KR100937510B1 - Method of fabricating a semiconductor device and semiconductor device fabricated thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법을 제시할 수 있다. 반도체 소자 제조 장치가 상온 강자성 반도체 소자를 제조하는 방법에 있어서, 스퍼터링 증착 방식에 의해 챔버 안에서 기판 상에 타겟 물질을 박막 증착하여 반도체 박막을 형성하는 단계; 상기 반도체 박막에 도너 역할을 수행하는 이온화된 수소를 주입하는 단계; 및 상기 수소가 주입된 반도체 박막을 미리 설정된 온도하에서 열처리하여 재결정화하는 단계를 포함하는 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법이 제시된다. 본 발명에 따른 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자는 다결정 자성반도체에 이온주입장치를 이용하여 수소이온을 주입하고, 낮은 온도의 급속 열처리를 통해, 기존의 강자성 특성은 그대로 유지하며, 전하이동도를 높일 수 있는 효과가 있다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device and a semiconductor device produced thereby. According to one aspect of the invention, it is possible to provide a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device. A method of manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device, the semiconductor device manufacturing apparatus comprising: forming a semiconductor thin film by depositing a target material on a substrate in a chamber by a sputter deposition method; Injecting ionized hydrogen, which serves as a donor, to the semiconductor thin film; And a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device comprising the step of recrystallizing the heat-injected semiconductor thin film at a predetermined temperature. The method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to the present invention and a semiconductor device manufactured by the same include implanting hydrogen ions into a polycrystalline magnetic semiconductor using an ion implantation device, and maintaining the existing ferromagnetic properties as it is through rapid heat treatment at low temperature. This has the effect of increasing the charge mobility.
반도체 소자, 강자성, 전하농도, 전하이동도. Semiconductor device, ferromagnetic, charge concentration, charge mobility.
Description
본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device and a semiconductor device produced thereby.
일반적으로, 스퍼터링 증착 공정은 반도체, 디스플레이, 회로기판 등의 전자소자 제조 분야에서 반도체 층, 금속 배선, 배리어층, 투명전극, 광학막 등의 다양한 박막의 형성에 사용되고 있다. 이러한 스퍼터링 증착 공정은 기판 상에 증착될 박막과 동일한 재질의 입자를 진공 중에서 여러 가지 물리적인 방법에 의해 증착시키는 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition: 이하, 'PVD'라 함)의 일종이다. 이에 따르면, 진공 상태에서 아르곤(Ar) 가스를 주입한 상태에서 금속 또는 금속 화합물로 이루어진 타켓(target) 물질에 고전압을 가하여 타겟 물질 주위에 플라즈마 방전을 발생시켜 플라즈마 방전 영역 내의 양이온들이 전기적인 힘에 의해 타겟 표면을 가격하여 원자들을 방출시켜 그 원자들을 기판 상에 증착시키는 것이다.In general, the sputtering deposition process is used to form various thin films such as semiconductor layers, metal wirings, barrier layers, transparent electrodes, optical films, etc. in the field of electronic device manufacturing, such as semiconductors, displays, and circuit boards. This sputtering deposition process is a kind of physical vapor deposition (PVD), which deposits particles of the same material as a thin film to be deposited on a substrate by various physical methods in a vacuum. Accordingly, a high voltage is applied to a target material made of a metal or a metal compound in a state in which argon (Ar) gas is injected in a vacuum state to generate a plasma discharge around the target material so that the cations in the plasma discharge region are affected by the electrical force. By hitting the target surface to release the atoms and depositing the atoms onto the substrate.
이러한 스퍼터링 증착 공정에 의해 자성 반도체를 생성할 수 있다. 자성 반도체 개발의 주요 목적은 고전역학적 성질인 전하와 양자역학적 성질인 스핀을 동시에 활용하여 MRAM과 같은 스핀전자소자를 구현하는데 있다. 기존의 제조공정은 대표적으로 와이드밴드갭(Wide-bandgap) 반도체인 아연산화물(ZnO)에 강자성금속을 주입하는 방식이었으며, 이에 따라 생성된 자성 반도체는 상온에서 강자성 특성을 보였다. A magnetic semiconductor can be generated by this sputter deposition process. The main purpose of the development of magnetic semiconductor is to realize spin electronic devices such as MRAM by simultaneously utilizing the high charge and the quantum mechanical spin. Existing manufacturing processes inject ferromagnetic metal into zinc oxide (ZnO), which is a wide-bandgap semiconductor, and the resulting magnetic semiconductor has ferromagnetic properties at room temperature.
