KR102035505B1 - Manufacturing method of single silicon nanowire device based-on standard photolithography - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 마이크로 소자에 비하여 뛰어난 물리적, 화학적 특성을 나타냄에 따라 단전자소자, 양자소자, 나노전자소자, 나노광전소자, 나노바이오센서 및 화학센서 등에 응용되는 단 채널 나노선 소자를 제작할 수 있는 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선의 소자의 제작 방법에 관한 것,이다.The present invention relates to a method for fabricating a single silicon nanowire device, and more particularly, exhibits superior physical and chemical properties as compared to conventional microdevices, such as single electronic devices, quantum devices, nanoelectronic devices, nanophotoelectric devices, and nanobiotechnology. The present invention relates to a method for fabricating a single silicon nanowire device based on a standard exposure process for manufacturing a short channel nanowire device applied to a sensor and a chemical sensor.
최근 1차원 구조의 실리콘 나노선이 가지는 우수한 전기적, 광학적, 물리적 특성 때문에 이를 레이저나 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 나아가, 고품질의 저차원 구조의 극미세 실리콘 나노선을 대량 및 대면적으로 제작하기 위한 많은 방법들이 연구되고 있다.Recently, due to the excellent electrical, optical, and physical properties of silicon nanowires having a one-dimensional structure, studies have been actively conducted to apply them to various fields such as lasers, transistors, memories, and chemical sensing sensors. Furthermore, many methods have been studied for fabricating high quality, low dimensional structured ultrafine silicon nanowires in large quantities and in large areas.
일반적으로 실리콘 나노선 제작 공정은 크게 바텀업(Bottom-up) 공정과 탑다운(Top-down) 공정으로 나누어질 수 있다.In general, the silicon nanowire fabrication process can be roughly divided into a bottom-up process and a top-down process.
상기 바텀업(Bottom-up) 공정에는 금 입자를 촉매로 이용한 VLS(Vapor-liquid-solid)법, 나노 구멍에서 촉매 조력 자기조립 화학 합성법 등을 이용하여 실리콘 나노선을 성장시키는 방법 등이 있다. 이러한 바텀업(Bottom-up) 공정은 지름이 수십 나노 이하의 단결정 나노선을 매우 높은 품질 수준으로 대량으로 생산할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 나노선을 이용하여 하나의 기능을 가진 소자를 제작하는 후속 공정이 매우 복잡하고 어려운 단점이 있다.The bottom-up process includes a method of growing silicon nanowires by using a vapor-liquid-solid (VLS) method using gold particles as a catalyst, a catalyst assisted self-assembly chemical synthesis method in nanopores, and the like. This bottom-up process has the advantage of producing large quantities of single crystal nanowires with diameters of several tens of nanometers or less at a very high quality level, but subsequent fabrication of a device having one function using nanowires is possible. The process is very complicated and difficult.
대표적인 예로, 전계효과트랜지스터와 같은 소자를 제작하기 위해서는 성장된 한 가닥의 실리콘 나노선을 특정한 위치인 소스와 드레인 전극 사이에 위치시켜야 한다. 이를 위해서는 나노선과 전극 패턴과의 고도의 정렬 공정이 필요하다.As a representative example, in order to fabricate a device such as a field effect transistor, a grown silicon nanowire must be placed between a specific position, a source and a drain electrode. This requires a highly aligned process between the nanowires and the electrode pattern.
게다가, 나노선과 전극 사이에 신뢰성 있는 전기적 접촉을 형성하는데도 극복해야할 난제가 많이 있다. 즉, 고품질의 수십 나노급 이하의 나노선을 대량을 제작 가능하더라도 기능적 반도체 소자를 웨이퍼 수준으로 대량 제작하는 데는 한계가 있다.In addition, there are many challenges to overcome to establish reliable electrical contact between the nanowires and the electrodes. In other words, even if it is possible to manufacture a large amount of high-quality nanowires of several tens of nanoscale or less, there is a limit to the mass production of functional semiconductor devices at the wafer level.
한편, 상기 탑다운(Top-down) 공정에는 전자빔 노광(electron beam lithography), 주사 탐침 노광(scanning prove lithography), 집속 이온 빔 노광(focused ion-beam lithography), 나노 임프린팅(nano imprinting) 등이 있다. 이 중 전자빔 노광 및 집속 이온 빔 노광은 실리콘 나노선 제작에 사용되는 대표적인 기술들 중 하나이다.Meanwhile, the top-down process includes electron beam lithography, scanning prove lithography, focused ion-beam lithography, nano imprinting, and the like. have. Among these, electron beam exposure and focused ion beam exposure are one of the representative techniques used for fabricating silicon nanowires.
