• Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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• v.48 no.12
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• pp.8-14
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• 2011

The optimal geometry of the gate field plate in AlGaN/GaN-on-Si HEMT has been proposed using two-dimensional device simulation to achieve a high breakdown voltage for a given gate-to-drain distance. It was found that the breakdown voltage was drastically enhanced due to the reduced electric field at the gate corner when a gate field plate was employed. The electric field distribution at the gate corner and the field plate edge was investigated as functions of field plate length and insulator thickness. According to the simulation results, the electric field at the gate corner can be successfully reduced even with the field plate length of 1 ${\mu}m$. On the other hand, when the field plate length is too long, the distance between field plate and drain electrode is reduced below a critical level, which eventually lowers the breakdown voltage. The highest breakdown voltage was achieved with the field plate length of 1 ${\mu}m$. According to the simulation results varying the $SiN_x$ film thickness for the fixed field plate length of 1 ${\mu}m$, the optimum thickness range of the $SiN_x$ film was 200 - 300 nm where the electric field strength at the field plate edge counterbalances that of the gate corner.

• Proceedings of the KIEE Conference
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• 1998.11c
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• pp.737-739
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• 1998

Gate insulators using various fluoride films were investigated for thin film transistor applications. Conventional oxide containing materials exhibited high interface states, high $D_{it}$ gives an increased threshold voltage and poor stability of TFT. To improve TFT performances, we must reduce interface trap charge density between Si and gate insulator. In this paper, we investigated gate insulators such as such as $CaF_2$, $SrF_2$, $MgF_2$ and $BaF_2$. These materials exhibited an improvement in lattice mismatch, difference in thermal expansion coefficient, and electrical stability MIM and MIS devices were employed for an electrical characterization and structural property examination. Among the various fluoride materials, $CaF_2$ film showed an excellent lattice mismatch of 0.737%, breakdown electric field higher than 1.7MV/cm and leakage current density of $10^{-6}A/cm^2$. This paper probes a possibility of new gate insulator material for TFT application.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.1 no.3
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• pp.125-131
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• 1991

Boron penetration phenomenon of $p^{+}$ silicon gate with as-deposited amorphous or polycrystalline Si upon high temperature annealing was investigated using high frequency C-V (Capacitance-Volt-age) analysis, CCST(Constant Current Stress Test), TEM(Transmission Electron Microscopy) and SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy), C-V analysis showed that an as-deposited amorphous Si gate resulted in smaller positive shifts in flatband voltage compared wish a polycrystalline Si gate, thus giving 60-80 percent higher charge-to-breakdown of gate oxides. The reduced boron penetration of amorphous Si gate may be attributed to the fewer grain boundaries available for boron diffusion into the gate oxide and the shallower projected range of $BF_2$ implantation. The relation between electron trapping rate and flatband voltage shift was also discussed.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.48 no.6
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• pp.737-740
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• 2010

High leakage current and threshold voltage shift(${\Delta}Vth$) are demerits of a-Si:H TFT. These characteristics are influenced by gate insulator and active layer film quality, surface roughness, and process conditions. The purpose of this investigation is to improve off current($I_{off}$) and ${\Delta}V_{th}$ characteristics. Nitrogen-rich deposition condition was applied to gate insulator, and hydrogen-rich deposition condition was applied to active layer to reduce electron trap site and improve film density. $I_{off}$ improved from 1.01 pA to 0.18 pA at $65^{\circ}C$, and ${\Delta}V_{th}$ improved from -1.89 V to 1.22 V.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.24 no.9
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• pp.713-717
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• 2011

This paper was carried out design of 600 V GaN power MOSFET Modeling. We decided trench gate type one for design. we carried out device and process simulation with T-CAD tools. and then, we have extracted optimal device and process parameters for fabrication. we have analysis electrical characteristics after simulations. As results, we obtained 600 V breankdown voltage and $0.4\;m{\Omega}cm^2ultra$ low on resistance. At the same time, we carried out field ring simulation for obtaining high voltage.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.288-288
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• 2011

