KR100659280B1 - 실리콘 기반 나노 구조물 내부에 실리콘 나노결정립 제조방법 - Google Patents

실리콘 기반 나노 구조물 내부에 실리콘 나노결정립 제조방법 Download PDF

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신현준
박용섭
박용주
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학교법인 포항공과대학교
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Abstract

본 발명은 진공 상태의 챔버 안에 질소 가스를 투입하고 이온화 시키는 단계; 상기에서 이온화된 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류를 이용하여 실리콘 기판 표면 위에 나노 단위의 실리콘 질화물을 형성하는 단계; 및 질소 가스 분위기 하에서 후열처리를 통해 상기 나노 단위의 실리콘 질화물 내부에 실리콘 나노결정립을 형성하는 단계;를 포함하는 실리콘 나노결정립 제조 방법 및 상기 방법에 의해 제조되는 실리콘 나노결정립에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 시료에 노출된 이온화된 질소 가스에 따른 시료 전류와 후열처리 온도에 따라 나노 단위의 실리콘 질화물의 크기 및 밀도를 조절할 수 있고, 그에 의해 상기 조절된 나노 단위의 실리콘 질화물 내에 실리콘 나노결정립의 크기 및 밀도 또한 조절할 수 있다. 또한, 상온에서 초고진공상의 공정을 통해 불순물의 오염 없이 고순도의 실리콘 기반 나노 물질을 형성할 수 있다.
직류이온총, 이온화가스 표면 처리법, 나노 실리콘 질화물, 실리콘 나노결정립

Description

실리콘 기반 나노 구조물 내부에 실리콘 나노결정립 제조 방법{Fabrication method of nanocrystalline-silicon in silicon-based nanostructure}
도 1은 본 발명의 방법에 따라 이온화된 질소 가스를 이용, 시료 전류에 따른 나노 실리콘 질화물 및 그 안에 형성된 실리콘 나노결정립의 모식도이다.
도 2는 질소이온화 가스의 노출 압력에 따른 시료 전류 그래프이다.
도 3은 질소이온화 가스 노출에 의한 시료 전류에 따른 실리콘 질화물의 엑스선 광전자분광 그래프이다.
도 4는 시료 전류가 2.0 ㎂인 시료에 N2 가스 분위기에서 급속 후열 처리한 시료표면의 원자간 힘 현미경(AFM) 사진이다.
도 5는 급속후열처리를 한 후 형성된 실리콘 나노결정립의 광학적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 이온화된 질소 가스를 이용하여 나노 실리콘 질화물 형성 및 급속열처리를 통하여 나노 실리콘 질화물 안에 형성된 실리콘 나노결정립을 측정한 투과 전자 현미경 사진이다.
본 발명은 실리콘 기반 나노구조물 내부에 실리콘 나노결정립을 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 실리콘 나노결정립에 관한 것이다.
실리콘 나노결정립은 차세대 실리콘 기반 광전자소자로서의 응용과 나노소자 개발의 핵심 소재, 태양열을 이용한 전하 저장 물질로 인식되어 최근 연구자들의 많은 관심의 대상이 되고 있다.
실리콘소재를 기반으로 하는 나노미터 크기의 구조물을 형성하는 데는 플라즈마 증강 화학기상증착법(plasma chemical vapor-deposition), 스퍼터링(sputtering), 이온주입(ion implantation)등 다양한 방법들이 있으나, 일반적으로 사용되는 방법은 화학기상 증착방법(chemical vapor-deposition)이라 할 수 있다. 이 같은 방법은 자기 성장 기법(self-assemble growth method)을 기반으로 하며, 반응기의 압력, 온도, 플라즈마 조건 등의 성장조건 조절을 통해 실리콘의 나노구조물 형성을 하는 것이다. 하나의 예로 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물 혹은 실리콘 질화물을 형성함에 있어 비화학양론적(non-stoichiometric) 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물을 증착시킨 후 후열처리 공정을 거치면서 자발적으로 나노미터 크기의 실리콘 결정립을 형성하고 있다.
그러나 상기한 기술들의 단점은 가스의 압력 및 플라즈마 상태, 시료의 온도, 시료에 제공되는 전압 등 복잡한 실험 조건들에 의하여 매우 민감하게, 즉 제어하기 힘들게 실리콘 나노결정립 형성이 이루어진다는 것이다. 이로 인하여 나노미터 크기의 실리콘 결정립 크기를 제어하기 어렵고, 기타 불순물의 함유가능성도 배제할 수 없다. 뿐만 아니라 실리콘 화합물의 증착공정이 비교적 높은 온도인 300℃ 이상에서 이루어지는 단점이 있다.