그러나, 상기 탑다운(Top-dwon) 공정에 의해 제작된 나노선은 바텀업(Bottom-up) 공정에 의해 제작된 나노선에 비해 품질이 떨어지고 나노선의 너비 또한 그 수준에 이르지 못하고 있다. 특히, 다이렉트 라이팅(Direct Writing) 방식의 전자빔 노광과 집속 이온 빔 노광은 대면적으로 패턴을 그리기 위해서 많은 공정시간이 요구되기 때문에 웨이퍼 수준의 대량생산에는 적합하지 않다.However, the nanowires produced by the top-down process are inferior in quality to the nanowires produced by the bottom-up process and the width of the nanowires does not reach the level. In particular, the direct writing electron beam exposure and the focused ion beam exposure are not suitable for mass production at the wafer level because a large process time is required to draw a large area of the pattern.
한편, 상기 탑다운(Top-down) 공정 중의 하나인 표준 노광 공정 기술은 수백 나노에서 마이크로 크기의 패턴을 기판에 한 번에 전사하는 것이 가능하기 때문에 반도체 소자를 웨이퍼 수준으로 대량생산하는 데 적합하여 현재 반도체 공정에 널리 이용되고 있다. 때문에 기존 표준 포토리소그래피 공정을 이용하여 실리콘 나노선을 제작하는 방법들이 많이 연구되고 있는 상황이다.Meanwhile, the standard exposure process technology, which is one of the top-down processes, can transfer hundreds of nanoscale micro-patterns onto the substrate at one time, which is suitable for mass production of semiconductor devices at the wafer level. It is currently widely used in semiconductor processes. Therefore, many methods for fabricating silicon nanowires using existing standard photolithography processes are being studied.
표준 노광공정을 이용한 실리콘 나노선 제작 공정 중 미국공개특허공보 제2012-0202325호에서는 두 단계의 마이크로 리소그래피와 마이크로 제조공정을 이용하여 10-20nm 급의 고품질 단결정 실리콘 나노선을 웨이퍼 수준으로 대량 제작하는 방법을 제시하고 있다. In US Patent Publication No. 2012-0202325, a high-quality single-crystal silicon nanowire of 10-20 nm level is manufactured using two-step microlithography and micro fabrication process. Here's how.
그러나, 본 방법을 이용할 경우 하나의 소자패턴에 최소 두 가닥의 실리콘 나노선이 형성 되게 된다. 따라서, 본 방식을 이용하여 전계효과 트랜지스터 소자를 제작할 경우 단 채널 소자가 아닌 쌍 채널 소자가 만들어지게 되는 단점을 가지고 있다. However, when using this method, at least two strands of silicon nanowires are formed in one device pattern. Therefore, when the field effect transistor device is manufactured using the present method, a pair channel device is formed instead of a single channel device.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 종래의 표준 노광공정에서 단지 포스마스크 디자인만을 변경함으로써 쌍 채널 소자가 아닌 단 채널 소자를 제작할 수 있으며, 이를 통해 쌍 채널 실리콘 나노선을 단 채널로 만들기 위한 추가적인 노광 공정 없이 기존과 동일한 공정으로 단 채널 나노선 소자를 제작할 수 있는 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선의 소자의 제작 방법에 관한 것이다.Therefore, the technical problem of the present invention was conceived in this respect, and the object of the present invention is to manufacture a single channel device instead of a pair channel device by changing only a force mask design in a conventional standard exposure process, and through this, the pair channel silicon The present invention relates to a method of fabricating a single silicon nanowire device based on a standard exposure process, which can manufacture a single channel nanowire device using the same process as before, without an additional exposure process for making the nanowire into a single channel.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법에서, 기판 상에 절연층을 적층하고 상기 절연층 상에 소자층을 적층한다. 상기 소자층이 상에는 식각마스크층을 적층한다. 상기 식각마스크층 상에 상기 [110] 방향에 정렬된 영역 및 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 식각마스크층을 상기 포토레지스트 패턴과 대응되는 형상의 패턴층으로 형성하여 상기 소자층의 일부를 노출시킨 후 상기 포토레지스트 패턴을 제거한다. 상기 소자층의 노출된 부분을 제거하여 양 측면에 각각 제1 빗면 및 제2 빗면이 형성된 구조체를 형성한다. 상기 구조체의 상기 제1 및 제2 빗면들 각각의 표면에 산화막을 형성한다. 상기 패턴층을 제거한 후 상기 구조체의 일부를 제거하여 단일 실리콘 나노선을 형성한다.In the method of manufacturing a single silicon nanowire device based on a standard exposure process according to an embodiment for realizing the object of the present invention described above, an insulating layer is laminated on a substrate and a device layer is laminated on the insulating layer. An etching mask layer is stacked on the device layer. A photoresist pattern including a region aligned in the [110] direction and a region not aligned in the [110] direction is formed on the etching mask layer. The etch mask layer is formed as a pattern layer having a shape corresponding to the photoresist pattern by using the photoresist pattern to expose a portion of the device layer and then remove the photoresist pattern. The exposed portions of the device layer are removed to form structures having first and second inclined surfaces on both sides thereof, respectively. An oxide film is formed on a surface of each of the first and second oblique surfaces of the structure. After removing the pattern layer, a portion of the structure is removed to form a single silicon nanowire.