종래에는 상온에서 우수한 강자성 특성을 가지기 위해 전하농도를 높이는 방법을 연구하였으나, 이러한 연구에 따르면, 소자의 응답속도를 좌우하는 다결정 ZnO 박막의 전하이동도가 기존의 반도체에 비해 매우 낮아 스핀전자소자를 구현하는데 걸림돌이 되어, 높은 전하이동도를 가진 자성반도체의 필요성이 제기되어 왔다. 종래의 전하이동도를 높이는 방법을 살펴보면, 700℃ 정도의 높은 온도에서 후열처리공정을 통해 결정격자내의 결함을 제거하는 방법이 있다. 그러나 이에 따르면, 공정시 높은 온도로 인하여 자성반도체의 강자성 특성이 없어지는 문제점이 있다. 종래 기술에 의하면, 아연산화물내의 수소들은 단지 전하농도를 향상시키는 도너(donor) 역할을 하여 아연산화물계 자성반도체의 강자성특성이 이론적으로 수소처리에 의한 전하농도 향상에 기인한다고 알려져 있다. 그러나, 많은 실험결과에서 수소열처리를 통해 제작된 자성반도체는 전하농도의 향상에도 불구하고, 강자성특성이 향상되지 않은 많은 사례를 보여줬다. 수소이온의 부정확한 제어, 열처리과정 중 발생하는 또 다른 변수, 그리고 불명확한 이론이 이에 대한 대표적인 이유가 될 수 있다. Conventionally, a method of increasing the charge concentration in order to have excellent ferromagnetic properties at room temperature has been studied, but according to these studies, the charge mobility of the polycrystalline ZnO thin film, which influences the response speed of the device, is much lower than that of the conventional semiconductors. As an obstacle to implementation, the need for a magnetic semiconductor with high charge mobility has been raised. Looking at the conventional method of increasing the charge mobility, there is a method for removing defects in the crystal lattice through a post-heat treatment process at a high temperature of about 700 ℃. However, according to this, there is a problem that the ferromagnetic properties of the magnetic semiconductor is lost due to the high temperature during the process. According to the prior art, hydrogens in zinc oxides only serve as donors to improve charge concentrations, so that the ferromagnetic properties of zinc oxide-based magnetic semiconductors are theoretically attributed to the improvement of charge concentrations by hydrogen treatment. However, in many experiments, the magnetic semiconductor fabricated through hydrothermal treatment showed many cases where the ferromagnetic properties were not improved despite the improvement of the charge concentration. Inaccurate control of hydrogen ions, another variable that occurs during the annealing process, and an unclear theory may be the main reasons for this.
본 발명은 다결정 자성반도체에 이온주입장치를 이용하여 수소이온을 주입하고, 낮은 온도의 급속 열처리를 통해, 기존의 강자성 특성은 그대로 유지하며, 전하이동도를 높일 수 있는 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자를 제공한다. The present invention is a method of manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device that can inject hydrogen ions into a polycrystalline magnetic semiconductor using an ion implantation device, and through the low temperature rapid heat treatment, to maintain the existing ferromagnetic properties, and to increase the charge mobility A semiconductor device manufactured thereby is provided.
또한, 본 발명은 수소이온주입을 통해 정밀한 이온량 조절이 가능하고, 비교적 낮은 온도의 열처리를 함으로써 제조과정 중 발생하는 자성불순물의 재결정화를 억제할 수 있었고, 낮은 열처리온도임에도 불구하고 전하이동도를 증가시킬 수 있는 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자를 제공한다.In addition, the present invention can precisely control the amount of ions through the hydrogen ion implantation, it is possible to suppress the recrystallization of the magnetic impurities generated during the manufacturing process by performing a heat treatment at a relatively low temperature, the charge mobility despite the low heat treatment temperature Provided are a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device which can be increased, and a semiconductor device manufactured thereby.
