KR100971587B1 - 정렬된 나노와이어의 제조방법 및 나노와이어 응용소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수율이 높은 웨이퍼 단위의 정렬된 나노와이어를 제조 할 수 있고, 나노와이어의 크기를 나노미터 수준에서 조절할 수 있어 나노와이어 소자의 고집적화 및 대량생산화 할 수 있는 나노와이어 및 그 응용 소자들의 제조방법에 관한 것이다. 상세하게는 기판 상에 절연층을 증착하는 단계, 상기 절연층상에 식각 방지층을 증착하는 단계, 상기 식각 방지층 상에 희생층을 증착하는 단계, 상기 희생층을 일정폭 식각하여 나노와이어의 형성을 위한 패턴들을 만드는 단계, 상기 희생층 상에 원자층 증착법 (Atomic layer deposition) 을 이용하여 반도체 박막 또는 금속 박막을 증착하는 단계, 상기 박막을 선택적으로 제거하는 단계 및 잔존하는 상기 희생층을 제거하여 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노와이어 및 그 응용 소자 제조방법에 관한 것이다.

나노와이어, 대량생산, 나노와이어 소자, 나노와이어 센서

Description

정렬된 나노와이어의 제조방법 및 나노와이어 응용소자{MANUFACTURING METHOD OF ALIGNED NANOWIRE AND ELEMENT APPLICATION}

본 발명은 고수율로 웨이퍼 단위의 나노와이어를 제조할 수 있고, 나노와이어 소자의 고집적화 및 대량생산화할 수 있는 나노와이어의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 나노와이어의 제조방법으로는 기상법, 액상법, 전자빔 리소그래피(electron-beam lithography) 및 집속 이온빔 리소그래피(focused-ion-beam lithography) 등이 있다.

기상법은 재료를 증발시켜 증발된 원자들이 응축하면서 주변의 기체에 따라 금속, 세라믹, 질화물, 탄화물 등과 같은 다양한 형태의 나노와이어를 합성 하는 방법이지만 재료를 증발시키는데 높은 에너지가 필요하기 때문에 제조비용이 많이 들고, 나노와이어의 크기 및 특성을 제어하기가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 기상법으로 제조된 나노와이어를 이용한 응용 소자들의 대량생산 방법들이 아직까지 개 발되고 있지 않다.

액상법은 화학반응을 이용하여 핵을 생성시킨 후 원하는 크기까지 성장시켜 나노와이어를 제조하는 방법으로 기상법보다 적은 에너지 투입으로 합성이 가능하지만, 기상법과 마찬가지로 나노와이어의 크기 및 특성을 제어하기가 어렵고, 그 응용소자들의 대량생산 방법들이 아직까지 개발되어 있지 않다.

전자빔 리소그래피 및 집속 이온빔 리소그래피 방법은 기판에 직접 패터닝하여 나노와이어를 제조하는 방법이지만 생산 수율이 낮고, 매우 높게 가속된 빔 (30 kV 이상)에 의해 나노와이어가 손상될 우려가 있는 단점이 있다.

이와 같은 종래의 나노와이어 제조방법의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 고수율로 정렬된 고품질의 웨이퍼 단위의 나노미터 수준의 나노와이어 및 나노와이어 응용소자를 제조할 수 있는 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상에 절연층을 증착하는 단계와;

상기 절연층 상에 식각 방지층을 증착하는 단계와;

상기 식각 방지층 상에 희생층을 증착하는 단계와;

상기 희생층을 부분 식각하여 정렬된 나노와이어의 형성을 위한 패턴을 만드는 단계와;

원자층 증착법을 이용하여 상기 희생층의 부분 식각에 의해 노출된 식각 방지층 및 상기 희생층 상에 수평층 및 수직층이 균일한 두께를 갖도록 반도체 박막 또는 금속 박막을 증착하는 단계와;

상기 반도체 박막 또는 금속 박막의 수평층을 제거하는 단계와;

잔존하는 상기 희생층을 제거하여 반도체 나노와이어를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노와이어의 제조방법을 제공한다.

특히, 상기 식각방지층은 비정질 카본 또는 Si₃N₄로 이루어지는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 정렬된 나노와이어를 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 나노와이어 응용소자를 제공한다.

이하 본 발명의 정렬된 나노와이어의 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 나노와이어 제조방법의 일예를 나타내는 도면이다.

본 발명의 나노와이어 제조방법은 기판(1) 상에 절연층(2)을 증착하는 단계 (도 1a), 상기 절연층(2) 상에 식각 방지층(3)을 증착하는 단계(도 1b), 상기 식각 방지층(3) 상에 희생층(4)을 증착하는 단계(도 1c), 상기 희생층(4)을 부분 식각하여 나노와이어 형성을 위한 패턴들을 만드는 단계(도 1d), 부분 식각에 의해 노출된 상기 식각 방지층 및 상기 희생층 상에 원자층 증착법을 이용하여 균일한 두께의 수평층 및 수직층을 갖도록 반도체 박막 또는 금속 박막(5)을 증착하는 단계(도 1e), 상기 박막(5)의 수평층을 제거하는 단계(도 1f) 및 잔존하는 상기 희생층(4)을 제거하여 나노와이어(6)를 형성하는 단계(도 1g)를 포함하여 이루어진다.

