• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.258-258
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• 2016

최근 디스플레이 산업의 발전에 따라 고성능 디스플레이가 요구되며, 디스플레이의 백플레인 (backplane) TFT (thin film transistor) 구동속도를 증가시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 트랜지스터의 구동속도를 증가시키기 위해 높은 이동도는 중요한 요소 중 하나이다. 그러나, 기존 백플레인 TFT에 주로 사용된 amorphous silicon (a-Si)은 대면적화가 용이하며 가격이 저렴하지만, 이동도가 낮다는 (< $1cm2/V{\cdot}s$) 단점이 있다. 따라서 전기적 특성이 우수한 산화물 반도체가 기존의 a-Si의 대체 물질로써 각광받고 있다. 산화물 반도체는 비정질 상태임에도 불구하고 a-Si에 비해 이동도 (> $10cm2/V{\cdot}s$)가 높고, 가시광 영역에서 투명하며 저온에서 공정이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 차세대 디스플레이 백플레인에서는 더 높은 이동도 (> $30cm2/V{\cdot}s$)를 가지는 TFT가 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 차세대 디스플레이에서 요구되는 높은 이동도를 갖는 TFT를 제작하기 위하여, amorphous In-Ga-Zn-O (a-IGZO) 채널하부에 화학적으로 안정하고 전도성이 뛰어난 SnO2 채널을 얇게 형성하여 TFT를 제작하였다. 표준 RCA 세정을 통하여 p-type Si 기판을 세정한 후, 열산화 공정을 거쳐서 두께 100 nm의 SiO2 게이트 절연막을 형성하였다. 본 연구에서 제안된 적층된 채널을 형성하기 위하여 5 nm 두계의 SnO2 층을 RF 스퍼터를 이용하여 증착하였으며, 순차적으로 a-IGZO 층을 65 nm의 두께로 증착하였다. 그 후, 소스/드레인 영역은 e-beam evaporator를 이용하여 Ti와 Al을 각각 5 nm와 120 nm의 두께로 증착하였다. 후속 열처리는 퍼니스로 N2 분위기에서 $600^{\circ}C$의 온도로 30 분 동안 실시하였다. 제작된 소자에 대하여 TFT의 전달 및 출력 특성을 비교한 결과, SnO2 층을 형성한 TFT에서 더 뛰어난 전달 및 출력 특성을 나타내었으며 이동도는 $8.7cm2/V{\cdot}s$에서 $70cm2/V{\cdot}s$로 크게 향상되는 것을 확인하였다. 결과적으로, 채널층 하부에 SnO2 층을 형성하는 방법은 추후 높은 이동도를 요구하는 디스플레이 백플레인 TFT 제작에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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• pp.166-166
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• 2010

Recently, TFTs based on amorphous oxide semiconductors (AOSs) such as ZnO, InZnO, ZnSnO, GaZnO, TiOx, InGaZnO(IGZO), SnGaZnO, etc. have been attracting a grate deal of attention as potential alternatives to existing TFT technology to meet emerging technological demands where Si-based or organic electronics cannot provide a solution. Since, in 2003, Masuda et al. and Nomura et al. have reported on transparent TFTs using ZnO and IGZO as active layers, respectively, much efforts have been devoted to develop oxide TFTs using aforementioned amorphous oxide semiconductors as their active layers. In this thesis, I report on the performance of thin-film transistors using amorphous indium gallium zinc oxides for an active channel layer at room temperature. $SiO_2$ was employed as the gate dielectric oxide. The amorphous indium gallium zinc oxides were deposited by RF magnetron sputtering. The carrier concentration of amorphous indium gallium zinc oxide was controlled by oxygen pressure in the sputtering ambient. Devices are realized that display a threshold voltage of 1.5V and an on/off ration of > $10^9$ operated as an n-type enhancement mode with saturation mobility with $9.06\;cm^2/V{\cdot}s$. The devices show optical transmittance above 80% in the visible range. In conclusion, the fabrication and characterization of thin-film transistors using amorphous indium gallium zinc oxides for an active channel layer were reported. The operation of the devices was an n-type enhancement mode with good saturation characteristics.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.420-420
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• 2014

