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KR100723882B1 - 실리콘 나노점 박막을 이용한 실리콘 나노와이어 제조 방법 - Google Patents

실리콘 나노점 박막을 이용한 실리콘 나노와이어 제조 방법 Download PDF

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KR100723882B1
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silicon
thin film
silicon nano
nanowires
substrate
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박래만
김상협
박종혁
맹성렬
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 기판 상에 실리콘 나노점을 갖는 실리콘 나노점 박막을 형성하고, 상기 실리콘 나노점을 핵생성층으로 하여 상기 실리콘 나노점 박막 상에서 실리콘 나노 와이어를 성장시킨다. 본 발명은 금속 촉매 아일랜드를 사용하지 않고 실리콘 질화물 기저체 내에 실리콘 나노점이 형성된 실리콘 나노점 박막을 핵생성층으로 하여 실리콘 나노와이어를 제조할 수 있다.

Description

실리콘 나노점 박막을 이용한 실리콘 나노와이어 제조 방법{Method for fabricating silicon nanowire using silicon nanodot thin film}
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 의한 실리콘 나노와이어 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 실리콘 나노와이어 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 4의 실리콘 나노점 박막 형성에 이용된 장치의 개략적인 구성도이다.
도 7은 도 6에 의해 제조된 도 4의 실리콘 나노점 박막을 도시한 단면 사진이다.
도 8은 도 5의 실리콘 나노와이어 성장에 이용된 장치의 개략적인 구성도이다.
도 9는 도 5의 실리콘 나노와이어 성장 메카니즘을 개략적으로 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 기판, 102: 실리콘 질화물 기저체, 104: 실리콘 나노점, 106: 실리콘 나노점 박막, 108: 실리콘 나노 와이어, 200, 300: 챔버, 202: 가스 공급관, 204: 샤워 헤드, 206: 스테이지, 208: 배기 범프, 210: 가스 배기구, 302: 히터, 304: 보트, 306: 실리콘 분말 소스, 308: 가스 주입구, 310: 가스 배출구
본 발명은 나노와이어 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 나노와이어 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 실리콘 나노와이어는 초고속 고집적 전자 소자나 센서로서 활용도가 높아지고 있다. 상기 실리콘 나노와이어는 10nm 이하의 크기를 가질 경우 양자구속효과(quantum confinement effect)가 발생하여 고속 전하 이동이 가능하다. 종래 기술에 의하면 상기 실리콘 나노와이어는 주로 금속 촉매층(metal catalytic layer)을 이용하여 기판 상에 성장시켜 제조한다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 의한 실리콘 나노와이어 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
구체적으로, 기판(10) 위에 금속 촉매층(12), 예컨대 금(Au)층을 증착한다(도 1). 이어서, 상기 금속 촉매층(12)을 금속 촉매 아일랜드(14)로 변경시킨다. 상기 금속 촉매 아일랜드(14)는 후공정의 실리콘 나노와이어 성장 장치, 예컨대 열화학 증착 장치에 설정된 높은 온도에 의해 자발적으로 형성된다. 상기 자발적으로 형성된 금속 촉매 아일랜드(14)는 직경이 수십 nm, 예컨대 20nm 이상으로 크고, 면 밀도(단위면적당 금속 촉매 아일랜드수)가 1010갯수/cm2 이하로 매우 낮게 된다(도 2).
다음에, 실리콘 나노와이어 형성용 성장 장치에 실리콘 소스를 공급하고, 상기 금속 촉매 아일랜드(14)를 촉매제로 하여 상기 기판(10) 상에 실리콘 나노와이어(16)를 성장시킨다. 상기 금속 촉매 아일랜드(14)는 촉매제로 작용하여 실리콘 나노와이어(16)가 결정으로 잘 성장할 수 있도록 도와준다. 상기 금속 촉매 아일랜드(14)의 크기(직경)가 상기 실리콘 나노와이어(16)의 크기(직경)를 결정하게 된다(도 3).
