다결정 란타넘 박막을 감지막으로 갖는 실리콘 나노선 이온 감응 전계 효과 트랜지스터에 관한 연구

Abstract

증착 기법을 통해 증착된 다결정 란타넘 박막 (poly-LaF3) 이 이용된다. 열 증착 기법의 고질적인 문제점인 스텝 커버리지와 균일성 문제를 해결하기 위하여 각도를 주어 두 번에 걸쳐 증착을 진행하는 이중 증착 공정 방법이 고안 되었으며 스텝 커버리지, 쉐도잉 효과, 효율적인 열 전달 측면에서 공정 최적화가 이루어진다. 스텝 커버리지와 쉐도잉 효과 선행 분석을 위하여 몬테 카를로 증착 시뮬레이션이 이용된다. 최종적으로 45도 이상의 이중 증착 각도에서 1.7 이하의 스텝 커버리지를 보였으며 300 nm 이상의 나노선 간격에서는 쉐도잉 효과가 나타나지 않았다. 이중 증착 공정 이용을 위해 메탈 블록가 플레이트가 디자인 및 제작 된다. 메탈 플레이트를 통한 효율 적인 후면 기판 열 전달을 위해 고 방사율 코팅을 통해 방사율 값이 0.9 이상으로 증가한다. 본 이중 증착 공정 최적화를 통해 제작된 SiNW ISFETs은 기존 열 증착 공정을 통해 제작된 SiNW ISFETs 대비 높은 F- 감도를 보였다. 공정 최적화를 통해 제작된 SiNW ISFETs 은 35.11 mV/pF 의 전압 감도와 866 % 의 반응을 보였다. 또한 솔루션 내 존재하는 다른 이온 들에 비해 매우 높은 불소 이온 감도를 보였으며 1.507 mV의 안정적인 hysteresis 특성을 보였다. 추가적으로, 본 공정 최적화를 통해 제작된 SiNW ISFETs 은 1,000 ppm 불산 가스에 73.22 %의 높은 반은성을 보였다. 본 공정 최적화를 통해 제작된 SiNW ISFETs 은 차세대 불소 이온 및 불산 가스 감지를 위한 센서로 매우 적합하다고 볼 수 있다.

To improve fluoride ion (F–) sensitivity, fabrication processes of silicon nanowire ion-sensitive field-effect transistors (SiNW ISFETs) are optimized. As a sensing membrane, polycrystalline lanthanum fluoride (poly-LaF3) deposited by using a thermal evaporation process with a substrate temperature of 500 °C is utilized. To prevent problems of a thermal evaporation process such as step coverage and uniformity, double deposition process that deposit sensing membrane twice with various angles is proposed. The double deposition process is optimized in view of step coverage, shadowing effect, and effective heat transfer during the deposition process. Monte Carlo (MC) deposition simulation is used to investigate step coverage and shadowing effect. The step coverage is less than 1.7 above the deposition angle of 45° and the shadowing effect does not occur above the SiNW pitch of 300 nm. To perform the double deposition process, copper metal block and plate is designed and fabricated. To improve heat transfer from a radiation heater to the metal plate, a high emissivity coating is performed. The emissivity of the metal plate increases over 0.9 than the extremely low emissivity of copper. As a result, the SiNW ISFETs with poly-LaF3 deposited by an optimized double deposition process show improved F– sensing characteristics compared to SiNW ISFETs with poly-LaF3 deposited by a previous thermal deposition process. The optimized SiNW ISFETs with poly-LaF3 show a high voltage sensitivity of 35.11 mV/pF and responsivity of 866 %. Also, the SiNW ISFETs can selectively detect F– among various interfering ions such as NO3– and SO42–. A stable hysteresis characteristic is achieved with a hysteresis voltage of 1.507 mV. Additionally, the SiNW ISFETs show a high hydrogen fluoride (HF) gas response of 73.22 % at HF concentration of 1,000 ppm. These results show that the SiNW ISFETs are well suited for F– and HF sensors in various industries through the optimization of the deposition process of the poly-LaF3 sensing membrane.