최근, 과학 기술이 발달함에 따라 현장에서의 실시간 검사 및 자가 지단 등 질병 치유에 대한 사람들의 관심이 증가하고 있으며, 이에 따라 의료, 환경, 산업과 같은 많은 분야에서 바이오 센서에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 중, EGFET는 전해질 속의 각종 이온 농도를 전기적으로 측정하는 바이오 센서로, 외부 환경으로부터 안전하고, 제작이 쉬우며, 재활용이 가능하여 비용을 절감 할 수 있다는 장점을 가지고 있다 [1]. EGFET는 감지부와 FET부로 분리된 구조를 가지고 있으며, 감지부의 감지막으로는 Al2O3, HfO2, $TiO_2$, SnO2 와 같은 다양한 물질들이 사용되고 있다. 그 중, SnO2는 우수한 감도와 안정성을 가지고 있는 물질로 추가적인 열처리 공정 없이도 우수한 감지 특성을 나타내기 때문에 본 연구에서 감지막으로 사용하였다. 한편, EGFETs 의 FET부로는 기존의 비정질 실리콘 TFTs 에 비해 10배 이상의 높은 이동도와 온/오프 전류비를 갖는 InGaZnO 를 채널층으로 사용한 TFTs 를 사용하였다. a-IGZO 는 넓은 밴드 갭으로 인해 가시광 영역에서 투명하며, 향후 투명 바이오센서 제작 시, 물질들 사이의 반응을 전기적 신호뿐만 아니라 광학적인 분석 방법으로도 검출이 가능하기에 고 신뢰성을 갖는 센서의 제작이 가능할 것으로 기대된다. 한편, a-IGZO TFTs 의 경우 우수한 전기적 특성을 나타냄에도 불구하고 소자 동작 시 문턱 전압이 불안정하다는 단점이 있으며 [2], 이러한 문제의 개선과 향후 투명 기판 위에서의 소자 제작을 위해서는 저온 열처리 공정이 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 저온 열처리 공정인 u-wave 열처리를 통하여 a-IGZO TFTs 의 전기적 특성 및 안정성을 향상시켰으며, 9.51 [$cm2/V{\cdot}s$]의 이동도와 135 [mV/dec] 의 SS값, 0.99 [V]의 문턱 전압, 1.18E+08의 온/오프 전류 비를 갖는 고성능 스위칭 TFTs 를 제작하였다. 최종적으로, 제작된 a-IGZO TFTs 를 SnO2 감지막을 갖는 EGFETs 에 적용함으로써 우수한 감지 특성과 안정성을 갖는 바이오 센서를 제작하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.276-276
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• 2014

High-performance, fully-transparent, and top-gated oxide thin-film transistor (TFT) was successfully fabricated with Ta2O5 high-k gate dielectric on a glass substrate. Through a self-passivation with the gate dielectric and top electrode, the top-gated oxide TFT was not affected from H2O and O2 causing the electrical instability. Heat-treated InSnO (ITO) was used as the top and source/drain electrode with a low resistance and a transparent property in visible region. A InGaZnO (IGZO) thin-film was used as a active channel with a broad optical bandgap of 3.72 eV and transparent property. In addition, using a X-ray diffraction, amorphous phase of IGZO thin-film was observed until it was heat-treated at 500 oC. The fabricated device was demonstrated that an applied electric field efficiently controlled electron transfer in the IGZO active channel using the Ta2O5 gate dielectric. With the transparent ITO electrodes and IGZO active channel, the fabricated oxide TFT on a glass substrate showed optical transparency and high carrier mobility. These results expected that the top-gated oxide TFT with the high-k gate dielectric accelerates the realization of presence of fully-transparent electronics.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2010년도 춘계학술발표대회
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• pp.53.2-53.2
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• 2010