일 실시예에서, 상기 포토레지스트 패턴은 소정 폭을 가지도록 상기 [110] 방향을 따라 연장되며, 길이방향으로 이격간격을 두고 상호 대향되게 배치되는 A 및 B 영역들 및 상기 A 및 B 영역들 사이에서 상기 A 및 B 영역들보다 작은 폭을 가지며, 상기 [110] 방향에 정렬된 영역 및 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역을 포함하는 C 영역을 포함할 수 있다.In one embodiment, the photoresist pattern extends along the [110] direction to have a predetermined width, and is disposed between the A and B regions and the A and B regions that are disposed to face each other with a longitudinal gap therebetween. May include a C region having a width smaller than those of the A and B regions, and including a region aligned in the [110] direction and an unaligned region in the [110] direction.
일 실시예에서, 상기 C 영역에서 상기 [110] 방향에 정렬된 영역의 제1 모서리 부분은 상기 [110] 방향으로 연장되고, 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역의 제2 모서리 부분은 상기 [110] 방향이 아닌 방향으로 연장될 수 있다.In one embodiment, the first corner portion of the region aligned in the [110] direction in the region C extends in the [110] direction, and the second corner portion of the region unaligned in the [110] direction is the It may extend in a direction other than the [110] direction.
일 실시예에서, 상기 제2 모서리 부분은 상기 [110] 방향에 사선인 방향으로 연장되거나, 상기 [110] 방향을 따라 지그재그 방향으로 연장되거나, 중앙부가 상기 [110] 방향에 수직인 제1 방향을 따라 볼록하도록 연장되거나, 제1 측의 중앙부가 상기 제1 방향을 따라 볼록하도록 연장되며 제2 측의 중앙부가 상기 제1 방향을 따라 오목하도록 연장될 수 있다.In one embodiment, the second corner portion extends in a direction oblique to the [110] direction, extends in a zigzag direction along the [110] direction, or a first direction in which a central portion is perpendicular to the [110] direction. Along the convex portion, or the central portion of the first side may be convex along the first direction, and the central portion of the second side may be concave along the first direction.
일 실시예에서, 상기 소자층의 노출된 부분을 제거하는 단계에서, 비등방성 식각 용액을 이용하여 상기 소자층의 노출된 부분을 제거할 수 있다.In an embodiment, in the removing of the exposed portion of the device layer, an anisotropic etching solution may be used to remove the exposed part of the device layer.
일 실시예에서, 상기 구조체를 형성하는 단계에서, 상기 구조체의 단면 및, 상기 제1 및 제2 빗면들은 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.In an embodiment, in the forming of the structure, the cross section of the structure and the first and second inclined surfaces may be formed in a trapezoidal shape.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 빗면들은 (111)면일 수 있다.In one embodiment, the first and second slopes may be (111) planes.
일 실시예에서, 상기 구조체의 일부를 제거하는 단계에서, 상기 제2 빗면을 포함하는 영역은 제거되고 상기 제1 빗면을 포함하는 영역만 잔존할 수 있다.In an embodiment, in the removing of a part of the structure, the region including the second slope may be removed and only the region including the first slope may remain.
일 실시예에서, 비등방성 식각 용액을 이용하여 상기 구조체의 일부를 제거할 수 있다.In one embodiment, an anisotropic etching solution may be used to remove a portion of the structure.
일 실시예에서, 상기 단일 실리콘 나노선을 형성하는 단계에서, 상기 제1 빗면을 포함하는 영역이 상기 단일 실리콘 나노선으로 형성될 수 있다.In an embodiment, in the forming of the single silicon nanowire, a region including the first slope may be formed of the single silicon nanowire.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 쌍 채널 나노선 소자에 비하여 우수한 성능을 가진 나노 소자를 제작하는데 활용 가능성이 큰 단 채널 나노선 소자를 제작할 수 있다.According to the embodiments of the present invention as described above, it is possible to manufacture a short-channel nanowire device having a high potential for use in manufacturing a nanodevice having a superior performance as compared to a pair channel nanowire device.
특히, 상기 단 채널 나노선 소자는 단전자소자, 양자소자, 나노메모리와 같은 나노전자소자, 나노 LED, 나노레이저와 같은 나노광전소자, 초민감도를 가진 나노바이오센서 및 화학센서 개발에 활용 가능성이 크다.In particular, the short channel nanowire device may be utilized in the development of single electronic devices, quantum devices, nanoelectronic devices such as nano memories, nano LEDs, nano photoelectric devices such as nano lasers, nano biosensors having high sensitivity, and chemical sensors. Big.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2h는 도 1의 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법을 도시한 공정도들이다.
도 3a는 도 2a의 포토리소그래피를 이용하여 형성한 포토레지스트 패턴을 도시한 평면도이다.
도 3b 내지 도 3d는 도 3a의 포토레지스터 패턴의 다른 예들을 도시한 평면도들이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1의 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법에 의해 제작된 단 채널 나노선 소자를 도시한 이미지들이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a single silicon nanowire device based on a standard exposure process according to an embodiment of the present invention.
