• 전기전자학회논문지
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• 제22권2호
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• pp.488-490
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• 2018

본 연구에서는 급격한 스위칭 특성을 달성하기 위해 싱글단일-게이트 실리콘 채널에서 전하 캐리어의 양의 피드백을 이용하는 새롭게 설계된 피드백 전계 효과 트랜지스터를 제안한다. 에너지 밴드 다이어그램, I-V 특성, 문턱전압 기울기 및 on/off 전류 비는 TCAD 시뮬레이터를 이용하여 분석한다. 피드백 전계 효과 트랜지스터의 중요한 특징 중 하나인 히스테리시스의 특성을 보기 위해 게이트 절연막 물질과 게이트 전극물질을 변경하여 시뮬레이션을 진행했다. 이러한 특성변화는 피드백 전계효과 트랜지스터의 문턱전압 ($V_{TH}$)을 변화시켰고, 메모리 윈도우 폭이 작아지는 현상을 보였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.264-264
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• 2016

최근에 charge trap flash (CTF) 기술은 절연막에 전하를 트랩과 디트랩 시킬 때 인접한 셀 간의 간섭현상을 최소화하여 오동작을 줄일 수 있으며 낸드 플래시 메모리 소자에 적용되고 있다. 낸드 플래시 메모리는 고집적화, 대용량화와 비휘발성 등의 장점으로 인해 핸드폰, USB, MP3와 컴퓨터 등에 이용되고 있다. 기존의 실리콘 기반의 플래시 메모리 소자는 좁은 밴드갭으로 인해 투명하지 않고 고온에서의 공정이 요구되는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위해 실리콘의 대체 물질로 산화물 반도체 기반의 플래시 메모리 소자들이 연구되고 있다. 산화물 반도체 기반의 플래시 메모리 소자는 넓은 밴드갭으로 인한 투명성을 가지고 있으며 저온에서 공정이 가능하여 투명하고 유연한 기판에 적용이 가능하다. 다양한 산화물 반도체 중에서 비정질 In-Ga-Zn-O (a-IGZO)는 비정질임에도 불구하고 우수한 전기적인 특성과 화학적 안정성을 갖기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 플래시 메모리의 고집적화가 요구되면서 절연막에 high-k 물질을 atomic layer deposition (ALD) 방법으로 적용하고 있다. ALD 방법을 이용하면 우수한 계면 흡착력과 균일도를 가지는 박막을 정확한 두께로 형성할 수 있는 장점이 있다. 또한, high-k 물질을 절연막에 적용하면 높은 유전율로 인해 equivalent oxide thickness (EOT)를 줄일 수 있다. 특히, HfOx와 AlOx가 각각 trap layer와 blocking layer로 적용되면 program/erase 동작 속도를 증가시킬 수 있으며 넓은 밴드갭으로 인해 전하손실을 크게 줄일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 ALD 방법으로 AlOx와 HfOx를 게이트 절연막으로 적용한 a-IGZO 기반의 thin-film transistor (TFT) 플래시 메모리 소자를 제작하여 메모리 특성을 평가하였다. 제작 방법으로는, p-Si 기판 위에 열성장을 통한 100 nm 두께의 SiO2를 형성한 뒤, 채널 형성을 위해 RF sputter를 이용하여 70 nm 두께의 a-IGZO를 증착하였다. 이후에 소스와 드레인 전극에는 150 nm 두께의 In-Sn-O (ITO)를 RF sputter를 이용하여 증착하였고, ALD 방법을 이용하여 tunnel layer에 AlOx 5 nm, trap layer에 HfOx 20 nm, blocking layer에 AlOx 30 nm를 증착하였다. 최종적으로, 상부 게이트 전극을 형성하기 위해 electron beam evaporator를 이용하여 platinum (Pt) 150 nm를 증착하였고, 계면 결함을 최소화하기 위해 퍼니스에서 질소 가스 분위기, $400^{\circ}C$, 30 분의 조건으로 열처리를 했다. 측정 결과, 103 번의 program/erase를 반복한 endurance와 104 초 동안의 retention 측정으로부터 큰 열화 없이 메모리 특성이 유지되는 것을 확인하였다. 결과적으로, high-k 물질과 산화물 반도체는 고성능과 고집적화가 요구되는 향후 플래시 메모리의 핵심적인 물질이 될 것으로 기대된다.