본 발명이 제시하는 이외의 기술적 과제들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems other than the present invention will be easily understood through the following description.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법을 제시할 수 있다. 반도체 소자 제조 장치가 상온 강자성 반도체 소자를 제조하는 방법에 있어서, 스퍼터링 증착 방식에 의해 챔버 안에서 기판 상에 타겟 물질을 박막 증착하 여 반도체 박막을 형성하는 단계; 상기 반도체 박막에 도너 역할을 수행하는 이온화된 수소를 주입하는 단계; 및 상기 수소가 주입된 반도체 박막을 미리 설정된 온도하에서 열처리하여 재결정화하는 단계를 포함하는 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법이 제시된다. According to one aspect of the invention, it is possible to provide a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device. A device for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device, the method comprising: forming a semiconductor thin film by depositing a target material on a substrate in a chamber by a sputter deposition method; Injecting ionized hydrogen, which serves as a donor, to the semiconductor thin film; And a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device comprising the step of recrystallizing the heat-injected semiconductor thin film at a predetermined temperature.
여기서, 상기 미리 설정된 온도는 200℃ 내지 400℃일 수 있다. Here, the preset temperature may be 200 ℃ to 400 ℃.
여기서, 상기 재결정화 단계에서, 상기 열처리는 4분 내지 6분간 수행될 수 있다. Here, in the recrystallization step, the heat treatment may be performed for 4 minutes to 6 minutes.
여기서, 상기 반도체 박막은 Zn0 .96Mn0 .04O1 -δ(여기서, 0<δ<1 인 실수)로 형성될 수 있다. Here, the semiconductor thin film can be formed by (a real number, where, 0 <δ <1)
여기서, 상기 δ는 0.03<δ<0.04 일 수 있다. Here, δ may be 0.03 <δ <0.04.
여기서, 상기 타겟 물질은 ZnO 및 전이 금속일 수 있다. Here, the target material may be ZnO and a transition metal.
여기서, 상기 전이 금속은 Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 어느 하나일 수 있다. Here, the transition metal may be any one of Mn, Fe, Co, Ni, and Cu.
여기서, 상기 방법에 의해 생성된 상온 강자성 반도체 소자가 제시될 수 있다. Here, the room temperature ferromagnetic semiconductor device produced by the above method can be presented.
본 발명에 따른 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자는 다결정 자성반도체에 이온주입장치를 이용하여 수소이온을 주입하고, 낮은 온도의 급속 열처리를 통해, 기존의 강자성 특성은 그대로 유지하며, 전하이 동도를 높일 수 있는 효과가 있다. The method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to the present invention and a semiconductor device manufactured by the same include implanting hydrogen ions into a polycrystalline magnetic semiconductor using an ion implantation device, and maintaining the existing ferromagnetic properties as it is through rapid heat treatment at low temperature. As a result, the charge can increase the dynamics.
또한, 본 발명은 수소이온주입을 통해 정밀한 이온량 조절이 가능하고, 비교적 낮은 온도의 열처리를 함으로써 제조과정 중 발생하는 자성불순물의 재결정화를 억제할 수 있었고, 낮은 열처리온도임에도 불구하고 전하이동도를 증가시킬 수 있는 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자를 제공한다.In addition, the present invention can precisely control the amount of ions through the hydrogen ion implantation, it is possible to suppress the recrystallization of the magnetic impurities generated during the manufacturing process by performing a heat treatment at a relatively low temperature, the charge mobility despite the low heat treatment temperature Provided are a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device which can be increased, and a semiconductor device manufactured thereby.