구체적으로 상기 절연층 증착단계(도 1a)는 기판(1) 상에 절연층(2)을 증착하는 단계로서, 상기 기판은 Si, 사파이어, 유리, 고분자 박막 등으로 이루어지고, 상기 절연층은 SiO₂, Si₃N₄ 등 절연 물질이 사용될 수 있다.

그리고 상기 식각 방지층 증착단계(도 1b)는 최종 나노와이어 제작단계에서 중요한 역할을 하는 상기 절연층(2) 상에 식각 방지층(3)을 증착하는 단계로서, 이러한 식각방지층(3)은 다음 단계에서 증착될 희생층과 식각 선택성이 있는 비정질 카본 또는 Si₃N₄ 등이 사용될 수 있다.

상기 희생층 증착단계(도 1c)는 나노와이어를 용이하게 형성하기 위하여 상기 식각 방지층(3) 상에 희생층(4)을 증착하는 단계로서, SiO₂ 또는 Si₃N₄로 이루어질 수 있으며, 두께는 만들고자하는 나노와이어의 두께에 따라 결정된다.

그리고 상기 패턴 형성단계(도 1d)는 반도체 공정의 노광공정을 이용하여 일정 패턴을 형성한 후 플라즈마를 이용한 이방성 식각법을 사용하여 상기 희생층을 일정 깊이로 식각하여 패턴을 형성하는 단계로서, 이때 상기 패턴들의 폭과 개수는 제조하고자 하는 나노와이어의 간격 및 개수에 따라 결정된다. 그리고 식각 깊이는 형성하고자 하는 나노와이어의 두께를 결정한다.

상기 박막 형성단계(도 1e)는 원자층 증착법에 의해 부분 식각에 의해 노출된 상기 식각 방지층 및 상기 희생층 상에 균일한 두께의 수평층 및 수직층을 갖도록 반도체 박막 또는 금속 박막(5)을 형성하는 단계로서, 상기 반도체 박막 또는 금속 박막은 원자층 증착법으로 증착될 수 있는 모든 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, 반도체 박막으로서 ZnO, GaN, SiC, SnO₂, GaP, InP, Si 등을 사용할 수 있고, 금속 박막으로서 Ni, Pt, Pd, Au, Ag 등을 사용할 수 있다.

원자층 증착법에 의해 증착되는 상기 박막의 두께는 제조하고자 하는 나노와이어의 두께에 따라 결정되고, 이에 따라 나노와이어의 두께를 나노미터 수준에서 용이하게 조절할 수 있다.

그리고 상기 수평층 제거단계는 원자층 증착법에 의해 증착된 박막 중 수평층 부분을 제거하는 단계(도 1f)이다. 상기 박막(5)의 수평층은 플라즈마를 이용한 이방성 식각 방법에 의하여 선택적으로 제거할 수 있다.

상기 잔존 희생층 제거단계는 상기 식각방지층 상에 잔존하는 상기 희생층 부분을 제거하여 나노와이어(6)를 형성하는 단계이다(도 1g). 상기 잔존하는 희생층 부분은 플라즈마를 이용한 건식식각 및 식각용액을 이용한 습식식각 방법에 의해 제거할 수 있다.

도 2는 상기 나노와이어 제조방법에 의해 정렬된 나노와이어에 전극(7)을 형성하여 제조한 나노와이어 소자를 나타낸다.

그리고 이와 같이 제조된 나노와이어 소자는 전자, 광, 압전 및 센서 소자 등의 나노와이어 응용소자 들에 널리 사용될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 정렬된 나노와이어 제조방법은 종래의 방법과 달리 고수율로 웨이퍼 단위의 나노와이어 제조가 가능하고, 또한 나노와이어의 크기를 나노미터 수준에서 간편하게 조절할 수 있어 그 응용 소자들의 고집적화 및 대량생산화가 가능한 효과가 있다.

이하 본 발명의 정렬된 나노와이어 제조방법을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 1] 나노와이어의 제조

Si 기판상에 저압 화학 기상 증착법을 이용하여 SiO₂를 400㎚ 증착하여 절연층을 형성하고, 플라즈마 화학 기상 증착법을 이용하여 식각 방지층인 비정질 카본을 10㎚, 희생층인 SiO₂를 100㎚를 각각 증착하여 형성하였다. 그리고 CF₄ 플라즈마로 상기 희생층을 부분 식각하고, 부분 식각된 상기 희생층 상에 원자층 증착법을 이용하여 ZnO를 70㎚ 증착하여 반도체 박막을 형성하였으며, 희생층 상에 ZnO 박막을 증착한 전자현미경 사진은 도 3과 같다.

도 3과 같이 ZnO 박막이 SiO₂ 희생층 상에 균일하게 증착되어진 것을 확인할 수 있었다.

