JP2006248893A

JP2006248893A - ナノワイヤー及びその製造方法

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Publication number: JP2006248893A
Application number: JP2006062815A
Authority: JP
Inventors: Byoung-Iyong Choi; 秉龍崔; Eun-Kyung Lee; 銀京李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2006-09-21
Also published as: KR101138865B1; US20060212975A1; KR20060098959A; EP1700935A1; DE602006004379D1; EP1700935B1; US7649192B2

Abstract

【課題】ナノワイヤー及びその製造方法を提供する。
【解決手段】（イ）シリコン基板の表面に規則的に、複数のマイクロキャビティ状の微細な溝を形成させる工程と、（ロ）基板上にナノワイヤーの形成のための触媒作用を行う物質を蒸着して金属層を形成させる工程と、（ハ）金属層を加熱することによって、基板の表面の微細な溝内に金属層を凝集させて触媒を形成させる工程と、（ニ）熱処理によって触媒と基板との間にナノワイヤーを成長させる工程と、を含むナノワイヤーである。
【選択図】図２

Description

本発明は、ナノワイヤー及びその製造方法に係り、さらに詳細には、シリコンナノワイヤーを形成する場合、ナノワイヤーの形成のための核生成領域のサイズ及びその分布を精密に制御したシリコンナノワイヤー及びその製造方法に関する。

ナノワイヤーは、現在、ナノ技術分野で広く研究されており、レーザーのような光素子、トランジスタ及びメモリ素子などの多様な分野に応用されている次世代技術である。現在、ナノワイヤーに使用されている材料には、シリコン、亜鉛酸化物と発光半導体であるガリウム窒化物などがある。現在、ナノワイヤーの製造技術は、ナノワイヤーの長さ及び幅を調節できる程度まで発展している。

従来のナノ発光素子の場合、量子ドットまたは量子ドットを利用したナノ発光素子が使用されている。量子ドットを使用した有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ）の場合、放射性再結合の効率は非常に高いが、キャリアの注入効率が非常に低いという短所がある。量子ウェルを利用したＧａＮＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）の場合、放射性再結合の効率及びキャリア注入の効率が比較的に高いが、一般的に使用するサファイア基板との結晶構造の差による欠陥が発生し、大面積に生産すること非常に難しく、製造コストも比較的高価であるという短所がある。しかし、ナノワイヤーを利用したナノ発光素子の場合、放射性再結合の効率が非常に高く、かつキャリア注入の効率が比較的に高い。また、その製造工程が簡単であり、基板とほぼ同じ結晶の構造を有するように形成できるので、大面積に形成させやすいという長所がある。

図１Ａないし図１Ｄは、従来技術によるナノワイヤーの製造方法であるＶａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ（ＶＬＳ）方法を示す図面である。

図１Ａに示されるように、まず、基板１１を用意する。基板１１は、広く使用されているシリコン基板を利用する。

その後、図１Ｂに示されるように、基板１１上にＡｕのような金属を塗布して金属層１２を形成させる。

次いで、図１Ｃに示されるように、摂氏約５００°で熱処理を実施すれば、金属層１２の物質の凝集が進んで、触媒１３を形成する。このときに形成された触媒１３は、それぞれそのサイズが一定でなく、ランダムなサイズを有する。

前述したように、触媒１３を形成させた後、図１Ｄに示されるように、触媒１３を核生成の位置にしてナノワイヤー１４を形成させる。ここで、ナノワイヤー１４は、前記触媒１３にシリコン水素化合物であるシラン（ＳｉＨ_４）などを供給し、工程温度でシランのＳｉ元素を触媒１３の位置で核生成を誘導して形成させたものである。連続的にシランを供給すれば、図１Ｄに示されるように、触媒１３の下部で連続的にナノワイヤーが成長する。

前述したように、ナノワイヤーは、シランのような原料ガスの供給量を適切に調節することによって、所望の長さに容易に形成できる。しかし、ナノワイヤーは、触媒１３の直径及びその分布の制限を受けて成長するので、正確な厚さ及びその分布を調節し難いという問題点がある。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、ナノワイヤーの直径及び分布を調節して成長させ得るナノワイヤーの製造方法及びこれにより正確にまたは精密に（ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ）成長したナノワイヤーを提供することを目的とする。

