In this work, new mechanical switching device, with which can replace MOS transistor, was proposed. As MOS technology is approaching practical scaling limits, it is projected that conventional MOS transistor cannot be scaled beyond 0.05~0.07um in its minimum feature size because of well known semiconductor phenomena, such as hot electron injection, gate oxide tunneling, short channel effects, and sub-threshold leakage. Proposed micro mechanical switching device will satisfy a need for lower power consumption, lower operating voltage, faster switching time, higher electrical reliability beyond MOS transistor’s physical limits.
Proposed mechanical switch and inverter, which is the basis of digital logic integrated circuit, were fabricated through two different materials. One is Cu material as structural layer for better current characteristic and the other is poly-silicon material as structural layer for stable and CMOS compatible process. We can find that Cu structure has a little bit of stress and loss by lateral etch, while poly-silicon structure is well formed without stress and loss.
Fundamental characteristics of proposed mechanical switch and inverter, which were fabricated through two different materials, were measured and compared. Micro mechanical switch made by Cu material has excellent electrical property and mechanical property. Drain voltage of 0.1V can flow 40mA current. Resonant frequency is 300kHz corresponding to the switching time of 3us. Micro mechanical switch made by poly-silicon material has also excellent ‘ON-OFF’ ratio, i.e. almost zero subthreshold swing (3mV/decade). Voltage transfer curve (VTC) of mechanical inverter was measured. We can find that mechanical inverter has the same as that of CMOS. Measured total noise margin of mechanical inverter is 14V, when $V_{DD}$ is 20V. If we know a unique pull-down voltage, then it will be expected that VTC characteristic is exactly 20V.
Consequently, this work shows that mechanical switch can be replaced with MOS transistor and can be used to digital logic integrated circuit. It can be expected that the NEMS(Nano Electro-Mechanical Systems) switch beyond micro size shows scaling advantages as does MOS transistor for digital logic ULSI.
본 논문은 디지털 집적 논리 회로를 기존의 반도체 트랜지스터가 아닌 마이크로 사이즈의 전기기계적인 스위치를 이용하여 구성하는 것에 대한 연구이다.
반도체 트랜지스터가 좀 더 빠른 스피드와 집적도를 위해 점점 작아지면서 게이트나 채널쪽으로 흐르는 누설전류가 흐르게 된다. 그런데, 크기가 점점 작아지면서 누설전류에 의한 파워는 더욱 더 증가하게 되어 이러한 누설전류는 더욱 더 심각해졌다. 이에 따라 최근 이러한 한계를 극복하고자 전기기계적인 스위치를 사용하는 시도가 있어 왔지만, 실제로 이러한 소자를 전기적으로 동작한 사례는 아직 없었다.
이 논문에서는 마이크로 사이즈의 전기기계적인 스위치를 제안하고 설계하였다. 설계된 소자는 두 가지 다른 물질을 사용하여 모두 만들어졌다. 먼저 전기적 특성을 좋게 하기 위한 물질로 메탈 중에서 가장 저항이 낮은 구리를 선택하여 만들어졌고, 다른 하나는 좀 더 안정적인 공정과 기존의 반도체 공정과 함께 사용할 수 있는 폴리실리콘 물질을 사용하여 만들어졌다.
이렇게 구리와 폴리실리콘 물질에 의해 만들어진 소자들을 측정하고 비교하였다. 0.1V의 드레인 전압에서 40m의 전류를 흘릴 수 있다. 기존의 반도체 소자가 가지는 물리적인 한계인 60mv/decade의 문턱전압을 넘어서 거의 0(3mV/decade)에 가까운 문턱전압을 가지는 우수한 특성이 측정되었다. 따라서 제안된 소자가 누설전류가 없는 매우 우수한 온-오프 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 기계적인 성질 또한 측정되었는데, 3us 만큼의 동작속도를 나타내는 300kHz의 공진주파수를 가진다는 것을 알 수 있다. 이러한 전기기계적인 스위치를 가지고 디지털 논리 집적 회로의 기본인 인버터가 측정되었다. 20V의 전원에 총 노이즈 마진은 14V가 측정되었다. 인버팅(inverting)되는 순간에 반도체 트랜지스터 인버터보다 훨씬 좋은 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.
결론적으로 이 논문에서 제안된 전기기계적인 스위치가 반도체 트랜지스터를 대체할 수 있다는 것을 실험을 통하여 밝혀내었고, 논리 회로로도 사용 가능하다는 것을 알 수 있었다. 앞으로 나노 사이즈의 전기기계적인 스위치가 만들어진다면, 초고집적 IC를 모두 전기기계적인 스위치로 구현할 수 있어 반도체 전자소자를 뛰어넘는 새로운 패러다임을 창조할 수 있을 것이다.
