Development of GaN Nanowire-based NO2 Gas Sensor Device

1

2018년 12월

_{18ZB1700-01-3200P}

GaN Nanowire 구조 기반

NO

₂

가스 센서 소자 개발

Development of GaN Nanowire-based NO

2

Gas Sensor

2018년 12월 18ZB1700-01-3200P

62

GaN Nanowire 구조 기반 NO

2

가스 센서

소자 개발

i

인 사 말 씀

최근 4차 산업혁명 관련 초연결 기술이 크게 부각되고 있는

상황 속에서, 5G 통신 및 향후 6G 통신 기술과 연계된 IoT (Internet of

Things) 기술은 급속한 속도로 발전하고 있는 추세입니다. 이러한 IoT

기술은 스마트홈, 지능형 빌딩, 스마트 팩토리 구축에 핵심기술로써

응용되고 있으며, 향후 IoT 시대에는 수많은 센서가 적용될 것이며,

이와 함께 센서의 저전력화 및 에너지 자립화가 구현되어야 한다고

판단되고 있습니다. 이러한 IoT 센서 기술의 급속한 발전을 기반으로

하여, 최근 파리기후 협약 및 세계보건기구의 환경기준강화 등에 발

맞추어 크게 중요성이 부각되고 있는 대기환경 모니터링 분야에서도

IoT 기반 센서 기술이 적용되고 있는 상황입니다.

본 과제에서는 최근 무선통신 및 전력반도체 분야에서

부각되고 있는 GaN 반도체를 기반으로 하여, 고감도 가스 센서를

개발하는 과제로써, GaN 반도체 가스 센서는 소형화 및 저전력화가

가능하며, 스마트 폰 등 모바일 기기와 연계될 수 있는 실시간

대기환경 모니터링용 가스센서로 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

끝으로 본 연구과제 수행을 위하여 아낌없는 후원과 조언을

해주신 한국전자통신연구원 관계자분들과 센서 분야 산학연 전문가

분들께 감사드리며, 아울러, 본 연구과제를 성실하게 수행해 오신

참여 연구원 분들의 노고에 진심어린 치하를 드리는 바입니다.

2018년 12월

한국전자통신연구원 원장 이 상 훈

iii

제 출 문

본 연구보고서는 주요사업인 "GaN Nanowire 구조 기반 NO2

가스 센서 소자 개발"의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의

연구팀이 작성한 것입니다.

2018년 12월

연구책임자 : 책임연구원 안호균 (RF 전력부품연구그룹)

연구참여자 : 책임연구원 김해천 (RF 전력부품연구그룹)

책임연구원 김성일 (RF 전력부품연구그룹)

연구원 도재원 (RF 전력부품연구그룹)

연구원 정현욱 (RF 전력부품연구그룹)

연구원 조규준 (RF 전력부품연구그룹)

v

요 약 문

Ⅰ. 제 목

GaN Nanowire 구조 기반 NO

2

가스 센서 소자 개발

Ⅱ. 연구목적 및 중요성

최근 신 반도체 소재인 GaN은 재료가 갖는 물리적 특성으로 인하여 내식성 및 고온에도 안정적이어서 기존의 실리콘 등 타 반도체 재료에 비해 탁월한 장점을 갖기 때문에, RF 부품 및 전력반도체 분야 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근 센서 분야에서도 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor) 구조 기반 고감도 가스 센서 연구가 활발히 진행되고 있다. 2015년 IMEC에서는 GaN 센서를 이용하여 air quality를 monitoring하는 고감도 NO2 가스 센서를 발표하였다. 이미 선진국이나 글로벌 기업에 선점된 MEMS 또는 Si 센서와는 달리, GaN 센서는 차세대 재료 기술로 본격적으로 시장을 주도하는 시기는 5 ~ 10여년 후로 예상되므로 기술적 선점이 반드시 필요한 분야이며, GaN 센서는 가스 센서 외에 향후 암 진단 등 고감도 바이오센서 등으로 활용도가 높은 유망한 기술로 관련 분야의 시장을 개척하고 시스템을 선도하기 위해서는 이에 대한 연구가 시급한 실정이다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 연구에서는 GaN nanowire 구조 최적화를 통해 GaN 센서를 개발할 예정이며, GaN 센서의 나노구조물 미세패턴 형성 기술, 건식식각 및 후처리 공정 기술, Functionalization 공정 기술 등의 개발이 필요하다.

vi

Ⅲ. 연구내용 및 범위

본 연구는 GaN Nanowire 구조물을 기반으로 하여, NO2 가스 센서 및 가스 센서 소자 플랫폼을 개발하는 과제로써, 연구내용 및 범위는 다음과 같다. - 50nm급 GaN Nanowire 구조물 및 제작 공정 개발 - 기능화 공정 개발 (Pt metallization 공정) - Planar-type GaN 센서 소자 개발

Ⅳ. 연구결과

본 연구과제의 1차년도 주요 연구결과는 다음과 같다 1. GaN 나노구조물 공정 개발 - GaN 나노구조물 설계 및 패터닝 공정 개발 - GaN 나노구조물 제작용 건식식각 공정 개발 - GaN 나노구조물 제작용 TMAH 후처리 공정 개발 2. Planar-type GaN 센서 소자 개발 - Planar-type GaN 센서 소자 설계 - Planar-type GaN 센서 소자 단위공정 개발 - Planar-type GaN 센서 소자 공정 - Planar-type GaN 센서 소자 성능 분석

vii

Ⅴ. 기대성과 및 건의

본 과제는 최근 무선통신 및 전력반도체 분야에서 부각되고 있는 GaN 반도체를 기반으로 하여, 고감도 가스 센서를 개발하는 과제로써, GaN 반도체 가스센서는 기존의 전기화학식 또는 광학식 센서와 달리, 소형화 및 저전력화가 가능하며, 스마트 폰 등 모바일 기기와 연계될 수 있는 실시간 대기환경 모니터링용 가스센서로 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 과제에서 연구된 GaN 센서 플랫폼은 대기환경모니터링용 가스센서 분야 뿐만 아니라, GaN 반도체의 물질적 우수성을 기반으로 바이오센서 분야, 극한 환경용 센서 분야 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

ix

ABSTRACT

Ⅰ. TITLE

Development of GaN Nanowire-based NO

2

Gas Sensor Device

Ⅱ. THE OBJECTIVES

Recently, GaN semiconductor has been regarded as one of next-generation materials due to its material characteristics such as physical characteristics, chemical stability and high temperature stability. Therefore, GaN semiconductor has various applications such as RF components, power switching components and sensor devices. Highly sensitive gas sensor based on GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor) structure is one of recent topics. In 2015, IMEC developed highly sensitive GaN-based NO2 gas sensor for air quality monitoring. Morever, GaN-based sensor device can be applied as bio-sensor.

This project includes GaN Nanowire fabrication technology, functionalization technolgy and GaN Nanowire-based gas sensor device.

Ⅲ. THE CONTENTS AND SCOPE OF THE STUDY

The contents and scope of this study is listed below:

- 50nm GaN Nanowire structure and its fabrication process - Fuctionalization process (Pt metalliation process) - Planar-type GaN sensor device and its fabrication process

x

Ⅳ. RESULTS

The results of the first year of this study are listed below:

1. Development of 50nm GaN Nanowire structure

- GaN Nanowire design and fine pattern process using e-beam lithography system - Dry etch process for the fabrication of GaN Nanowire

- TMAH treatment for the fabrication of GaN Nanowire

2. Development of planar-type GaN sensor

- Design and fabrication of Planar-type GaN sensor

- Development and optimization of unit processes for the fabrication of Planar-type GaN sensor

- Characterization of Planar-type GaN sensor

Ⅴ. EXPECTED RESULT & PROPOSITION

This study is to provide highly sensitive GaN-based sensor platform and NO2 gas sensor device. The GaN-based sensor device can be available on the mobile handset through its miniaturization and applied for the real-time air quality monitoring. The The GaN-based sensor can be used for various applications such as bio-sensor and harsh-environment sensor.

