In recent years, flexible electronics have gained a great interest and a flexible market is predicted to grow larger. As a result, many research groups focus on fabricating devices with flexible materials such as organic materials and 2D materials. However, devices with organic materials and 2D materials have limitation as they have low mobility, low on-off ratio, and high driving voltage. Since single crystalline silicon overwhelms the performance of these materials, some research groups work on flexible silicon device with nano or micro level thick silicon.
In this work, flexible fully depleted silicon on insulator metal-oxide semiconductor field effect transistor (FDSOI MOSFET) with a single crystalline silicon was fabricated. Fabricated devices with various silicon thick-ness were analyzed. It was found that optimum thickness window for FDSOI is 15 nm to 40 nm, in order to avoid high access resistance issue and transition to partially depleted silicon on insulator (PDSOI). The device with best performance was obtained with silicon thickness of 26.8 nm. This device have effective mobility of $720.81 cm^{2}V^{-1}s^{-1}$, sub-threshold swing of 60.9 mV/dec and on-off ratio higher than $10^{7}$. Performance of this device overwhelms that of device with organic or 2D materials.
An advanced transfer method which is simple, easy and cost-effective is proposed. This transfer method consists of wafer grinding before fabrication of device and bottom silicon wet etch by tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution after fabrication of device. With propose transfer method, fabricated devices were transferred on to polyimide (PI) tape and deeply analyzed through bending tests with the smallest bending ra-dius of 5 mm. Interestingly, device with Al gate was found to have much higher flexibility than that of device with poly silicon gate. From the electrical result and strain calculation it is concluded that gate material with low Young’s modulus, thinner thickness, low CTE with low deposition temperature is preferable for high flexibility. Devices with various silicon thicknesses were also transferred. From this experiment, it is concluded that thinner silicon thickness is preferable for high flexibility.
본 학위 논문에서는 그래핀, TMD 등 기존에 유연 소자로 연구되던 2D 물질 들에 비해 향상된 성능을 가지는 단결정 실리콘 기반의 소자를 제작하고 유연화하였다. 제작된 소자에서 실리콘 채널의 두께는 소자 성능에 큰 영향을 주며 이를 분석했다. 먼저 실리콘 채널의 두께가 15 nm이하로 작아지면 소자의 access resistance가 심각하게 커지는 문제가 있다. 이 문제는 소스/드레인 도핑을 위해 이온 주입을 한 뒤 망가진 실리콘의 결정성이 복구가 되지 않는 데서 기인함을 보였다. 또한 실리콘 채널의 두께가 44.1 nm로 커지게 되면 소자 성능이 저하되었다. 이러한 현상은 소자의 작동 방식이 FDSOI에서 PDSOI로 전환되는 데서 기인함을 보였다. 따라서 고성능의 FDSOI 소자 제작을 위해서는 실리콘 채널은 15 nm에서 40 nm 사이의 두께를 가져야 하며, 최고의 성능을 가진 소자는 실리콘 채널이 26.8 nm의 두께를 가질 때 60.9 mV/dec의 낮은 SS, 720.81 cm2V 1s-1 의 높은 전자 이동도를 가졌다.
기존에 보고된 SOI의 아래쪽 실리콘을 식각하여 트렌스퍼하는 방법을 응용하여 보다 발전된 트렌스퍼 방법을 제시하였다. 폴리 실리콘 게이트를 가지는 소자의 경우 트렌스퍼 후 성능 열화가 있었지만, 알루미늄 게이트를 가지는 소자의 경우 굉장히 작은 변화를 보였다. 이는 본 연구에서 제시한 트렌스퍼하는 방법이 고성능 소자를 안정적으로 유연화하는데 굉장히 적합하다는 점을 시사한다. 더 나아가 전자 이동도 추출 및 벤딩 실험을 통해 유연소자의 게이트 스택에서 가장 크게 영향을 받는 부분이 게이트 절연막임을 보였다. 또한 폴리 실리콘 게이트를 가진 소자와 알루미늄 게이트를 가진 소자의 벤딩 실험 후 전기적인 특성을 비교하고 또한 스트레인 계산을 통해 소자 유연성에 가장 큰 영향을 미치는 부분이 게이트임을 보였고 이 때 얇은 두께와 작은 Young’s modulus, 낮은 열팽창계수 (CTE) 값과 낮은 증착 온도를 가지는 게이트를 사용하는 것이 소자 유연성확보에 유리하다는 것을 보였다. 마지막으로 여러 두께의 실리콘 채널을 가지는 소자를 유연화 하여 얇은 실리콘 채널을 가질수록 더 유연성이 확보 됨을 보였다.
