This dissertation focuses on the development of high-performance ultra-flexible silicon device and circuits for utilizing it for bio-medical applications. In order to accomplish this research, we have developed a high performance transistor based on FDSOI operation using SOI wafer and developed and optimized the transfer process of high performance single crystal silicon device. The purpose of this study is to develop and characterize high performance flexible silicon based electronic device and process that can be applied to bio-medical field, especially in application field where wearable/flexible electronic devices are applied.
In order to fabricate a high-performance flexible silicon device, the entire thickness of the device must be reduced. As a basis for accomplishing the research purpose, we observed the room temperature quantum confinement effect as the thickness of silicon decreased and analyzed its mechanism. As the thickness of the channel silicon is reduced to 7 nm or less, a room temperature quantum confinement effect is exhibited. In particular, when the channel silicon thickness is 2.5 nm, the increase in mobility is electrically confirmed to be 500%. This is due to the fact that the intervalley scattering is greatly reduced due to the sub-band gap, which is due to the two effects, quantum confinement effect as the thickness of the silicon decreases and strain effect as the repetitive low temperature oxidation process used to reduce the thickness of the silicon.
For high-performance flexible silicon devices, both high-performance device development and development of structure for flexible electronics are important. In order to fabricate a high-performance device, CMOS-friendly inorganic materials must be used, but the breakdown strain of these materials is less than 1%, and that of the electrical characteristic failure is about 0.1%. For this purpose, a method to control the neutral mechanical plane, which is a point where the strain is zero, was developed and the strain of the element was controlled to be within 0.01% even when the bending radius was 1 mm. The proposed structure exhibited high performance of the wafer state without degradation and showed no deterioration even after 24 hours continuous immersion in body fluids measured for bio-medical applications.
Recent electronic circuits stack several layers of metal and insulating films on top of devices to achieve high performance and versatility. Therefore, a guideline for the control of the neutral mechanical layer is required, and it is necessary to analyze the behavior of the device and its long-term reliability in softening the thick integrated circuit. It has been found that it is most advantageous to soften the integrated circuit by arranging the neutral mechanical layer at the middle point of the total thickness during the adjustment of the neutral mechanical layer in various ways. As the radius of curvature decreases during the flexible operation, it is revealed that increase in interface state density leads degradation of the device with integrated circuit structure. In addition, NBTI analysis has been conducted for long-term reliability analysis and it has been found that the polymer material, substrate, used for softening is vulnerable to heat.
Finally, we developed a flexible 2 stage amplification system in which temperature sensors are integrated using the developed technologies above. The flexible electronic circuit consists of three resistors, two FDSOI transistors, and a silicon resistor for one temperature sensor. It was then encapsulated with SU-8 and PDMS to be bio-compatible and to maintain its original performance even at 1 mm bending radius. The prepared circuit was tested for encapsulation performance in artificial cerebrospinal fluid and showed normal operation in body fluids. Thereafter, the mouse also operated normally in the brain, and the circuit in the brain of the rat for 5 days also showed a reliable operation. Conclusively, immunohistochemistry was processed and compared with the sham control sample, it was found to be bio-compatible.
본 연구는 바이오-의학 분야 응용을 위한 고성능 고유연 소자 및 회로의 개발과 그 기반기술로서 고성능 고유연 단결정 실리콘 소자 및 회로 개발에 관한 것을 주제로 한다. 본 연구를 달성하기 위해 SOI 웨이퍼를 이용하여 FDSOI 동작 기반의 고성능 트랜지스터 개발 및 고성능 단결정 실리콘 소자의 전사 공정을 개발, 이후 최적화를 수행하였다. 본 연구의 목적은 웨어러블/플렉서블 전자 소자가 응용될 여러 분야 중 특히 응용 효과가 클 바이오-의학 분야에 적용할 수 있는 고성능 고유연 실리콘 기반 전자 소자 및 공정 개발과 그 특성 분석을 하는 것이다.
고성능 고유연 실리콘 소자를 제작하기 위한 첫번째 방법은 소자 전체 두께를 줄이는 것이다. 이에 따라 실리콘의 두께가 줄어들게 되면서 나타나는 현상을 관찰하고 메커니즘을 분석하였다. 채널 실리콘의 두께가 7 nm 이하로 줄어들게 되면서 상온 양자구속효과가 나타나게 되고, 특히 채널 실리콘의 두께가 2.5 nm 인 경우 이에 따른 모빌리티의 증가가 500%임을 전기적으로 확인하였다. 이것은 sub-band의 간격이 벌어지게 되어 intervalley scattering이 크게 감소하였기 때문으로, 실리콘의 두께가 줄어들게 되면서 나타나는 양자구속효과와 실리콘의 두께를 줄일 때 사용하는 반복적인 저온 산화 과정에 의한 스트레인, 두 가지 효과에 의한 것임을 밝혀냈다.
고성능 고유연 실리콘 소자를 제작하기 위해서는 고성능 소자 개발과 고유연 구조 개발이 모두 중요하다. 고성능 소자를 제작하기 위해서는 CMOS 친화적인 무기물질을 사용해야하지만 이 물질들의 파괴 스트레인은 1% 이내이며, 전기적 특성이 변하는 시점은 약 0.1% 정도이다. 이를 위하여 스트레인이 0이 되는 지점인 중성역학층을 미세하게 조절하는 방법을 개발하였고 곡률 반경 1 mm의 극한 구부림 시에도 소자의 스트레인은 0.01% 이내로 조절하였다. 이렇게 개발된 구조의 고유연 소자는 웨이퍼 상태의 고성능을 열화없이 나타내었으며, 바이오-의학 분야 응용을 위해 측정된 체액 내의 24시간 연속 담금 이후에도 열화 없는 성능을 보였다.
최근의 전자회로는 고성능과 다기능을 구현하기 위해 소자 위에 여러 층의 금속과 절연막을 쌓는다. 이에 따라 중성역학층의 조절을 위한 가이드라인이 필요하며 두꺼운 집적회로의 유연화 시에 나타나는 소자의 동작 변화 및 장기적인 신뢰성 분석이 필요하다. 여러 방식의 중성역학층 조절 중 전체 두께의 가운데 지점에 중성역학층을 배치하는 것이 집적회로의 유연화에 가장 유리한 것을 밝혀 내었으며, 유연 동작 시 곡률반경이 감소함에 따라 소자의 열화는 계면 상태 밀도의 증가로 인해 발생하였다는 것을 밝혀냈다. 또한 장기적 신뢰성 분석을 위해 NBTI 분석을 진행하였고 유연화를 위해 사용된 폴리머 물질로 인해 열에 취약하다는 것을 밝혀냈다.
마지막으로, FDSOI 기반 동작을 하는 전자 소자와 25nm 두께의 얇은 실리콘을 이용한 저항과 온도 센서를 활용하여 2단 증폭기를 제작하였다. 본 집적회로는 유연화 이후에도 정상 동작을 하였으며, 2단 증폭 이득이 155 수준으로 나타나는 것을 확인하였다. 저항 조절을 통해 동작 지점 및 전압 범위를 조절하는 등 타겟 어플리케이션에 적합한 용도로 회로 디자인을 바꿀 수 있다는 것을 확인하였다. 바이오 및 의학 응용을 위해 이중 막을 제작하였고 이를 인공 뇌척수액을 통해 확인한 후 쥐의 뇌에 심어 체내에서도 정상동작 하는 것을 밝히었다. 마지막으로 면역조직화학반응을 통해 제작된 소자가 체내에서 정상동작 하는 것뿐만 아니라 염증을 유발하지 않고 생체에 적합하다는 것을 밝히었다.
