적으로 제작할 수 있고 진공 장비가 필요없기 때문에 제조 비용을 획기적으로 절감시킬 수 있다. 본 연구에서는 high-k 게이트 절연막과 IGZO 채널 층을 용액 공정을 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하고 그에 따른 전기적 특성을 분석하였다. IGZO의 몰 비율은 In, Ga, Zn 순으로 각각 0.2 mol, 0.1 mol, 0.1 mol로 제작하였고, high-k 게이트 절연막으로는 Al2O3, HfO2, ZrO2을 제작하였다. 또한, 용액 공정 IGZO TFT를 제작하기 전, 용액 공정 high-k 게이트 절연막 캐패시터를 제작하여 그 특성을 분석하였다. 다양한 용액 공정 high-k 게이트 절연막 중, 용액공정 HfO2를 이용한 IGZO TFT는 228.3 [mV/dec]의 subthreshold swing, 18.5 [$cm^2/V{\cdot}s$]의 유효 전계 이동도, $4.73{\times}106$의 온/오프 비율을 보여 매우 뛰어난 전기적 특성을 확인하였다.

• Proceedings of the IEEK Conference
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• 2003.07b
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• pp.715-718
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• 2003

본 논문에서는 MOSFET source/drain 고체 확산 원으로써 도핑된 폴리 실리콘을 사용하였으며 확산 후 남은 폴리 실리콘은 elevated source/drain 역할을 하여 저항을 줄여 준다. 또한 제안 된 구조는 게이트 절연막 공정 이전에 확산 공정이 이루어 지기 때문에 후속 열처리에 취약한 고유전율 게이트 절연막 공정과 금속 게이트 공정에 적합한 공정으로 적합함을 보였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.146-146
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• 2010

일반적인 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)은 소스와 드레인의 형성을 위해서 불순물을 주입하고 고온의 열처리 과정을 거치게 된다. 이러한 고온의 열처리 과정 때문에 녹는점이 낮은 메탈게이트와 게이트 절연막으로의 high-k 물질의 사용에 제한을 받게된다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위해서 소스와 드레인 영역에 불순물 주입공정 대신에 금속접합을 이용한 Schottky Barrier Tunnel Transistor (SBTT)가 제안되었다. SBTT는 $500^{\circ}C$ 이하의 저온에서 불순물 도핑없이 소스와 드레인의 형성이 가능하며 실리콘에 비해서 수십~수백배 낮은 면저항을 가지며, 단채널 효과를 효율적으로 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 고온공정에 치명적인 단점을 가지고 있는 high-k 물질의 적용 또한 가능케한다. 본 연구에서는 p-type SOI (Silicon-On-Insulator) 기판을 이용하여 Pt-silicide 소스와 드레인을 형성하고 전기적인 특성을 분석하였다. 또한 본 연구에서는 기존의 sidewall을 사용하지 않는 새로운 구조를 적용하여 메탈게이트의 사용을 최적화하였고 게이트 절연막으로써 실리콘 옥사이드를 스퍼터링을 이용하여 증착하였기 때문에 저온공정을 성공적으로 수행할 수 있었다. 이러한 게이트 절연막은 열적으로 형성시키지 않고도 70 mv/dec 대의 우수한 subthreshold swing 특성을 보이는 것을 확인하였고, $10^8$정도의 높은 on/off current ratio를 갖는 것을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.186-186
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• 2010

소자의 축소화에 따라 floating gate 형의 flash 메모리 소자는 얇은 게이트 절연막 등의 이유로, 이웃 셀 간의 커플링 및 게이트 누설 전류와 같은 문제점을 지니고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 charge trap flash 메모리 (CTF) 소자가 연구되고 있지만, CTF 메모리 소자는 쓰기/지우기 속도와 데이터 보존 성능간의 trade-off 관계와 같은 문제점을 지니고 있다. 최근, 이를 극복하기 위한 방안으로, 다른 유전율을 갖는 유전체들을 적층시킨 터널 절연막을 이용한 Tunnel Barrier Engineered (TBE) 기술이 주목 받고 있다. 따라서, 본 논문에서는 TBE 기술을 적용한 MIS-capacitor를 높은 유전율을 가지는 Al2O3와 HfO2를 이용하여 제작하였다. 이를 위해 먼저 Si 기판 위에 Al2O3 /HfO2 /Al2O3 (AHA)를 Atomic Layer Deposition (ALD) 방법으로 약 2/1/3 nm의 두께를 가지도록 증착 하였고, Aluminum을 150 nm 증착 하여 게이트 전극으로 이용하였다. Capacitance-Voltage와 Current-Voltage 특성을 측정, 분석함으로써, AHA 구조를 가지는 터널 절연막의 전기적인 특성을 확인 하였다. 또한, high-k 물질을 이용한 터널 절연막을 급속 열처리 공정 (Rapid Thermal Annealing-RTA) 과 H2/N2분위기에서 후속열처리 공정 (Post-RTA)을 통하여 전기적인 특성을 개선 시켰다. 적층된 터널 절연막은 열처리를 통해 터널링 전류의 민감도의 향상과 함께 누설전류가 감소됨으로서 우수한 전기적인 특성이 나타남을 확인하였으며, 적층된 터널 절연막 구조와 적절한 열처리를 이용하여 빠른 쓰기/지우기 속도와 전기적인 특성이 향상된 비휘발성 메모리 소자를 기대할 수 있다.

• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.6 no.3
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• pp.221-227
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• 1997

The Pd/NiCr gate MISFET-type sensors were fabricated for detecting hydrogen dissolved in high-capacivity transformer oil. To improve stability and high concentration sensitivity of the sensor, Pd/NiCr double catalysis metal gate was used. To reduce the serious gate voltage drift of the sensor induced by hydrogen, the gate insulators of 2 FETs were constructed with double layer of silicon dioxide and silicon nitride. The hydrogen sensitivity of the Pd/NiCr gate MISFET is about a half of Pd/Pt gate MISFET's sensitivity but the Pd/NiCr gate MISFET has good stability and high concentration detectivity up to 1000 ppm.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.06a
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• pp.19-19
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• 2007

Excimer laser annealing (ELA) 방법을 이용하여 결정화하고 게이트 절연체로써 high-k 물질을 가지는 다결정 실리콘박막 트랜지스터의 전기적 특성을 평가하였다. 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 비결정질 실리콘 박막 트랜지스터 보다 높은 전계 효과 이동도와 운전 용이한 장점을 가진다. 기존의 결정화 방법으로는 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 높은 열 공급을 피할 수 없기 때문에, 매몰 산화막 위의 비결정질 박막은 저온에서 다결정 실리콘 결정화를 위해 KrF excimer laser (248nm)를 이용하여 가열 냉각 공정을 했다. 게다가 케이트 절연체로써 atomic layer deposition (ALD) 방법에 의해 저온에서 20 nm의 고 유전율을 가지는 $HfO_2$ 박막을 증착하였다. 알루미늄은 n-MOS 박막 트랜지스터의 게이트 전극으로 사용되었다. 금속 케이트 전극을 사용하여 게이트 공핍 효과와 관계되는 케이트 절연막 두께의 증가를 예방할 수 있고, 게이트 저항의 감소에 의해 소자 속도를 증가 시킬 수 있다. 추가적으로, 비결정질 실리콘 박막의 결정화 기술로써 사용된 ELA 방법은 SPC (solid phase crystallization) 방법과 SLS (sequential lateral solidification) 방법에 의해 비교되었다. 결과적으로, ELA 방법에 의해 결정화된 다결정 실리콘 박막의 결정도와 표면 거칠기는 SPC와 SLS 방법에 비해 개선되었다. 또한, 우리는 ELA 결정화 방법에 의한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터로부터 우수한 소자 특성을 얻었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.218-218
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• 2010

기존의 비휘발성 메모리 소자는 터널 절연막으로 $SiO_2$ 단일 절연막을 이용하였다. 그러나 소자의 축소화와 함께 비휘발성 메모리 소자의 동작 전압을 낮추기 위해서 $SiO_2$ 단일 절연막의 두께도 감소 시켜야만 하였다. 하지만 $SiO_2$ 단일 절연막의 두께 감소에 따라, 메모리의 동작 횟수와 데이터 보존 시간의 감소등의 문제점들로 인해 기술적인 한계점에 이르렀다. 이러한 문제점들을 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 최근 high-k 물질을 기반으로 하는 Tunnel Barrier Engineered (TEB) 기술이 주목 받고 있다. TBE 기술이란, 터널 절연막을 위해 서로 다른 유전율을 갖는 유전체를 적층함으로써 쓰기/지우기 속도의 향상과 함께, 물리적인 두께 증가로 인한 데이터 보존 시간을 향상 시킬 수 있는 기술이다. 따라서, 본 연구에서는 적층된 터널 절연막에 이용되는 $HfO_2$를 FGA (Forming Gas Annealing)와 RTA (Rapid Thermal Annealing) 공정에 의한 열처리 효과를 알아보기 위해, 온도에 따른 전기적인 특성을 MIS-Capacitor 제작을 통하여 분석하였다. 이를 위해 먼저 Si 기판 위에 $SiO_2$를 약 3 nm 성장시킨 후, $HfO_2$를 Atomic Layer Deposition (ALD) 방법으로 약 8 nm를 증착 하였고, Aluminum을 약 150 nm 증착 하여 게이트 전극으로 이용하였다. 이를 C-V와 I-V 특성을 이용하여 분석함으로 써, 열처리 공정을 통한 $HfO_2$의 터널 절연막 특성이 향상됨을 확인 하였다. 특히, $450^{\circ}C$ $H_2/N_2$(98%/2%) 분위기에서 진행한 FGA 공정은 $HfO_2$의 전하 트랩핑 현상을 줄일 뿐 만 아니라, 낮은 전계에서는 낮은 누설 전류를, 높은 전계에서는 높은 터널링 전류가 흐르는 것을 확인 하였다. 이와 같은 전압에 대한 터널링 전류의 민감도의 향상은 비휘발성 메모리 소자의 쓰기/지우기 특성을 개선할 수 있음을 의미한다. 반면 $N_2$ 분위기에서 실시한 RTA 공정에서는, 전하 트랩핑 현상은 감소 하였지만 FGA 공정 후 보다는 전하 트랩핑 현상이 더 크게 나타났다. 따라서, 적층된 터널 절연막은 적절한 열처리 공정을 통하여 비휘발성 메모리 소자의 성능을 향상 시킬 수 있음이 기대된다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.06a
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• pp.191-191
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• 2007