2A to 2H are flowcharts illustrating a method of fabricating a single silicon nanowire device based on the standard exposure process of FIG. 1.
FIG. 3A is a plan view illustrating a photoresist pattern formed using the photolithography of FIG. 2A.
3B to 3D are plan views illustrating other examples of the photoresist pattern of FIG. 3A.
4A to 4D are images illustrating short channel nanowire devices fabricated by the method of fabricating a single silicon nanowire device based on the standard exposure process of FIG. 1.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. As the inventive concept allows for various changes and numerous modifications, the embodiments will be described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for similar elements. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. 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.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In this application, the terms "comprise" or "consist of" 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, parts, or combinations 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.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법을 도시한 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2h는 도 1의 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법을 도시한 공정도들이다. 도 3a는 도 2a의 포토리소그래피를 이용하여 형성한 포토레지스트 패턴을 도시한 평면도이다. 도 3b 내지 도 3d는 도 3a의 포토레지스터 패턴의 다른 예들을 도시한 평면도들이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a single silicon nanowire device based on a standard exposure process according to an embodiment of the present invention. 2A to 2H are flowcharts illustrating a method of fabricating a single silicon nanowire device based on the standard exposure process of FIG. 1. FIG. 3A is a plan view illustrating a photoresist pattern formed using the photolithography of FIG. 2A. 3B to 3D are plan views illustrating other examples of the photoresist pattern of FIG. 3A.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 실시예에 의한 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선의 제작 방법에서는 먼저 도시된 바와 같이 제1 기판(100) 상에 절연층(200), 소자층(300)을 차례로 적층하고(단계 S100), 상기 소자층(300) 상에 식각마스크층(400)을 적층한다(단계 S200).1 and 2A, in the method for fabricating a single silicon nanowire based on a standard exposure process according to the present embodiment, as shown in the drawing, an insulating
이 경우, 상기 제1 기판(100)은 실리콘(Si)이 적층 재료로 사용될 수 있고, 상기 절연층(200)은 실리콘 옥사이드(SiO)이 적층 재료로 사용될 수 있으며, 상기 소자층(300)은 단결정 실리콘(Si)이 적층 재료로 사용될 수 있다. In this case, the
다만, 앞서 상기 제1 기판(100) 상에 상기 절연층(200) 및 상기 소자층(300)을 차례로 적층하는 것을 설명하였으나, 상기 1 기판(100), 상기 절연층(200) 및 상기 소자층(300)을 포함하는 기판인 SOI(Si-On-Insulator) 웨이퍼(wafer)를 사용할 수 있으며, 이 경우에는 상기 SOI 웨이퍼 상에 상기 식각마스크층(400)을 적층한다.However, the stacking of the insulating
상기 소자층(300)은 후술하는 공정을 통해 최종적으로 단 채널 나노선으로 형성되는 것으로서, n형 도펀트(dopant) 또는 p형 도펀트로 도핑된 단 채널 나노선으로 형성될 수 있다.The
상기 식각마스크층(400)은 산화물 또는 질화물 계열의 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 옥사이드(SiO) 또는 실리콘 나이트라이드(SiN)를 포함할 수 있다. 이외에도 상기 식각마스크층(400)은 알루미나(Al2O3)및 하프늄 다이옥사이드(HfO2)와 같은 메탈 옥사이드, SAM(Self-Assembled Monolayer)과 같은 유기층 또는 포토레지스트 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 산화막 공정 후 빗면에 형성된 산화층과 절연층(200)과의 식각 선택비를 고려하면 실리콘 나이트라이드(SiN)가 공정 호환성이 높은 편이다.The
상기 식각마스크층(400)은 상기 소자층(300) 상에 저압화학기상증착법(LCPVD), 플라즈마화학증착법(PECVD) 등의 증착 공정을 통해 증착될 수 있다.The
다음으로, 상기 식각마스크층(400) 상에 포토마스크(미도시)를 배열하여 포토레지스트 패턴(500)을 형성한다(단계 S200). 이 경우 상기 포토마스크는 상기 포토레지스트 패턴(500)이 전체적으로 상기 [110] 방향을 따라 정렬될 수 있도록 배열된다.Next, a photomask (not shown) is arranged on the
일반적으로, 기판 상에 형성되는 패턴 또는 노치(notch)는 [110] 방향에 위치되고 있다. 이는 기판의 슬라이스 방향과 표면의 결정 방위와의 관계에 따라 물성상 기계적 강도가 상대적으로 강한 부분과 약한 부분이 존재하며, 가장 기계적 강도가 우수한 방향을 기준으로 하였기 때문이다. 예를 들면, 결정면으로 자르는 경우, 표면의 [110] 방향에 해당하는 부분에서 가장 우수 기계적 강도를 가지고, [001] 방향 또는 [010] 방향에 해당하는 부분에서 기계적 강도가 가장 약한 것으로 알려져 있다.Generally, the pattern or notch formed on the substrate is located in the [110] direction. This is because there are relatively strong and weak mechanical properties in terms of physical properties depending on the relationship between the slice direction of the substrate and the crystal orientation of the surface, and based on the direction with the highest mechanical strength. For example, when cutting into a crystal plane, it is known to have the best mechanical strength in the portion corresponding to the [110] direction of the surface, and the weakest in the portion corresponding to the [001] direction or the [010] direction.