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CONTENTS

CHAPTER 1. Overview of the Research ... 3

SECTION 1 Need for the Research ... 3

SECTION 2 Objectives of the Research ... 5

CHAPTER 2. Development of GaN Nanowire process ... 7

SECTION 1 Design of GaN Nanowire and patterning process ... 9

SECTION 2 Dry etch process of AlGaN epi-layer ... 11

SECTION 3 TMAH treatment of AlGaN epi-layer ... 23

CHAPTER 3. Development of Planar-type GaN sensor ... 27

SECTION 1 Design of planar-type GaN sensor ... 29

SECTION 2 Development of unit processes of planar-type GaN sensor 38

SECTION 3 Fabrication process of planar-type GaN sensor. ... 41

SECTION 4 Characterization of planar-type GaN sensor ... 48

xiii

CHAPTER 5. Conclusions ... 56

Abbreviations ... 59

xiv

TABLES

[Table 2-1] Result of e-beam lithography according to various design sizes……….…10 [Table 2-2] Etch condition of ETRI ICP machine………..………13 [Table 2-3] ETRI ICP condition 3, the etched thickness vs the etch time at 200nm mask pattern………..………...………14 [Table 2-4] ETRI ICP condition 3, the etched thickness vs the etch time at 500nm mask pattern ……….………16 [Table 2-5] ETRI ICP condition 3, the etched thickness vs the etch time at 200nm mask pattern ……….………17 [Table 3-1] Result of ohmic contact process of planar-type GaN sensor device……….……...44 [Table 3-2] Measurement of TLM pattern after isolation process ………….…….…………...44

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FIGURES

[Figure 2-1] Design of GaN Nanowire pattern…...…...……… 10 [Figure 2-2] Result of fine patterning process...………...……… 11 [Figure 2-3] Test sample for the development of AlGaN etch process…………...………… 12 [Figure 2-4] In-line CD-SEM image after e-beam lithography for the AlGaN etch process..…………...…… 12 [Figure 2-5] In-line CD-SEM image after AlGaN etch process....…..………..………… 13 [Figure 2-6] ETRI ICP condition 3, AFM result after AlGaN etch for 160 sec at 200nm etch mask pattern ……… 14 [Figure 2-7] ETRI ICP condition 3, AFM result after AlGaN etch for 100 sec at 200nm etch mask pattern...………...……… 15 [Figure 2-8] ETRI ICP condition 3, AFM result after AlGaN etch for 100 sec at 500nm etch mask pattern...………...…...16 [Figure 2-9] Uniformity data of the etched thickness according to etch time...18 [Figure 2-10] DGIST ICP, AFM result after AlGaN etch for 45 sec at 120nm etch mask pattern ……….………...………… 18 [Figure 2-11] DGIST ICP, AFM result after AlGaN etch for 110 sec at 120nm etch mask pattern...…...……...19 [Figure 2-12] DGIST ICP, AFM result after AlGaN etch for 180 sec at 120nm etch mask pattern ………. 19 [Figure 2-13] DGIST ICP, AFM result after AlGaN etch for 180 sec at 500nm etch mask pattern ……...…20 [Figure 2-14] SEM image of LS pattern after AlGaN etch process……….…..21 [Figure 2-15] Focused Ion-Beam SEM image of fine pattern after AlGaN etch process …... 21

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[Figure 2-16] Focused Ion-Beam SEM image of the Fabricated 50nm FiN-type GaN Nano

structure...… 22

[Figure 2-17] TMAH treatment after AlGaN etch process...… 24

[Figure 2-18] Variation of CD-size of fine patern on PMMA resist according to TMAH treatment time ...… 25

[Figure 2-19] Variation of thickness of silicon nitride layer according to TMAH treatment time...… 25

[Figure 2-20] TMAH treatment of AlGaN epi-layer using silicon nitride pattern...… 25

[Figure 2-21] FIB Cross-sectional image after TMAH treatment...… 26

[Figure 3-1] Fabrication procedures of planar-type GaN sensor...……… 30

[Figure 3-2] Gateless FET layout...…...………… 30

[Figure 3-3] Design rule of GaN Gas sensor……….….31

[Figure 3-4] GaN gas sensor layout with various widths of sensing area...31

[Figure 3-5] GaN gas sensor layout with various widths of sensing area……….…… 32

[Figure 3-6] GaN gas sensor layout with various widths of sensing area.……… 32

[Figure 3-7] GaN gas sensor layout without the design pattern of fuctionalization metal layer ………. 33

[Figure 3-8] Bio-cell layout.……….33

[Figure 3-9] Bio-cell layout with various number of sensing areas.……….………..34

[Figure 3-10] SBD sensor device layout.………..……… 34

[Figure 3-11] SBD device layout with assymetric source-drain structure……….……… 35

[Figure 3-12] PCM and FATFET device layout……...…...…...…. 35

[Figure 3-13] Designation of gateless FET and SBD sensor device………36

[Figure 3-14] Designation of bio-cell device ………..…………...…... 36

[Figure 3-15] GaN sensor mask layout..………..……….……... 37

xvii

[Figure 3-17] Morphology of ohmic metal after ETRI RTA process ………...…………... 39

[Figure 3-18] Morphology of ohmic metal after SNU RTA process...…….………... 39

[Figure 3-19] Morphology of ohmic metal after KNU RTA process...………...….………... 40

[Figure 3-20] Optical image of the fabricated micro-heater...………..………... 41

[Figure 3-21] Thermal camera image of the fabricated micro-heater...………... 41

[Figure 3-22] Schematic cross-section of GaN sensor device ...………..………... 42

[Figure 3-23] Fabrication procedures of planar-type GaN sensor...……….………... 43

[Figure 3-24] Morphology of ohmic metal of planar-type GaN sensor after RTA process….. 43

[Figure 3-25] Characteristics of ohmic contact after isolation and DGATE process ...…... 45

[Figure 3-26] Optical image of fuctionalization metal (Ti/Pt metal layers)……….………... 46

[Figure 3-27] Optical image of planar-type GaN sensor device after DGATE process…….... 46

[Figure 3-28] Optical image of planar-type GaN sensor device after first metallization process………..……….. 46

[Figure 3-29] Optical image of planar-type GaN sensor device after the opening process of sensing areas...………... 47

[Figure 3-30] Optical image of planar-type GaN sensor device after the opening process of contact pads...………... 47

[Figure 3-31] DC characteristics of PCM device...………..…... 49

[Figure 3-32] DC characteristics of gateless FET...………..……... 50

[Figure 3-33] Sensing performance of planar-type GaN sensor with gateless FET structure... 51

[Figure 3-34] Planar-type GaN sensor device for characterization of sensing performance .... 51

xviii

목 차

제 1 장 서론 ... ３

제 1 절 연구의 필요성 ... ３

제 2 절 연구의 목적 ... ５

제 2 장 GaN 나노구조물 공정 개발 ... 7

제 1 절 GaN 나노구조물 설계 및 패터닝 공정 개발 ... 9

제 2 절 GaN 나노구조물 제작용 건식식각 공정 개발 ... 11

제 3 절 GaN 나노구조물 제작용 TMAH 후처리 공정 개발 ... 23

제 3 장 Planar-type GaN 센서 소자 개발 ... 27

제 1 절 Planar-type GaN 센서 소자 설계 ... 29

제 2 절 Planar-type GaN 센서 소자 단위공정 개발 ... 38

제 3 절 Planar-type GaN 센서 소자 공정 ... 41

제 4 절 Planar-type GaN 센서 소자 성능 분석 ... 48

제 4 장 연구개발결과의 활용계획 ... 52

xix

제 5 장 결론 ... 56

약어표 ... 59

xx

표목차

[표 2-1] Design size별 이빔 리소그라피 공정 결과………..……....10 [표 2-2] ETRI ICP 장비에서의 건식식각 조건 ………...………..……....13 [표 2-3] ETRI ICP 조건 3, 200nm 식각 마스크 패턴에서의 식각 시간에 대한 식각 두께... 14 [표 2-4] ETRI ICP 조건 3, 500nm 식각 마스크 패턴에서의 식각 시간에 대한 식각 두께 ………...………..………..……....16 [표 2-5] ETRI ICP 조건 3, 500nm 식각 마스크 패턴에서의 식각 시간에 대한 식각 두께 ………...………..………..……....17 [표 3-1] Planar-type GaN 센서 소자 오믹 공정 수행 후 오믹 특성 ………...……....44 [표 3-2] 소자 격리 공정 이후의 TLM 특성 ………..…...……….……....44

xxi

그림목차

[그림 2-1] GaN 나노구조물 설계 패턴...…...……… 10 [그림 2-2] 미세패턴 공정 결과...…… 11 [그림 2-3] AlGaN 식각 공정 개발용 test sample...……...……..………...………12 [그림 2-4] AlGaN 식각 공정을 위한 전자빔리소그라피 공정 후 in-line CD-SEM 이 미지 ……...…………...………...………...12 [그림 2-5] AlGaN 층 식각 공정 후 in-line CD-SEM 이미지 …………...………… 13 [그림 2-6] ETRI ICP 조건 3, 200nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 160 sec 후 AFM 결과...……… 14 [그림 2-7] ETRI ICP 조건 3, 200nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 100 sec 후 AFM 결과 ……….……… 15 [그림 2-8] ETRI ICP 조건 3, 500nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 100 sec 후 AFM 결과 …...……… 16 [그림 2-9] AlGaN 식각 시간 별 식각 두께 균일도 분석 …...…...… 18 [그림 2-10] DGIST ICP, 120nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 45 sec 후 AFM 결과 …...………...……...…… 18 [그림 2-11] DGIST ICP, 120nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 110 sec 후 AFM 결과...…...……..…… 19 [그림 2-12] DGIST ICP, 120nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 180 sec 후 AFM 결과 ……...…...… 19 [그림 2-13] DGIST ICP, 500nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 180 sec 후 AFM 결과 ………...……… 20 [그림 2-14] FiN-type GaN 나노구조물용 LS 패턴에 대한 AlGaN 층 식각 공정 후의SEM 이미지 ……...…21 [그림 2-15] AlGaN 층 식각 공정 후의 미세 식각 영역에 대한 Focused Ion-Beam SEM