대한민국 특허 공개 제 2004-0071502호에는 실리콘 산화물을 포함한 실리콘 기판 위에 표면의 실리콘 산화물을 이온화된 질소가스를 이용, 에칭을 통하여 나노단위의 구조물로 형성하고 그 사이에 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 바로 성장시킨 후, 급속후열처리를 이용하여 나노 단위의 실리콘 산화물사이에 실리콘 나노결정립을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
하지만, 상기 방법은 나노구조의 실리콘 산화물 및 그들 사이에 형성되는 실리콘 나노결정립을 둘러싸는 변형 박막층(modified thin layer)과 같은 별도의 완충 층(buffered layer)을 필요로 하는 것으로 인해 단일 박막층을 형성하는 증착 시간(> 1 ~ 2 시간)이 많이 소요되며, 실리콘 산화물과 질화물이 한 층에 혼재됨으로 인한 구조적 불순물(실리콘 질산화물)이 존재하여 균일한 박막층의 형성을 방해함으로 후열처리 공정에서 형성된 실리콘 나노결정립의 밀도가 적다.
본 발명은 실리콘 나노결정립 형성에 있어 상온에서 실리콘 기반 나노구조물의 형성 공정이 가능하고, 그 증착 시간(< 30 분)이 매우 짧으며, 나노미터 크기의 실리콘 화합물 구조제어가 가능하고, 초고진공 공정 및 이온 증착을 기반으로 하여 기존 반도체 공정에 적합하며, 실리콘 나노 구조물 안에 실리콘 나노결정립을 형성함으로서 실리콘 나노결정립의 형성 및 그 크기, 밀도 등을 용이하게 제어할 수 있는 실리콘 나노결정립 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조되는 실리콘 나노결정립을 제공하는 것이다.
기타 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하의 상세한 설명에 나타나 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 진공 상태의 챔버 안에 질소 가스를 투입하고 이온화 시키는 단계; 상기에서 이온화된 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류를 이용하여 실리콘 기판 표면 위에 나노 단위의 실리콘 질화물을 형성하는 단계; 및 질소 가스 분위기 하에서 후열처리를 통해 상기 나노 단위의 실리콘 질화물 내부에 실리콘 나노결정립을 형성하는 단계;를 포함하는 실리콘 나노결정립 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 질소 가스는 핫필라멘트 방식(hot-filament type)의 직류 이온총을 이용하여 이온화될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 질소 이온 가스를 통한 챔버의 압력은 5.0×10-7 ~ 1.0×10-6 torr의 범위로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 이온화된 질소가스의 종(species)은 주로 N2+ 상태일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 기판의 온도는 상온~1000℃의 범위로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류 세기에 따라 형성되는 나노 단위의 실리콘 질화물의 크기 및 밀도가 조절될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류 세기는 1.0 ~ 2.0 μA/㎠일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 후열처리 동안의 질소 가스를 통한 챔버의 압력은 5.0×10-9 ~ 5.0×10-8 torr의 범위로 유지될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 후열처리는 30초 ~ 1분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명의 방법에 따라 실리콘 질화물 내부에 제조되는 실리콘 나노결정립을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면은 진공 상태의 챔버 안에 질소 가스를 투입하고 이온화 시키는 단계; 상기에서 이온화된 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류를 이용하여 실리콘 기판 표면 위에 나노 단위의 실리콘 질화물을 형성하는 단계; 및 질소 가스 분위기 하에서 후열처리를 통해 상기 나노 단위의 실리콘 질화물 내부에 실리콘 나노결정립을 형성하는 단계;를 포함하는 실리콘 나노결정립 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 방법에 따라 상온에서 이루어지는 나노 실리콘 질화물 및 그 안에 형성된 실리콘 나노결정립 형성 기구를 나타내는 모식도이다.
먼저, 본 발명의 방법은 진공 상태의 챔버 안에 질소 가스를 투입하고 이온화 시킨다.
구체적으로 초고진공에서 질소(N2) 가스를 직류형 이온총(DC ion gun)을 이용하여 낮은 에너지의 이온화된 질소가스로 만든다. 예컨대, 상기 질소 가스는 핫필라멘트 방식(hot-filament type)의 직류 이온총을 이용하여 이온화될 수 있다.
상기 질소 이온 가스를 통한 챔버의 압력은 5.0×10-7 ~ 1.0×10-6 torr의 범위로 유지될 수 있다. 상기 질소 이온 가스를 통한 챔버의 압력이 5.0×10-7 torr 이하인 경우 질소 이온 가스의 밀도가 매우 적어 시료 전류가 낮아져 시료 표면에 실리콘 기반 나노구조물의 형성이 미비하거나 형성 그 자체가 되지 않으며, 1.0×10-6 torr 이상인 경우 질소 이온 가스의 밀도가 급격히 높아지면서 시료 전류가 과도하게 높아져 시료 표면에 실리콘 나노구조물의 형성이 과도하여 구조물들이 뭉치면서 박막층으로 변형된다.