그런데, 상술한 종래 기술은 상기 금속 촉매 아일랜드(14)의 면밀도가 1010 cm-2 정도로 매우 작기 때문에 고밀도의 실리콘 나노와이어를 성장시키기는 어렵다. 또한, 종래 기술은 도 3에서는 도시하지 않았지만 상기 금속 촉매 아일랜드(14)에 여러 개의 실리콘 나노와이어(16)가 성장할 경우에는 실리콘 나노 와이어들(16)끼리 서로 성장에 방해를 주게 되는 문제점이 있다.
더하여, 종래 기술은 상기 금속 촉매 아일랜드(14)의 직경이 수십 nm, 예컨대 20nm 이상으로 크기 때문에 성장된 실리콘 나노와이어의 크기도 20nm 이상으로 크게 된다. 이렇게 크게 성장된 실리콘 나노와이어는 단일 결정성을 갖기가 어렵고, 양자 구속 효과에 의한 고속 전하 이동 등의 효과를 얻을 수 없게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속 촉매 아일랜드를 사용 하지 않고 실리콘 나노와이어를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속 촉매 아일랜드를 사용하지 않고 직경이 10nm 이하로 작고 면밀도가 1012cm-2 이상의 실리콘 나노와이어를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 실리콘 나노점 박막을 핵생성층으로 하여 실리콘 나노와이어를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 실리콘 나노점 박막을 핵생성층으로 하여 직경을 10nm 이하로 작고 면밀도가 1012 cm-2 이상의 실리콘 나노와이어를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 기판 상에 실리콘 나노점을 갖는 실리콘 나노점 박막을 형성하고, 상기 실리콘 나노점을 핵생성층으로 하여 상기 실리콘 나노점 박막 상에서 실리콘 나노 와이어를 성장시킨다. 상기 실리콘 나노점 박막은 실리콘 질화물 기저체 내에 형성된 실리콘 나노점을 포함한다. 상기 실리콘 나노점은 결정 또는 비정질일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 복수개의 실리콘 나노점들의 표면을 노출하면서 실리콘 나노점 박막을 형성하고, 상기 노출된 실리콘 나노점들을 핵생성층으로 하여 상기 실리콘 나노점들마다 하나씩 실리콘 나노와이어를 성장시킨다. 상기 실리콘 나노점 박막은 실리콘 질화물 기저체 내에 형성된 실리콘 나노점 을 포함한다.
상기 실리콘 나노점 박막은 상기 기판 상에 5nm 이하의 직경 및 1012 개수cm-2 이상의 면밀도로 형성하고, 상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘 나노점들마다 10nm 이하의 직경을 갖게 성장시킬 수 있다. 상기 실리콘 나노와이어는 외벽에 산화층이 형성되더라도 직경이 10nm 이하로 형성할 수 있다.
상기 실리콘 나노점 박막은 상기 기판 상의 실리콘 질화물 기저체 내에 형성된 실리콘 나노점을 포함하여 형성하고, 상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘 질화물 기저체 내의 실리콘 나노점을 핵생성층으로 하여 상기 실리콘 질화물 기저체를 제외한 상기 실리콘 나노점 박막 상에서만 성장시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 금속 촉매 아일랜드를 사용하지 않고 실리콘 질화물 기저체 내에 실리콘 나노점이 형성된 실리콘 나노점 박막을 핵생성층으로 하여 실리콘 나노와이어를 제조할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 실리콘 나노와이어 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 기판(100), 예컨대 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 금속 기판 상에, 실리콘 질화물 기저체(silicon nitride matrix, 102) 내에 복수개의 실리콘 나노점들(104)을 갖는 실리콘 나노점 박막(106)을 형성한다. 즉, 상기 실리콘 나노점 박막(106)은 실리콘 질화물 기저체(102) 내에 형성된 실리콘 나노점(104)으로 이루어진다.