xxii

이미지...21 [그림 2-16] 제작된 50nm 급 FiN-type GaN 나노구조물에 대한 Focused Ion-Beam SEM 이미지...…...……… 22 [그림 2-17] AlGaN 식각 공정 후, TMAH 후처리 공정...………… 24 [그림 2-18] TMAH 공정 시간에 따른 PMMA resist 상의 미세패턴 개구부 크기 변화... 25 [그림 2-19] TMAH 공정 시간에 따른 silicon nitride 막의 두께 변화...………… 25 [그림 2-20] Silicon nitride 막 개구부 상의 AlGaN/GaN 에피층에 대한 TMAH 처리 공정...… 25 [그림 2-21] TMAH 후처리 공정 후 FIB-SEM 단면 이미지...………… 26 [그림 3-1] Planar-type gas sensor 소자 공정 흐름도...30 [그림 3-2] 기본 gateless FET 소자 layout...…...…...…….30 [그림 3-3] Gas sensor design rule...……...……..31 [그림 3-4] SA 길이에 따른 가스 센서 소자 layout...…...31 [그림 3-5] SA 길이에 따른 가스 센서 소자 layout...32 [그림 3-6] SA 개수에 따른 가스 센서 소자 layout ……...…..…… 32 [그림 3-7] Functionalization 금속이 없는 가스 센서 소자 layout...33 [그림 3-8] Bio-cell 소자 layout...33 [그림 3-9] SA 개수에 따른 bio-cell 소자 layout...34 [그림 3-10] SBD 센서 소자 layout...34 [그림 3-11] 비대칭 소스/드레인 면적 가지는 SBD 소자 layout...35 [그림 3-12] 기타 PCM 및 FATFET 소자 layout...35 [그림 3-13] 설계된 gateless FET 및 SBD 센서 소자 표기...36 [그림 3-14] 설계된 bio-cell 소자 표기...36 [그림 3-15] 소자 종류별 layout 배치도 및 설계 완료된 layout...37 [그림 3-16] 제작된 planar-type GaN 센서 제작용 i-line stepper용 포토마스크...38

xxiii

[그림 3-17] ETRI 타부서 RTA 장비에서 공정 수행 후, 오믹 모폴로지...39 [그림 3-18] 서울대 반공연 RTA 장비에서 공정 수행 후, 오믹 모폴로지...39 [그림 3-19] 경북대 RTA 장비에서 공정 수행 후, 오믹 모폴로지...40 [그림 3-20] 제작된 Micro-heater 광학 이미지 및 dark field 이미지...41 [그림 3-21] 제작된 Micro-heater 열화상 카메라 이미지...41 [그림 3-22] GaN 센서용 에피 구조 및 센서 소자 단면도...42 [그림 3-23] Planar-type GaN 센서 소자 제작 공정 흐름도...43 [그림 3-24] Planar-type GaN 센서 소자 오믹 공정 수행 후 오믹 모폴로지...43 [그림 3-25] 소자 격리 및 DGATE 공정 이후의 오믹 접촉 특성...45 [그림 3-26] Functionalization 영역 상의 Ti/Pt 금속층 광학 현미경 이미지...46 [그림 3-27] DGATE 공정 후의 광학 현미경 이미지...46 [그림 3-28] First metallization 공정 후의 광학 현미경 이미지...46 [그림 3-29] Functionalization 영역 오픈 공정 후의 광학 현미경 이미지...47 [그림 3-30] Contact pad 오픈 공정 후의 광학 현미경 이미지...47 [그림 3-31] PCM 소자의 DC 특성...49 [그림 3-32] Gateless FET 소자의 DC 특성...50 [그림 3-33] Gateless FET 구조의 planar-type GaN 센서의 NO2 가스 센싱 특성...51 [그림 3-34] Gateless FET 구조의 planar-type GaN 센서의 NO2 가스 센싱 측정 소자...51 [그림 3-35] Gateless FET 구조의 planar-type GaN 센서의 NO2 가스 센싱 특성...51

１

３

제 1 장 서론

제 1 절 연구의 필요성

공기오염에 의한 직간접적 피해에 대한 인식이 높아지고 쾌적한 생활환경에 대한 요구가 증가하면서 대기환경 센서 및 모니터링 기기에 대한 시장 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 대한 연구 및 개발은 출연연의 사회문제 해결에 대한 국가적 기대 및 책무이다. 최근 스마트 홈/빌딩/공장 구현을 위한 IoT (Internet of Things) 기반의 환경 모니터링 및 관리 기술이 부각되면서 향후 대기환경 센서에 대한 수요가 더욱 커질 것으로 전망되며, 이는 정부에서 강조하고 있는 제 4차 산업혁명 관련 기술 중 초연결 관련 IoT 기반 기술 구축을 실현하기 위해서도 필수적인 상황이다. 소득수준이 높은 선진국을 중심으로 소비자들의 쾌적한 생활환경에 대한 요구가 증가하면서 개인휴대형 공기질 측정 제품의 시장출시가 증가하는 추세이며, 2014년 기준 세계 센서 시장은 795억 달러에서 연평균 7.9% 성장하여 2019년에는 1,165억 달러 시장을 형성할 것으로 전망되며, (ETRI, 2015) 전체 센서 시장 중 가스센서의 시장은 약 3.52%의 비중을 차지하고 있다. 2014년 기준 세계 가스센서 시장은 약 28억 달러 규모이며, 2021년까지 연평균 4.5% 성장하여 약 38억 달러의 시장을 형성할 것으로 전망된다. ((출처) Frost & Sulivan (2015)) GaN Nanowire 구조 기반 센서에 관한 원천기술을 확보하고, 그에 대한 특허를 확보함으로써, 향후 기술이전 등 파급효과가 큰 지적재산권 확보가 가능하다. Gas sensor는 검출방식에 따라 전기화학식, 접촉연소식, 반도체식, 광학식 센서등이 있으며, 이중 유독가스나 가연성 가스 부분에서 반도체식 센서에 대한 연구가 증대되고 있으며, 또한, NO2 gas의 유독성 때문에 고온의 자동차 엔진에서의 화석연료 연소과정, 화학공장 등의 매연에서 생성되는 NO2 gas 농도의 분석 및 실시간 모니터링의 중요성이 증대됨에 따라 NO2 gas sensor에 대한 연구

４

개발이 필수적인 상황이다. NO2 gas sensor에서의 높은 sensitivity, 소형화 및 가역적 반응이 가능한 sensor의 필요성 때문에 나노구조를 응용한 반도체 센서의 연구가 증대되고 있으며, O2 gas sensor 기술을 활용할 경우, 자동차의 엔진부 gas sensor에 적용가능하고, 전기자동차 인버터용 MISFET(Metal-Insulator-Field Effect Transistor)와 SBD (Schottky Barrier Diode) 스위칭 소자 기술에 접목이 가능하다. (Yole 2016 : 전기자동차 인버터 시장은 2021년에 약 90억 US 달러 (약 10조원 이상)에 달할 것으로 전망됨.) GaN 소자의 센서 응용은 세계적으로 연구초기 단계로 국내에서 관련 기술 개발이 시급한 상황이며, 높은 sensitivity를 갖는 가스 센서 및 biosensor로 유망한 소자이다.

５

제 2 절 연구의 목적

세계보건기구(WHO)가 2016년 발표한 ‘세계 도시 주변 공기 데이터베이스’ 보고서에 따르면 전 세계 빈민국가 도시의 98%, 고소득 국가 도시의 56%가 WHO 기준에 미치지 못하는 공기질을 보이며, 전 세계 도시 5개 중 4개꼴로 대기오염이 심각한 것으로 나타나고 있다. WHO가 2014년 4월 발표한 ‘2012년 실내외 대기오염으로 인한 질병 부담’ 보고서에 따르면 대기오염으로 인한 사망자는 700만 명으로써 전 세계 사망자 8명 가운데 1명에 해당하며, 수질오염으로 인한 사망자 180만명의 4배에 가까운 상태이다. 가스 센서는 매우 다양한 원리로 동작되나, 시장점유율이 높은 종류로는 반도체식, 전기화학식, 광학식 등이 있음. 반도체식은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 마이크로 히터 도입을 통한 소형화 및 저전력화와 나노 감지소재 도입을 통한 고감도화 등의 기술적 발전이 급속히 진행되고 있다. 가스 센서들은 크게 단일 센서와 전자코(electronic nose)로 알려진 다중 센서로 분류될 수 있으며, 이 중 단일 센서들은 NOx, NH3, O3, CO, CH4, H2, SO2, LPG 및 각종 유해성 가스들을 검출하는데 사용되고, 다중 센서들은 혼합가스들의 성분을 검출하기 위해 지속적으로 개발되고 있다.

최근 신 반도체 소재인 GaN은 재료가 갖는 물리적 특성으로 인하여 내식성 및 고온에도 안정적이어서 기존의 실리콘 등 타 반도체 재료에 비해 탁월한 장점을 갖기 때문에, RF 부품 및 전력반도체 분야 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근 센서 분야에서도 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor) 구조 기반 고감도 가스 센서 연구가 활발히 진행되고 있으며 2015년 IMEC에서는 GaN 센서를 이용하여 air quality를 monitoring하는 고감도 NO2 가스 센서 개발을 발표하였다. 이미 선진국이나 글로벌 기업에 선점된 MEMS 또는 Si 센서와는 달리, GaN 센서는 차세대 재료 기술로 본격적으로 시장을 주도하는 시기는 5 ~ 10여년 후로 예상되므로 기술적 선점이 반드시 필요한 분야이며, GaN 센서는 가스 센서 외에 향후 암 진단 등 고감도 바이오센서 등 활용도가 높은 유망한 기술로 관련

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분야의 시장을 개척하고 시스템을 선도하기 위해서는 이에 대한 연구가 시급한 실정이다.

