$SiN_x$ Sidewall 공정을 이용한 Self-aligned RTD의 개발

Abstract

InP기반RTD (Resonant tunneling diodes)는 매우 유망한 고속 양자효과 소자이다. 상온 및 고온에서의NDR (Negative Differential Resistance)특성, pico초 단위의 스위칭 속도 및 기존의 III-V 트랜지스터들과의 호환성과 같은 우수한 특성을 가지는 InP 기반의 RTD는 미래의 초고속 응용에 적합한 소자이다. 지금까지 InP 기반 RTD에 적용된 공정기술은 dry etching과 $sub-\microm$급의 lithography가 적용되어 왔다. 그러나 최근 증가하는 고속 집적회로 응용에 있어 더욱 다양한 차세대 공정기술 도입이 요구되고 있다. 유전체 sidewall에 의한 passivation 공정은 $sub-microm$급의 작은 크기의 RTD에서 기계적인 안정성을 향상시켜 훌륭한 성능을 유지할 수 있게 해준다. 그리고 self-aligned 공정기술은 RTD의 최대 진동 주파수에 큰 영향을 주는 series 저항을 줄여주어 RF성능을 향상시킨다. 본 논문에서는 KAIST의 공정시설을 이용하여 dry etching과 $SiN_x$ sidewall 공정을 기반으로 self-aligned RTD를 처음으로 개발되고 분석되었다. 그리고 개발된 self-aligned RTD의 온도 특성이 관찰되었다. Chapter 2에서는 dry-etched RTD 가 self-aligned RTD 개발의 초석으로써 개발되었다. 먼저 Dry etching 공정의 최적화가 수행되었다. RIE RF 파워나 $CH_4/O_2$ 가스 유량, metal mask의 조성이 확립되었다. $5\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 제작된 RTD는 PVCR 13.27, peak current 3.70mA, peak voltage 0.38V 이었으며 이는 wet-etched RTD의 결과와 비슷하였다. Chapter 3에서는 $SiN_x$ sidewall에 기반한 self-aligned RTD가 개발되었다. 먼저 $SiN_x$ sidewall 공정의 최적화가 수행되었다. RIE의 RF 파워, $CF_4/O_2$ 가스 유량과 같은 $SiN_x$ 증착과 etch back 공정 조건이 확립되었다. $5\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 제작된 self-aligned RTD의 PVCR은 13.07, peak current는 3.687 mA, peak voltage는 0.348이며 이는 non self-aligned RTD와 비슷하였다. $5\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 self-aligned RTD의 series 저항은 $14.4\omega$으로 추산되며 이는 non self-aligned RTD의 series 저항 대비 26.2%가 감소한 것이다. $16\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 self-aligned RTD의 series 저항은 $8.0\omega$으로 측정되었고 이는 non self-aligned RTD의 series 저항대비 29.2% 감소된 것이다. Chapter 4에서는 새롭게 RTD에 적용된 self-aligned 공정 고온 상황에서 문제가 없는가에 대한 연구로써 온도측정 분석이 수행되었다. 5um2 의 emitter 크기를 가지는 self-aligned RTD가 $25\degC$ 에서 $125\degC$ 까지의 온도 범위에서 DC 전류-전압 특성이 측정되었다. 그 결과 고온에서 특별한 성능저하는 관찰되지 않았으며 PDR2(Positive Differential Resistance 2) 영역에서는 온도가 증가할수록 전류가 증가하였다.