상기 실리콘 나노점(104)은 표면이 노출되면서 기판(100) 상에 형성한다. 상기 실리콘 나노점(104)의 표면을 노출할 경우 후의 실리콘 나노와이어(도 5의 108) 성장시 유리하다. 물론, 실리콘 나노점(104)의 표면이 완전히 노출되지 않더라도 실리콘 나노와이어(108)를 성장시킬 수 있다. 상기 실리콘 나노점(104)은 결정 또는 비정질로 형성한다. 상기 실리콘 나노점(104)은 결정이거나 비정질이거나 본원 발명을 구현하는데 문제가 없다.
그리고, 본 발명에서 상기 실리콘 나노점(104)은 원형 형태로 형성하며, 직경이 5nm 이하, 바람직하게는 1 내지 5nm이고, 면밀도는 1012 갯수cm-2 이상, 바람직하게는 1012 개수cm-2 내지 1013 갯수cm-2로 형성한다. 상기 실리콘 나노점 박막(106)의 형성 방법에 의해서는 후에 보다 자세하게 설명한다.
도 5를 참조하면, 상기 실리콘 나노점 박막(106)을 핵생성층(nucleation layer)으로 하여 실리콘 나노 와이어(108)를 성장시킨다. 특히, 상기 실리콘 나노 와이어(108)는 표면이 드러나 있는 실리콘 나노점들(104)을 핵생성층으로 하여 성장한다. 상기 실리콘 나노와이어(108)는 실리콘 질화물 기저체(102) 내에서 실리콘 나노점(104)마다 하나씩 성장하기 때문에 실리콘 나노와이어들끼리 서로 성장에 방해를 주지는 않는다.
상기 실리콘 나노점(104)은 직경이 5nm 이하이기 때문에, 실리콘 나노와이어(108)가 산화하여 외벽에 산화층이 형성되더라도 실리콘 나노와이어(108)의 직경을 10nm 이하, 바람직하게는 2 내지 10nm로 조절할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실리콘 나노와이어(108)는 직경이 10nm 이하이기 때문에 양자구속효과를 발생시킬 수 있어 고속 전하 이동이 가능하다. 또한, 본 발명은 실리콘 나노점(104)의 면밀도를 1012갯수cm-2 이상으로 크게 할 수 있기 때문에 고밀도의 실리콘 나노와이어(108)를 제조할 수 있다. 상기 실리콘 나노와이어(108)의 성장 방법을 후에 보다 자세하게 설명한다.
아래 도 6 및 도 7에서는 실리콘 나노점 박막 형성 장치 및 그 방법을 설명한다. 본 발명에서는 상기 실리콘 나노점 박막(106)의 형성에 이용되는 성막 장치로 플라즈마 인핸스트 화학기상증착(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) 장치를 제시한다. 그러나, 상기 플라즈마 인핸스트 화학기상증착장치 이외에 상압 화학기상증착(Atomspheric pressure CVD, APCVD) 장치, 저압 화학기상증착(Low pressure CVD, LPCVD) 장치, 금속유기물 화학기상증착(Metal organic CVD, MOCVD) 장치, 열 화학기상증착(thermal CVD) 장치 등을 이용하여 실리콘 나노 점 박막을 형성할 수 도 있다. 상기 화학기상증착법으로 실리콘 나노점을 형성할 경우 SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH4, Si2H6 등의 실리콘 소스 가스를 이용할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 나노점(106) 박막 형성에 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 장치, 이온 주입(ion implantation) 장치를 이용할 수 도 있다. 상기 분자선 에피택시 장치를 이용하여 실리콘 나노점을 형성할 경우 고체 실리콘 덩어리를 이용한다. 이온 주입 장치를 이용하여 실리콘 나노점을 형성할 경우 양성자(+) 또는 음성자(-) 실리콘 원자를 이용할 수 있다.
도 6은 도 4의 실리콘 나노점 박막 형성에 이용된 장치의 개략적인 구성도이고, 도 7은 도 6에 의해 제조된 도 4의 실리콘 나노점 박막을 도시한 단면 사진이다.