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and / or includes a combination of a plurality of related items or any item of a plurality of related items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components regardless of reference numerals will be given the same reference numerals and duplicate description thereof will be omitted. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상온 강자성 반도체 소자를 제조하는 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 기판(110), 스퍼터링 챔버(115), 밸브(120), 진공 펌프(130, 160, 180), 제1 타겟 물질(140), 제2 타겟 물질(150), 반도체 박막(165), 열처리 챔버(170) 및 플레이트(175)가 도시된다.1 is a block diagram of an apparatus for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a
기판(110)은 일반적으로 반도체 소자 제조 장치인 스퍼터링 증착 장치(100)에 사용되는 반도체 기판이며, 실리콘으로 형성될 수 있다. 밸브(120)는 산소가 주입되는 통로이다. 진공 펌프(130, 160)는 스퍼터링 챔버(115)를 진공으로 유지하기 위해 내부 기체를 펌핑하는 장치이다. 진공 펌프(180)는 열처리 챔버(170)의 내부 기체를 펌핑하여 유출시킨다. The
제1 타겟 물질(140) 및 제2 타겟 물질(150)은 기판(110) 상에 증착되는 물질이며, 예를 들면, 각각 ZnO, Mn이 될 수 있다. 제1 타겟 물질(140) 및 제2 타겟 물질(150) 주위에 저압의 불활성 가스(예를 들면, Ar)를 챔버(115) 내에 공급하기 위한 불활성 기체 유입부(미도시)가 마련될 수 있다. The
스퍼터링 증착 과정을 자세히 설명하면, 진공 펌프(130, 160)를 이용하여 챔버(115) 내부를 배기시키고 고진공도를 유지한 상태에서 불활성 기체 유입부를 통 해 불활성 가스를 유입시키면서 제1 타겟 물질(140) 및 제2 타겟 물질(150)에 마이너스 전압을 인가하면 불활성 가스가 전기적으로 가속되어 제1 타겟 물질(140) 및 제2 타겟 물질(150)의 표면에 충돌하게 된다. 이에 따라 제1 타겟 물질(140) 및 제2 타겟 물질(150)의 표면 원자 또는 분자가 방출된 후 기판(110)의 표면에 부착되어 증착됨으로써 기판(110) 표면에 원하는 박막을 형성시킬 수 있다. Referring to the sputtering deposition process in detail, the
이후 생성된 반도체 박막(165)은 이온주입장치(미도시)에 의해 수소이온이 주입된다(102). 여기서, 반도체 박막(165)은 기판(110)에 제1 타겟 물질(140) 및 제2 타겟 물질(150)이 증착된 박막이 될 수 있다. 반도체 소자를 형성하기 위하여 반도체 기판에 반도체 박막(165)을 패터닝(Patterning)한 후 불순물을 주입한다. 이온주입장치는 이러한 불순물 주입 단계에서 사용하는 장비이다. 불순물 주입 단계는 반도체 소자별로 다양하게 구현될 수 있다. 일반적인 이온주입 장치는 크게 이온소스(ion source), 빔 라인 어셈블리, 엔드 스테이션(end station)으로 나누어질 수 있다. 반도체 박막(165)은 엔드 스테이션(end station)내에 안착된다. 여기서, 주입된 수소는 반도체 소자에서 도너 역할을 수행하게 된다. 즉, 수소 원자는 격자 사이(interstitial sites)로 이동하여 쉘로우 도너(shallow donor)로서 역할한다. Thereafter, the generated semiconductor
본 발명의 일 실시예에 의하면, 수소는 자성도펀트(dopant) 사이의 스핀정렬을 직접 연결시켜주는 브리지(bridge) 역할을 하지 않을 수 있다. 즉, 상기 브리지 역할을 하기 위해서는 자성도펀트의 양이 상당히 많고, 수소의 양 또한 많아야 하는 단점이 있다. 따라서, 자성폴라론이 크고(이는 전하이동도와 비례한다), 그 수 가 많아지면 자기정렬이 발생한다는 스핀정렬 연구 결과에 비추어, 본 발명에 의하면, 주입된 수소가 자성폴라론의 크기를 향상시키는 역할을 하므로 스핀정렬이 발생할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, hydrogen may not serve as a bridge that directly connects the spin alignment between the magnetic dopants. That is, in order to act as the bridge, there is a disadvantage that the amount of the magnetic dopant is quite large, and the amount of hydrogen also has to be large. Therefore, in the light of spin-alignment studies in which the magnetic polaron is large (which is proportional to the charge mobility) and the number increases, according to the present invention, the injected hydrogen improves the size of the magnetic polaron. It can play a role in spin alignment.
