KR102151310B1 - 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 포함하는 열전소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 포함하는 열전소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 스캘럽 구조의 수직 나노선 열전소자는 나노선의 표면이 울퉁불퉁한 형태의 스캘럽 구조를 형성하여, 나노선 내부 포논의 이동을 제한할 뿐만 아니라 후방 산란을 유도하여 열전도도를 획기적으로 감소시킨다. 동시에 전기전도도는 큰 변화가 없어 기존의 실리콘 나노선 열전소자보다 높은 열전변환 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 열전소자는 대량생산이 가능한 반도체 공정을 이용하여 제조가 가능하여 경제성이 뛰어나다.

Description

스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 포함하는 열전소자 및 이의 제조방법{Thermoelectric device comprising vertical nanowire array with scallop structure and fabrication method thereof}
본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 포함하는 열전소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 지구 온난화, 탄소 배출권 규제, 화석연료 고갈 등의 문제로 인해 신재생 에너지 개발과 에너지 효율 개선에 대한 관심이 고조되고 있다. 최근 들어 버려지는 폐열 등을 회수해 전기에너지를 생산함으로써 연료효율을 향상시키는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 주목받고 있다.
다양한 에너지 하베스팅 소자들 중에서, 열전소자는 열에너지를 전기에너지로(제백 효과(Seeback Effect)) 또는 전기에너지를 열에너지로(펠티어 효과(Peltier Effect)) 직접 변환해주는 소자로써, 에너지 하베스팅에 가장 적합한 소자이다. 상기 열전소자는 제백 효과를 이용하여 발전소자로 이용될 수 있으며, 펠티어 효과를 이용하여 냉각소자로 이용할 수 있다. 따라서, 열전소자는 산업, 자동차, 우주, 항공, 선박, 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용할 수 있다.
일반적으로 열전소자에 활용되는 재료는 밴드갭을 가지고 있는 반도체 물질이며, 폐열 온도에 따라서 Bi2Te3, PbTe, SiGe, Si 등의 물질이 사용된다. 열전소자의 열전효율은 무차원 성능지수 ZT에 의해 결정되며 이 성능지수는 하기 수학식 1으로 결정된다.
[수학식 1]
Figure 112018107714889-pat00001
상기 수학식 1에서, S는 제백 계수, σ는 전기전도도, κ는 열전도도, T는 절대온도를 나타내며, 상기 제백 계수는 열전소자에서 생성되는 기전력을 온도차로 나눈 값을 의미한다.
일반적으로, 열전소자의 열전효율을 향상시키기 위해서는 열전재료의 제백 계수 또는 전기전도도를 증가시키거나 열전도도를 감소시켜야 한다. 이때, 열전도도와 전기전도도는 비례관계를 가지기 때문에, 열전재료의 성능 향상을 위해서는 전기적 특성을 유지하면서 물질 내부의 열전달, 즉 포논을 효율적으로 제어하여 열전도도를 낮추는 것이 필수적이다.
1차원 나노선 구조의 열전재료는 나노선 내부에서 증가하는 포논 산란으로 인해 열전도도가 감소함과 동시에 전자의 양자 제한 효과로 인해 제백 계수가 증가하여 열전변환특성이 향상된다. 최근 나노선 구조의 열전재료 표면이 거칠어질수록 포논의 경계 산란이 심화되어 열전도도가 더욱 감소된다는 결과가 많은 문헌에 보고됨에 따라 나노선 열전재료의 표면 거칠기를 증가시키기 위한 제조기법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
종래에는 용액의 화학적 반응을 이용하여 나노선 열전재료의 표면 거칠기를 향상시켰으나, 이 기법은 다공성 구조를 나노선 표면에 형성하여 전기적 특성 저하를 야기하는 문제가 있었다.
또한, 바텀업(Bottom-up) 방식을 이용하여 나노선 열전재료의 표면 거칠기를 향상시키는 제작기법도 연구되었으나, 열전소자의 대량생산에 적합하지 않아 상용화에 제약이 따르는 문제가 있었다.
이에, 전기적 특성의 저하 없이 나노선 열전소자의 포논 산란효과를 극대화시킴으로써 열전도도를 낮추어 열전변환특성을 향상시키는 구조 및 이 구조를 대량생산하기 위한 제조기법에 대한 연구의 필요성이 여전히 요구되고 있다.
