MOSFET has been faced with great difficult challenges in continuing to scale beyond sub-100nm such as power dissipation, parasitic leakage currents, and short-channel effects. In recent years, several memories based on MEMS/NEMS have been introduced as one of the promising emerging technologies comparable to MOSFET-based memories because of their excellent electrical characteristics as well as robustness under environmental disturbances.
MEMS has already had a noteworthy impact on various areas such as RF circuits, the automotive, the aero-space, and information technology and has recently expanded to enable revolutionary advances for future memory applications. However, existing memory devices using MEMS/NEMS technology are still far from realization due to lots of hurdles such as CMOS process compatibility, stiction, high operation voltage, and device scalability.
In this thesis, the newly-proposed inverter, which is one of MOL gates was developed wherein the n-MOSFET and the p-MOSFET of a conventional CMOS inverter is replaced by the MEM switch that shows an excellent on/off performance with a no leakage current, an abrupt switching with less than several mV/decade, an essentially zero off current, and a high on/off current ratio over 107. Also, we developed the metallic MEM switch based MORAM by replacing the switching transistor of the conventional DRAM with the MEM switch, which prevents any leakage current owing to the physical isolation between the source and the drain.
The cantilever-type and bride-type 2-terminal NEM switches of 35nm-thick TiN beam and 15nm-thick suspension air-gap were successfully fabricated using conventional “top-down” CMOS fabrication technology for digital IC application and their characteristics were investigated for the first time. The fabricated cantilever-type NEM switch demonstrated ideal on/off current characteristics with abrupt switching (
1947년 트랜지스터가 개발된 이래, 반도체 산업은 폭발적인 성장을 거듭해 왔다. 이러한 성장에 가장 큰 기여를 한 것은 집적회로 공정의 발명과 지속적인 미세화이다. 반도체 소자를 미세화하면 집적도와 성능이 향상 될 뿐 아니라, 제조 원가가 감소되기 때문에 지난 40년간 반도체 소자의 크기는 수 십 미크론에서 수 십 나노미터 크기까지 감소하게 되었다. 하지만, 기존의 실리콘을 주축으로 한 반도체 소자들의 고집적화로 인한 누설 전류 발생과 전력 소모의 기하급수적인 증가 등의 물리적인 한계에 부딪히게 되었다. 이와 같은 기존 반도체 소자가 가지는 물리적 또는 기술적 한계를 극복하는 방법으로써 금속 게이트와 고 유전율의 게이트 산화막 등의 신소재, FINFET과 같은 새로운 구조를 이용하는 방법과 평면 구조를 갖는 기존 실리콘 반도체 소자를 탈피한 전혀 새로운 개념의 소자가 최근 연구, 개발이 활발하게 진행 중이다. 본 논문에서는 기존 반도체 소자의 물리적 한계를 극복하는 신 개념의 소자로서, 마이크로 스위치 및 궁극적으로는 나노 미케니컬 스위치를 이용하여 기계적으로 동작하는 로직 및 랜덤 억세스 메모리를 제안하고 개발하였다.
기계적으로 동작하는 로직 (MOL) 소자 중의 하나인 인버터를 폴리 실리콘 마이크로 스위치를 이용하여 제작하고 평가하였다. 제안된 MOL 게이트는 기존 디지털 로직 게이트의 CMOS를 멤스 또는 넴스 스위치로 바꿈으로써 쉽게 구현 할 수 있다. 폴리 실리콘 마이크로 스위치로 제작된 인버터는 이상적인 전압전달 (VTC) 특성을 잘 보여주었다. 또한 메탈 마이크로 스위치를 이용한 기계적으로 동작하는 랜덤 억세스 메모리 (MORAM)를 제안하고 제작, 평가하였다. 제안된 MORAM은 기존 디램 (DRAM)의 nMOSFET을 단순히 멤스 또는 넴스 스위치로 바꿈으로써 쉽게 구현 할 수 있다. 제작된 금속 (Ni/Au) 마이크로 스위치는 거의 0에 가까운 누설 전류, 급격한 온/오프 (<5 mV/dec.)와 107 이상의 온/오프 전류 특성을 나타내었다. 또한, MIM 커패시터를 사용하여 금속 마이크로 스위치 기반의MORAM의 메모리 동작을 처음으로 확인 하였고 공기 중의hot switching 조건하에서105 이상의 endurance특성과 진공 분위기에서105이상의 retention 특성 등의 비휘발성 메모리 특성을 확인하였다.
35 nm 두께와 15 nm 갭 두께를 가지는 칸틸레버 (cantilever)와 브릿지 (bridge) 타입의 2터미널 넴스 스위치를 기존 CMOS 공정을 사용하여 제작하고 평가하였다. 제작된 칸틸레버 타입의 2터미널 넴스 스위치는 거의 0에 가까운 누설 전류, 급격한 온/오프 (<15 mV/dec.)와 105 이상의 온/오프 전류 등의 이상적인 전류 특성을 나타내었다. 또한, 공기 중의dc 전압 조건하에서 수 백번 이상의 반복적인 스위치 동작하였고 공기 중의ac 전압 조건하에서는 우수한 주파수 응답을 보여 주는 등 초저전력 소자에 적합한 특성을 잘 보여주었다.
마지막으로 칸틸레버 타입의 3터미널 넴스 스위치와 이를 이용한 MORAM을 제안하고 제작하였다. 기존 CMOS 공정을 사용하여 제작된 3터미널 넴스 스위치 세계에서 가장 사이즈 (L/W/t= 390 nm/200 nm/42nm)와 가장 작은 갭 두께 (g= 10 nm)를 가지며 2터미널 넴스 스위치와 마찬가지로 거의 0에 가까운 누설 전류, 급격한 온/오프와 105 이상의 온/오프 전류 등 초저전력 소자로서의 이상적인 전류 특성을 나타내었다. 또한, 3터미널 넴스 스위치를 기반으로 한 MORAM은 공기 중의 hot switching 조건하에서103 이상의 endurance를 보여주었고 진공 분위기에서105이상의 retention 특성 등의 비휘발성 메모리 특성을 처음으로 나타내었다.
요약하면 본 논문에서는 2터미널 및 3터미널 칸틸레버 타입 넴스 스위치를 제작하여 초저전력 소자로서의 가능성을 보여주었고 또한 3터미널 넴스 스위치를 기반으로 한 MORAM을 제안하고 제작하여 기존 반도체 메모리를 대체할 차세대 비휘발성 메모리로서의 가능성을 보여 주었다.