이후 수소가 주입된 반도체 박막(165)은 미리 설정된 온도하에서 열처리하여 재결정화된다. 여기서는 종래 기술보다 낮은 온도하에서 열처리되기 때문에 상온시 강자성 특성이 사라지지 않을 수 있다. Thereafter, the semiconductor
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상온 강자성 반도체 소자를 제조하는 방법을 도시한 순서도이다. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
단계 S210에서, 스퍼터링 증착 방식에 의해 스퍼터링 챔버(115) 안에서 기판 상에 타겟 물질을 박막 증착하여 반도체 박막(165)을 형성한다. 여기서, 제1 타겟 물질(140)과 제2 타겟 물질(150)은 동시에 증착될 수 있다. In operation S210, a thin film of the target material is deposited on the substrate in the
단계 S220에서, 이온주입장치가 반도체 박막(165)에 도너 역할을 수행하는 이온화된 수소를 주입한다. In step S220, the ion implantation device injects ionized hydrogen that serves as a donor to the semiconductor
단계 S230에서, 수소가 주입된 반도체 박막(165)을 상대적으로 저온인 미리 설정된 온도하에서 열처리하여 재결정화한다. 여기서, 미리 설정된 온도는 300℃가 될 수 있다. 열처리 시간은 4분 내지 8분정도가 될 수 있으며, 이러한 결과에 의해 상온에서도 강자성을 가지는 반도체 소자가 생성될 수 있다.In step S230, the semiconductor
이상에서 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자에 대해서 일반적으로 도시한 장치 구성도 및 순서도를 설명하였으며, 이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법 및 그에 의해 제조된 반도체 소자를 구체적인 실시예를 기준으로 설명하기로 한다. In the above, the method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device and a device configuration and a flowchart generally illustrated for the semiconductor device manufactured therefrom have been described. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to the present invention, and The semiconductor device manufactured by the present invention will be described with reference to specific embodiments.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 박막의 열처리 온도와 시간에 따라 형성된 자화에 대한 반응 그래프이다.3 is a reaction graph for magnetization formed according to the heat treatment temperature and time of the semiconductor thin film according to the embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 반도체 박막(165)들에 대해 최적의 자화를 가질 수 있는 열처리 온도와 열처리 시간이 도시된다. 열처리 온도가 250℃ 내지 350℃에서 반도체 박막(165)의 자화가 가장 큰 값을 가진다. 또한, 열처리 온도가 300℃인 경우 열처리 시간이 4분 내지 6분에서 반도체 박막(165)의 자화가 가장 큰 값을 가진다. Referring to FIG. 3, a heat treatment temperature and a heat treatment time that may have optimal magnetization of the semiconductor
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주입된 수소 이온양과 열처리 조건이 서로 다른 반도체 박막들의 자기이력곡선을 비교한 도면이다. 4 is a view comparing magnetic hysteresis curves of semiconductor thin films having different amounts of hydrogen ions and heat treatment conditions according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 초전도 양자간섭소자 자력계 (SQUID Magnetometer)를 이용하여 수소 원자 이온이 6.9X10-16/cm3의 조사량으로 주입된 Zn0.96Mn0.04O0.96 박막 (ZMO:H-1)과 동일 이온주입 후 열처리한 Zn0 .96Mn0 .04O0 .96 박막들 (ZMO:H-2는 200℃로 5분간, ZMO:H-3은 300℃로 5분간)의 자기이력곡선을 상온에서 정밀 관찰하였다. Referring to FIG. 4, a Zn 0.96 Mn 0.04 O 0.96 thin film (ZMO: H-1) in which hydrogen atom ions are implanted at a dose of 6.9 × 10 −16 / cm 3 using a superconducting quantum interference element magnetometer (SQUID Magnetometer) ion implantation and heat treatment in a Zn 0 .96 Mn 0 .04 O 0 .96 thin film (ZMO: H-2 is 5 minutes to 200 ℃, ZMO: H-3 to 5 minutes at 300 ℃) at room temperature the hysteresis curve of Precision observation at
ZMO:H-1 시료는 상자성(Paramagnetism)을 보였다. 반면, ZMO:H-2 박막은 상자성 바탕 내 약한 강자성(Ferromagnetism)을 보였고, ZMO:H-3 시료는 확실한 강자성을 가졌다. ZMO: H-1 samples showed paramagnetism. On the other hand, the ZMO: H-2 thin film showed weak ferromagnetism in paramagnetic field, and the ZMO: H-3 sample was firmly ferromagnetic.