また、本発明は、精密なサイズに形成され、ＰＮ接合構造を有するナノワイヤー及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、（イ）シリコン基板の表面に規則的に、複数のマイクロキャビティ状の微細な溝を形成させる工程と、（ロ）前記基板上にナノワイヤーの形成のための触媒作用を行う物質を蒸着して金属層を形成させる工程と、（ハ）前記金属層を加熱することによって、前記基板の表面の微細な溝内に前記金属層を凝集させて触媒を形成させる工程と、（ニ）熱処理によって前記触媒と前記基板との間にナノワイヤーを成長させる工程と、を含むことを特徴とするナノワイヤーの製造方法、に関する。

また本発明は、ナノワイヤーにおいて、複数のマイクロキャビティ状の微細な溝の構造をその表面に有する基板と、前記それぞれの微細な溝の構造内で前記基板の上方に形成されたナノワイヤーと、前記ナノワイヤーの端部に形成された金属触媒と、を備えることを特徴とするナノワイヤー、に関する。

本発明によれば、そのサイズ及び分布が調節されたマイクロキャビティ状の微細な溝が形成された基板上にナノワイヤーを製造することによって、形成されるナノワイヤーの幅及び分布を微細な溝の形態及び分布に限定して製造できる。

本発明のナノワイヤーの製造方法は、（イ）シリコン基板の表面に規則的に形成された複数のマイクロキャビティ状の微細な溝を形成させる工程と、（ロ）前記基板上にナノワイヤーの形成のための触媒作用を行う物質を蒸着して金属層を形成させる工程と、（ハ）前記金属層を加熱することによって、前記基板の表面の微細な溝内に前記金属層を凝集させて触媒を形成させる工程と、（ニ）熱処理によって前記触媒と前記基板との間にナノワイヤーを成長させる工程と、を含むことを特徴とする。

本発明において、前記（イ）工程は、前記基板の表面を酸化させてシリコン酸化層を形成させて微細な溝の構造を形成する工程と、前記シリコン酸化層を除去して前記微細な溝の構造を露出させる工程と、を含むことが好ましい。

本発明において、前記（ロ）工程の前記金属層は、遷移金属（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌ）のうち少なくとも何れか一つを塗布して形成することが好ましい。

本発明において、前記金属層は、Ａｕ、Ｎｉ、ＴｉまたはＦｅのうち少なくとも何れか一つの物質を含むことが好ましい。

本発明において、前記（ニ）工程は、温度及び雰囲気圧力を調節して前記触媒と前記基板との間にナノワイヤーを形成させることが好ましい。

本発明において、前記（ニ）工程の前記熱処理は、前記触媒及び前記基板の共融温度以上の温度範囲で実施することが好ましい。

本発明において、前記ナノワイヤーを形成した後、酸化工程を実施して前記ナノワイヤー側部に酸化層を形成させる工程をさらに含むことが好ましい。

また、本発明のナノワイヤーは、複数のマイクロキャビティ状の微細な溝の構造をその表面に有する基板と、前記それぞれの微細な溝の構造内で前記基板の上方に形成されたナノワイヤーと、前記ナノワイヤーの端部に形成された金属触媒と、を備えることを特徴とする。

本発明において、前記マイクロキャビティ状の微細な溝は、前記基板の表面に規則的な配列及び分布を有して形成されたことが好ましい。

本発明において、前記ナノワイヤーの側部に形成された酸化層をさらに備えることが好ましい。

以下、図面を参照して本発明によるナノワイヤー及びその製造方法について詳細に説明する。ただし、本発明の説明のために、図面ではその長さ及びサイズが誇張されて示されている。

図２は、本発明によるナノワイヤーの構造を示す図面である。図２に示されるように、基板２１の表面には複数のマイクロキャビティ状の微細な溝（ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅ）が形成されている。そして、それぞれの微細な溝内には垂直方向に成長したナノワイヤー２２を備えており、各ナノワイヤー２２の端部に触媒２３が形成されている。ここで、基板２１の表面に形成された微細な溝の幅は、所望のサイズに形成されたものであって、微細な溝のサイズ及びその分布によって、基板２１上に形成されるナノワイヤー２２のサイズ及び分布が決定される。基板２１の表面にマイクロキャビティ状の微細な溝を形成させる方法は、後述する製造工程で詳細に説明する。

図３Ａないし図３Ｄは、本発明によるナノワイヤーの製造方法を示す図面である。

図３Ａに示されるように、まず、複数のマイクロキャビティ状の微細な溝をその表面に有する基板３１を用意する。前記基板３１には、ｄの幅を有する複数の微細な溝が形成されている。