이러한, 목적을 달성하기 위하여, GaN nanowire 구조 최적화를 통한 GaN 센서의 개발이 시급하며, GaN 센서의 나노구조물 미세패턴 형성 기술, 건식식각 및 후처리 공정 기술, Functionalization 공정 기술 등의 개발 필요성이 강조되고 있다.

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제 2 장 GaN 나노구조물 공정

개발

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제 2 장 GaN 나노구조물 공정 개발

제 1 절 GaN 나노 구조물 설계 및 패터닝 공정 개발

GaN Nanowire 구조 기반 NO2 가스 센서를 제작하기 위해, Top-down 방식으로 FiN-type 의 나노구조물을 제작하였다. 일반적으로 bottom-up 방식의 나노구조물 제작 공정은 selective area growth 방식으로 제작되어지는데, bottom-up 방식에서 는 selective area growth 공정이 어려우며, growth 공정 후의 성장된 나노구조물 의 균일도 측면에서 단점이 있다. 이에 본 과제에서는 나노구조물의 균일도 측면 에서 장점이 있는 top-down 방식의 제작 공정을 개발하였다. 본 top-down 방식의 나노구조물 제작 공정은 전자빔리소그라피 공정을 이용한 미세 패터닝 공정과 유 전막 또는 반도체 층의 식각 공정, 그리고, 건식식각 공정 후의 damage 층을 제거 하기 위한 후처리 공정 등으로 진행되어 진다. 먼저, top-down 방식의 나노구조물 제작 공정의 기반이 되는 미세패턴 설계 및 패터닝 공정을 위해 전자빔리소그라피 용 미세 패턴을 [그림 2-1]과 같이 설계하였다. 본 패턴 설계에서는 패턴 사이즈 10nm, 15nm, 20nm, 25nm, 50nm, 100nm, 150nm, 200nm, 500nm 등의 사이즈를 가지는 LS (Line and Space) 패턴이 제작되었고, 각 LS 패턴에 대해서 Line 패턴 간의 간 격은 100nm, 300nm, 500nm 의 조건으로 제작되었다. 본 설계된 패턴 파일을 이용하 여, 건식식각 공정의 마스크 패턴을 위한 전자빔 리소그라피 공정을 수행하였다. 본 전자빔 리소그라피 공정에서는 ETRI 에서 보유하고 있는 가속전압 100kV Raith EBPG 5000 plus 장비가 적용되었으며, resist 물질로는 일본 Zeon 사의 ZEP resist 를 이용하였고, 패터닝 결과 inspection 은 Holon 사의 in-line CD-SEM 장비를 활용 하여 수행되었다. 가속전압 100kV 전자빔으로 노광 및 현상 후 패터닝 결과는 dose 1500 uC/cm2, Beam step size 5nm, beam current 5nA 조건에서 20nm pattern 을 이용하여 약 47nm 정도의 CD(Critical Dimension) size 를 얻을 수 있었다. 현상 후의 in-line CD-SEM 분석 결과는 [표 2-1] 및 [그림 2-2]와 같다.

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[그림 2-1] GaN 나노구조물 설계 패턴

[표 2-1] Design size 별 이빔리소그라피 공정 결과 Design size Dose (uC/cm2_{) 현상 후 CD-size}

20nm 1500 47nm

25nm 1500/2000 47nm/70nm

50nm 1500/2000 82nm/88nm

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[그림 2-2] 미세패턴 공정 결과

제 2 절 GaN 나노구조물 제작용 건식식각 공정 개발

Top-down 방식의 GaN Nanowire 구조물 제작을 위한 미세 패터닝 공정 이후에 필 요한 건식 식각 공정을 개발하였다. GaN Nanowire 구조물 제작을 위한 건식식각 공 정의 조건 확립을 위한 실험을 위해, [그림 2-3]과 같이 소스 및 드레인 전극이 제 작되어 있는 샘플에 대해서, PECVD 장비를 이용하여 silicon nitride 막을 50nm 정 도의 두께로 증착하고, PMMA resist 를 본 테스트 샘플 기판 상에 코팅 후, 전자빔 리소그라피 공정을 수행하여, [그림 2-4]와 같이 100nm, 120nm, 150nm, 180nm, 500nm 의 미세 패턴을 제작하였다. 상기 미세 패턴을 실리콘 나이트라이드 막의 건식식 각 공정에 대한 식각 마스크로 활용하여, PMMA resist 상의 미세 패턴을 silicon nitride 막 상에 transfer 시켰다. Silicon nitride 막의 건식식각 공정 이후, ETRI 의 microwave ashing 공정을 통해 PMMA resist 를 strip 하거나, PMMA strip 후, 다 시 PMMA resist 를 코팅하여 silicon nitride 막 보다 큰 개구부를 가지는 미세 패 턴을 PMMMA resist 상에 형성시켜서, AlGaN 층 건식 식각 공정을 위한 샘플을 제작 하였다. AlGaN 층 건식 식각 공정은 ETRI 의 ICP 장비를 활용하여, [표 2-2]와 같은 조건에서 건식식각 공정을 수행하였다. [그림 2-5]는 AlGaN 층의 건식 식각 공정을 수행한 이후의 in-line CD-SEM 이미지이다. 조건 별로 건식 식각 공정 수행 이후,

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etch rate 을 측정한 결과 Cl2/BCl3 = 18/3 sccm, ICP Power = 50W, RF Power = 3W, Press. = 5mTorr 에서 0.9 Å/sec 정도의 값을 얻었고, 본 조건에 대해서 AFM 측정 을 실시하였다.

[그림 2-3] AlGaN 식각 공정 개발용 test sample

[그림 2-4] AlGaN 식각 공정을 위한 전자빔리소그라피 공정 후 in-line CD-SEM 이미지

１３ [표 2-2] ETRI ICP 장비에서의 건식식각 조건 Cl2/BCl3 (sccm) ICP Power (W) RF Power (W) Press (mTorr) Time (sec) Etch rate (Å/sec) 조건 1 18/3 250 3 5 100 sec 3.8 조건 2 18/3 250 3 10 100 sec 2.3 조건 3 18/3 50 3 5 100 sec 0.9

[그림 2-5] AlGaN 층 식각 공정 후 in-line CD-SEM 이미지

ETRI ICP 장비를 활용하여, Cl2/BCl3 = 18/3 sccm, ICP Power = 50W, RF Power = 3W, Press. = 5mTorr 조건에서 AlGaN 층 식각 공정을 수행하였을 때, 식각 시간에 대한 식각 두께는 [표 2-3]과 같고, 식각률은 약 1Å/sec 정도의 값을 나타내었으 며, 200nm silicon nitride 식각 마스크 패턴에서의 식각 시간에 대한 AFM 이미지 는 [그림 2-6] 및 [그림 2-7]과 같다. 아울러 500nm silicon nitride 식각 마스크 패턴에서의 식각률과 AFM 이미지는 [표 2-4]와 [그림 2-8]과 같다. 500nm 패턴에서 는 200nm 패턴에 비해 식각률이 0.4Å/sec 정도 더 크게 측정되었다.

１４ [표 2-3] ETRI ICP 조건 3, 200nm 식각 마스크 패턴에서의 식각 시간에 대한 식각 두께 Cl2/BCl3 (sccm) ICP Power (W) RF Power (W) Press (mTorr)

Time (sec) Average etch depth (Å)

18/3 50 3 5 160 150 ~ 160

18/3 50 3 5 100 100

[그림 2-6] ETRI ICP 조건 3, 200nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 160 sec 후 AFM 결과

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[그림 2-7] ETRI ICP 조건 3, 200nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 100 sec 후 AFM 결과

１６ [표 2-4] ETRI ICP 조건 3 에서 500nm 식각 마스크 패턴에서의 식각 시간에 대한 식 각 두께 Cl2/BCl3 (sccm) ICP Power (W) RF Power (W) Press (mTorr)

Time (sec) Average etch depth (Å)

18/3 50 3 5 100 140

[그림 2-8] ETRI ICP 조건 3, 500nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 100 sec 후 AFM 결과