도 4에는 비교를 위해 이온주입 되지 않은 Zn0.96Mn0.04O0.96 박막 (ZMO-2)와 ZnO0.96 박막에 상기 조건으로 이온주입 된 시료 (ZO:H)의 자기이력곡선도 포함하였다. 여기서, ZMO-2는 자기적 성질에 비해 전하이동도가 매우 낮아서, 소자로서의 가치가 다소 떨어지는 단점이 있다. 4 also includes magnetic history curves of Zn 0.96 Mn 0.04 O 0.96 thin film (ZMO-2) and ZnO 0.96 thin film that were not ion implanted under the above conditions (ZO: H) for comparison. Here, ZMO-2 has a very low charge mobility compared to the magnetic properties, so that the value as a device is slightly reduced.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주입된 수소 이온양과 열처리 조건이 서로 다른 반도체 박막들의 전하농도와 전하이동도를 비교한 도면이다. 5 is a view comparing charge concentration and charge mobility of semiconductor thin films having different implanted hydrogen ions and heat treatment conditions according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 제조된 이온주입 시료들의 전하농도 (Carrier Concentration : n)과 전하이동도 (Carrier Mobility : μ)를 측정한 결과들이 도시된다. ZMO:H-1 시료는 많은 양의 수소가 주입되었으나 전하이동도가 그리 증가하지 않았고, ZMO:H-2 박막은 12.3 cm2/V·s로 크게 증가하였다. ZMO:H-3 시료의 경우 더욱 17.3 cm2/V·s로 커졌다. 이와 같이, 이온주입된 시료들에 대한 열처리를 통해 전하이동도가 증진된다는 것을 관찰하였고, 이는 주입된 수소원자가 열처리를 통해 안정화된다는 것을 의미한다. Referring to Figure 5, the results of measuring the charge concentration (Carrier Concentration: n) and the carrier mobility (μ) of the prepared ion implantation samples are shown. The ZMO: H-1 sample was injected with a large amount of hydrogen, but the charge mobility was not increased. The ZMO: H-2 thin film was greatly increased to 12.3 cm2 / V · s. For the ZMO: H-3 sample, the size was further increased to 17.3
도 5에서는 비교를 위해 이온주입 되지 않은 Zn0.96Mn0.04O0.96 박막 (ZMO)와 이온주입 되지 않은 Zn0.96Mn0.04O0.96 박막을 300℃에서 5분간 열처리한 시료 (ZMO:A)의 데이터도 포함하였다. 이들의 전하이동도는 상대적으로 낮은 것으로 관찰되었다. In FIG. 5, Zn0.96Mn0.04O0.96 thin film (ZMO) and non-ion implanted Zn0.96Mn0.04O0.96 thin film were heat-treated at 300 ° C. for 5 minutes (ZMO: A) for comparison. Also included. Their charge mobility was observed to be relatively low.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 상온 강자성 반도체 소자 제조 방법은 기록매체에 저장된 후 소정의 장치, 예를 들면, 스퍼터링 증착 장치와 결합하여 수행될 수 있다. 여기서, 기록매체는 하드 디스크, 비디오 테이프, CD, VCD, DVD와 같은 자기 또는 광 기록매체일 수 있다.The method for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to the embodiment of the present invention described above may be performed after being stored in a recording medium and combined with a predetermined apparatus, for example, a sputtering deposition apparatus. Here, the recording medium may be a magnetic or optical recording medium such as a hard disk, video tape, CD, VCD, DVD.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below It will be appreciated that modifications and variations can be made.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상온 강자성 반도체 소자를 제조하는 장치의 구성도. 1 is a block diagram of an apparatus for manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상온 강자성 반도체 소자를 제조하는 방법을 도시한 순서도. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a room temperature ferromagnetic semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 박막의 열처리 온도와 시간에 따라 형성된 자화에 대한 반응 그래프. 3 is a reaction graph for magnetization formed with heat treatment temperature and time of a semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 주입된 수소 이온양과 열처리 조건이 서로 다른 반도체 박막들의 자기이력곡선을 비교한 도면. 4 is a view comparing magnetic hysteresis curves of semiconductor thin films having different amounts of hydrogen ions and heat treatment conditions according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주입된 수소 이온양과 열처리 조건이 서로 다른 반도체 박막들의 전하농도와 전하이동도를 비교한 도면. 5 is a view comparing charge concentration and charge mobility of semiconductor thin films having different implanted hydrogen ions and heat treatment conditions according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110 : 기판 120 : 밸브110: substrate 120: valve
130, 160, 180 : 진공 펌프 140 : 제1 타겟 물질130, 160, 180: vacuum pump 140: the first target material
150 : 제2 타겟 물질 165 : 반도체 박막150: second target material 165: semiconductor thin film
170 : 열처리 챔버 175 : 플레이트170: heat treatment chamber 175: plate
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