• 한국진공학회지
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• 제19권1호
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• pp.14-21
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• 2010

Ge은 Si에 비하여 높은 이동도를 갖기 때문에 차세대 고속 metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) 소자를 위한 channel 물질로서 각광받고 있다. 그러나 화학적으로 안정한 게이트 산화막의 부재는 MOS 소자에 Ge channel의 사용에 주요한 장애가 되어왔다. 특히, Ge 기판 위에 고품질의 계면 특성을 갖는 게이트 절연막의 제조는 필수 요구사항이다. 본 연구에서, $HfO_xN_y$ 박막은 Ge 기판 위에 플라즈마 원자층 증착법(plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD)을 이용하여 증착되었다. 플라즈마 원자층 증착공정 동안에 질소는 질소, 산소 혼합 플라즈마를 이용한 in situ 질화법에 의하여 첨가되었다. 산소 플라즈마에 대한 질소 플라즈마의 첨가로 성분비를 조절함으로써 전기적 특성과 계면 성질을 향상시키는데 초점을 맞추어서 연구를 진행하였다. 질소 산소의 비가 1：1이었을 때, EOT의 값의 10% 감소를 갖는 고품질의 소자특성을 보여주었다. X-ray photoemission spectroscopy (XPS)와 high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM)를 사용하여 박막의 화학적 결합 구조와 미세구조를 분석하였다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제40권10호
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• pp.24-31
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• 2003

Super-steep retrograded channel (SSR)을 갖는 bulk MOSFET, fully-depleted SOI, double-gate MOSFET 구조에 대하여 단채널 효과를 비교 분석하였다. Evanescent-mode를 이용하여, 각 소자 구조에 대한 characteristics scaling-length (λ)를 추출할 수 있는 수식을 유도하고 추출된 λ의 정확도를 소자 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다. 70 nm CMOS 기술에 사용 가능하도록 단채널 효과를 효과적으로 제어하기 위해서는 최소 게이트 길이가 5λ 이상이어야 하며 SSR 소자의 공핍층 두께는 약 30 nm 정도로 스케일링되어야 한다. High-κ 절연막은 equivalent SiO2 두께를 매우 작게 유지하지 않을 경우 절연막을 통한 드레인 전계의 침투 때문에 소자를 스케일링하는데 제한을 갖는다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제44권11호
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• pp.15-19
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• 2007

OTFTs (Organic Thin Film Transistors)의 구동에 있어, 게이트 절연막 표면과 채널의 계면상태가 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 미치게 된다. OTS(Octadecyltrichlorosilane)등과 같은 습식 SAM(Self Assembly Monolayer)를 이용하거나, $O_2$ Plasma와 같은 건식 표면 처리등 여러 표면 처리법에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 pentacene을 진공 증착하기 전에 게이트 절연막을 $O_2$ plasma와 Ar ion beam을 이용하여 건식법으로 전처리 한 후 표면 특성을 atomic force microscope (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)를 사용하여 비교 분석하였고, 각 조건으로 OTFT를 제작하여 전기적 특성을 확인하였다. Ar ion beam으로 표면처리 했을 때, $O_2$ plasma처리했을 때 보다 향상된 on/off ratio 전기적 특성을 얻을 수 있었다. 표면 세정을 위하여 $O_2$ plasma 처리시 $SiO_2$ 표면의 OH-기와 반응하여 oxide trap density가 높아지게 되고 이로 인하여 off current가 증가하는 문제가 발생한다. 불활성 가스인 Ar ion beam 처리를 할 경우 게이트 절연막의 세정 효과는 유지하면서, $O_2$ Plasma 처리했을 때 증가하게 되는 계면 trap을 억제할 수 있게 되어, mobility 특성은 동등 수준으로 유지하면서 off current를 현저하게 줄일 수 있게 되어, 결과적으로 높은 on/off ratio를 구현할 수 있다는 것을 확인하였다.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2009년도 제40회 하계학술대회
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• pp.1334_1335
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• 2009

In this paper we have presented recent studies concerning the high performance oxide thin film transistor (TFT) with a-IGZO channel and $ZrO_2$ gate dielectrics. The a-IGZO TFT is fully fabricated at room-temperature without any thermal treatments. The $ZrO_2$ is one of the most promising high-k materials with high capacitance originated from the high dielectric constant. The a-IGZO TFT with $ZrO_2$ shows high performance exhibiting high field effect mobility of $39.82\;cm^2$/Vs and high on-current of 2.52 mA at 10V.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.142-142
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• 2012