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DGIST ICP 장비를 활용하여, 100nm, 120nm, 150nm, 180nm, 500nm 마스크 패턴에 서의 각 마스크 패턴 크기에 따른 식각공정의 균일도를 [표 2-5]와 같이 정리하였 다. DGIST ICP 장비에서의 건식 식각 공정 이후, 식각표면에 대한 AFM 분석을 [그 림 2-10], [그림 2-11], [그림 2-12] 및 [그림 2-13]과 같이 정리하였다. DGIST ICP 장비에서의 건식 식각 공정의 균일도를 살펴보면, 식각 시간 45sec 와 110sec 의 경 우, 비교적 균일한 식각률을 보였으나, 식각 시간 180sec 샘플의 경우는 식각률이 급격히 저하되는 현상이 나타났으며, 이러한 현상의 원인으로는 식각 도중 부산물 생성의 가능성 및 silicon nitride 막으로만 마스킹하여 식각 조건이 불안정 했을 가능성 등을 분석 중이다. 그리고, 건식 식각 후 AFM 결과에서도 건식 시간 180sec 조건에서 120nm 마스킹 패턴의 경우 500nm 마스킹 패턴과 달리 식각 두께 의 불균일 현상이 나타났다. 그래서, GaN Nanowire 구조물 제작을 위한 건식 식각 공정에는 상대적으로 식각 조건이 안정한 ETRI 의 ICP 장비를 활용하여, Cl2/BCl3 = 18/3 sccm, ICP Power = 50W, RF Power = 3W, Press. = 5mTorr 조건에서 AlGaN 층 식 각 공정을 수행하였다. [표 2-5] ETRI ICP 조건 3 에서 500nm 식각 마스크 패턴에서의 식각 시간에 대한 식 각 두께 Uniformity(%) 100nm 120nm 150nm 180nm 500nm 45s 39 34 27 17 13 110s 49 30 9 6 3 180s 18 30 19 5 17 Uniformity=(Std/Avg)*100

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[그림 2-9] AlGaN 식각 시간 별 식각 두께 균일도 분석

(Ref. : 주요사업“수요자 중심 화합물반도체 부품산업 기반 강화” 사업 기술 문서, 도재원, 2017)

[그림 2-10] DGIST ICP, 120nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 45 sec 후 AFM 결과

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[그림 2-11] DGIST ICP, 120nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 110 sec 후 AFM 결과

[그림 2-12] DGIST ICP, 120nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 180 sec 후 AFM 결과

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[그림 2-13] DGIST ICP, 500nm 식각 마스크 패턴에서의 AlGaN 층 식각 시간 180 sec 후 AFM 결과

본 과제의 FiN-type GaN Nanowire 구조물을 제작하기 위하여, 50nm silicon nitride 막이 증착된 AlGaN/GaN on sapphire wafer 상에 전자빔 리소그라피 공정을 수행하여, 나노구조물을 위한 LS 패턴을 제작하고, 상기 [그림 2-3]의 건식식각 공정 테스트 샘플에서와 같이, LS pattern 을 silicon nitride 막 마스크 패턴으로 활용하여, silicon nitride 막을 식각하고, resist 를 strip 한 후, silicon nitride 막 패턴을 식각 마스크로 하여, AlGaN 층을 건식식각하는 공정을 수행하고, silicon nitride 막을 BOE (6:1) 용액을 이용하여 제거 후, Focused Ion Beam-SEM 을 통한 평면 및 단면 분석 결과를 [그림 2-14], [그림 2-15] 및 [그림 2-16]와 같 이 정리하였다. [그림 2-14]와 같이 식각 공정 후, 비교적 평탄한 식각 표면을 얻 을 수 있었으며, [그림 2-15]와 같이 미세 식각 영역 패턴의 경우 식각 폭 48.3nm 를 가지는 recess 영역을 형성할 수 있었다. 그리고, 나노 FiN 구조물의 경우, [그 림 2-16]과 같이 본 과제의 1 차년도 목표인 50nm 급 이하의 FiN-type GaN 나노구조 물을 제작하였으며, FiN 의 top width 는 47.5nm 이였고, FiN 의 높이는 63.5nm, side-wall 의 bottom-line 에 대한 각도는 약 40 ~ 50 도 정도를 나타내는 사다리꼴 형태의 나노 FiN 구조를 개발하였다.

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[그림 2-14] FiN-type GaN 나노구조물용 LS 패턴에 대한 AlGaN 층 식각 공정 후의 SEM 이미지

[그림 2-15] AlGaN 층 식각 공정 후의 미세 식각 영역에 대한 Focused Ion-Beam SEM 이미지

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[그림 2-16] 제작된 50nm 급 FiN-type GaN 나노구조물에 대한 Focused Ion-Beam SEM 이미지

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제 3 절 GaN 나노구조물 제작용 TMAH 후처리 공정 개발

Top-down 방식의 GaN Nanowire 구조물 제작 공정에서 일반적으로 건식식각 공정 후에는 식각 후 잔유물이 잔존하거나, FiN 의 sidewall profile 이 수직이 안되고, positive slope 을 보이면서 눕는 경향이 보이는데, 본 실험에서도 [그림 2-16]에 서 볼 수 있는 바와 같이, FiN sidewall profile 이 bottom line 에서 약 40 ~ 50 도 정도의 값을 나타내는 결과를 얻었다. FiN-type 나노구조물에서는 측면 profile 이 수직으로 되는 경우, 결정방향 상으로 FiN 측면이 m-plane 으로 형성될 수 있다. m-plane 의 GaN 에서는 결정결함이 적고, m-plane GaN 를 전자소자에 응용할 경우, 낮은 subthreshold 값 등 향상된 소자 성능을 얻을 수 있다고 보고되고 있다. 아 울러, non-polar m-plane GaN 표면에서 a-plane GaN 표면에 비해 hydrogen gas 에 대 해서 상대적으로 더 높은 감도를 나타낸다고 보고되고 있다. (Ref. K.H. Baik et al, Sensors and Actuators, 2017) 따라서, 제작된 나노 FiN 구조물의 sidewall profile 을 수직으로 만들고, 표면에 식각 잔류물 등을 제거하는 것이 센서의 감도를 높이 기 위해 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 TMAH 용액을 이용하여, 나노 FiN 구 조의 측면 profile 을 개선하고, 식각 표면의 식각 잔류물을 제거하는 연구를 수행 하였다. TMAH 후처리 공정은 [그림 2-17]에서와 같이, 25% TMAH 용액과 D.I. Water 를 1:4 의 부피비로 혼합하여 수행하였고, TMAH 용액의 반응성을 향상시키기 위하 여, hot plate 상에서 50℃ 또는 75℃ 등과 같이 온도를 높인 상태에서 진행하였다. TMAH 용액에서의 전자빔 리소그라피 공정 resist 인 PMMA 와 silicon nitride 막에 서의 반응성을 확인하여 보았다. TMAH 후처리 공정에 따른 PMMA resist 상의 미세 패턴 개구부의 크기 변화와 silicon nitride 막의 두께 변화를 [그림 2-18]과 [그 림 2-19]에 정리하였다. 75℃ 온도에서 TMAH 공정을 수행하였을 경우, PMMA resist 상의 개구부 패턴 크기는 11nm/sec 의 속도로 확장되는 것을 확인할 수 있었고, silicon nitride 막의 두께는 3Å/min 의 속도로 두께가 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터, TMAH 공정을 75℃에서 수행하는 경우는 AlGaN 또는 GaN 반도체 층 뿐만 아니라, silicon nitride 막도 반응을 하는 것으로 확인되었으며, PMMA resist 상의 패턴 변화도 심한 것으로 확인되었고, 이러한 현상은 25℃ 또는 50℃

２４ 에서는 크게 저감되는 것을 [그림 2-20]에서도 확인하였다. 즉, 25℃, 30 분 조건에 서는 반응성이 나타나지 않는 것으로 확인되었고, 50℃, 30 분 조건에서부터 silicon nitride 막 아래로 언더컷이 확인되었고, 50℃, 30 분 조건에서는 언더컷이 크게 나타날 뿐만 아니라, 마스크 층인 silicon nitride 막이 손상되는 것으로 확 인되었다. 따라서 본 FiN-type GaN 나노구조물 제작 실험에서는 LS 패턴에 대해서 50℃, 30 분 조건에서 TMAH 공정이 수행되었고, TMAH 공정 수행 후의 단면 및 평면 SEM 사진을 FIB 분석을 통해 얻었다. [그림 2-17] AlGaN 식각 공정 후, TMAH 후처리 공정

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[그림 2-18] TMAH 공정 시간에 따른 PMMA resist 상의 미세패턴 개구부 크기 변화 (Ref. : 국제공동기술개발사업“위성통신용 고출력 GaN SSPA 개발” 과제 기술 문 서 및 보고서, 2018)

[그림 2-19] TMAH 공정 시간에 따른 silicon nitride 막의 두께 변화

(a) (b) (c)

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공정 (a) 25℃, 30min, (b) 50℃, 30min, (c) 75℃, 30min

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제 3 장 Planar-type GaN 센서

소자 개발

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제 3 장 Planar-type GaN 센서 소자 개발

제 1 절 Planar GaN 센서 소자 설계

본 과제는 1 차년도 planar-type GaN 센서 소자 플랫폼을 개발하는 것을 내용으 로 하고 있으며, 그에 따른 센서 소자 개발용 마스크 패턴을 설계하였다. 기본적 으로 planar-type GaN 센서 소자 개발용 마스크 패턴에는 gateless FET 구조의 가 스 센서 소자를 적용하였고, 주요 내용은 다음과 같다.

- Gateless FET 구조의 가스 센서 소자를 기본으로 사용함.