1. 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0077487호
본 발명은 상기 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 제1 목적은 포논 산란효과를 극대화시킬 수 있는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 포함하는 열전소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 대량생산이 가능한 반도체 공정을 이용하여 상기 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 기판에 일체형으로 제작함으로써, 경제성이 높고 대량생산이 가능한 열전소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판, 상기 기판의 상부에 서로 이격되어 배치된 제1 n형 도핑 영역, 제1 p형 도핑 영역, 제2 n형 도핑 영역 및 제2 p형 도핑 영역을 포함하는 도핑 영역, 상기 도핑 영역 상에 형성되고, 상단부부터 하단부까지 직경이 반복적으로 증가했다가 감소하는 스캘럽 구조를 가지는, 제1 n형 수직 나노선 어레이, 제1 p형 수직 나노선 어레이, 제2 n형 수직 나노선 어레이 및 제2 p형 수직 나노선 어레이를 포함하는 수직 나노선 어레이, 상기 수직 나노선 어레이의 상부와 하부 도핑 영역에 형성되고 제1 p형 도핑 영역과 상기 제2 n형 도핑 영역을 연결하도록 형성되는 실리사이드층, 상기 수직 나노선 사이를 채우는 열 보호막, 상기 열 보호막 상에서 상기 수직 나노선 어레이의 상단을 덮는 제1 상부 전극과 제2 상부 전극을 포함하는 상부 전극 및 상기 기판 하부에 형성되는 열 방출부를 포함하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자를 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 수직 나노선 어레이의 나노선은 상부에서 하부로 갈수록 직경 증가 및 감소의 반복이 일정하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 증가하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 감소하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 감소하다가 증가하여 중간부가 오목한 모래시계 형태를 형성하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 증가하다가 감소하여 중간부가 볼록한 형태를 가질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 수직 나노선 어레이의 나노선의 최대 직경과 최소 직경의 차이는 3~990 nm일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 수직 나노선 어레이의 수평 단면은 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형의 형태일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 수직 나노선 어레이의 나노선들은 일정 패턴을 형성하며 배열될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 수직 나노선 어레이의 나노선의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 수직 나노선 어레이의 나노선들 간의 간격과 상기 나노선들 패턴의 한 변의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 n형 도핑을 위한 도핑 물질은 P, As 또는 Sb이고, 상기 p형 도핑을 위한 도핑 물질은 B, BF2, Al 또는 Ga일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 도핑 물질의 주입 농도는 1017cm-3 내지 1021cm-3일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 열 보호막은 폴리이미드, SOG, BPDG, SiO2 또는 SiN으로 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 상부 전극 및 열 방출부는 각각 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 상단부부터 하단부까지 직경이 반복적으로 증가했다가 감소하는 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계, 상기 기판 상에 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 포함하는 영역을 도핑하여 선택적으로 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 도핑 영역과, 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계, 상기 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 도핑 영역과, 스캘럽 구조를 갖는 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상부 및 하부와, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역 사이에 실리사이드층을 형성하는 단계, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부와, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이 사이 및 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이에 열 보호막을 증착하는 단계, 제1 n형 및 제1 p형 수직 나노선 어레이의 상단과, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상단에 각각 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 형성하는 단계, 상기 기판의 하부를 연마하는 단계 및 상기 연마된 기판의 하부에 위치하는 열 흡수부를 형성하는 단계를 포함하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 기판 상에 서로 이격 배치된 영역을 도핑하여 제1 n형 도핑 영역, 제1 p형 도핑 영역, 제2 n형 도핑 영역 및 제2 p형 도핑 영역을 형성하는 단계, 상기 제1 n형 도핑 영역, 제1 p형 도핑 영역, 제2 n형 도핑 영역 및 제2 p형 도핑 영역 상에 각각 상단부부터 하단부까지 직경이 반복적으로 증가했다가 감소하는 스캘럽 구조를 갖는 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계, 상기 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 도핑 영역과, 스캘럽 구조를 갖는 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상부 및 하부와, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역 사이에 실리사이드층을 형성하는 단계, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부와, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이 사이 및 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이에 열 보호막을 증착하는 단계, 제1 n형 및 제1 p형 수직 나노선 어레이의 상단과, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상단에 각각 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 형성하는 단계, 상기 기판의 하부를 연마하는 단계 및 상기 연마된 기판의 하부에 위치하는 열 흡수부를 형성하는 단계를 포함하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계는, 기판의 상부에 식각 마스크 물질을 증착하는 단계, 감광제를 상기 식각 마스크 물질 상에 도포한 후 나노패턴을 형성하는 단계, 패터닝된 감광제를 이용하여 식각 마스크 물질을 식각하여 패턴을 전사하고 기판을 순차적으로 식각하여 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계 및 감광제 및 식각 마스크 