このようなマイクロキャビティ状の微細な溝の形成工程を説明する。

まず、シリコン基板３１のマイクロキャビティ状の微細な溝が形成される面に乾式酸化工程を実施して、シリコン基板表面にシリコン酸化層（図示せず）を形成させる。ここで、酸化工程は、Ｏ_２及びＣｌ_２ガスの雰囲気下で乾式酸化工程により行われ、工程チャンバ内の圧力を調節するためにＮ_２をさらに追加できる。このときの工程温度は、約１１５０℃の高温であり、長時間（数ないし数十時間）行う。また、湿式酸化工程により行ってもよい。工程チャンバ内の圧力は、Ｏ_２及びＮ_２により決まり、Ｃｌ_２ガスは、Ｏ_２ガスに比べて小さな割合で含まれ得る。

ここで、Ｃｌ_２ガスは、乾式酸化工程の間に酸化率を上昇させることができる。すなわち、Ｃｌ_２ガスは、シリコン酸化層と基板３１に該当するシリコン層の界面で反応や酸化体の拡散を促進させる。また、前記Ｃｌ_２ガスは、酸化層にナトリウムの汚染をトラッピング及び中和させ、シリコン層から金属性の不純物及び積層断層（ｓｔａｃｋｉｎｇｆａｕｌｔｓ）を除去する。臨界濃度を超えたＣｌ_２の存在は、ガス状態の酸化産出物の蓄積に起因して、酸化層とシリコン層との間の付加的な相の形成を導き、これにより、酸化層とシリコン層との界面（ＳｉＯ_２／Ｓｉ）をさらに粗くする。

したがって、前記のＣｌ_２は、前記基板３１のシリコン酸化層とシリコン層との界面をさらに粗く形成させて、さらに確実な微細欠陥の溝を得させ、良質のシリコン酸化層の形成を可能にする。その後、前記基板３１の表面のシリコン酸化層をエッチング工程により除去すれば、図３Ａに示されるように、マイクロキャビティ状の微細欠陥の溝を有する構造が得られる。

図４Ａないし図４Ｄでは、投入されたＣｌ_２ガスの量による表面を示すＡＦＭイメージである。図４Ａないし図４Ｄは、それぞれＮ_２を工程チャンバ内に０ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍ、１６０ｓｃｃｍ及び２４０ｓｃｃｍの流量で投入したものであって、Ｃｌ_２の投入量が増加するほどその表面粗度が上昇して、微細な溝の幅ｄが次第に大きくなるということが分かる。

図４Ｅは、Ｃｌ_２ガスを２４０ｓｃｃｍの流量で投入した後、その断面に対する表面粗度を測定したグラフである。中央領域及び左右側面が歪曲されるように表現されているが、比較的に規則的な間隔を有する数ｎｍの粗度を有する微細な溝の表面が得られるということが確認できる。すなわち、数ｎｍの間隔を有する微細な溝が数百ｎｍの間隔を有するマイクロキャビティ構造を有するということが分かる。

前述したように、基板３１上に規則的な配列を有するマイクロキャビティ状の微細な溝を形成させた後、図３Ｂに示されるように、基板３１の上部に金属層３２を形成させる。このとき、金属層３２は、以後に成長させるナノワイヤーの形成のための触媒の役割を行える材料を使用し、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｆｅなどの遷移金属を使用できる。このとき、金属層３２は、ナノサイズに薄く形成され、その下部の基板３１の表面形状によって金属層３２も比較的に規則的な配列を有するマイクロキャビティを含む微細な溝の形態に形成される。

次いで、図３Ｃに示されるように、金属層３２に熱を加えて、金属層３２の凝集を誘導する。このときの加熱温度は、従来の技術で説明したように、摂氏約５００°前後に維持すればよく、熱処理によって金属層３２の物質は、基板３１表面の微細な溝内で凝集し、ナノサイズの触媒３３の構造を形成する。すなわち、初期に基板３１の表面に形成させた微細な溝は、金属層３２が凝集して形成する触媒３３の位置及びサイズを制御するためのものであって、これを通じて触媒３３の形成領域が限定され、微細な溝のサイズによって触媒３３のサイズも制御できる。

次いで、図３Ｄに示されるように、触媒３３を核生成の位置にしてナノワイヤー３４を形成させる。ここで、ナノワイヤー３４は、基板３１の微細な溝内に形成された触媒３３に共融温度（Ａｕの場合、摂氏約３６３℃）以上の温度で、基板３１のＳｉ元素を触媒３３の位置で核生成を誘導して形成させたものである。このとき、温度、雰囲気、圧力及び時間を適切に調節すれば、ナノワイヤー３４の長さを所望の長さほど成長させ得る。例えば、温度範囲は摂氏５００℃ないし１１００℃であり、圧力の範囲は、１００Ｔｏｒｒないし常圧の範囲で調節が可能である。