도 1, 도 2b 및 도 3a를 참조하면, 상기와 같은 상기 포토레지스트 패턴(500)은 상기 포토마스크를 이용하는 표준 노광공정 즉, 포토리소그래피(photo lithography) 공정을 통해 형성된다.1, 2B and 3A, the
상기 포토레지스트 패턴(500)은 상기 포토마스크의 배열을 통한 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성되는 것이므로, 도시하지 않았으나 상기 포토마스크는 상기 포토레지스트 패턴(500)과 동일한 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.Since the
보다 구체적으로, 도 3a를 참조하면 상기 포토레지스트 패턴(500)은 도 3a에 도시된 바와 같이, A 영역(510), B 영역(520) 및 C 영역(530)을 포함한다. More specifically, referring to FIG. 3A, the
여기서, 상기 A 및 B 영역들(510, 520)은 길이방향으로 이격간격을 두고 상호 대향되게 배치되며 소정 폭을 갖도록 상기 [110] 방향을 따라 연장된다.Here, the A and
상기 C 영역(530)은 상기 A 및 B 영역들(510, 520) 사이에서 전체적으로 상기 [110] 방향으로 연장되고, 상기 A 및 B 영역들(510, 520)보다 작은 폭을 가진다.The
이 경우, 상기 C 영역(530)의 상기 A 및 B 영역들(510, 520) 사이에서 연장되며, 상기 [110] 방향에 정렬된 영역 및 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역을 포함한다. In this case, the region extends between the A and
상기 [110] 방향에 정렬된 영역의 제1 모서리 부분(531)은 상기 [110] 방향으로 연장되나, 상기 제1 모서리 부분(531)의 반대 측에 위치한 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역의 제2 모서리 부분(532)은 상기 [110] 방향으로 연장되지 않고 상기 [110] 방향에 사선인 방향으로 연장될 수 있다.The
즉, 상기 제2 모서리 부분(532)은 상기 A 영역(510)에서 상기 B 영역(520)을 따라 상기 [110] 방향으로 연장되는 제1 모서리 부분(531)에 가까워지는 방향으로 연장될 수 있으며, 이에 따라 상기 C 영역은 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.That is, the
한편 이와 달리, 상기 포토레지스트 패턴(500)의 상기 C 영역(530)은 도 3b 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 형상으로 형성될 수 있다.In contrast, the
즉, 이 경우 상기 C 영역(530)에서 상기 제2 모서리 부분(532)은 도3b에 도시된 바와 같이 상기 [110] 방향을 따라 지그재그 방향으로 연장될 수 있고, 도 3c에 도시된 바와 같이 중앙부가 상기 [110] 방향에 수직인 제1 방향(1)을 따라 볼록하도록 연장될 수 있으며, 도 3c에 도시된 바와 같이 제1 측(2)의 중앙부가 상기 제1 방향(1)을 따라 볼록하도록 연장되며 제2 측(3)의 중앙부가 상기 제1 방향을 따라 오목하도록 연장될 수 있다.That is, in this case, the
나아가, 상기 제2 모서리 부분(532)은 상기 [110] 방향으로만 연장되지 않는다면 어떠한 방향으로도 연장될 수 있음은 물론이다.Further, the
도 1 및 도 2b를 참조하면, 상기와 같은 상기 포토레지스트 패턴(500)을 이용하여 상기 식각마스크층(400)을 상기 포토레지스트 패턴(500)과 대응되는 형상의 패턴층(400)으로 형성한 후 상기 포토레지스트 패턴(500)을 제거한다(단계 S400).1 and 2B, the
즉, 상기 패턴층(401)은 상기 마스크(500)와 대응되는 형상을 가지며 상기 소자층(300) 상에 전사되는 것으로, 상기 포토레지스트 패턴(500)과 마찬가지로 A 영역(410), B 영역(420) 및 C 영역(430)을 포함하고, 상기 C 영역(430)은 상기 [110] 방향으로 정렬된 제1 모서리 부분(431) 및 상기 [110] 방향으로 비정렬된 제2 모서리 부분(432)을 포함한다. That is, the
상기 식각마스크층(400)이 이와 같은 형상을 갖는 상기 패턴층(401)으로 형성됨으로써 상기 식각마스크층(400)의 하부에 위치한 상기 소자층(300)의 일부가 노출된다. Since the
다음으로 도 1 및 도 2d를 참조하면, 상기 소자층(300)의 노출된 부분을 제거하여 양 측에 각각 제1 빗면(310) 및 제2 빗면(320)이 형성된 구조체(301)를 형성한다(단계 S500).Next, referring to FIGS. 1 and 2D, the exposed portion of the
(110)면은 [110] 결정 방향에 직교하는 면이고, (111)면은 [111] 결정 방향(도 2d 참조)에 직교하는 면으로 정의된다.The (110) plane is a plane orthogonal to the [110] crystal direction, and the (111) plane is defined as a plane orthogonal to the [111] crystal direction (see FIG. 2D).