최근 Charge Trap Flash (CTF) Non-Volatile Memory (NVM) 소자가 30 nm node 이하로 보고 되면서, 고집적화 플래시 메모리 소자로 각광 받고 있다. 기존의 CTF NVM 소자의 tunnel layer로 쓰이는 SiO2는 성장의 용이성과 Si 기판과의 계면특성, 낮은 누설전류와 같은 장점을 지니고 있다. 하지만 단일층의 SiO2를 tunnel layer로 사용하는 기존의 Non-Valatile Memory (NVM)는 두께가 5 nm 이하에서 direct tunneling과 Stress Induced Leakage Current (SILC) 등의 효과로 인해 게이트 누설 전류가 증가하여 메모리 보존특성의 감소와 같은 신뢰성 저하에 문제점을 지니고 있다. 이를 극복하기 위한 방안으로, 최근 CTF NVM 소자의 Tunnel Barrier Engineered (TBE) 기술이 많이 접목되고 있는 상황이다. TBE 기술은 SiO2 단일층 대신에 서로 다른 유전율을 가지는 절연막을 적층시킴으로서 전계에 대한 민감도를 높여 메모리 소자의 쓰기/지우기 동작 특성과 보존특성을 동시에 개선하는 방법이다. 또한 터널링 절연막으로 유전률이 큰 High-K 물질을 이용하면 물리적인 두께를 증가시킴으로서 누설 전류를 줄이고, 단위 면적당 gate capacitance값을 늘릴 수 있어 메모리 소자의 동작 특성을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 CTF NVM 소자의 trap layer로 쓰이는 HfO2의 두께를 5 nm, blocking layer의 역할을 하는 Al2O3의 두께를 12 nm로 하고, tunnel layer로 Si3N4막 위에 유전율과 Energy BandGap이 유사한 HfAlO와 ZrO2를 적층하여 Program/Erase Speed, Retention, Endurance를 측정을 통해 메모리 소자로서의 특성을 비교 분석하였다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.18 no.2
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• pp.120-124
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• 2005

In this work, MOS capacitors were used to study the electrical properties of Mo gate electrode deposited on ZrO$_2$. The workfunctions of Mo gate extracted from C-V curves were appropriate for PMOS. Thermal stability of Mo metal was investigated by analyzing the variations of workfunction and EOT(effective oxide thickness) after 600, 700, and 800 $^{\circ}C$ RTA(rapid thermal annealing). It was found that Mo gate was stable up to 800 $^{\circ}C$ with underlying ZrO$_2$. The resistivities of Mo were 35$\mu$Ω$.$cm∼ 75$\mu$Ω$.$cm. These values are lower than those of heavily doped polysilicon. Based on these measurements, it can be concluded that Mo metal gate with ZrO$_2$ gate insulator is an excellent gate material for PMOS.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.21 no.1
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• pp.1-4
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• 2008

The electrical characteristics of polycrystalline silicon (poly-Si) thin film transistor (TFT) crystallized by excimer laser annealing (ELA) method were evaluated, The polycrystalline silicon thin-film transistor (poly-Si TFT) has higher electric field-effect-mobility and larger drivability than the amorphous silicon TFT. However, to poly-Si TFT's using conventional processes, the temperature must be very high. For this reason, an amorphous silicon film on a buried oxide was crystallized by annealing with a KrF excimer laser (248 nm)to fabricate a poly-Si film at low temperature. Then, High permittivity $HfO_2$ of 20 nm as the gate-insulator was deposited by atomic layer deposition (ALD) to low temperature process. In addition, the solid phase crystallization (SPC) was compared to the ELA method as a crystallization technique of amorphous-silicon film. As a result, the crystallinity and surface roughness of poly-Si crystallized by ELA method was superior to the SPC method. Also, we obtained excellent device characteristics from the Poly-Si TFT fabricated by the ELA crystallization method.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.406-406
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• 2010