지금까지 능동 구동 디스플레이의 TFT backplane에 사용하고 있는 채널 물질로는 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)과 저온 폴리실리콘(low temperature poly-Si)이 대표적이다. 수소화된 비정질 실리콘은 TFT-LCD 제조에 주로 사용되는 물질로 제조 공정이 비교적 간단하고 안정적이며, 생산 비용이 낮고, 소자 간 특성이 균일하여 대면적 디스플레이 제조에 유리하다. 그러나 a-Si:H TFT의 이동도(mobility)가 1 cm2/Vs이하로 낮아 Full HD 이상의 대화면, 고해상도, 고속 동작을 요구하는 UD(ultra definition)급 디스플레이를 개발하는데 있어 한계 상황에 다다르고 있다. 또한 광 누설 전류(photo leakage current)의 발생을 억제하기 위해서 화소의 개구율(aperture ratio)을 감소시켜야하므로 패널의 투과율이 저하되고, 게이트 전극에 지속적으로 바이어스를 인가 시 TFT의 문턱전압(threshold voltage)이 열화되는 문제점을 가지고 있다. 문제점을 극복하기 위한 대안으로 근래 투명 산화물 반도체(transparent oxide semiconductor)가 많은 관심을 얻고 있다. 투명 산화물 반도체는 3 eV 이상의 높은 밴드갭(band-gap)을 가지고 있어 광 흡수도가 낮아 투명하고, 광 누설 전류의 영향이 작아 화소 설계시 유리하다. 최근 다양한 조성의 산화물 반도체들이 TFT 채널 층으로의 적용을 목적으로 활발하게 연구되고 있으며 ZnO, SnO2, In2O3, IGO(indium-gallium oxide), a-ZTO(amorphous zinc-tin-oxide), a-IZO (amorphous indium-zinc oxide), a-IGZO(amorphous indium-galliumzinc oxide) 등이 그 예이다. 이들은 상온 또는 $200^{\circ}C$ 이하의 낮은 온도에서 PLD(pulsed laser deposition)나 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition)으로 손쉽게 증착이 가능하다. 특히 이중에서도 a-IGZO는 비정질임에도 불구하고 이동도가 $10\;cm2/V{\cdot}s$ 정도로 a-Si:H에 비해 월등히 높은 이동도를 나타낸다. 이와 같이 a-IGZO는 비정질이 가지는 균일한 특성과 양호한 이동도로 인하여 대화면, 고속, 고화질의 평판 디스플레이용 TFT 제작에 적합하고, 뿐만 아니라 공정 온도가 낮은 장점으로 인해 플렉시블 디스플레이(flexible display)의 backplane 소재로서도 연구되고 있다. 본 실험에서는 rf sputtering을 이용하여 증착한 a-IGZO 박막에 대하여 열처리 조건 변화에 따른 a-IGZO 박막들의 광학적, 전기적 특성변화를 살펴보았고, 이와 더불어 a-IGZO 박막을 TFT에 적용하여 소자의 특성을 분석함으로써, 열처리에 따른 Transfer Curve에서의 우리가 요구하는 Threshold Voltage(Vth)의 변화를 관찰하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.205-205
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• 2015

최근, 비정질 산화물 반도체를 이용한 TFT는 투명성, 유연성, 저비용, 저온공정이 가능하기 때문에 차세대 flat-panel 디스플레이의 back-plane TFT로써 다양한 방면에서 연구되고 있다. 산화물 반도체 In-Zn-O-시스템에서는 Gallium (Ga)을 suppressor로 사용한 a-In-Ga-Zn-O (a-IGZO) 뿐만 아니라, Magnesium (Mg), Hafnium (Hf), Tin (Sn), Zirconium (Zr) 등의 다양한 물질이 연구되었다. 그 중 Silicon (Si)은 Ga, Hf, Sn, Zr, Mg과 같은 suppressor에 비해 구하기 쉬우며 가격적인 측면에서도 저렴하다는 장점이 있다. solution 공정으로 제작한 산화물 반도체 TFT는 진공 시스템을 사용한 공정보다 공정시간이 짧고, 저비용, 대면적화가 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 투명하고 유연한 device를 제작하기 위해서는 저온 공정과 low thermal budget은 필수적이다. 이러한 측면에서 MWI (Microwave Irradiation)는 저온공정이 가능하며, 짧은 공정 시간에도 불구하고 IZO 시스템의 산화물 반도체의 전기적 특성 향상을 기대할 수 있는 효율 적인 열처리 방법이다. 본 연구에서는 In-Zn-O 시스템의 TFT에서 silicon (Si)를 Suppressor로 사용한 a-Si-In-Zn-O (SIZO) TFT를 제작하여 두 가지 열처리 방법을 사용하여 TFT의 전기적 특성을 확인하였다. 첫 번째 방법은 Box Furnace를 사용하여 N2 분위기에서 $600^{\circ}C$의 온도로 30분간 열처리 하였으며, 두 번째는 MWI를 사용하여 1800 W 출력 (약 $100^{\circ}C$)에 2분간 열처리 하였다. MWI 열처리는 Box Furnace 열처리에 비해 저온 공정 및 짧은 시간에도 불구하고 향상된 전기적 특성을 확인 할 수 있었다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2010년도 춘계학술발표대회
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• pp.54.1-54.1
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• 2010

