초록 ▼

실리콘 집적회로는 약 반세기동안 소자의 크기를 축소하여 단위 면적당 집적도를 지수함수적으로 향상시킴으로서 정보통신 혁명의 주역을 담당하여 왔다. 상기한 바와 같이 이러한 실리콘 집적 기술은 현재 한계에 봉착해 있다. 실리콘 칩을 구성하기 위한 제작 공정을 전공정과 후공정으로 나눌 때, 집적의 한계를 야기시키는 중요 병목 기술은 전공정에서 단위 전자소자, 즉 트랜지스터의 축소화 기술이며, 후공정에서는 배선상의 신호 지연 문제이다. 본 과제에서는 이 두 가지 병목 분야를 타파할 수 있는 신기술로서 기존의 MOSFET(Metal-Oxid

실리콘 집적회로는 약 반세기동안 소자의 크기를 축소하여 단위 면적당 집적도를 지수함수적으로 향상시킴으로서 정보통신 혁명의 주역을 담당하여 왔다. 상기한 바와 같이 이러한 실리콘 집적 기술은 현재 한계에 봉착해 있다. 실리콘 칩을 구성하기 위한 제작 공정을 전공정과 후공정으로 나눌 때, 집적의 한계를 야기시키는 중요 병목 기술은 전공정에서 단위 전자소자, 즉 트랜지스터의 축소화 기술이며, 후공정에서는 배선상의 신호 지연 문제이다. 본 과제에서는 이 두 가지 병목 분야를 타파할 수 있는 신기술로서 기존의 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)을 대체하여 10nm급의 크기까지 축소화가 가능한 쇼트키 트랜지스터 기술과 전기배선을 광배선으로 대체하는 데 필수적인 실리콘 광원 기술 개발을 목표로 하였다.
쇼트키 트랜지스터(SB-MOSFET: Schottky barrier MOSFET)는 기존 MOSFET과는 달리 소스와 드레인 전극을 금속으로 대체함으로서 채널을 통한 누설 전류를 제어하는 신소자 구도이다. 따라서 신소자 구조에 적합한 소자 특성 시뮬레이션 연구 및 실리콘/금속 계면의 쇼트키 장벽 제어를 위한 물리화학적/전기적 특성 연구를 실리사이드 단위 공정 확보와 함께 선행적으로 수행하였다. 이를 바탕으로 소자 설계 및 단위 공정, 그리고 공정 통합 연구를 수행하였고, 제작된 소자의 전기적 특성을 측정하여 소자의 중요 파라미터를 추출 분석 평가하였다.
실리콘은 재료의 특성상 전기적으로 광을 생성할 수 없다. 그러나 실리콘을 나노입자 혹은 나노점으로 만들어 전기를 주입하면 사정은 달라진다. 나노크기의 공간에서의 양자구속효과가 발현하기 때문인데 이를 활용하고자 본 과제에서는 실리콘 나노점의 생성 공정 확보 및 나노점의 물리적/전기적/광적 특성 연구를 선행적으로 수행하였다. 이를 바탕으로 LED (Light Emitting Diode) 소자 설계 및 도핑층, 활성층, 투명전극층 등의 단위 공정 및 공정 통합 연구를 수행하였고, 광 추출 또는 전광 효율을 향상시키기 위한 연구 및 광원의 어레이 제작 기술을 개발하였다.

Abstract ▼

● Silicon nanoscale device research
- Schottky barrier MOSFET technology
- Device simulation technology
- Silicide/silicon interface technology
● Silicon light emitting device research
- Device research of Silicon LED
- Silicon nano-dot fabrication
- Material research for transp

● Silicon nanoscale device research
- Schottky barrier MOSFET technology
- Device simulation technology
- Silicide/silicon interface technology
● Silicon light emitting device research
- Device research of Silicon LED
- Silicon nano-dot fabrication
- Material research for transparent doped layer and electrode layer

