KR100370659B1 - 집속이온빔을 이용한 나노결정체 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 나노결정체 형성방법은, 금속막 또는 반도체막 표면의 여러 군데에 집속이온빔을 조사하여, 상기 집속이온빔의 초점이 맺히는 부분에서는 상기 금속막 또는 반도체막이 제거되고, 상기 집속이온빔의 상호겹칩 부분에서는 상기 집속이온빔의 방사선 효과에 의해 상기 금속막 또는 반도체막의 원자구조의 결합이 파기되어 나노결정체가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 집속이온빔을 이용하여 매우 간단하게 수 nm 이하의 크기를 갖는 나노결정체를 형성할 수 있게 된다. 따라서, 상온에서의 열적요동현상을 억제할 수 있는 구속에너지를 갖게 되어 상온에서 동작하는 단전자 터널링 트랜지스터를 만들 수 있게 된다. 본 발명은 테라급 이상의 차세대 초대용량 메모리 소자의 개발에 획기적인 기여를 할 것이다.

Description

집속이온빔을 이용한 나노결정체 형성방법 {Fabrication method of nanocrystals by using focused ion beam}
본 발명은 나노결정체 형성방법에 관한 것으로서, 특히 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB)을 이용하여 상온에서 쿨롱섬으로 작용하는 나노결정체를 형성하는 나노결정체 형성방법에 관한 것이다.
차세대 고메모리 집적회로 소자인 단전자 터널링 트랜지스터(single electron tunneling transistor, SET) 또는 양자소자의 제작에 있어서 전자구속을 위한 나노결정체의 형성은 매우 긴요하고도 필연적이다. 나노결정체가 터널전자를 상온에서 구속하기 위해서는 상온에서의 열적 요동에너지보다 큰 구속에너지를 갖도록 나노결정체의 크기가 수십 nm 이하이어야 한다.
현재까지는 거의 대부분 성장법을 이용하여 상기와 같은 나노결정체 혹은 양자섬을 형성시키고 있다. 그러나, 이러한 공정은 공정이 복잡하고 제어가 어렵다는 단점이 있다.
한편, 집속이온빔 시스템은 집적회로의 수정 혹은 마스크 없는 리소그래피에 사용되는 시스템으로서, 액체금속이온원의 개발로 인해 미크론(㎛) 이하의 초미세구조를 직접 가공시킬 수 있는 수준까지 기술적인 발전이 이루어지고 있다. 그러나, 집속이온빔을 이용하여 나노결정체를 형성하는 시도는 아직 이루어지고 있지 않다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 집속이온빔을 이용하여 상온에서 쿨롱섬으로 작용하는 나노결정체를 형성시킬 수 있는 나노결정체 형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 나노결정체 형성방법을 설명하기 위한 개략도들;
도 2는 나노결정체 영역(B')에 터널전류를 인가시켜 전기적 특성을 측정한 그래프;
도 3은 나노결정체 영역(B')을 고배율 투과전자현미경(TEM)으로 직접 관측한 사진이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10: 집속이온빔 프루브 15: 에너지 밀도 분포곡선
32: 기판 34; 절연층
36: 금속층 36a: 나노결정체
A: 완전제거영역 B: 부분제거영역
B': 나노결정체 영역
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노결정체 형성방법은, 금속막 또는 반도체막 표면의 여러 군데에 집속이온빔을 조사하여, 상기 집속이온빔의 초점이 맺히는 부분에서는 상기 금속막 또는 반도체막이 제거되고, 상기 집속이온빔의 상호겹칩 부분에서는 상기 집속이온빔의 방사선 효과에 의해 상기 금속막 또는 반도체막의 원자구조의 결합이 파기되어 나노결정체가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 나노결정체 형성방법을 설명하기 위한 개략도들이다. 여기서, 도 1a는 단면도를, 그리고 도 1b는 평면도를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기판(32) 상에는 절연층(34) 및 금속층(36)이 순차적으로 적층되어 있다. p형 실리콘 기판 상에 MgO층 및 Al층이 순차적으로 적층된 경우를 그 예로 들 수 있다. 금속층(36) 대신에 도펀트가 도핑된 다결정 실리콘층과 같은 반도체층을 형성하여도 무방하다.