최근 반도체 산업의 발전과 동시에 소자의 집적화에 따른 단채널 효과가 문제되고 있다. 채널 영역에 대한 게이트 영역의 제어능력이 떨어지면서 누설전류의 증가, 문턱전압의 변화가 발생하며, 이를 개선하기 위해 이중게이트 혹은 다중게이트 구조의 트랜지스터가 제안되었다. 하지만 채널길이가 수십나노미터 영역으로 줄어듦에 따라 소스/드레인과 채널간의 접합형성이 어렵고, 고온에서 열처리 과정을 거칠 경우 채널의 유효길이를 제어하기 힘들어진다. 최근에 제안된 Junctionless 트랜지스터의 경우, 소스/드레인과 채널간의 접합이 없기 때문에 접합형성 시 발생하는 공정상의 문제뿐만 아니라 누설전류영역을 개선하며, 기존의 CMOS 공정과 호환되는 이점이 있다. 한편, 집적화되는 반도체 기술에 따라, 동작 시 발생하는 스트레스가 소자의 신뢰성에 중요한 요인으로 작용하게 되며, 현재 Junctionless 트랜지스터의 신뢰성 특성에 관한 연구가 부족한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 Junctionless 트랜지스터의 NBTI 특성과 hot carrier effect에 의한 신뢰성 특성을 분석하였다. Junctionless 트랜지스터의 경우, 축적모드로 동작하기 때문에 스트레스에 의해 유기되는 캐리어의 에너지가 낮다. 그 결과, 반전모드로 동작하는 Junction type의 트랜지스터에 비해 스트레스에 의한 subthreshold swing 기울기의 열화와 문턱전압의 이동이 감소하였다. 또한 소스/드레인과 채널간의 접합이 없기 때문에 hot carrier effect에 의한 게이트 절연막 및 계면에서의 열화가 개선되었다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2008년도 하계학술대회 논문집 Vol.9
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• pp.15-15
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• 2008

산화물 반도체가 실리콘 기반의 기술을 대체할 새로운 기술로써 주목을 받기 시작하면서, 산화아연을 이용한 박막트랜지스터가 많은 주목을 받고 있다. 여기에 기존의 $SiO_2$를 대체할 새로운 High-k Material에 대한 연구 또한 진행되고 있는데, 이들의 가장 큰 문제점중 하나는 Interface Charge Trap이며, 그에 따른 결과로 히스테리시스 특성이 나타나게 되고, 이는 소자의 신뢰성에 큰 걸림돌이 되고 있다. 이번 연구에서는, High-k Material들 중의 하나인, $HfO_2$를 게이트 절연막으로 사용함에 있어서 Interface Charge Trap이 발생하는 문제를 해결하고자 하며, Low-k Material중에서 비교적 높은 유전상수를 갖는 $Al_2O_3$를 Buffer Layer로써 사용하여, 히스테리시스 특성을 향상 시켰다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2010년도 춘계학술발표대회
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• pp.6.1-6.1
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• 2010