물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계와, 상기 감광제 및 식각 마스크 물질을 제거하는 단계 사이에, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 습식 식각하여 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 도핑하는 단계는, 기판에 보호막을 증착하는 단계, n형 도핑 영역 이외의 영역에 제1 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, n형 이온을 주입하는 단계; 제1 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계, p형 도핑 영역 이외의 영역에 제2 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, p형 이온을 주입하는 단계, 제2 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계 및 열처리 후 보호막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 n형 이온 또는 p형 이온의 주입 농도는 1017cm-3 내지 1021cm-3일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 실리사이드층을 형성하는 단계는, 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들이 형성된 기판에 보호막을 형성하는 단계, 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들, 그 아래 도핑영역들, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 연결 영역을 제외한 영역에 감광제를 선택적으로 형성하는 단계, 수직 나노선 측벽의 보호막을 제외하고 감광제가 제거된 부분의 보호막을 선택적으로 제거하는 단계, 감광제를 제거하는 단계, 금속 물질을 증착하여 상기 증착한 금속 물질과 기판의 실리콘이 반응하여 실리사이드층을 형성하는 단계 및 잔류 금속 물질 및 보호막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 열 보호막을 증착하는 단계는 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 사이에 열전도도가 낮은 물질들을 증착하여 열 보호막을 형성하는 단계 및 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 상단의 실리사이드층을 열 보호막 바깥으로 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 상부 전극을 형성하는 단계는, 열 보호막 상에 제1 n형 나노선 어레이와 제1 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역과, 제2 n형 나노선 어레이와 제2 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역을 제외한 영역에 감광제를 선택적으로 형성하는 단계, 금속 물질을 증착하여 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 형성하는 단계 및 잔류 금속 물질과 감광제를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극은, 제1 p형 도핑 영역과 상기 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 기판 상의 실리사이드층과 전기적으로 직렬연결을 이룰 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 기판의 하부를 연마하는 단계는 반도체 연마 공정, 건식 식각 또는 습식 식각 공정을 이용하여 연마할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스캘럽 구조의 수직 나노선 열전소자는 나노선의 표면에 주기적으로 단면적이 감소하였다가 증가하는 구간이 반복된 울퉁불퉁한 형태의 스캘럽 구조를 형성하여, 나노선 내부 포논의 이동을 제한할 뿐만 아니라 후방 산란을 유도하여 열전도도를 획기적으로 감소시킨다. 동시에 전기전도도는 큰 변화가 없어 기존의 실리콘 나노선 열전소자보다 높은 열전변환 효율을 나타낼 수 있다.
상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 열전소자는 대량생산이 가능한 반도체 공정을 이용하여 제조가 가능하여 경제성이 뛰어나다. 이에 따라 본 발명에 따른 스캘럽 구조의 수직 나노선 열전소자 및 이의 제조방법은 상용화에 유리하다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 전체적인 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 전체적인 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이들의 다양한 단면모양을 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이 및 기판에 선택적으로 p형 및 n형 도핑 영역을 형성하는 단계를 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이 및 기판에 선택적으로 p형 및 n형 도핑 영역을 형성하는 단계를 도시하는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이의 상부와 하부, 및 p형 및 n형 도핑 영역에 선택적으로 실리사이드층을 형성하는 단계를 도시하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이의 상부와 하부, 및 p형 및 n형 도핑 영역에 선택적으로 실리사이드층을 형성하는 단계를 도시하는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 열 보호막을 형성하는 단계를 도시하는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 열 보호막을 형성하는 단계를 도시하는 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 상부 전극들을 형성하는 단계를 도시하는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 상부 전극들을 형성하는 단계를 도시하는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 기판 하부를 연마하는 단계 및 기판 하부에 열 흡수부를 형성하는 단계를 도시하는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 기판 하부를 연마하는 단계 및 기판 하부에 열 흡수부를 형성하는 단계를 도시하는 평면도이다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에 있어서, 상기 "스캘럽(scallop) 구조"는 원통형 구조에 있어서, 주기적으로 단면적이 감소하였다가 증가하는 구간이 반복되어 울퉁불퉁한 형태의 3차원 구조를 말한다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
1. 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 열전소자
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 전체적인 구조를 나타내는 사시도 및 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자는 기판(100), 상기 기판의 상부에 서로 이격되어 배치된 n형 및 p형 도핑 영역(제1 n형 도핑 영역(101a), 제1 p형 도핑 영역(101b), 제2 n형 도핑 영역(101c) 및 제2 p형 도핑 영역(101d)), 상기 도핑 영역 상에 형성되고 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 어레이(제1 n형 수직 나노선 어레이(102a), 제1 p형 수직 나노선 어레이(102b), 제2 n형 수직 나노선 어레이(102c) 및 제2 p형 수직 나노선 어레이(102d)), 상기 수직 나노선 어레이의 상부와 하부 도핑 영역에 형성되고 제1 p형 도핑 영역과 상기 제2 n형 도핑 영역을 연결하도록 형성되는 실리사이드층(200), 상기 수직 나노선 사이를 채우는 열 보호막(300), 상기 열 보호막 상에서 상기 수직 나노선 어레이의 상단을 덮는 상부 전극(401), 및 상기 기판 하부에 형성되는 열 방출부(400)를 포함한다.