또한, 상기 이온화된 질소가스의 종(species)은 주로 N2 + 상태일 수 있다.
상기 질소 가스의 이온화 단계는 상온에서 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 방법은 상기에서 이온화된 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류를 이용하여 실리콘 기판 표면 위에 나노 단위의 실리콘 질화물(SiNx)을 형성한다.
상기 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류 세기에 따라 형성되는 나노 단위의 실리콘 질화물의 크기 및 밀도가 조절될 수 있다.
상기 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류 세기는 1.0~2.0 μA/㎠일 수 있다.
이 때 질소이온에 의한 시료 전류 밀도에 따라 초기 형성되는 나노 실리콘 질화물의 크기와 밀도가 달라지는데, 시료 전류 밀도에 따른 나노 실리콘 질화물의 크기 및 밀도의 최적화가 필요하다. 또한 과도한 시료 전류를 주는 경우 표면의 거칠기가 매우 커지고, 너무 적게 주면 나노 실리콘 질화물의 발생이 너무 적어 효과적이지 않다.
상기 질소 이온 가스를 통한 챔버의 압력은 5.0×10-7 ~ 1.0×10-6 torr의 범위로 유지될 수 있다.
상기 질화물 형성 단계는 실온에서 수행될 수 있다.
상기 단계에 의해 시료 표면에 지름이 약 40~60 ㎚, 높이가 15 ㎚되는 실리콘 질화물을 형성할 수 있다.
도 2는 직류 이온총에 의한 질소이온가스의 이온빔에너지와 그에 따른 시료 전류 밀도를 상온 상에서 측정한 것이다. 이때 실리콘 기판 시료는 1000℃에서 열처리를 하여 실리콘 표면을 깨끗하게 만든 것이다.
도 3은 질소 이온에 의한 시료 전류 밀도를 0.04 에서부터 2.0 ㎂로 유지하면서 30 분간 노출시킨 시료들 표면에 대해 엑스선광전자분광법(XPS)을 이용하여 물리화학적 변화모습을 측정한 것이다.
시료 전류 밀도가 증가함에 따라 실리콘 2p 코어준위(core-level) 스펙트럼에서 벌크로부터 약 3 eV 높은 결합에너지 영역에서 피크가 크게 증가함을 확인할 수 있으며, 마찬가지로 질소 1s의 코어준위 스펙트럼의 피크가 나타나고 증가됨을 확인할 수 있다. 또한 산소 1s의 코어준위 스펙트럼을 살펴보면 산소가 미비하게 존재하다가 시료 전류가 커질수록 그 양이 사라지는 것을 확인할 수 있다. 실리콘 2p와 질소 1s 코어준위 스펙트럼으로부터 초기의 실리콘 질화물(SiNx)이 존재함을 알 수 있으며, 급속후열처리한 후에는 매우 안정된 실리콘 질화물(Si3N4)과 준안정된 실리콘 질화물(SiNx)로 동시에 존재함을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명의 방법은 질소 가스 분위기 하에서 후열처리를 통해 상기 나노 단위의 실리콘 질화물 내부에 실리콘 나노결정립을 형성하다.
상기 후열처리 동안의 질소 가스를 통한 챔버의 압력은 5.0×10-9 ~ 5.0×10-8 torr의 범위로 유지될 수 있다. 상기 질소 가스를 통한 챔버의 압력이 5.0×10-9 torr 이하인 경우 짧은 시간(< 1 분)에 진행되는 후열처리 과정에서 발생할 수 선 형성된 나노구조물인 실리콘 질화물내의 질소 원자가 빠져 나가 나노 구조물 유지에 문제가 있고, 5.0×10-8 torr 이상인 경우 과도한 질소 가스의 공급으로 오히려 표면의 나노구조물에 증착하면서 표면의 나노구조물들이 박막층으로 변형되어 나노 구조물 유지에 문제가 있다.
상기 후열처리는 30초 ~ 1분 동안 수행될 수 있다. 상기 후열처리의 수행 시간이 30초 이하인 경우 나노구조물 내에 제대로 열전달이 이루어지지 않아 실리콘 나노결정립이 형성 되지 않고, 1분 이상인 경우 나노구조물이 나노결정립 형성을 넘어서서 모두 화학적으로 안정된 Si3N4의 화학적 상태로 되어 버린다.
상기 후열처리는 1000 ~ 1100℃ 에서 수행될 수 있다. 상기 후열처리의 온도가 1000℃ 이하인 경우 실리콘 원자들이 이동력이 없어 실리콘 나노결정립이 형성되지 않고, 1100℃ 이상인 경우 실리콘의 녹는점으로 인하여 시료가 녹는다.