산화물 기반의 TFT는 유리, 금속, 플라스틱 등 기판 종류에 상관없이 균일한 제작이 가능하며, 상온 및 저온에서 대면적으로 제작이 가능하고, 저렴한 비용으로 제작 가능하다는 장점 때문에 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재 TFT 물질로 많이 연구되고 있는 산화물은 ZnO (3.4 eV)나 InOx (3.6 eV), GaOx (4.9 eV), SnOx(3.7 eV)등의 물질과 각각의 조합으로 구성된 재료들이 주로 사용되고 있으며, 가장 많은 연구가 이루어진 ZnO 기반의 TFT는 mobility와 switching 속도에서 우수한 특성을 보이나, 트렌지스터의 안정성이 떨어지는 것으로 보고 되고 있다. 그러나 IGZO 물질의 경우 결정학적으로 비정질이며 상온 및 저온에서 대면적으로 제작이 가능하고, 높은 전자 이동도의 특성을 가지고 있는 장점 때문에 최근 차세대 산화물 트렌지스터로 각광받고 있다. IGZO TFT 소자의 경우 Ag, Au, In, Pt, Ti, ITO 등 다양한 전극 물질이 사용되고 있는데, 이들 중 active channel과 ohmic contact을 이루는 Al, Ti, Ag의 적용을 통해 향상된 성능을 얻을 수 있다. 하지만 이들 전극 재료는 TFT 소자 제작시 필수적인 열처리 공정에 노출되면서 active channel 과 전극 사이 계면에 문제점을 야기할 수 있다. 특히, Ti의 경우 산화가 잘되기 때문에 전극계면에 TiO2를 형성하여 contact resistance의 큰 영향을 미치는 것으로 보고 되고 있다. 본 연구에서는 ohmic 전극재료인 Ti 또는 Ti/Au를 적용하여 TFT 소자 제작 및 특성에 대한 평가를 진행했으며, 열처리에 따른 전극과 IGZO 계면 사이의 미세구조와 전기적인 특성간의 상관관계를 연구하였다. 이를 통해, 소자 제작 공정을 최적화하고 신뢰성 있는 소자 특성을 얻을 수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.208.1-208.1
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• 2015

최근, 차세대 투명 디스플레이 구동소자로서 산화물 반도체를 이용한 Transparent Amorphous Oxide Semiconductor (TAOS) 기술이 큰 주목을 받고 있다. 산화물 반도체는 기존의 a-Si에 비해 우수한 전기적인 특성과 낮은 구동전압 그리고 넓은 밴드 갭으로 인한 투명성의 장점들이 있다. 그리고 낮은 공정 온도에서도 제작이 가능하기 때문에 유리나 플라스틱과 같은 다양한 기판에서도 박막 증착이 가능하다. 하지만 기존의 furnace를 이용한 열처리 방식은 낮은 온도에서 우수한 전기적인 특성을 내기 어려우며, 공정 시간이 길어지는 단점들이 있다. 따라서 본 연구에서는 산화물 반도체중 In-Ga-Zn-O (IGZO)와 In-Sn-O(ITO)를 각각 채널 층과 게이트 전극으로 이용하였다. 또한 마이크로웨이브 열처리 기술을 이용하여 기존의 열처리 방식에 비해 에너지 전달 효율이 높고 짧은 시간동안 저온 공정이 가능하며 우수한 전기적인 특성을 가지는 투명 박막 트랜지스터를 구현 하였다. 본 실험은 glass 기판위에서 진행되었으며, RF sputter를 이용하여 ITO를 150 nm 증착한 후, photo-lithography 공정을 통하여 하부 게이트 전극을 형성하였다. 이후에 RF sputter를 이용하여 SiO2 와 IGZO 를 각각 300, 50 nm 증착하였고, patterning 과정을 통하여 채널 영역을 형성하였다. 또한 소자의 전기적인 특성 향상을 위해 마이크로웨이브 열처리를 1000 Watt로 2 분간 진행 하였고, 비교를 위하여 기존 방식인 furnace 를 이용하여 N2 분위기에서 $400^{\circ}C$로 30분간 진행한 소자도 병행하였다. 그 결과 마이크로웨이브를 통해 열처리한 소자는 공정 온도가 $100^{\circ}C$ 이하로 낮기 때문에 glass 기판에 영향을 주지 않고 기존 furnace 열처리 한 소자보다 전체적으로 전기적인 특성이 우수한 것을 확인 하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.307.1-307.1
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• 2016