- 소자의 센싱 영역 (SA, Sensing Area)의 기능화(Functionalization) 금속 증 착 공정 유/무 여부에 따라 두 가지 형태로 제작되었음.

- Gateless FET 소자 크기를 다양하게 설계하여, 센싱 특성 분석

- Bio-cell, Schottky-barrier diode(SBD) 및 비대칭 구조 SBD 를 추가적으로 구 성함. - [그림 3-1]과 같이 gateless FET 소자 공정은 총 9 단계로 진행되며, 유전막 증착 공정을 제외하면, 총 7 개의 마스크가 필요함. - 마스크 표기별 기능은 다음과 같음. Layer 1) OHM : 오믹컨택 형성 Layer 2) MESA : 소자 격리 Layer 3) FC1 : Functionalization 금속 형성

Layer 4) DGATE : 오믹금속 위에 형성된 silicon nitride 유전막 식각 Layer 5) FMT : 소자 연결 및 컨택 패드 형성

Layer 6) FC2 : Functionalization 금속 위에 형성된 silicon nitride 유전막 식각 Layer 7) DVIA : 컨택 패드에 형성된 silicon nitride 유전막 식각

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[그림 3-1] Planar-type gas sensor 소자 공정 흐름도

본 1 차 마스크 설계에서 디자인된 센서 소자 구조 종류는 다음과 같다. 1) Gateless FET 소자

- Gateless FET 소자 : 소스-드레인 간격은 48 ㎛, 소스-드레인 사이에 40/150 ㎛의 폭/길이를 가지는 센싱 영역 (SA)이 있음. 기본 gateless FET 소자의 layout 은 [그림 3-2]와 같다.

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- [그림 3-3]에서 볼 수 있듯이, 디자인 룰은 layer 별로 2 ㎛의 간격을 가짐. (DGATE 와 FMT 는 1 ㎛)

[그림 3-3] Gas sensor design rule

- [그림 3-4]를 참조하면, 레퍼런스 소자에서 SA 길이에 따른 센싱 특성을 파악 하기 위해 5/10/20 ㎛인 소자를 추가함. (소스-드레인 길이는 48 ㎛로 고정)

[그림 3-4] SA 길이에 따른 가스 센서 소자 layout

- [그림 3-5]를 참조하면, 레퍼런스 소자에서 소스-드레인 길이에 따른 센싱 특 성을 파악하기 위해 13/18/28/48/88 ㎛인 소자를 추가함. (소스-드레인 길이에 따

３２ 라 SA 길이가 변함.) [그림 3-5] SA 길이에 따른 가스 센서 소자 layout - [그림 3-6]을 참조하면, SA 의 개수에 따른 센싱 특성을 파악하기 위해 각 소 자 크기 별로 2/4/8/16/32 개의 SA 를 가지는 소자를 추가함. (그림은 대표 소자에 대해서만 나타냄.) [그림 3-6] SA 개수에 따른 가스 센서 소자 layout - [그림 3-7]을 참조하면, Functionalization 금속 유/무에 따른 센싱 특성을 파악하기 위해 Functionalization 금속이 없는 소자의 layout 을 추가함. (소자 면

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적/SA 크기/SA 개수는 위에서 언급한 것과 동일함.)

[그림 3-7] Functionalization 금속이 없는 가스 센서 소자 layout

2) Bio-cell 소자

- Bio-cell 소자는 기본적으로 gateless FET 구조로 설계되었으며, [그림 3-8] 과 같이 팔각형 형태를 가짐. Bio-cell 은 크기에 따라 12/20/40 ㎛ 세가지 종류로 설계되었음.

- 디자인 룰은 gateless FET 와 동일함.

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- [그림 3-9]를 참조하면, SA 의 개수에 따른 센싱 특성을 파악하기 위해 각 소 자 종류별로 1/4/16 개의 SA 를 가지는 소자를 추가함.

[그림 3-9] SA 개수에 따른 bio-cell 소자 layout

- Bio-cell 소자도 gateless FET 와 마찬가지로 Functionalization metla 의 유/ 무에 따른 센싱 특성을 파악하기 위해 Functionalization metal 이 없는 소자 추가 됨. (소자 면적/SA 크기/SA 개수는 동일함.) 3) Schottky-barrier diode (SBD) 센서 소자 - SBD 센서 소자의 기본 layout 은 [그림 3-10]과 같으며, 소자의 크기는 대표 gateless FET 와 같음. [그림 3-10] SBD 센서 소자 layout

３５ - SA 길이에 따른 센싱 특성을 파악하기 위해 5/10/20/40 ㎛인 소자 설계 (소스 -드레인 길이는 40 ㎛ 고정) - 소스-드레인 길이에 따른 센싱 특성을 파악하기 위해 48/88 ㎛인 소자 설계 - 비대칭 소스/드레인 면적을 가지는 소자의 센싱 특성을 파악하기 위해 [그림 3-11]과 같이 소자를 설계함. [그림 3-11] 비대칭 소스/드레인 면적 가지는 SBD 소자 layout

- SBD 센서 소자도 gateless FET 와 마찬가지로 Functionalization metal 의 유/ 무에 따른 센싱 특성을 파악하기 위해 Functionalization metal 이 없는 소자가 추 가되었음. (소자 면적/SA 크기/SA 개수는 동일함.) 4) 기타 소자 - 기타 PCM 소자 2 종 및 FATFET 소자 3 종이 설계됨. (FATFET LG = 10/20/40 ㎛) SBD 센서 소자의 기본 layout 은 [그림 3-12]과 같으며, 소자의 크기는 대표 gateless FET 와 같음. [그림 3-12] 기타 PCM 및 FATFET 소자 layout

３６ 5) 소자 배치 설계 - [그림 3-13]은 설계된 gateless FET 및 SBD 센서 소자 표기를 나타내고 있음. [그림 3-13] 설계된 gateless FET 및 SBD 센서 소자 표기 - [그림 3-14]는 설계된 bio-cell 에 대해서 표기를 나타내고 있음. [그림 3-14] 설계된 bio-cell 소자 표기

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- [그림 3-15]는 소자들의 종류별 layout 배치 및 설계 완성된 layout 을 나타 냄.

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[그림 3-16] 제작된 planar-type GaN 센서 제작용 i-line stepper 용 포토마스크

제 2 절 Planar GaN 센서 소자 단위공정 개발

가) Planar GaN 센서 소자용 급속열처리(RTA) 공정 개발

Planar-type GaN 센서 소자를 개발하기 위해, 소스 및 드레인 전극 상에 AlGaN/GaN 에피 기판과 오믹 접촉을 형성하기 위하여 급속열처리 (RTA, Rapid Thermal Annealing) 공정의 조건을 확립하였다. 기존 ETRI GaN 공정에 적용되던 RTA 장비는 error 발생 및 장비 수리 기간의 장기화로 인해 이용될 수 없었으며, ETRI 내 타부서 RTA 장비와 함께 주요 GaN 소자 연구를 수행하고 있는 외부 기관 인 서울대 반공연과 경북대 RTA 장비에서 공정 조건을 확립하였다.

1) ETRI 타부서 RTA 장비

- ETRI 타부서의 RTA 장비를 활용하여, 급속열처리 공정 조건을 확립하였다. 온도 850℃, 900℃, 950℃ 30sec 조건으로 공정을 수행하였고, 900℃, 조건에서 TLM 5 ㎛ 패턴에서 저항 28 ~ 31 Ω 정도의 오믹 접촉 특성을 얻었다.

３９ [그림 3-17] ETRI 타부서 RTA 장비에서 공정 수행 후, 오믹 모폴로지 2) 서울대 반공연 RTA 장비 - 서울대 반공연의 RTA 장비를 활용하여, 급속열처리 공정 조건을 확립하 였다. 온도 850℃, 900℃, 950℃ 30sec 조건으로 공정을 수행하였고, 850℃, 조건 에서 TLM 5 ㎛ 패턴에서 저항 34 ~ 35 Ω 정도의 저항값과 900℃, 30sec 조건에서 저 항 35.1 ~ 35.8 Ω, 950℃, 조건에서 TLM 5 ㎛ 패턴에서 저항 46.9 ~ 47.6 Ω 정도 의 오믹 접촉 특성을 얻었다. [그림 3-18] 서울대 반공연 RTA 장비에서 공정 수행 후, 오믹 모폴로지 3) 경북대 RTA 장비 - 서울대 반공연의 RTA 장비를 활용하여, 급속열처리 공정 조건을 확립하 였다. 온도 850℃, 900℃, 950℃ 30sec 조건으로 공정을 수행하였고, 850℃, 조건 에서 TLM 5 ㎛ 패턴에서 저항 92.5 ~ 94.4 Ω, 900℃, 30sec 조건에서 저항 36.9 ~

４０ 38.6 Ω, 950℃, 조건에서 TLM 5 ㎛ 패턴에서 저항 40.5 ~ 41.5 Ω 정도의 오믹 접 촉 특성을 얻었다. [그림 3-19] 경북대 RTA 장비에서 공정 수행 후, 오믹 모폴로지 나) Micro-heater 공정 개발 본 과제에서 개발할 GaN 센서 소자에서는 소자 주변에 micro-heater 패턴을 추 가하여, 센서의 구동 시 반응성능을 향상시키고 있는 것이 일반적인 경향이다. 따 라서, 선행적으로 micro-heater 패턴의 패터닝 공정과 Ti/Pt metal 증착 및 lift-off 공정을 수행하였다. Micro-heater 패턴은 1 차 마스크 설계에는 추가하지 않고, 전자빔 리소그라피 공정을 통해 Co-polymer/PMMA resist 에서 micro-heater metal line 을 패터닝 하였으며, 히팅 시 신뢰성 문제 등으로 micro-heater 에 일반 적으로 적용되는 Ti/Pt 금속층 (50nm/250nm 또는 50nm/70nm)을 증착하였다. 상기 micro-heater 가 제작된 기판들에 대해서 금속층 두께 변화에 따른 micro-heater 저항 변화와 기판 thinning 공정에 의한 기판 두께 변화 등의 변수를 고려하여, micro-heater 주변의 온도 변화를 2 차년도에 정리할 예정이다.