목차 Contents

• 표지 ...1
• 인사말씀 ...3
• 제출문 ...4
• 요약문 ...5
• SUMMARY ...8
• CONTENTS ...10
• 목차 ...12
• 제 1 장 서 론 ...15
• 제 1 절 연구 개발 과제의 개요 ...15
• 제 2 절 연구 개발 과제의 중요성 ...16
• 제 3 절 연구 개발 과제 수행 결과 기대 효과 ...19
• 1. 기술적 측면의 기대 효과 ...19
• 2. 경제 사회적 측면의 기대 효과 ...21
• 제 4 절 기술 현황 및 접근 방법 ...23
• 1. 관련 기술의 현황 ...23
• 가. SB MOSFET 기술 현황 ...23
• 나. 실리콘 전광소자 기술 현황 ...24
• 2. 연구 접근 방법 ...25
• 제 2 장 쇼트키 장벽 트랜지스터(SB-MOSFET) 기술 ...29
• 제 1 절 SB-MOSFET 소자 모델링 및 기본 제작 공정(1차년도) ...29
• 1. Schottky MOSFET 소자 모델링 ...29
• 2. SB-MOSFET의 기본 소자 제작 및 동작 특성 ...32
• 제 2 절 SB-MOSFET 소자의 전하 수송 규명(2차년도) ...34
• 1. 50nm 게이트 길이의 n형 SB-MOSFET ...34
• 가. 제작 공정 ...34
• 나. 소자 특성 및 모델 파라미터의 추출 ...35
• 2. DIBT(Drain-Induced Barrier Lowering) 현상 규명 ...36
• 3. 누설전류 분석 및 전자/정공의 이중적 전하주입 특성 규명 ...38
• 제 3 절 SB-MOSFET의 소형화에 따른 전기적 특성 분석(3차년도) ...40
• 1. 쇼트키 다이오드 접합계면 평가 및 제어 ...40
• 가. Pt-silicide 다이오드 ...40
• 나. Er-silicide 다이오드 ...40
• 다. 접합계면 평가 기술 개발 ...40
• 라. 접합계면 제어 기술 개발 ...42
• 2. 장채널 n/p형 SB-MOSFETs 특성 ...43
• 3. 단채널 n/p형 SB-MOSFETs 특성 ...44
• 가. 게이트 길이 35nm까지의 단채널 n형 SB-MOSFETs ...44
• 나. 게이트 길이 100nm의 단채널 p형 SB-MOSFETs ...46
• 4. 소자 소형화에 따른 DIBL 특성 분석 ...47
• 제 4 절 포화전류 향상을 위한 쇼트키 접합의 장벽 제어 기술(4차년도) ...49
• 1. 소자 소형화에 따른 포화전류 특성 ...49
• 2. 쇼트키 접합계면 장벽 제어 기술 ...50
• 가. 쇼트키 접합계면 모델링 및 분석 ...50
• 나. 실리콘 표면처리에 따른 쇼트키 장벽 변화 ...52
• 다. 실리사이드 물질에 따른 쇼트키 장벽 변화 ...53
• 라. 기판에 따른 쇼트키 장벽 변화 ...54
• 마. Sulfur implantation에 의한 쇼트키 장벽 변화 ...55
• 3. 금속 게이트 특성 연구 ...56
• 가. Pt-Er 이중 금속(bi-metal) 게이트 ...56
• 나. Er-실리사이드(FUSI) 금속 게이트 ...58
• 4. 단채널 SB-MOSFET 제작 및 평가 ...59
• 가. Underlap 제거에 의한 포화전류 증가 가능성 평가 ...59
• 나. 게이트 길이 20nm n/p형 SB-MOSFETs 제작 및 특성 평가 ...60
• 제 5 절 게이트 길이 7nm의 SB-MOSFET 기술 개발(5차년도) ...65
• 1. 금속 게이트 및 절연막 적용 연구 ...65
• 가. HfO2 위에 형성된 Pt-Er 금속 게이트 ...65
• 나. SiO2 위에 형성된 Er 금속 게이트 ...68
• 다. 절연막 특성 연구 ...73
• 2. 쇼트키 다이오드 특성 연구 ...76
• 가. p형 bulk-Si 위에 제작된 쇼트키 다이오드 ...77
• 나. p-type SOI 위에 제작된 쇼트키 다이오드 ...79
• 다. n형 bulk-Si 위에 제작된 쇼트키 다이오드 ...80
• 라. n형 SOI 위에 제작된 쇼트키 다이오드 ...81
• 마. Strained-Si 위에 제작된 쇼트키 다이오드 ...83
• 바. 수평형 다이오드의 쇼트키 장벽높이 추출(Thermionic-field emission model) ...85
• 3. 접합 계면의 Fermi-level pinning 현상 연구 ...87
• 4. 포화전류 향상을 위한 쇼트키 장벽 높이 조절 ...90