구체적으로, 본 발명에서 상기 실리콘 나노점 박막(106)의 형성에 이용되는 성막 장치의 일예로 플라즈마 인핸스트 화학기상증착(PECVD) 장치를 이용한다. 그 구성을 살펴보면, 챔버(200)의 상부에 가스 공급관(202) 및 상기 가스 공급관(202)에 연결된 샤워 헤드(204)가 위치하고, 상기 챔버(200)의 하부에는 기판(100)이 놓이는 스테이지(206)가 위치한다. 상기 챔버(200)의 하부에는 배기 범프(208)와 연결된 가스 배기구(210)가 설치되어 있다.
이와 같이 구성되는 성막 장치를 이용하여 실리콘 나노점 박막(106)을 형성하는 과정을 설명한다. 스테이지(206) 상에 기판(100)을 위치시킨다. 이어서, 가스 공급관(202)을 통해 상기 챔버(200) 내부로 반응 가스를 주입하고, 상부 전극 역할 을 수행하는 샤워 헤드(204)와 하부 전극 역할을 수행하는 스테이지(206)에 고주파 전력(RF power, 212)를 인가하여 플라즈마(214)가 생성되도록 하면 플라즈마(214)가 하부로 이동하여 실리콘 질화물 기저체(102)가 형성된다. 이때, 반응 가스, 기판의 온도, 압력 및 플라즈마 상태 등을 조절하여 실리콘 질화물 기저체(102) 내에 실리콘 나노점(104)을 형성한다. 이에 따라, 기판(100) 상에는 실리콘 나노점 박막(106)이 형성된다.
특히, 본 발명에서는 상기 챔버(200)의 압력을 0.1 내지 1Torr로 하고, 상기 챔버(200)의 온도를 상온 내지 300℃인 조건에서 실리콘 소스 가스로 실란 가스(SiH4) 및 질소소스 가스로 질소 가스(또는 암모니아 가스)의 혼합 가스를 플로우시키면서 10W의 고주파 전력을 인가하여 실리콘 나노점 박막(106)을 형성한다. 상기 챔버(200)에 주입되는 실란 가스는 5 내지 100sccm, 질소 가스일 경우 100 내지 2000sccm, 암모니아 가스일 경우 10 내지 200 sccm을 주입한다. 상기 실리콘 나노점 박막(106)의 성장속도는 상기 실란 가스와 질소 가스의 유량에 따라 정해진다. 이와 같이 형성된 실리콘 나노점 박막(106)은 도 7에 도시된 바와 같이 실리콘 나노점(104)의 직경이 5nm 이하이고, 실리콘 나노점(104)의 면밀도를 1012갯수cm-2 이상으로 크게 할 수 있다.
도 8은 도 5의 실리콘 나노와이어 성장에 이용된 장치의 개략적인 구성도이고, 도 9는 도 5의 실리콘 나노와이어 성장 메카니즘을 개략적으로 도시한 도면이다.
구체적으로, 상기 실리콘 나노와이어 성장에 이용되는 성장 장치는 열화학기상증착(thermal CVD) 장치를 이용한다. 그 구성을 살펴보면, 히터(302)를 구비하는 챔버(300)와, 상기 챔버(300)의 내부에 기판(100)이 놓이는 보트(304)가 위치하고, 상기 보트(304)에 인접하여 실리콘 분말 소스(306)가 위치한다. 상기 실리콘 분말 소스(306)는 실리콘 분말이나, 실리콘 산화물과 탄소가 포함된 분말을 이용한다. 상기 챔버(300)의 양측부에는 챔버(300) 내부에 분위기 가스를 주입 및 배출할 수 있는 가스 주입구(308) 및 가스 배출구(310)를 구비한다. 본 발명의 실리콘 나노와이어 성장에는 실리콘 분말 소스(306)을 이용하였으나, 상기 가스 주입구(308) 및 가스 배출구(310)를 이용하여 앞서 실리콘 나노점 형성에 언급한 바 있는 실리콘 소스 가스를 이용할 수도 있다.