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[그림 3-20] 제작된 Micro-heater 광학 이미지 및 dark field 이미지

[그림 3-21] 제작된 Micro-heater 열화상 카메라 이미지

제 3 절 Planar GaN 센서 소자 공정

본 과제에서 planar-type GaN 센서 소자를 제작하기 위해, GaN 에피 기판은 유 럽의 IMEC 에서 spin-off 된 EPIGAN 사의 GaN-on-Si wafer 를 적용하였다. EPIGAN 사 의 epi-wafer 구조는 4 인치 Si 기판 두께는 675 ㎛, AlGaN 베리어 두께 20nm, AlGaN 베리어 Al 조성 25%, 3nm 두께의 undoped GaN cap 층, GaN buffer layer 로 구 성된 에피구조였다. EPIGAN 사의 GaN-on-Si wafer 는 wafer bow 50 ㎛ 이하 규격으로 공급하고 있으나, ETRI 실험실의 i-line stepper 에 로딩이 되기 위해서, wafer bow

４２

규격을 30 ㎛ 미만으로 진행하였다. 최종 수령한 GaN-on-Si 웨이퍼의 특헝은 wafer bow –26 ~ +23 ㎛, cap 층 두께 2 ~ 2.3nm, AlGaN 베리어 두께 19.4 ~ 20.1nm 이었 다. [그림 3-22]는 GaN 센서 소자의 에피 구조 및 센서 소자 단면도를 보여주고 있 다. Planar-type GaN 센서 소자 개발을 위해, 센서 소자 설계에서 제작된 포토마스 크를 이용하여, [그림 3-23]과 같은 공정 흐름도를 따라 GaN 센서 소자를 제작하였 다. 먼저, 오믹공정에서는 단위공정 연구 부분에서 검증된 ETRI RTA 장비를 활용하 여, Ti/Al/Ni/Au metal 층에 대해서 900℃, 50sec 조건에서 급속열처리 공정을 진 행하였다. 오믹 열처리 공정 후, 오믹 금속층의 모폴로지와 4 인치 웨이퍼의 영역 별 오믹 저항 특성은 [그림 3-24] 및 [표 3-1]과 같다. RTA 공정 후, 오믹 저항값 는 TLM 5 ㎛ 간격 패턴에서 26.3 ~ 29.8 Ω 정도의 값을 나타내었으며, 4 인치 웨이 퍼 상에서 상당히 균일한 특성을 나타내었다.

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[그림 3-23] Planar-type GaN 센서 소자 제작 공정 흐름도

４４ [표 3-1] Planar-type GaN 센서 소자 오믹 공정 수행 후 오믹 특성 4 인치 웨이퍼 상 위치 영역 TLM 5um 간격 패턴 저항값 (오믹메탈 pad : 100㎛ x 100㎛) 상 29.4 Ω 중 27,4 Ω 하 26.3 Ω 좌 29.5 Ω 우 29.8 Ω (Probing 저항 : 4.9 Ω) 오믹 공정이 완료된 후, 소자의 활성 영역을 정의하기 위해, 이온주입공정을 적용하여 소자 격리 공정을 수행하였다. 이온주입 공정 조건은 Phosphorous, dose 4E14, Energy 80 keV 조건에서 진행하였고, 소자 격리 공정 이후, TLM 측정 결과는 [표 3-2]와 같았고, 컨택 저항을 구했을 때, 3E-6 ~ 8E-6 Ω∙cm2 정도의 오믹 접촉 저항값을 나타내었으며, TLM 패턴 상에서 추출된 면저항은 444 ~ 489.5 Ω/□ 의 값 을 나타내었다. [표 3-2] 소자 격기 공정 이후의 TLM 특성 오믹패드간격 5 ㎛ (Ω) 10 ㎛ (Ω) 20 ㎛ (Ω) 40 ㎛ (Ω) 80 ㎛ (Ω) 상 39.4 63 112.6 225 403.5 중 35.5 57 104.3 195.1 370.8 하 37.4 57.6 106.1 193 370.2 좌 38.4 57.6 106.1 193 387.8 우 39.2 61.8 110.5 207.4 394.2 (Probing 저항 : 4.9 Ω)

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Functionalization 공정 (FC1)에서는 포토리소그라피 공정을 통해 functionalization 영역을 오픈하는 image reversal 공정을 수행한 후, Ti/Pt 금속 층 (30/300Å)을 증착 및 리프트-오프 공정을 수행하였다. DGATE 공정에서는 BOE 6:1 용액을 이용하여소스 및 드레인 전극 영역의 silicon nitride 막을 오픈하였고, TLM 패턴을 다시 측정하였을 때, [그림 3-25]에서와 같이, 4E-6 ~ 5E-6 Ω∙cm2 정 도의 오믹 접촉 저항값을 나타내었으며, TLM 패턴 상에서 추출된 면저항은 349 ~ 362.6.5 Ω/□ 의 값을 나타내었다. 아울러, 오믹 금속과 컨택 pad 사이의 배선을 위한 Ni/Au (300/3700Å) 금속층의 증착 및 리프트-오프 공정을 수행하는 first metallization 공정을 수행하였다. 50nm 두께의 Silicon nitride 막을 증착 후, functionalization 영역을 오픈하기 위한 리소그라피 공정을 수행하고, BOE 6:1 용 액을 이용하여 functionalization 영역 상에 silicon nitride 막을 제거하였다. 그 이후에 컨택 pad 상의 silicon nitride 막을 BOE 6:1 용액을 이용하여 제거하여 컨 택 패드가 오픈되도록 하기 위한 DVIA 공정을 진행하였다. [그림 3-26]에서 [그림 3-30]은 공정 단계별 소자의 광학 현미경 사진이다.

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[그림 3-26] Functionalization 영역 상의 Ti/Pt 금속층 광학 현미경 이미지

[그림 3-27] DGATE 공정 후의 광학 현미경 이미지

４７

[그림 3-29] Functionalization 영역 오픈 공정 후의 광학 현미경 이미지

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제 4 절 Planar-type GaN 센서 소자 성능 분석

AlGaN/GaN 에피 웨이퍼를 기반으로 제작된 Planar-type GaN 센서 소자의 전기적 특성을 측정하였다. 우선적으로 fisrt metallization 과정에서 gate 영역에 Ni/Au 금속층이 증착되도록 디자인된 PCM 소자 (Total gate width = 2-finger x 100 ㎛, gate length = 약 0.8 ㎛)에 대해서 DC 특성을 측정하였다. DGATE 공정에서 silicon njitride 막에 대해서 건식식각 공정이 아닌 습식 식각 공정을 적용하였기 때문에, gate length 는 디자인된 0.8 ㎛보다 다소 확장되었을 것으로 판단된다. [그림 3-31] 은 PCM 소자의 transfer curve 와 IV-curve 를 보여주고 있다. PCM 소자는 threshold voltage 는 –2.9V, peak transconductance 는 225mS/mm, gate voltage 1V 에서 drain current 는 80mA 의 특성을 나타내었고, 본 PCM 소자의 특성으로부터 EPIGAN 사의 GaN-on-SiC 에피 웨이퍼 특성이 타사의 GaN-on-SiC 에피 웨이퍼에 비해 DC 특성면 에서는 대등한 특성을 보이는 것으로 판단된다.

４９ (b)

[그림 3-31] PCM 소자의 DC 특성, (a) transfer curve, (b) I-V curve

아울러, gateless FET 구조 형태의 GaN 센서 소자의 DC 특성을 확인하기 위하여, 대표 gateless FET 소자에 대해서 channel current 를 측정하였다. AlGaN/GaN 에피 웨이퍼를 기반으로 제작된 planar-type GaN 센서 소자의 전기적 특성을 [그림 3-32] 와 같이 측정하였다. 센싱 영역 폭이 길어짐에 따라 소스 및 드레인 간격이 동시 에 증가되도록 디자인된 소자에서, 센싱 영역 폭이 5 ㎛에서 80 ㎛로 길어짐에 따라 22% 정도로 channel 전류값이 감소하는 현상을 확인하였다.