보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 기판(100)이 준비될 수 있다. 상기 기판(100)은 열전소자 제작시 기판을 사용가능한 재질일 수 있으며, 예컨대, 실리콘 기판일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 실리콘 기판, 사파이어 기판, 또는 유리 기판 상에 결정질 실리콘, 폴리 실리콘, 비결정질 실리콘, Bi2Te3 등, 열전소자에 사용되는 반도체 물질을 증착하여 사용할 수도 있다.
상기 기판(100)은 상부에 서로 이격 배치된, n형 및 p형 도핑 영역(101)을 포함할 수 있다. 상기 기판(100)의 상부에는 n형 및 p형 수직 나노선 어레이(102)가 형성될 영역들이 서로 이격 배치되도록 일정 구역에 불순물을 주입하여 도핑될 수 있다. 상기 불순물은 n형 또는 p형 반도체를 형성할 수 있는 물질일 수 있다. 예컨대, 상기 n형 반도체를 형성하는 물질로는 P, As, Sb 등을 들 수 있으며, 상기 p형 반도체를 형성하는 물질로는 B, BF2, Al, Ga 등을 들 수 있다.
상기 기판(100) 상에서 상기 n형 도핑 영역과 p형 도핑 영역은 교대로 배치된다. 예컨대, 상기 기판(100) 상에는 제1 n형 도핑 영역(101a), 제1 p형 도핑 영역(101b), 제2 n형 도핑 영역(101c) 및 제2 p형 도핑 영역(101d)이 서로 이격되어 교대로 배치될 수 있다. 이러한 n형 도핑 영역과 p형 도핑 영역의 교차 배치의 수는 열전 소자의 출력량 증가를 위하여 증가될 수 있다.
상기 서로 이격 배치된 제1 n형 도핑 영역(101a), 제1 p형 도핑 영역(101b), 제2 n형 도핑 영역(101c) 및 제2 p형 도핑 영역(101d) 상에는 각각 대응되어 n형 및 p형 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이(102a, 102b, 102c, 102d)가 수직으로 형성될 수 있다. 본 발명의 '스캘럽 구조'의 수직 나노선 어레이는 나노선의 원통형 구조에 있어서, 주기적으로 단면적이 감소하였다가 증가하는 구간이 반복되어 울퉁불퉁한 형태의 3차원 구조를 갖는 것을 의미한다.
상기 스캘럽 구조의 수직 나노선은 본 발명의 핵심적인 특징으로, 상부부터 하부까지 수백 나노미터 이하의 주기로 단면적이 줄어들었다가 증가하는 반복 구조를 가진다. 반복되는 나노선 직경 변화에 의해 나노선 표면에서 난반사가 발생하여 포논의 산란효과가 증가하게 되고, 나노선 내부 포논의 이동이 제한되어 열전도도가 급격히 감소한다. 표면의 거칠기가 매우 커지면 추가적으로 후방 산란(back scattering)이 발생하여 포논 산란에 의한 열전도도 감소 한계치인 카시미르 리밋(Casimir limit)을 넘어 열전도도가 급격히 감소한다. 반면 전기전도도의 손실은 발생하지 않아 열전소자의 효율이 향상된다. 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이들은 각각 n형 도펀트 또는 p형 도펀트가 나노선 전체에 균일하게 분포된다.