일반적으로, 나노스케일의 MOS 소자에서는 게이트 절연체 두께가 감소함에 따라 tunneling effect의 증가로 인해 PID (plasma induced damage)로 인한 소자 특성 저하 현상을 감소하는 추세로 알려져 있다. 하지만 요즘 많이 사용되고 있는 high-k 게이트 절연체의 경우에는 오히려 더 많은 charge들이 trapping 되면서 PID가 오히려 더 심각해지는 현상이 나타나고 있다. 이러한 high-k 게이트 식각 시 현재는 주로 Hf-based wet etch나 dry etch가 사용되고 있지만 gate edge 영역에서 high-k 게이트 절연체의 undercut 현상이나 PID에 의한 소자특성 저하가 보고되고 있다. 본 연구에서는 이에 차세대 MOS 소자의 gate stack 구조중 issue화 되고 있는 metal gate 층과 gate dielectric 층의 식각공정에 각각 중성빔 식각과 중성빔 원자층 식각을 적용하여 전기적 손상 없이 원자레벨의 정확한 식각 조절을 해줄 수 있는 새로운 two step 식각 공정에 대한 연구를 진행하였다. 먼저 TiN metal gate 층의 식각을 위해 HBr과 $Cl_2$ 혼합가스를 사용한 중성빔 식각기술을 적용하여 100 eV 이하의 에너지 조건에서 하부층인 $HfO_2$와 거의 무한대의 식각 선택비를 얻었다. 하지만 100 eV 조건에서는 낮은 에너지에 의한 빔 스케터링으로 실제 패턴 식각시 etch foot이 발생되는 현상이 관찰되었으며, 이를 해결하기 위하여 먼저 높은 에너지로 식각을 진행하고 $HfO_2$와의 계면 근처에서 100 eV로 식각을 해주는 two step 방법을 사용하였다. 그 결과 anistropic 하고 하부층에 etch stop된 식각 형상을 관찰할 수 있었다. 다음으로 3.5nm의 매우 얇은 $HfO_2$ gate dielectric 층의 정확한 식각 깊이 조절을 위해 $BCl_3$와 Ar 가스를 이용한 중성빔 원자층 식각기술을 적용하여 $1.2\;{\AA}$/cycle의 단일막 식각 조건을 확립하고 약 30 cycle 공정시 3.5nm 두께의 $HfO_2$ 층이 완벽히 제거됨을 관찰할 수 있었다. 뿐만 아니라, vertical 한 식각 형상 및 향상된 표면 roughness를 transmission electron microscope(TEM)과 atomic force microscope (AFM)으로 관찰할 수 있었다. 이러한 중성빔 식각과 중성빔 원자층 식각기술이 결합된 새로운 gate recess 공정을 실제 MOSFET 소자에 적용하여 기존 식각 방법으로 제작된 소자 결과를 비교해 본 결과 gate leakage current가 약 one order 정도 개선되었음을 확인할 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Crystallographic Association Conference
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• 2002.11a
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• pp.45-47
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• 2002