이와 같이 구성되는 성장 장치를 이용하여 실리콘 나노와이어(108)를 성장시키는 과정을 설명한다. 보트(304) 상에 기판(100)을 위치시킨다. 이어서, 챔버(300)를 성장 온도, 예컨대 700 내지 1000℃로 설정하고 가스 주입구(308)를 통해 아르곤 가스를 100 내지 1000 sccm을 흘리게 되면 실리콘 분말 소스(306)에서 실리콘이 분해되어 실리콘 이온(또는 실리콘 원자)이 실리콘 나노점(104)에 흡착되어 용해된다. 계속하여, 실리콘 나노점(104) 내부로 실리콘 원자가 확산하여 공급되면 실리콘 나노점(104) 상에서 실리콘 나노와이어(108)가 대나무 형태로 성장하게 된다.
상기 실리콘 분말 소스(306)에서 실리콘이 분해될 때, 상기 실리콘 나노점(104) 주위에는 실리콘 질화물 기저체(102)가 형성되어 있으나, 실리콘 질화물 기저체(102)와 실리콘의 반응도에 비하여 실리콘 나노점(104)과 실리콘의 반응도가 우수하여 실리콘 나노와이어(108)가 실리콘 질화물 기저체(102)에서는 성장하지 않는다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 금속 촉매 아일랜드를 사용하지 않고 실리콘 나노와이어를 제조할 수 있다.
본 발명은 실리콘 질화물 기저체 내에 실리콘 나노점이 형성된 실리콘 나노점 박막을 핵생성층으로 하여 실리콘 나노와이어를 제조할 수 있다.
본 발명은 실리콘 나노점의 직경이 5nm이하여서 10nm 이하의 실리콘 나노와이어를 제조할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실리콘 나노와이어는 양자구속효과를 발생시킬 수 있어 고속 전하 이동이 가능하다.
또한, 본 발명은 실리콘 나노점의 면밀도를 1012갯수cm-2 이상으로 크게 할 수 있고, 상기 실리콘 나노점에서 각각 실리콘 나노와이어를 성장시킬 수 있기 때문에 고밀도의 실리콘 나노와이어를 제조할 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 실리콘 나노점을 갖는 실리콘 나노점 박막을 형성하고; 및
    상기 실리콘 나노점을 핵생성층으로 하여 상기 실리콘 나노점 박막 상에서 실리콘 나노 와이어를 성장시키는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 나노점 박막은 실리콘 질화물 기저체 내에 형성된 실리콘 나노점을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 나노점은 결정 또는 비정질인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 나노와이어는 열화학기상증착법에 의하여 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
  5. 기판 상에 복수개의 실리콘 나노점들의 표면을 노출하면서 실리콘 나노점 박막을 형성하고; 및
    상기 노출된 실리콘 나노점들을 핵생성층으로 하여 상기 실리콘 나노점들마 다 하나씩 실리콘 나노와이어를 성장시키는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 나노점 박막은 실리콘 질화물 기저체 내에 형성된 실리콘 나노점을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 나노점 박막은 상기 기판 상에 5nm 이하의 직경 및 1012 개수cm-2 이상의 면밀도로 형성하고, 상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘 나노점들마다 10nm 이하의 직경을 갖게 성장시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 나노와이어는 외벽에 산화층이 형성되더라도 직경이 10nm 이하로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 나노점 박막은 상기 기판 상의 실리콘 질화물 기저체 내에 형성된 실리콘 나노점을 포함하여 형성하고, 상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘 질화물 기저체 내의 실리콘 나노점을 핵생성층으로 하여 상기 실리콘 질화물 기저체를 제외한 상기 실리콘 나노점 박막 상에서만 성장시키는 것을 특 징으로 하는 실리콘 나노와이어의 제조 방법.
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