이때, 상기 나노선의 최대 직경과 최소 직경의 차이는 3~990 nm인 것이 바람직하다. 상기 직경의 차이가 3 nm 미만이면, 열전도도 감소에 기여하지 못하고, 990 nm를 초과하면 물리적으로 식각공정을 이용하여 스캘럽 구조를 제작하기 어려운 문제가 있다.
상기 n형 및 p형 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이의 나노선들은 일정 패턴을 형성하여 배열될 수 있다. 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선은 패터닝 공정의 변화에 따라 다양한 수평 단면을 가질 수 있다. 예컨대 상기 n형 및 p형 스캘럽 구조의 수직 나노선의 수평 단면은 원형, 삼각형, 사각형, 육각형 등의 형태일 수 있다. 상기 나노선의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 나노선들 간의 간격과 상기 나노선들의 패턴의 한 변의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛일 수 있다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선은 DRIE 식각 조건을 조절함으로써 다양한 수직 단면을 제작할 수 있다. 예컨대, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선의 수직 단면은 상부에서 하부로 갈수록 직경 증가 및 감소의 반복이 일정한 형태(a), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 증가하는 형태(b), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 감소하는 형태(c), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 감소하다가 증가하여 중간부가 오목한 모래시계 형태(d), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 증가하다가 감소하여 중간부가 볼록한 형태(e) 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기판 상부에는 n형 과 p형 스캘럽 구조 나노선 어레이들이 서로 이격되어 순차적으로 배열되며, n형 도핑 영역들과 p형 도핑 영역들은 교대로 배치된다. 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이는 수평 나노선 구조에 비하여 단위 면적당 n형과 p형 스캘럽 구조의 나노선 어레이의 교차 배치되는 수를 증가시킬 수 있어 열전 출력량 및 열전소자의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 실리사이드층(200)은 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이들의 상단부와 하단부에 형성된다. 상기 실리사이드층(200)은 열전도도를 낮추고 제백전압을 증가시켜 열전소자의 변환효율을 향상시킨다. 또한, 상기 실리사이드층(200)은 나노선들과의 계면에 쇼트키(Schottky) 장벽을 형성하여 열에너지의 흐름을 필터링하는 역할을 수행한다. 열에너지에 의해 생성된 전자와 정공들 중 쇼트키 장벽보다 작은 에너지를 가지는 경우, 상기 전자와 정공들은 장벽 근처에 쌓이게 되고 충분한 양의 전자 또는 정공이 쌓인 상태에서 특정 전자 또는 정공에 의해 다량의 전자 또는 정공이 장벽을 넘어가 나노선 양단의 제백(Seebeck) 전압이 증가한다. 더불어, 실리사이드층을 형성하는 금속이온은 실리콘 원자와 크기차이가 존재해 포논의 산란효과가 발생하고 이로 인해 열전도도가 감소한다.
상기 열 보호막(300)은 상기 n형 및 p형 스캘럽 구조의 수직 나노선 사이, 상기 n형 및 p형 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이 및 상기 n형 및 p형 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부를 채우고 있는 형태로 형성될 수 있다. 상기 열 보호막(300)은 스캘럽 구조 수직 나노선들 사이에 빈공간이 생기지 않도록 채워져야 하며, 열전도도가 낮아야 한다. 예컨대, 상기 열 보호막(300)으로는 폴리이미드, SOG, BPDG, SiO2 또는 SiN이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열 보호막(300)이 낮은 열전도도를 가지면, 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선을 통과하는 열에너지가 손실을 최소화하면서 나노선 한쪽 끝단에서 다른 한쪽 끝단으로 이동할 수 있다. 또한, 상기 열 보호막(300)은 스캘럽 구조 수직 나노선들이 후속 공정 시 물리적 충격에 쓰러지지 않도록 지탱해주며, 상부 전극들과 하부의 실리사이드층을 전기적으로 절연시키는 역할도 수행한다.
상기 상부 전극(401)은 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이들의 상단, 즉 제1 n형 및 제1 p형 수직 나노선 어레이와, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상단에 각각 따로 분리되어 제1 상부 전극(401a) 및 제2 상부 전극(401b)으로서 형성될 수 있다. 상기 제1 상부 전극(401a) 및 제2 상부 전극(401b)은 도핑이 이루어진 반도체층이 저온 또는 고온 열원과 접촉하도록 하고, 열전변환에 의해 생성된 전류가 흐를 수 있는 통로 역할을 한다. 따라서, 상부 전극(401)을 구성하는 물질은 열전도도가 높은 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 열 흡수부(400)는 상기 기판(100)의 하부에 위치하고, 상부 전극에서 접촉된 열원과 상대적으로 고온 또는 저온인 열원이 상기 n형 및 p형 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이의 하부에 접촉되어 열에너지를 전달하는 역할을 한다. 따라서, 상기 열 흡수부(400)를 구성하는 물질은 열전도도가 높은 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것일 수 있다.