이온빔의 에너지 밀도는 초점을 기준으로 하여 참조부호 15로 표시한 바와 같이 가우시안 분포를 갖게 되므로 집속이온빔 프루브(probe, 10)를 통하여 금속층(36) 표면의 두군데에 집속이온빔을 조사하면, 집속이온빔의 초점이 맺히는 부분에서는 금속층(36)이 완전히 제거되어 완전제거영역(A)이 형성되는 반면, 초점 부근에는 금속층(36)이 완전히 제거되지 않고 부분적으로만 제거된 부분제거영역(B)이 나타난다.
부분제거영역(B)의 금속층(36)에는 집속이온빔의 방사선효과에 의해 원자구조의 결합이 일부 파기되어 부분적인 결함이 형성되게 된다. 이러한 결함들은 시료에 주입되는 집속이온빔의 에너지 밀도, 집속도, 조사시간 등에 따라 변하게 된다.
특히, 집속이온빔이 상호겹침 부분에서는 이러한 현상이 더 크게 일어나, 집속이온빔의 조사가 어느 정도 진행되면, 원자구조의 결합 파기에 의해 나노결정체(36a)의 군집영역인 나노결정체 영역(B')이 형성되게 된다. 조사시간이 더 경과되면, 나노결정체(36a) 조차도 식각되어 없어져서 나노결정체 영역(B')의 밀도가 더 낮아지게 된다. 따라서, 나노결정체 영역(B')의 밀도가 적절하도록 집속이온빔의 조사시간을 조절하는 것이 중요하다.
나노결정체(36a)의 결정화는 집속이온빔의 이온과 시료원자와의 충돌에서 발생되는 이차전자(secondary electron) 혹은 다른 원인에 의해서 이루어진다.
나노결정체(36a)의 형성은 두가지 방법으로 확인할 수가 있는데, 한가지는도 1b에 도시된 바와 같이 나노결정체 영역(B')에 터널전류를 인가시켜 전기적 특성을 조사하는 것이고, 다른 하나는 직접 고배율 전자현미경을 이용하여 관측하는 방법이다.
도 2는 나노결정체 영역(B')에 터널전류를 인가시켜 전기적 특성을 측정한 그래프이다. 여기서, 참조번호 100으로 표시한 그래프는 도 1b의 나노결정체 영역(B')의 양쪽에 위치하는 금속층(36)에 전압을 인가하여 나노결정체 영역(B')에 흐르는 터널전류를 상온에서 측정한 전류-전압 곡선이다. 그리고, 참조번호 200으로 표시한 그래프는 전압(voltage)- 전도도(conductance) 곡선이다.
도 2를 참조하면, 전류-전압 곡선(100)이 계단 모양을 하고 있음을 알 수 있으며, 전압-전도도 곡선(200)으로부터 전도도 진동현상도 명확히 볼 수 있다. 이는 쿨롱차단(Coulomb blockade) 현상에 기인한 것이므로, 수십 nm 이하의 크기를 갖는 나노결정체(36a)가 형성되었음을 간접적으로 알 수 있다.
도 3은 나노결정체 영역(B')을 고배율 투과전자현미경(TEM)으로 직접 관측한 사진이다. 도 3을 참조하면, 나노결정체 사이의 거리가 대략 10Å 정도인 것을 알 수 있다. 따라서, 낮은 바이어스 전압에 의해서도 터널전류가 형성되며, 단전자 트랜지스터의 양자효과인 쿨롱차단효과도 상온에서 나타나게 되는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 나노결정체 형성방법에 의하면, 집속이온빔을 이용하여 매우 간단하게 수 nm 이하의 크기를 갖는 나노결정체를 형성할 수있게 된다. 따라서, 상온에서의 열적요동현상을 억제할 수 있는 구속에너지를 갖게 되어 상온에서 동작하는 단전자 터널링 트랜지스터를 만들 수 있게 된다. 본 발명은 테라급 이상의 차세대 초대용량 메모리 소자의 개발에 획기적인 기여를 할 것이다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (1)

  1. 금속막 또는 반도체막 표면의 여러 군데에 집속이온빔을 조사하여, 상기 집속이온빔의 초점이 맺히는 부분에서는 상기 금속막 또는 반도체막이 제거되고, 상기 집속이온빔의 상호겹칩 부분에서는 상기 집속이온빔의 방사선 효과에 의해 상기 금속막 또는 반도체막의 원자구조의 결합이 파기되어 나노결정체가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 나노결정체 형성방법.
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