結果的に、基板３１の表面に所望のサイズを有するマイクロキャビティ状の微細な溝を形成させることによって、ナノワイヤー３４の厚さを制御でき、比較的に均質の幅に成長させ得る。

そして、図３Ｅに示されるように、ナノワイヤー３４の幅を調節するために、付加的に酸化工程をさらに実施できる。すなわち、ナノワイヤー３４を形成させた後、酸化工程を実施すれば、特に、ナノワイヤー３４の側部にシリコン酸化層３５の形成が促進され、ナノワイヤー３４の厚さを調節できる。

前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものであるより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まらずに、特許請求の範囲に記載された技術的な思想によって決まらねばならない。

本発明は、ナノワイヤーに関連した技術分野に好適に適用され得る。

従来技術によるナノワイヤーの製造方法を示す図面である。従来技術によるナノワイヤーの製造方法を示す図面である。従来技術によるナノワイヤーの製造方法を示す図面である。従来技術によるナノワイヤーの製造方法を示す図面である。本発明によるナノワイヤーの構造の一例を示す図面である。本発明によるナノワイヤーの製造方法の一例を示す図面である。本発明によるナノワイヤーの製造方法の一例を示す図面である。本発明によるナノワイヤーの製造方法の一例を示す図面である。本発明によるナノワイヤーの製造方法の一例を示す図面である。図３Ａないし図３Ｄで製造したナノワイヤーの直径を調節するための酸化工程をさらに実施した例を示す図面である。図３Ａに示すような微細表面の構造が調節された基板を製造して、その表面を測定したＡＦＭイメージを示す図面である。図３Ａに示すような微細表面の構造が調節された基板を製造して、その表面を測定したＡＦＭイメージを示す図面である。図３Ａに示すような微細表面の構造が調節された基板を製造して、その表面を測定したＡＦＭイメージを示す図面である。図３Ａに示すような微細表面の構造が調節された基板を製造して、その表面を測定したＡＦＭイメージを示す図面である。図４Ｄに示す試片の表面粗度を測定したグラフである。

符号の説明

１１、２１、３１基板
１２、３２金属層
１３、２３、３３触媒
１４、２２、３４ナノワイヤー。
３５酸化層。

Claims

（イ）シリコン基板の表面に規則的に、複数のマイクロキャビティ状の微細な溝を形成させる工程と、
（ロ）前記基板上にナノワイヤーの形成のための触媒作用を行う物質を蒸着して金属層を形成させる工程と、
（ハ）前記金属層を加熱することによって、前記基板の表面の微細な溝内に前記金属層を凝集させて触媒を形成させる工程と、
（ニ）熱処理によって前記触媒と前記基板との間にナノワイヤーを成長させる工程と、を含むことを特徴とするナノワイヤーの製造方法。
前記（イ）工程は、
前記基板の表面を酸化させてシリコン酸化層を形成させて微細な溝の構造を形成する工程と、
前記シリコン酸化層を除去して前記微細な溝の構造を露出させる工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
前記（ロ）工程の前記金属層は、遷移金属のうち少なくとも何れか一つを塗布して形成することを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
前記金属層は、Ａｕ、Ｎｉ、ＴｉおよびＦｅよりなる群から選ばれた少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項３に記載のナノワイヤーの製造方法。
前記（ニ）工程は、温度及び雰囲気圧力を調節して前記触媒と前記基板との間にナノワイヤーを形成させることを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
前記（ニ）工程の前記熱処理は、前記触媒及び前記基板の共融温度以上の温度範囲で実施することを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
前記ナノワイヤーを形成した後、酸化工程を実施して前記ナノワイヤー側部に酸化層を形成させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
ナノワイヤーにおいて、
複数のマイクロキャビティ状の微細な溝の構造をその表面に有する基板と、
前記それぞれの微細な溝の構造内で前記基板の上方に形成されたナノワイヤーと、
前記ナノワイヤーの端部に形成された金属触媒と、を備えることを特徴とするナノワイヤー。
前記マイクロキャビティ状の微細な溝は、前記基板の表面に規則的な配列及び分布を有して形成されたことを特徴とする請求項８に記載のナノワイヤー。
前記ナノワイヤーの側部に形成された酸化層をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のナノワイヤー。
前記金属触媒は、遷移金属のうち少なくとも何れか一つの物質を含んで形成されたことを特徴とする請求項８に記載のナノワイヤー。
前記金属触媒は、Ａｕ、Ｔｉ、ＮｉおよびＦｅよりなる群から選らばれた少なくとも一つの物質を含んで形成されたことを特徴とする請求項１１に記載のナノワイヤー。