여기서, 곽괄호 '[]'과 둥근 괄호 '()'의 사용은 각각 결정격자의 방향과 평면에 대응하며, 여기서 숫자 110 및 111과 함께 사용될 때, 해당 분야에서 알려진 표준 결정학적 명명법을 따름을 나타낸다.Here, the use of square brackets '[]' and round brackets '()' corresponds to the direction and plane of the crystal lattice, respectively, and when used with the
일반적으로, (110)면은 (111)면 보다 상대적으로 5 ~ 10 배 더 빠른 속도로 식각(etching)되므로 도시된 바와 같이 상기 소자층(300)의 노출된 부분은 제거되는 과정에서 사다리꼴로 형성될 수 있으며, 상기 사다리꼴의 양 측에는 각각 상기 제1 빗면(310) 및 상기 제2 빗면(320)이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 빗면들(310, 320)은 사다리꼴 형상으로 형성된 (111)면일 수 있다. In general, the (110) plane is etched at a speed of 5 to 10 times faster than the (111) plane, so that the exposed portion of the
한편, 상기 소자층(300)의 노출된 부분을 제거하는 경우, 비등방성 습식 식각(etching) 공정을 이용하며, 이 경우 식각 용액으로는 테트라메틸암모늄하이드록사이드(TMAH), 수산화칼륨(KOH) 수용액 등을 포함하는 용액이 사용될 수 있다. On the other hand, when removing the exposed portion of the
그러나, 반드시 이들로 한정하는 것은 아니며 상기 소자층(300)이 제거되는 중에 형성되는 상기 제1 및 제2 빗면들(310, 320)의 손상을 최소화할 수 있는 비등방성 식각 용액이면 충분하다.However, the present disclosure is not limited thereto, and an anisotropic etching solution may be sufficient to minimize damage to the first and second
상기와 같은 1차 비등방성 습식 공정을 통해 사다리꼴 모양의 단면들을 갖는 상기 구조체(301)가 형성된다. Through the first anisotropic wet process as described above, the
한편, 상기 구조체(301) 제작에 있어, 식각률(etching rate) 및 식각 속도(etching velocity)는 공정 온도, 공정 시간 등에 따라 다양하게 제어될 수 있으며 상기 구조체(301)의 너비와 높이를 조절할 수 있다.Meanwhile, in fabricating the
이 후, 도 1 및 도 2e를 참조하면, 상기 제1 및 제2 빗면들(310, 320)을 산화시킨다(단계 S600). 예를 들어, 섭씨 950도의 건조한 환경에서 15분 동안 상기 제1 및 제2 빗면들(310, 320)을 열적으로 산화시킬 수 있다.Thereafter, referring to FIGS. 1 and 2E, the first and second oblique surfaces 310 and 320 are oxidized (step S600). For example, the first and second
그리하여, 상기 제1 빗면(310)의 표면은 제1 산화막(311)으로 형성되고 상기 제2 빗면(320)의 표면은 산화되어 제2 산화막(321)으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 산화막들(311, 321)은 후술하는 2차 비등방성 습식 식각 시 식각마스크로 작용하여 상기 제1 및 제2 빗면들(310, 320)을 비등방석 식각 용액으로부터 보호할 수 있다.Thus, the surface of the
그 다음, 도 1, 도 2f 및 도 2g를 참조하면, 상기 구조체(301)의 상부에 위치한 상기 패턴층(401)을 제거한 후 상기 구조체(301)의 일부, 즉, 도 2b의 상기 C 영역(430)에 해당되는 부분의 일부를 제거한다(단계 S700).Next, referring to FIGS. 1, 2F and 2G, after removing the
이 경우, 2차 비등방성 습식 식각 공정 등을 이용하여 도시된 바와 같이 상기 구조체(301)의 상기 C 영역(430)에 해당되는 부분의 일부를 제거하면, 도 2g에 도시된 바와 같이 상기 제2 빗면(320)이 포함된 영역은 제거되고 상기 제1 빗면(310)이 포함된 영역만이 잔존하게 된다.In this case, when a portion of the portion corresponding to the C region 430 of the
앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 모서리 부분(531)은 상기 [110] 방향으로 연장되고, 상기 제2 모서리 부분(532)은 앞서 설명한 상기 [110] 방향에 사선인 방향과 같이 상기 [110] 방향이 아닌 방향으로 연장되므로 식각 속도가 매우 빠르게 진행되도록 식각용액에 노출되기 때문이다.As described above, the
이에 따라 상기 제2 모서리 부분(532)이 상기 제1 모서리 부분(531)에 비해 상대적으로 빠른 식각, 즉, 비등방성 식각이 진행됨에 따라 상기 [110] 방향에 정렬되지 않은 상기 제2 모서리 부분(532)은 나노선으로 제작되지 않고 자연스레 식각되어 사라지게 된다.Accordingly, as the
상기 구조체(301)의 일부를 식각하는 과정에서 상기 제1 빗면(310)이 포함된 영역만이 잔존하게 됨에 따라, 상기 제1 빗면(310)이 포함된 영역은 단 채널 나노선(700)으로 형성될 수 있다. As only a portion of the structure including the
그리하여 도 2h에 도시된 바와 같이 상기 A 및 B 영역들(410, 420) 사이에 상기 단 채널 나노선(700)이 위치하고, 이와 같은 상기 단 채널 나노선(700)이 형성된 단 채널 나노선 소자가 제작된다.Thus, as shown in FIG. 2H, the
한편, 도 4a 내지 도 4d는 도 1의 표준 노광공정 기반 단일 실리콘 나노선 소자의 제작 방법에 의해 제작된 단 채널 나노선 소자를 도시한 이미지들이다. 4A through 4D are images illustrating a short channel nanowire device manufactured by a method of fabricating a single silicon nanowire device based on the standard exposure process of FIG. 1.