Amorphous zinc tin oxide (ZTO) thin films are being widely studied for a variety electronic applications such as the transparent conducting oxide (TCO) in the field of photoelectric elements and thin film transistors (TFTs). Thin film transistors (TFTs) with transparent amorphous oxide semiconductors (TAOS) represent a major advance in the field of thin film electronics. Examples of TAOS materials include zinc tin oxide (ZTO), indium gallium zinc oxide (IGZO), indium zinc oxide, and indium zinc tin oxide. Among them, ZTO has good optical and electrical properties (high transmittance and larger than 3eV band gap energy). Furthermore ZTO does not contain indium or gallium and is relatively inexpensive and non-toxic. In this study, ZTO thin films were formed by UHV RF magnetron co-sputter deposition on silicon substrates and sapphires. The films were deposited from ZnO and SnO2 target in an RF argon and oxygen plasma. The deposition condition of ZTO thin films were controlled by RF power and post anneal temperature using rapid thermal annealing (RTA). The deposited and annealed films were characterized by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscope (AFM), ultraviolet and visible light (UV-VIS) spectrophotometer.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.264-264
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• 2016

최근에 charge trap flash (CTF) 기술은 절연막에 전하를 트랩과 디트랩 시킬 때 인접한 셀 간의 간섭현상을 최소화하여 오동작을 줄일 수 있으며 낸드 플래시 메모리 소자에 적용되고 있다. 낸드 플래시 메모리는 고집적화, 대용량화와 비휘발성 등의 장점으로 인해 핸드폰, USB, MP3와 컴퓨터 등에 이용되고 있다. 기존의 실리콘 기반의 플래시 메모리 소자는 좁은 밴드갭으로 인해 투명하지 않고 고온에서의 공정이 요구되는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위해 실리콘의 대체 물질로 산화물 반도체 기반의 플래시 메모리 소자들이 연구되고 있다. 산화물 반도체 기반의 플래시 메모리 소자는 넓은 밴드갭으로 인한 투명성을 가지고 있으며 저온에서 공정이 가능하여 투명하고 유연한 기판에 적용이 가능하다. 다양한 산화물 반도체 중에서 비정질 In-Ga-Zn-O (a-IGZO)는 비정질임에도 불구하고 우수한 전기적인 특성과 화학적 안정성을 갖기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 플래시 메모리의 고집적화가 요구되면서 절연막에 high-k 물질을 atomic layer deposition (ALD) 방법으로 적용하고 있다. ALD 방법을 이용하면 우수한 계면 흡착력과 균일도를 가지는 박막을 정확한 두께로 형성할 수 있는 장점이 있다. 또한, high-k 물질을 절연막에 적용하면 높은 유전율로 인해 equivalent oxide thickness (EOT)를 줄일 수 있다. 특히, HfOx와 AlOx가 각각 trap layer와 blocking layer로 적용되면 program/erase 동작 속도를 증가시킬 수 있으며 넓은 밴드갭으로 인해 전하손실을 크게 줄일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 ALD 방법으로 AlOx와 HfOx를 게이트 절연막으로 적용한 a-IGZO 기반의 thin-film transistor (TFT) 플래시 메모리 소자를 제작하여 메모리 특성을 평가하였다. 제작 방법으로는, p-Si 기판 위에 열성장을 통한 100 nm 두께의 SiO2를 형성한 뒤, 채널 형성을 위해 RF sputter를 이용하여 70 nm 두께의 a-IGZO를 증착하였다. 이후에 소스와 드레인 전극에는 150 nm 두께의 In-Sn-O (ITO)를 RF sputter를 이용하여 증착하였고, ALD 방법을 이용하여 tunnel layer에 AlOx 5 nm, trap layer에 HfOx 20 nm, blocking layer에 AlOx 30 nm를 증착하였다. 최종적으로, 상부 게이트 전극을 형성하기 위해 electron beam evaporator를 이용하여 platinum (Pt) 150 nm를 증착하였고, 계면 결함을 최소화하기 위해 퍼니스에서 질소 가스 분위기, $400^{\circ}C$, 30 분의 조건으로 열처리를 했다. 측정 결과, 103 번의 program/erase를 반복한 endurance와 104 초 동안의 retention 측정으로부터 큰 열화 없이 메모리 특성이 유지되는 것을 확인하였다. 결과적으로, high-k 물질과 산화물 반도체는 고성능과 고집적화가 요구되는 향후 플래시 메모리의 핵심적인 물질이 될 것으로 기대된다.