예컨대, 질소가스에 의한 진공용기의 압력을 1.0×10-8 torr로 유지하면서 흘려주며 1분간 1000℃로 열처리를 하여 선 형성된 나노 단위의 실리콘 질화물 안에 실리콘 나노결정립을 형성시킨다.
초기 형성된 나노 단위의 실리콘 질화물의 크기와 밀도는 질소이온에 의한 시료 전류 밀도를 통하여 제어된 것과 마찬가지로 실리콘 나노결정립의 크기와 밀도 또한 나노 실리콘 질화물에 의하여 제어된다.
도 4는 원자간 힘 현미경(AFM)을 이용하여 최종적인 급속후열처리를 한 시료의 표면 형상에 대한 이미지이다.
표면에 형성된 나노단위의 실리콘 질화물은 지름이 약 40~60 ㎚ 이고, 높이가 평균 15 ㎚이다. 또한 나노 실리콘 질화물의 밀도는 약 3×1010 개/㎠이다.
도 5는 상온에서 측정된 광루미네슨스 결과이다. 실리콘 나노결정립은 이론적으로 크기가 2~5 ㎚ 정도에서 가시광의 발광특성이 나타난다. 급속후열처리를 하지 않을 때에는 발광특성이 나타나지 않는데, 열처리 후에 발광 파장이 400 ㎚에서부터 매우 넓게 600 ㎚까지 나타난다. 이는 준안정된 나노 실리콘 질화물이 급속후열처리를 수행하면서 그 안에 실리콘 나노결정립이 형성하기 때문이다. 즉, 비화학양론적인 나노구조 실리콘 질화물(SiNx)가 열처리 과정을 거치면서 화학양론적인 박막(Si3N4)으로 변하면서 남아 있는 실리콘 원소들이 나노미터 규격을 서로 뭉쳐서 형성되는 과정을 거치게 된다. 구조물이 붕괴되지 않고 유지가 되는 것은 기판인 실리콘과 형성된 실리콘 질화물의 격자 상수 차이가 열처리과정 이후에도 지속적으로 남아 있기 때문이다.
도 6은 후열처리공정이 끝난 후 고분해능투과전자현미경으로 측정한 시료의 표면 양상이다. 구조물 위쪽으로 확대하면 높이가 약 10 ㎚, 지름이 약 15 ㎚안에 실리콘 나노결정립이 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 상기 본 발명의 방법에 따라 실리콘 질화물 내부에 제조되는 실리콘 나노결정립에 관한 것이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위 에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 시료에 노출된 이온화된 질소 가스에 따른 시료 전류와 후열처리 온도에 따라 나노 단위의 실리콘 질화물의 크기 및 밀도를 조절할 수 있고, 그에 의해 상기 조절된 나노 단위의 실리콘 질화물 내에 실리콘 나노결정립의 크기 및 밀도 또한 조절할 수 있다. 또한, 상온에서 초고진공상의 공정을 통해 불순물의 오염 없이 고순도의 실리콘 기반 나노 물질을 형성할 수 있다. 궁극적으로 실리콘 기반의 광전소자 응용 및 전하 축전 응용이 가능하게 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 진공 상태의 챔버 안에 질소 가스를 투입하고 이온화 시키는 단계;
    상기에서 이온화된 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류를 이용하여 실리콘 기판 표면 위에 나노 단위의 실리콘 질화물을 형성하는 단계; 및
    질소 가스 분위기 하에서 후열처리를 통해 상기 나노 단위의 실리콘 질화물 내부에 실리콘 나노결정립을 형성하는 단계;
    를 포함하는 실리콘 나노결정립 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질소 가스는 핫필라멘트 방식(hot-filament type)의 직류 이온총을 이용하여 이온화되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노결정립 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 질소 이온 가스를 통한 챔버의 압력은 5.0×10-7 ~ 1.0×10-6 torr의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노결정립의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    이온화된 질소가스의 종(species)은 주로 N2 + 상태임을 특징으로 하는 실리 콘 나노결정립 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 온도는 상온~1000℃의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노결정립 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류 세기에 따라 형성되는 나노 단위의 실리콘 질화물의 크기 및 밀도가 조절되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노결정립 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 질소 이온 가스에 의해 발생하는 시료 전류 세기는 1.0~2.0 μA/㎠인 것을 특징으로 하는 실리콘 나노결정립 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 후열처리 동안의 질소 가스를 통한 챔버의 압력은 5.0×10-9 ~ 5.0×10-8 torr의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노결정립의 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 후열처리는 30초 ~ 1분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노결정립의 제조 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 방법에 따라 실리콘 질화물 내부에 제조되는 실리콘 나노결정립.
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