원자층 증착 기술 (Atomic Layer Deposition)은 기판 표면에서 한 원자층의 화학적 흡착 및 탈착을 이용한 nano-scale 박막 증착 기술이기 때문에, 표면 반응제어가 우수하며 박막의 물리적 성질의 재현성이 우수하고, 대면적에서도 균일한 두께의 박막 형성이 가능하며 우수한 계단 도포성을 확보 할 수 있다. 최근 ALD에 의한 박막증착 방법 중 플라즈마를 이용한 ALD 증착 방법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 플라즈마는 반응성이 좋은 이온과 라디컬을 생성하여 소스간 반응성을 좋게 하여, 소스 선택의 폭을 넓어지게 하고, 박막의 성질을 좋게 하며, 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다. 그러나 플라즈마를 사용함으로써 플라즈마 내에 이온들이 가속되서 박막 증착 중에 기판 및 박막에 손상을 입혀 박막 특성을 열화 시킬 가능성이 있다. 따라서 플라즈마 발생 영역을 기판으로부터 멀리 떨어뜨린 원거리 플라즈마 원자층 공정이 개발 되었다. 이 기술은 플라즈마에서 생성된 ion이 기판이나 박막에 닫기 전에 전자와 재결합 되거나 공정 chamber에서 소멸하여 그 영향을 최소하고 반응성이 좋은 라디칼과의 반응만을 유도하여 향상된 막질을 얻을 수 있도록 하였다. 따라서 이 원거리 플라즈마 원자층 증착기술은 나노 테크놀러지 소자 개발하기 위한 나노 박막 기술에 있어서 그 활용이 점점 확대될 것이다. 그 적용으로써 리모트 플라즈마 원자층 증착 방법을 이용한 고유전 물질 개발이 있다. 반도체 소자의 고집적화 및 고속화가 요구됨에 따라 집적회로의 크기를 혁신적으로 축소하여 스위칭 속도(switching speed)를 증가시키고, 전력손실 (power dissipation)을 줄이려는 시도가 이루어지고 있다. 그 중 하나로 고유전율 절연막은 트렌지스터 소자의 스케일링 과정에 수반하여 커지는 게이트 누설 전류를 억제하기 위한 목적으로 도입되었다. 유전율이 크면 동일한 capacitance를 내는데 필요한 물리적인 두께를 늘릴 수 있어 전자의 tunneling을 억제할 수 있고 전력손실을 줄일 수 있기 때문이다. 이와 같은 고유전율 물질이 게이트 산화막으로 사용되기 위해서 높은 유전상수 열역학적 안정성, 낮은 계면 전하밀도, 낮은 EOT, 전극 물질과의 양립성 등의 특성이 요구되는데, 이에 따라 많은 유전물질에 대한 연구가 진행되었다. 기존 gata oxide를 대체하기 위한 가장 유력한 후보 재료로 주목 받고 있는 high-k 물질들로는 Al2O3, HfO2, ZrO2, La2O3 등이 있다. 본 발표에서는 ALD의 종류에 따른 기술을 소개하고 그 응용으로 고유전율 물질 개발 연구 (고유전율 산화물 박막의 증착, 고유전율 산화물의 열적 안정성 평가, Flatband 매카니즘 규명, 전기적 물리적 특성 분석)에 대해서 발표 하고자 한다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제48권6호
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• pp.1-6
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• 2011

투명 산화물 반도체 (Transparent Oxide-TFT)를 활성층과 소스/드레인, 게이트 전극층으로 동시에 사용한 비결정 indium zinc oxide (a-IZO), 절연층으로 co-sputtered $HfO_2-Al_2O_3$ (HfAIO)을 적용하여 실온에서 RF-magnetron 스퍼터 공정에 의해 제작하였다. TFT의 게이트 절연막으로써 $HfO_2$ 는 그 높은 유전상수( > 20)에도 불구하고 미세결정구조와 작은 에너지 밴드갭 (5.31eV) 으로 부터 기인한 거친계면특성, 높은 누설전류의 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는, 어떠한 추가적인 열처리 공정 없이 co-sputtering에 의해 $HfO_2$와 $Al_2O_3$를 동시에 증착함으로써 구조적, 전기적 특성이 TFT 의 절연막으로 더욱 적합하게 향상되어진 $HfO_2$ 박막의 변화를 x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometer (SE)를 통해 분석하였다. XRD 분석은 기존 $HfO_2$ 의 미세결정 구조가 $Al_2O_3$와의 co-sputter에 의해 비결정 구조로 변한 것을 확인 시켜 주었고, AFM 분석을 통해 $HfO_2$ 의 표면 거칠기를 비교할 수 있는 RMS 값이 2.979 nm 인 것에 반해 HfAIO의 경우 0.490 nm로 향상된 것을 확인하였다. 또한 SE 분석을 통해 $HfO_2$ 의 에너지 밴드 갭 5.17 eV 이 HfAIO 의 에너지 밴드 갭 5.42 eV 로 향상 되어진 것을 알 수 있었다. 자유 전자 농도와 그에 따른 비저항도를 적절하게 조절한 활성층/전극층 으로써의 IZO 물질과 게이트 절연층으로써 co-sputtered HfAIO를 적용하여 제작한 Oxide-TFT 의 전기적 특성은 이동도 $10cm^2/V{\cdot}s$이상, 문턱전압 2 V 이하, 전류점멸비 $10^5$ 이상, 최대 전류량 2 mA 이상을 보여주었다.