유효 산화막 두께가 약 2.0nm 정도의 $ZrO_2$ 절연막 위에 Ta-Mo 금속 합금과 Ru-Zr 금속 합금을 Co-sputtering 방법을 이용하여 여러 가지 일함수를 갖는 MOS capacitor를 제작하여 전기적 재료적 특성에 관하여 연구를 하였다. 그 결과 각각의 금속 합금 게이트는 4.1eV 에서 5.1eV 사이의 다양한 일함수를 나타냈으며, $400^{\circ}C$, $500^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, $700^{\circ}C$, $800^{\circ}C$ RTA 후의 C-V특성 곡선 및 I-V 측정을 통하여 누설전류를 확인하였다. 그 결과 Ta-Mo 금속 합금의 경우 스퍼터링 파워가 100W/70W에서 NMOS에 적합한 일함수를 가졌으며, Ru-Zr 금속 합금의 경우 스퍼터링 파워가 50W/100W에서 NMOS에 적합한 일함수를 가졌다. 열처리 후의 C-V특성 곡선에서도 정전용랑 값이 거의 변하지 않았으며 평탄 전압의 변화도 거의 없었다. 누설전류 특성에서는 물리적 두께가 비슷한 기존의 $SiO_2$ 절연막에서 실험결과와 비교하여 약 100배 정도 감소되었음을 알 수 있었다. 또한 기존의 실험들에서 나타난 열처리 후의 $ZrO_2$ 절연막과 Si 기판 사이의 Interfacial layer 의 동반 두께 증가로 인한 전기적 특성 저하가 나타나지 않는 줄은 특성을 보여준다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.317-318
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• 2012

현재의 반도체 산업에서 Hafnium oxide와 Hafnium silicates같은 high-k 물질은 CMOS gate와 DRAM capacitor dielectrics로 사용하기 위한 대표적인 물질에 속한다. MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor)구조에서 gate length는 16 nm 이하로 계속 미세화가 연구 중이고, 또한 gate는 기존구조에서 Multi-gate구조로 다변화가 일어나고 있다. 이를 통해 게이트 절연막은 그 구조와 활용범위가 다양해지게 될 것이다. 동시에 leakage current와 dielectric break-down을 감소시키는 연구가 중요해지고 있다. 그러나 나노 영역에서의 기계적 특성에 대한 연구는 전무한 상태이다. 따라서 복잡한 회로 공정, 다양한 Multi-gate 구조, 신뢰도의 향상을 위해서는 유전박막 물질자체와 계면에서의 물리적, 기계적인 특징의 측정이 상당히 중요해지고 있다. 이에 본 연구는 Nano-indenter의 통해 경도(Hardness)와 탄성계수(Elastic modulus) 등의 측정을 통하여 시료 표면의 나노영역에서의 기계적 특성을 연구하고자 하였다. $HfO_2$게이트 절연막은 rf magnetron sputter를 이용해 Si (silicon) (100)기판위에 박막형태로 증착하였고, 이후 furnace에서 질소분위기로 온도(400, 450, $500^{\circ}C$)를 달리하여 20분 열처리를 하였다. 또한 Weibull distribution을 이용해 박막의 characteristic value를 계산하였으며, 실험결과 열처리 온도가 $400^{\circ}C$에서 $500^{\circ}C$로 증가함에 따라 경도와 탄성계수는 7.4 GPa에서 10.65 GPa으로 120.25 GPa에서 137.95 GPa으로 각각 증가하였다. 이는 재료적 측면으로 재료의 구조적 우수성이 증가된 것으로 판단된다.