반도체 소자의 고집적화 및 고속화가 요구됨에 따라 MOSFET 구조의 게이트 절연막으로 사용되고 있는 SiO₂ 박막의 두께를 감소시키려는 노력이 이루어지고 있다. 0.1㎛ 이하의 소자를 위해서는 15Å 이하의 두께를 갖는 SiO₂가 요구된다. 하지만 두께감소는 절연체의 두께와 지수적인 관계가 있는 누설전류를 증가시킨다[1-3]. 따라서 같은 게이트 개패시턴스를 유지하면서 누설전류를 감소시키기 위해서는 높은 유전상수를 갖는 두꺼운 박막이 요구되는 것이다. 그러므로 약 25정도의 높은 유전상수를 갖고 5.2～7.8 eV 정도의 비교적 높은 bandgap을 갖으며, 실리콘과 열역학적으로 안정한 물질로 알려진 HfO2[4-5]가 최근 큰 관심을 끌고 있다. 본 연구에서는 HfO₂ 박막을 실제 소자에 적용하기 위하여 전극 및 열처리에 따른 HfO₂ 박막의 미세구조 및 전기적 특성에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해, HfO₂ 박막을 reactive DC magnetron sputtering 방법으로 증착하고, XRD, TEM, XPS를 사용하여 ZrO₂ 박막의 미세구조를 관찰하였으며, MOS 캐패시터 구조의 C-V 및 I-V 특성을 측정하여 HfO₂ 박막의 전기적 특성을 관찰하였다. HfO₂ 타겟을 스퍼터링하면 Ar 스퍼터링에 의해 에너지를 가진 산소가 기판에 스퍼터링되어 Si 기판과 반응하기 때문에 HfO₂ 박막 형성과 더불어 Si 기판이 산화된다[6]. 그래서 HfO₂같은 금속 산화물 타겟 대신에 순수 금속인 Hf 타겟을 사용하고 반응성 기체로 O₂를 유입시켜 타겟이나 시편위에서 high-k 산화물을 만들면 SiO/sub X/ 계면층을 제어할 수 있다. 이때 저유전율을 갖는 계면층은 증착과 열처리 과정에서 형성되고 특히 500℃ 이상에서 high-k/Si를 열처리하면 계면 SiO₂층은 증가하는 데, 이것은 산소가 HfO₂의 high-k 박막층을 뚫고 확산하여 Si 기판을 급속히 산화시키기 때문이다. 본 방법은 증착에 앞서 Si 표면을 희석된 HF를 이용해 자연 산화막과 오염원을 제거한 후 Hf 금속층과 HfO₂ 박막을 직류 스퍼터링으로 증착하였다. 우선 Hf 긍속층이 Ar 가스 만의 분위기에서 증착되고 난 후 공기중에 노출되지 않고 연속으로 Ar/O₂ 가스 혼합 분위기에서 반응 스퍼터링 방법으로 HfO₂를 형성하였다. 일반적으로 Si 기판의 표면 위에 자연적으로 생기는 비정질 자연 산화막의 두께는 10～15Å이다. 그러나 Hf을 증착한 후 단면 TEM으로 HfO₂/Si 계면을 관찰하면 자연 산화막이 Hf 환원으로 제거되기 때문에 비정질 SiO₂ 층은 관찰되지 않았다. 본 실험에서는 HfO2의 두께를 고정하고 Hf층의 두께를 변수로 한 게이트 stack의 물리적 특성을 살펴보았다. 선증착되는 Hf 금속층을 0, 10, 25Å의 두께 (TEM 기준으로 한 실제 물리적 두께) 로 증착시키고 미세구조를 관찰하였다. Fig. 1(a)에서 볼 수 있듯이 Hf 금속층의 두께가 0Å일때 13Å의 HfO₂를 반응성 스퍼터링 방법으로 증착하면 HfO₂와 Si 기판 사이에는 25Å의 계면층이 생기며, 이것은 Ar/O₂의 혼합 분위기에서의 스퍼터링으로 인한 Si-rich 산화막 또는 SiO₂ 박막일 것이다. Hf 금속층의 두께를 증가시키면 계면층의 성장은 억제되는데 25Å의 Hf 금속을 증착시키면 HfO₂ 계면층은 10Å미만으로 관찰된다. 그러므로 Hf 금속층이 충분히 얇으면 플라즈마내 산소 라디칼, 이온, 그리고 분자가 HfO₂ 층을 뚫고 Si 기판으로 확산되어 SiO₂의 계면층을 성장시키고 Hf 금속층이 두꺼우면 SiO/sub X/ 계면층을 환원시키면서 Si 기판으로의 산소의 확산은 막기 때문에 계면층의 성장은 억제된다. 따라서 HfO₂/Hf(Variable)/Si 계에서 HfO₂ 박막이 Si 기판위에 직접 증착되면, 순수 HfO₂ 박막의 두께보다 높은 CET값을 보이고 Hf 금속층의 두께를 증가시키면 CET는 급격하게 감소한다. 그러므로 HfO₂/Hf 박막의 유효 유전율은 단순 반응성 스퍼터링에 의해 형성된 HfO₂ 박막의 유전율보다 크다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 Hf 금속층이 너무 얇으면 계면층의 두께가 두꺼워 지고 Hf 금속층이 두꺼우면 HfO₂층의 물리적 두께가 두꺼워지므로 CET나 EOT 곡선은 U자 형태를 그린다. Fig. 3에서 Hf 10초 (THf=25Å) 에서 정전 용량이 최대가 되고 CET가 20Å 이상일 때는 high-k 두께를 제어해야 하지만 20Å 미만의 두께를 유지하려면 계면층의 두께를 제어해야 한다.