Cl₂ 플라즈마를 이용하여 ZnO 반도체 박막 중 수평층 박막을 선택적으로 제거한 후 CF₄ 플라즈마를 이용하여 잔존하는 상기 희생층을 제거하여 50~70㎚의 나노와이어를 제조하였고, 제조된 ZnO 나노와이어의 전자현미경 사진은 도 4 및 도 5와 같으며, 도 4 및 도 5에서 ZnO 나노와이어가 전체적으로 어떠한 손상이나 오염이 없이 잘 제조된 것을 확인할 수 있었다.

[ 실시예 2] 나노와이어 소자의 제조

ZnO 나노와이어의 유효성을 검증하기 위하여 실시예 1의 ZnO 나노와이어에 반도체 lift-off 공정을 이용하여 40 nm 의 Ti 와 60 nm의 Au 전극을 형성하여 나 노와이어 소자를 제조하였고, 제조된 나노와이어 소자의 전자현미경 사진은 도 6과 같다.

[ 나노와이어 소자의 전자소자로의 응용을 위한 전기적 특성의 측정]

상기 실시예 2에 의해 제조된 나노와이어 소자의 전자소자로의 응용을 위한 전기적 특성을 측정하였으며, 그 결과는 도 7a 및 도 7b 와 같다.

도 7a 는 도 2 의 기판(1)을 백게이트로 이용한 나노와이어 소자의 전류-전압특성 결과이다. 백게이트 전압을 -20 V에서 20 V까지 변화시키면서 전류-전압특성을 측정한 결과, 백게이트 전압이 증가할수록 전류의 크기가 증가하였다.

도 7b 는 -15 V에서 15V까지의 백게이트 전압 범위에서 측정한 전류의 값을 나타낸 것이다. 상기 나노와이어 소자의 서브스레드 (subthreshold) 기울기는 약 700 mV / decade, 전류 on-off 비는 약 10⁵, 그리고 운반자의 이동도는 약 80 cm² / Vs 를 나타내었다.

따라서 상기 제조된 나노와이어 소자는 기상법에 의해 제조된 나노와이어를 이용한 소자와 비슷한 성능을 나타냄에 따라 전자소자로서 널리 활용할 수 있다.

[ 나노와이어 소자의 기체 센서로의 응용을 위한 수소 및 일산화탄소 농도에 따른 응답특성의 시험]

상기 실시예 2에 의해 제조된 나노와이어 소자를 이용하여 수소 및 일산화탄 소 농도에 따른 응답특성을 시험하였으며, 그 결과는 도 8a 및 도 8b 와 같다.

도 8a 및 도 8b 는 500~5000 ppm 용량의 수소 및 일산화탄소를 상기 제조된 나노와이어 소자 와 100 nm ZnO 박막을 사용하여 제조한 센서의 표면에 흐르게 하고, 수소 및 일산화탄소에 대한 응답특성을 지속적으로 측정한 결과로서 상기 나노와이어 소자는 100 nm ZnO 박막을 사용하여 제조한 센서 보다 최소 5배 이상의 수소 및 일산화탄소 농도에 반응함을 확인할 수 있었다.

따라서 상기 제조된 나노와이어 소자는 기체 센서로서 활용 가능하다.

도 1a 내지 도 1g 는 본 발명의 나노와이어 제조방법의 일예를 나타내는 도면이고,

도 2는 본 발명에 따라 제조된 나노와이어를 이용한 나노와이어 소자의 구조를 나타내는 도면이다.

도 3은 희생층 상에 원자층 증착법을 이용하여 ZnO 박막을 증착한 전자현미경 사진이고,

도 4 및 도 5는 ZnO 나노와이어의 전자현미경 사진이며,

도 6은 나노와이어 소자의 전자현미경 사진이다.

도 7a 및 7b는 나노와이어 소자의 측정된 전기적 특성을 나타내는 도면이며,

도 8a 및 도 8 b는 나노와이어 소자를 이용하여 수소 및 일산화탄소 농도에 따른 응답특성결과를 나타내는 도면이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 기판,

2 : 절연층,

3 : 식각 방지층,

4 : 희생층,

5 : 박막,

6 : 나노와이어,

7 : 전극

Claims (3)

1. 기판 상에 절연층을 증착하는 단계와;

   상기 절연층 상에 식각 방지층을 증착하는 단계와;

   상기 식각 방지층 상에 희생층을 증착하는 단계와;

   상기 희생층을 부분 식각하여 나노와이어의 형성을 위한 패턴을 만드는 단계와;

   원자층 증착법을 이용하여 상기 희생층의 부분 식각에 의해 노출된 식각 방지층 및 상기 희생층 상에 수평층 및 수직층이 균일한 두께를 갖도록 반도체 박막 또는 금속 박막을 증착하는 단계와;

   상기 반도체 박막 또는 금속 박막의 수평층을 제거하는 단계와;

   잔존하는 상기 희생층을 제거하여 반도체 나노와이어를 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노와이어의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 식각방지층은 비정질 카본 또는 Si₃N₄로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정렬된 나노와이어의 제조방법.
3. 삭제

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