도 4a는 상기 소자층의 제작된 나노구조체 패턴을 도시하며, 도 4b는 도 4a의 'A' 영역의 확대도이고, 도 4는 도 4b의 'B' 영역의 확대도이고, 도 4d는 도 4b의 'C'영역의 확대도이다.FIG. 4A illustrates the fabricated nanostructure pattern of the device layer, FIG. 4B is an enlarged view of region 'A' of FIG. 4A, FIG. 4 is an enlarged view of region 'B' of FIG. 4B, and FIG. 4D is a view of FIG. An enlarged view of region 'C' of 4b.
여기서, 도 4d를 참조하면, 상기 소자층의 상기 C 영역에서 양 모서리 부분 중 [110] 방향에 정렬된 모서리 부분(상기 제1 모서리 부분)에만 단일 가닥의 나노 와이어 패턴이 형성된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4D, it can be seen that a single strand of nanowire pattern is formed only at an edge portion (the first edge portion) aligned in the [110] direction of both edge portions in the region C of the device layer.
즉, [110] 방향에 비정렬된 모서리 부분(상기 제2 모서리 부분)의 나노 와이어 패턴은 식각되어 사라지는 것을 확인할 수 있으며, 단지 여러 단계의 공정(세정, 자연 산화막 식각 등)으로 인한 단차에 대한 음영 패턴만 존재하는 것을 확인할 수 있다.That is, it can be seen that the nanowire pattern of the corner portion (the second corner portion) unaligned in the [110] direction is etched away and is only used for the step due to the multi-step process (cleaning, natural oxide etching, etc.). You can see that only the shading pattern exists.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 쌍 채널 나노선 소자에 비하여 더욱 더 좋은 성능을 가진 나노 소자를 제작하는데 활용 가능성이 큰 단 채널 나노선을 제작할 수 있다.According to the embodiments of the present invention as described above, it is possible to manufacture short channel nanowires that are highly applicable to fabricate nanodevices having even better performance than pair channel nanowire devices.
특히, 상기 단 채널 나노선 소자는 단전자소자, 양자소자, 나노메모리와 같은 나노전자소자, 나노 LED, 나노레이저와 같은 나노광전소자, 초민감도를 가진 나노바이오센서 및 화학센서 개발에 활용 가능성이 크다.In particular, the short channel nanowire device may be utilized in the development of single electronic devices, quantum devices, nanoelectronic devices such as nano memories, nano LEDs, nano photoelectric devices such as nano lasers, nano biosensors having high sensitivity, and chemical sensors. Big.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the foregoing has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.