• 5. 단채널 p형 SB-MOSFET 특성 ...92
• 6. 단채널 n형 SB-MOSFET 특성 ...96
• 가. 게이트 길이 20nm 소자 특성 ...96
• 나. 게이트 길이 10nm 소자 특성 ...97
• 다. 게이트 길이 7nm 소자 특성 ...98
• 라. SB-MOSFET의 단채널 효과 ...100
• 제 3 장 실리콘 나노점 발광 소자(Si-LED) 기술 ...103
• 제 1 절 실리콘 나노점 형성 기술(1차년도) ...103
• 1. 펄스 레이저 증착법에 의한 실리콘 나노점 박막 제작 ...103
• 2. PECVD 방식에 의한 실리콘 나노점 박막 제작 ...104
• 가. SRSO(Silicon-Rich Silicon Oxide) 박막 성장 공정 ...104
• 나. SRSN(Silicon-Rich Silicon Nitride) 박막 성장 공정 ...104
• 다. 열처리 전후 박막의 PL 특성 분석 ...105
• 제 2 절 실리콘 나노점 제어 기술(2차년도) ...107
• 1. PECVD 공정에 의한 실리콘 나노점 형성 및 크기 조절 ...107
• 2. 실리콘 나노점 LED 제작 ...108
• 제 3 절 실리콘 나노점 LED 제작(3차년도) ...110
• 1. 암모니아 가스를 이용한 실리콘 양자점 형성 및 발광 효율 향상 ...110
• 2. SiCN 투명 도핑층 ...111
• 가. SiCN 박막의 도핑 공정 ...111
• 나. SiCN 투명 도핑층을 이용한 고효율 Si-LED 제작 ...112
• 3. 실리콘 발광 소자에 적용 가능한 SiON 계열 DBR 설계 및 제작 ...115
• 4. 실리콘 발광 소자의 광추출 특성 향상을 위한 표면 형상 조절 ...117
• 제 4 절 실리콘 나노점 LED 기술(4차년도) ...119
• 1. Si-LED용 투명 전극층 기술 ...119
• 가. 펄스 레이저 증착법을 이용한 대면적 ITO 박막 공정 최적화 ...119
• 나. 고효율 Si-LED용 금속 나노 박막 전극 개발 ...120
• 다. 니켈 실리사이드 투명 전극 개발 ...121
• 2. 투명 도핑층의 밴드갭 조절 및 도핑 공정 최적화 ...123
• 가. SiCN 투명 도핑층의 밴드갭 조절 ...123
• 나. SiC 투명 도핑층의 도핑 공정 최적화 ...125
• 다. Si-LED를 위한 ICP 식각 공정 최적화 ...125
• 3. 고효율 Si-LED를 위한 소자 기술 연구 ...127
• 가. DBR 공진기 설계 및 제작 ...127
• 나. 광추출 향상용 표면 구조물을 가지는 Si-LED 설계 및 제작 ...128
• 다. 광자 결정 Si-LED 설계 및 제작 ...132
• 제 5 절 고효율 실리콘 나노점 LED 기술 및 마이크로 어레이 제작(5차년도) ...134
• 1. 고효율 Si-LED를 위한 열처리 공정 기술 ...134
• 가. SiCN 박막의 도핑 공정 및 Si-LED에의 적용 ...134
• 나. Flash annealing 공정에 의한 SiC 박막 도핑 활성화 연구 ...138
• 다. Flash annealing 공정에 의한 SiCN 박막 도핑 활성화 연구 ...140
• 라. Flash annealing 공정을 사용하여 제작한 Si-LED 소자의 특성 ...142
• 마. Laser annealing 공정 기술 ...145
• 2. 외부양자효율 향상을 위한 Si-LED 소자 기술 ...147
• 가. Undoped SiC 스페이서 구조를 적용한 Si-LED ...147
• 나. 광결정 도입을 통한 Si-LED의 광추출 효율 향상에 대한 연구 ...150
• 다. 반사층 도입을 통한 Si-LED의 광추출 효율 향상에 대한 연구 ...155
• 라. 반사층 구조를 도입한 Si-LED의 제작 및 광학적 및 전기적 특성 ...159
• 3. 실리콘 마이크로 LED 어레이 제작 기술 ...165
• 제 4 장 연구 성과 실적 리스트 ...168
• 1. 국내 특허 ...169
• 2. 국제 특허 ...172
• 3. 비 SCI 논문 ...175
• 4. SCI 논문 ...176
• 5. 국제학술대회 발표 ...182
• 6. 국내학술대회 발표 ...187
• 7. 주요 논문 모음 ...191
• 가. SB-MOSFET 관련 논문 ...191
• 나. Si-LED 관련 논문 ...191
• 제 5 장 맺 음 말 ...192