５０ (b)

[그림 3-32] Gateless FET 소자의 DC 특성, (a) gateless FET 소자 구조, (b) gateless FET 소자 구조별 channel current

아울러, gateless FET 구조 형태의 GaN 센서 소자에 대해서 NO2 가스에 대한 센 싱 특성을 측정하였다. [그림 3-33]에서 보는 바와 같이, 기타 MOS (Metal Oxide Semiconductor) 형태의 가스 센서는 신호가 안정화되는데, 상당한 시간이 걸리고, 신호의 오실레이션이 심하나, GaN 센서의 경우, 신호의 오실레이션이 적고, gas 가 공급될 때의 저항치 변화가 분명하게 나타나는 장점이 있다. 그러나, 현재 가스 센서 측정 시스템은 current supply 방식으로 측정됨으로 저항값을 측정하는 전압 이 자동으로 책정되는 방식인데, 본 제작된 GaN 센서에서는 약 0.1V 에서 측정이 되었다. 보통 유럽 IMEC 사의 GaN 센서의 경우, 약 1V 영역 이상에서 측정이 되는 데, 이 부분은 측정 장비를 개선하는 업무를 수행한 후 측정이 가능할 것으로 판 단된다. Functionalization metal 인 Pt 가 증착되지 않은 [그림 3-34] (a)의 gateless FET 구조의 센서 소자에서 base 저항 600 Ω에 신호(저항변화) 3Ω이 나 타나서, response ∆R/R0 은 0.5%의 값을 나타내었다. [그림 3-34] (b)의 gateless FET 구조의 센서 소자에서 base 저항 24 Ω에 신호(저항변화) 0.6Ω이 나타나서, response ∆R/R0 은 2.5%의 값을 나타내었다.

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[그림 3-33] Gateless FET 구조의 planar-type GaN 센서의 NO2 가스 센싱 특성 (NO2 gas : 5ppm)

(a) (b)

[그림 3-34] Gateless FET 구조의 planar-type GaN 센서의 NO2 가스 센싱 측정 소자 (a) 센싱 영역 (2 x 2 x SA), (b) 센싱 영역 (32 x SA) (SA 폭 = 40 ㎛)

[그림 3-35] Gateless FET 구조의 planar-type GaN 센서의 NO2 가스 센싱 특성 (센싱 영역 (32 x SA)), (SA 폭 = = 40 ㎛)

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제 4 장 연구개발결과의

활용계획

５４

제 4 장 연구개발결과의 활용계획

본 과제에서 개발되는 GaN Nanowire 구조 기반 센서 플랫폼은 NO2 가스 센서, 바이오 센서 등의 여러 분야 적용이 가능한 센서 플랫폼으로써, 기존 선행 기술인 전기화학식이나 광학식 등의 센서가 벌키하고, 가격이 비싸며, 전력소모가 큰 단점이 있는데 비해, GaN Nanowire 구조 기반 센서 플랫폼은 소형화, 저가격화 및 저전력 구동이 가능하게 되는 장점이 있다. AlGaN/GaN 이종접합 구조를 적용함으로써, 2-DEG channel 영역과 센싱 영역이 분리되어 센싱 신호의 안정성을 얻을 수 있으며, GaN 반도체의 물질적 우수성으로 인해, 내환경성 특성 및 고온 특성이 우수하며, 나노구조물을 적용할 경우 추가적으로 센싱 감도를 높일 수 있는 장점이 있다. 이러한 본 기술의 우수성으로 인해, 휴대용으로 공기의 청정도를 측정할 수 있는 실시간 대기 모니터링 고감도 가스 센서 분야, 자동차 엔진에서 배기가스를 센싱하여 공연비를 개선하는 공연비 제어 센서, IoT 환경 센서로 활용이 가능하며, 바이어 마커를 적용하여, 당뇨병 등 진단용 바이오센서 분야에 활용이 가능할 것으로 판단된다. 본 기술이 이러한 적용 분야에 활용되기 위해서는 Nanowire 구조를 적용할 경우의 공정 난이도가 커지는 단점 및 화합물반도체를 적용하는 경우 발생하는 고가격화 단점 등을 극복해야 하는 현안이 있다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 최근 고품위로 에피층 성장이 가능한 8인치 또는 4인치 GaN-on-Si wafer를 센서 공정에 적용하여, on-wafer 일괄 공정을 통해 센서 소자의 가격을 낮추는 방안을 상용화 대비 연구해야 하며, 본 과제에서는 4인치 GaN-on-Si wafer 기반으로 센서 소자를 개발할 예정이다. Top-down 방식 및 bottom-up 방식의 Nanowire 구조물에 대한 재현성 및 신뢰성을 확보하는 방안도 본 기술의 상용화 시 선행하여 연구되어야 할 내용이라고 판단된다. 최근 친환경 및 대기오염 모니터링의 필요성과 휴대가 가능한 바이오센서 등의 필요성이 크게 증대되어 향후 본 기술에 의해 개발된 GaN

５５

Nanowire 구조 기반 가스 센서를 소형화를 통해 휴대폰 등 모바일 기기에 집적하여, 향후 IoT 기기 간의 통신 네트워크에도 활용될 수 있을 것이다.

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제 5 장 결 론

본 연구과제에서는 GaN Nanowire 구조 기반 NO2 가스 센서 소자를 개발하기 위하여, 1차년도에 GaN Nanowire 구조물 단위 공정을 개발하였고, 미세패터닝 공정, AlGaN층 건식식각 공정 및 TMAH 후처리 공정 등을 확립하였으며, 1차년도에 최종적으로 50nm FiN-type GaN Nanowire 구조물을 개발하였다. 2차년도에는 1차년도에 개발된 FiN-type GaN Nanowire 구조물을 GaN 센서의 센싱 영역에 추가하여, 고감도 특성을 가지는 GaN 기반 NO2 가스 센서를 개발할 예정이다. 특히, TMAH 후처리 공정의 경우, FiN 구조의 측면 profile을 경사면에서 수직으로 개선시킬 수 있다는 것을 확인하였으며, TMAH 공정 후 식각표면에 확연한 잔류물이 존재하지 않는 것을 SEM 이미지 상에서 확인하였다. Planar-type GaN sensor의 경우, EPIGAN 사의 4인치 GaN-on-Si wafer 기반으로 제작 공정이 수행되었으며, gateless FET 구조의 센서 제작을 위한 마스크를 제작하였다. GaN-on-Si wafer 기반 on-wafer 일괄 공정으로 제작 공정이 수행되었으며, 제작된 gateless FET 소자 구조의 센서는 다른 MOS 형태의 가스 센서에 비해, 신호의 안정화가 이루어졌으며, 5ppm 의 NO2 가스에 대해서 센싱 특성을 확인하였다.

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약어표

 IoT (Internet of Thing) : 사물인터넷

 RF (Radio Frequency) : 무선주파수

 HEMT (High Electron Mobility Transistor) : 고전자이동도

트랜지스터

 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) : 미세전자기계시스템

 TMAH (Tetra

Methyl Ammonium Hydroxide) :

수산화테트라메틸암모늄

 MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor

Field Effect

Transistor) : 금속 절연막 반도체 전계효과 트랜지스터

 SBD (Schottky Barrier Diode) : 쇼트키 베리어 다이오드

 CD (Critical Dimension) : 임계치수

 PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) : 플라즈마

화학 기상 증착

 ICP (Inductively Coupled Plasma) : 유도결합 플라즈마

 AFM (Atomic Force Microscopy) : 원자간 힘 현미경

 FET (Field Effect Transistor) : 전계효과 트랜지스터

 RTA (Rapid Thermal Annealing) : 급속열처리

 Gm (transconductance) : 상호컨덕턴스

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기술문서 구성표

 특허출원

구 분 제 목 국명 출원(관리)/ 등록번호 등록/출원/제출 일자 비고 국내 한국 2018-0155578 출원 (18.12.05)

６１

 논문

구 분 제 목 제출자 저널명 게재일 비고

SCI GaN-MIS HEMT PA MMICs for 5G mobile devices 김성일 Journal of the Korean Physical Society 게재확정 (18.12.04)

６２

 기술문서

구 분 제 목 주 요 내 용 제출자 제출 일시 TDP NO2 가스 센서 소 자 마스크 설계

Planar-type GaN 기반 NO2 가스 센 서의 소자 구조 설계 및 i-line stepper용 마스크 제작 정현욱 2018.11.21 TDP GaN 기반 센서 1 차 공정 결과

Planar-type GaN 기반 NO2 가스 센

서의 1차 공정 결과 보고서 정현욱 2018.12.04

TM

GaN sensor 제작 용 단위 공정 결 과 정리 Ver. 1.

GaN Sensor 제작용 AlGaN 식각 공 정의 조건을 확립하기 위하여 조 건별 실험을 실시하였고, 식각공 정에서 수행된 조건별, 그리고, 추가된 TMAH 후처리 공정 조건별 로 FET 소자를 제작하여 조건에 대한 검증 과정을 통해 단위 공정 조건을 확립하는 것이 본 실험의 목적임. 안호균 2018.12.05

６３ 주 의 1. 이 연구보고서는 한국전자통신연구원의 주요사업으로 수행한 연구결과입니다. 2. 이 보고서의 내용을 발표할 때에는 반드시 한국전자통신연구원에서 수행한 주요사업 결과임을 밝혀야 합니다.