Nanoelectromechanical (NEM) switches have received widespread attention as promising candidates in the drive to surmount the physical limitations currently faced by complementary metal oxide semiconductor technology. The NEM switch has demonstrated superior characteristics including quasi-zero leakage ehavior, excellent density capability and operation in harsh environments. However, an unacceptably high operating voltage (4-20 V) has posed a major obstacle in the practical use of the NEM switch in low-power integrated circuits. To utilize the NEM switch widely as a core device component in ultralow power applications, the operation voltage needs to be reduced to 1 V or below. However, sub-1 V actuation has not yet been demonstrated because of fabrication difficulties and irreversible switching failure caused by surface adhesion. Here, This dissertation reports the sub-1 V operation of a NEM switch through the introduction of a novel pipe clip device structure and an effective air gap fabrication technique. This achievement is primarily attributed to the incorporation of a 4-nm-thick air gap, which is the smallest reported so far for a NEM switch generated using a ‘top-down’ approach. The proposed structure and process can potentially be utilized in various nanogap-related applications, including NEM switch-based ultralow-power integrated circuits, NEM resonators, nanogap electrodes for scientific research14 and sensors. Also, as a feasible application for the 2-terminal NEM switch, this thesis suggests the mechanical memory device that can be used as reconfigurable switches in field-programmable gate-array (FPGA) for harsh environment applications. An electrothermal actuation enables the NEM device to perform reliable memory operation in high temperature (at 400℃) and sub-1 V actuation. The measurement result shows the excellent device-to-device uniformity and highly reliable memory characteristics even in a harsh condition, which cannot be conducted by semiconductor technology.
본 연구는 초 저전력 집적회로와 극한 환경용 전자기기를 위한 새로운 나노전자기계 스위치의 개발과 특성평가에 관한 내용이다. 일반적인 반도체 트랜지스터는 대기상태(stand-by), 즉 연산을 수행하지 않는 상태에서도 미세한 전력을 소비하기 때문에 오늘날과 같이 반도체 칩(chip)의 성능과 집약도가 높아지면 높아질수록 발생하는 열과 소비되는 전력이 심각하게 증대될 수밖에 없게 된다. 이런 문제를 해결하기 위해서 그 동안 다양한 반도체 기술이 개발되었지만 이미 현재의 개발수준이 이론적 한계에 근접하고 있어 반도체 칩의 소비전력문제를 해결하는데 난항을 겪어 왔다. 본 연구에서는 반도체 동작원리를 탈피한 기계식 나노집적 소자를 제안하여 대기상태의 누설전류를 제거함은 물론 동작전압까지 종래의 반도체 수준인 1V 이하에서 실현함으로써 초 저전력 전자장치를 구현할 수 있는 새로운 기계식 전자장치의 개발 가능성을 제안하고 있다.
기계식 나노집적 소자에 관한 연구가 반도체 기술의 한계인 누설전력 문제를 해결할 것이라는 기대로부터 그 동안 많은 주목을 받아왔음에도 불구하고 1 V 이하의 전압에서 구동이 불가능했기 때문에 실제로 초 저전력 집적회로에 기계식 동작원리를 적용한다는 것은 어려운 과제였다. 왜냐하면, 1 V 이하의 낮은 동작전압 실현을 위해서는 작은 이격거리, 낮은 스프링상수, 넓은 유효면적 등 구조체가 다양한 요구조건을 충족 시켜야만 하지만 나노미터 영역에서 기계장치를 움직이게 되면 표면력에 의해 기계장치가 붙어버려 더 이상 정상적으로 동작하지 못하는 고장이 빈번히 발생하게 된다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 pipe clip (파이프 고리) 모양의 독특한 나노구조체를 제안하여 금속 표면이 서로 접촉 할 때 표면력을 효과적으로 줄이면서도 정전기력을 극대화 시킬 수 있도록 하였다. 이런 구조를 효과적으로 실현하기 위해 자가정력방식의 트렌치구조에 high density plasma (HDP) 증착 공정을 적용함으로써 4 nm의 이격 거리를 형성하는 pipe clip 구조체를 제작 할 수 있었다. 그 결과 전압 신호에 의해서 트렌지스터 처럼 켜짐과 꺼짐의 작동을 할 수 있는 기계식 스위치에서 처음으로 1V이하의 동작특성을 얻는데 성공하였다. 이때 나타나는 전압 전류 현상을 터널링 이론과 정전구동기의 동작원리를 통해 해석하였고, 누설전류특성도 일반적인 기계식 나노집적 소자처럼 거의 발생하지 않는 우수한 특성을 얻을 수 있었다.
한편으로 본 연구에서는 나노구조체의 제작을 위하여 반도체 공법을 그대로 적용하였으며 이를 통해 나노전자기계 스위치의 공정과 설계 사이에 예측 가능성을 높이기 위하여 노력하였다. 종래의 연구에서는 주로 화학합성법에 의해 나노구조체를 제작하였기 때문에 제작의 균일성과 재현성에 문제가 있어왔지만, 본 연구에서는 박막을 증착하고 이를 리소그래피 패터닝과 식각과정을 통해 나노구조체를 형성하였다는 점에서 반도체 공정기법이 가지고 있는 높은 수준의 재성을 그대로 적용할 수 있는 장점을 가진다. 이러한 접근 방법이 다른 연구 그룹에서도 몇 차례 시현되긴 하였지만 그 동안 설계와 공정, 또 공정결과로부터 얻은 전기적 특성 사이의 개연적 관계에 대하여 분석한 사례는 거의 없었다. 이에 본 연구에서는 설계과정과 제작 후 측정 및 평가단계에서 발생하는 커다란 차이를 줄이기 위한 노력으로 제작하고자 하는 나노구조체에 대한 해석적 모델 개발, 유한요소해석, 공정 및 프로세스에 대한 유한요소 해석, 제작 구조체에 대한 전기적 구동에 대한 예측을 수행하였고 측정을 통해 이들 사이의 높은 일관성을 검증하였다. 이 분야에서 그 동안 일반적 개발방법론에 대하여 연구가 미진하였다는 점에서, 본 연구가 보이고 있는 설계와 측정 사이의 높은 개연성은 중요한 의미를 가진다.
실리콘 트랜지스터는 전자장치를 만드는데 수많은 장점을 가지고 있음에도, 고 방사선이나 고온의 환경에서 기억소자로 활용할 경우 열과 방사선에 의해 입력된 데이터를 쉽게 손실하게 된다. 따라서 환경감시용 센서나, 극한 환경 (자동차 엔진, 로켓추진, 우주용 인공위성)등에 필요한 전자장치를 개발하는 연구에 수많은 어려움이 있어 왔다. 본 연구에서는 2단자 나노전자기계 스위치를 FPGA (field programmable gate array, 현장 프로그래머블 게이트 어레이)의 메모리 소자로서 활용 할 수 있는 방안을 제안함으로써 극한환경용 전자장치에 기계식 집적 소자를 적용 할 수 있는 가능성을 선보였다. 본 연구에서 제안한 나노전자기계 스위치는 열구동방식으로 동작하며 1 V이하에서 프로그램이 가능하다. 측정결과 소자간의 균일한 전기적 동작 특성을 확인하였으며, 특히 중요한 성능지표인 켜짐 대 꺼짐 비가 107 이상 획득되었다. 이러한 전기적 특성이 400℃ 이상의 고온에서도 유지되었음을 확인하였고, 이는 종래의 반도체 기억소자들로는 시현 할 수 없었던 메모리 특성이라는 점에서 의미를 가진다.