100 : 제1 기판 200 : 절연층
300 : 소자층 301 : 구조체
310 : 제1 빗면 320 : 제2 빗면
400 : 식각마스크층 401 : 패턴층
410 : A 영역 420 : B 영역
430 :C 영역 500 : 포토레지스트 패턴100: first substrate 200: insulating layer
300
310: first sloped surface 320: second sloped surface
400: etching mask layer 401: pattern layer
410: A area 420: B area
430: C region 500: photoresist pattern
Claims (10)
상기 소자층 상에 식각마스크층을 적층하는 단계;
상기 식각마스크층 상에 [110] 방향에 정렬된 영역 및 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 식각마스크층을 상기 포토레지스트 패턴과 동일한 형상의 패턴층으로 형성하여 상기 소자층의 일부를 노출시킨후 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계;
상기 패턴층이 형성되지 않은 상기 소자층의 노출된 부분을 제거하여 양 측면에 각각 제1 빗면 및 제2 빗면이 형성된 구조체를 형성하는 단계;
상기 구조체의 상기 제1 및 제2 빗면들 각각의 표면에 산화막을 형성하는 단계; 및
상기 패턴층을 제거한 후 상기 구조체의 일부를 제거하여 단일 실리콘 나노선을 형성하는 단계를 포함하고,
포토레지스트 패턴은,
소정 폭을 가지도록 상기 [110] 방향을 따라 연장되며, 길이방향으로 이격간격을 두고 상호 대향되게 배치되는 A 및 B 영역들; 및
상기 A 및 B 영역들 사이에서 상기 A 및 B 영역들보다 작은 폭을 가지며, 상기 [110] 방향에 정렬된 영역 및 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역을 포함하는 C 영역을 포함하고,
상기 C 영역에서,
상기 [110] 방향에 정렬된 영역의 제1 모서리 부분은 상기 [110] 방향으로 연장되고, 상기 [110] 방향에 비정렬된 영역의 제2 모서리 부분은 상기 [110] 방향과 사선 방향으로 연장되며,
상기 패턴층은 상기 제1 모서리 부분 및 상기 제2 모서리 부분과 동일한 모서리 부분들을 가지도록 일체로 형성되며, 상기 제2 모서리 부분에 의해 형성되는 패턴층은 상기 제2 모서리 부분의 연장 방향과 동일하게 상기 [110] 방향과 사선 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 단일 실리콘 나노선의 제작 방법.Stacking an insulating layer on a substrate and stacking an element layer on the insulating layer;
Stacking an etch mask layer on the device layer;
Forming a photoresist pattern on the etch mask layer, the photoresist pattern including a region aligned in a [110] direction and an region aligned in the [110] direction;
Removing the photoresist pattern after exposing a portion of the device layer by forming the etching mask layer as a pattern layer having the same shape as the photoresist pattern by using the photoresist pattern;
Removing the exposed portions of the device layer on which the pattern layer is not formed to form structures having first and second inclined surfaces on both sides thereof;
Forming an oxide film on a surface of each of the first and second inclined surfaces of the structure; And
Removing a portion of the structure after removing the pattern layer to form a single silicon nanowire;
The photoresist pattern is
A and B regions extending in the [110] direction to have a predetermined width and disposed to face each other at intervals in the longitudinal direction; And
A region C between the regions A and B and having a width smaller than those of the regions A and B and including a region aligned in the [110] direction and an region unaligned in the [110] direction,
In the C region,
The first corner portion of the region aligned in the [110] direction extends in the [110] direction, and the second corner portion of the region unaligned in the [110] direction extends in the diagonal direction with the [110] direction. ,
The pattern layer is integrally formed to have the same corner portions as the first corner portion and the second corner portion, and the pattern layer formed by the second corner portion is the same as the extending direction of the second corner portion. Method for producing a single silicon nanowire, characterized in that extending in the [110] direction and the diagonal direction.
비등방성 식각 용액을 이용하여 상기 소자층의 노출된 부분을 제거하는 것을 특징으로 하는 단일 실리콘 나노선의 제작 방법.The method of claim 1, wherein in the step of removing the exposed portion of the device layer,
A method of manufacturing a single silicon nanowire, characterized in that to remove the exposed portion of the device layer using an anisotropic etching solution.
상기 구조체의 단면, 및 상기 제1 및 제2 빗면들은 사다리꼴 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 실리콘 나노선의 제작 방법.The method of claim 5,
A cross section of the structure, and the first and second oblique surfaces are formed in a trapezoidal shape, characterized in that the manufacturing method of a single silicon nanowire.
(111)면인 것을 특징으로 하는 단일 실리콘 나노선의 제작 방법.The method of claim 6, wherein the first and second slopes,
Method for producing a single silicon nanowire, characterized in that the (111) plane.
상기 제2 빗면을 포함하는 영역은 제거되고 상기 제1 빗면을 포함하는 영역만 잔존하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 단일 실리콘 나노선의 제작 방법.The method of claim 1, wherein in the step of removing a portion of the structure,
And the region including the second slope is removed and only the region including the first slope is left.
비등방성 식각 용액을 이용하여 상기 구조체의 일부를 제거하는 것을 특징으로 하는 단일 실리콘 나노선의 제작 방법.The method of claim 8,
Method of manufacturing a single silicon nanowire, characterized in that by removing an portion of the structure using an anisotropic etching solution.
상기 제1 빗면을 포함하는 영역이 상기 단일 실리콘 나노선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 실리콘 나노선의 제작 방법.The method of claim 8, wherein in the forming of the single silicon nanowire,
And a region including the first sloped surface is formed of the single silicon nanowire.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180051110A KR102035505B1 (en) | 2018-05-03 | 2018-05-03 | Manufacturing method of single silicon nanowire device based-on standard photolithography |
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KR102035505B1 true KR102035505B1 (en) | 2019-10-23 |
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Citations (2)
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JPH09283400A (en) * | 1996-04-09 | 1997-10-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Manufacture of quantizing function element |
JPH1079357A (en) * | 1996-09-05 | 1998-03-24 | Sony Corp | Quantum wire device and manufacture thereof |
-
2018
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Patent Citations (2)
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JPH09283400A (en) * | 1996-04-09 | 1997-10-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Manufacture of quantizing function element |
JPH1079357A (en) * | 1996-09-05 | 1998-03-24 | Sony Corp | Quantum wire device and manufacture thereof |
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