예컨대, 상기 열 흡수부(400)는 고온의 열원(액체 또는 기체)과 접촉되면 상기 상부 전극(401)은 저온의 열원(액체 또는 기체)과 접촉되고, 상기 열 흡수부(400)가 저온의 열원(액체 또는 기체)과 접촉되면 상기 상부 전극(401)은 고온의 열원(액체 또는 기체)과 접촉된다. 따라서, 열 흡수부(400)와 상부 전극(401)은 열을 소모함 없이 나노선에 빠르게 전달하기 위해 열전도도가 높은 물질을 사용하고, 상기 열 보호막(300)은 나노선에 전달된 열이 외부로 빠져나가는 것을 막아주기 위해 열전도도가 낮은 물질을 사용한다. 이로써, 열전소자의 열전변환 효율과 출력량을 향상시키는 효과를 발휘한다.
2. 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 열전소자의 제조방법
본 발명에 따른 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 열전소자의 제조방법은 7단계로 구성될 수 있다.
구체적으로는 기판 상에 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 제1단계, 상기 기판 상에 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 포함하는 영역을 도핑하여 선택적으로 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 도핑 영역과, 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이를 형성하는 제2단계, 실리사이드층을 형성하는 제3단계, 열 보호막을 증착하는 제4단계, 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이의 상단에 상부 전극을 형성하는 제5단계, 상기 기판의 하부를 연마하는 제6단계 및 상기 연마된 기판의 하부에 열 흡수부를 형성하는 제7단계를 포함한다.
이때, 상기 1단계와 2단계는 순서를 바꾸어 진행될 수 있다.
즉, 기판 상에 서로 이격 배치된 영역을 도핑하여 제1 n형 도핑 영역, 제1 p형 도핑 영역, 제2 n형 도핑 영역 및 제2 p형 도핑 영역을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 제1 n형 도핑 영역, 제1 p형 도핑 영역, 제2 n형 도핑 영역 및 제2 p형 도핑 영역 상에 스캘럽 구조를 갖는 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 수행할 수 있다.
도 3 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 열전소자의 제조방법을 나타낸 단면도 및 평면도이다.
이하, 도 3 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 열전소자의 제조방법을 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 제1단계를 도시하는 단면도 및 평면도이다.
도 3 및 4를 참조하여, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 제1단계를 설명한다.
상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계는 기판의 상부에 식각 마스크 물질을 증착하는 단계, 감광제를 상기 식각 마스크 물질 상에 도포한 후 나노패턴을 형성하는 단계, 패터닝된 감광제를 이용하여 식각 마스크 물질을 식각하여 패턴을 전사하고 기판을 순차적으로 식각하여 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계 및 감광제 및 식각 마스크 물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 먼저, 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이의 종횡비를 증가시키기 위해 기판(100)의 상부에 식각 마스크 물질(110)을 증착한다. 이때, 사용되는 식각 마스크 물질로는 식각 선택비가 우수한 SiO2 또는 SiN과 같은 절연물질을 사용할 수 있으며, 금속 물질도 사용할 수 있다. 스캘럽 구조의 수직 나노선의 종횡비가 증가할수록 나노선 양단의 온도차가 증가하기 때문에 같은 직경에서 나노선의 길이를 최대한 길게 형성하는 것이 출력전압 향상에 유리하다.
다음으로, 상기 식각 마스크 물질을 패터닝하기 위해, 감광제(120)를 식각 마스크 물질(110) 상에 도포한 후 전자빔 리소그래피, 포토 리소그래피, 스테퍼, 스캐너 또는 나노 임프린트와 같은 나노 패터닝 방법을 이용하여 감광제(120)를 나노패턴으로 형성한다. 포논의 산란효과는 나노패턴의 모양에 영향을 받으므로, 열전도도를 낮추기 위해서 나노패턴은 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형으로 패턴될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 패터닝된 감광제(120)를 이용하여 식각 마스크 물질(110)을 식각하여 패턴을 전사하고 기판(100)을 순차적으로 식각하여 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이들을 형성할 수 있다. 스캘럽 구조의 수직 나노선은 상단부부터 하단부까지 직경이 반복적으로 증가했다가 감소하는 구조를 의미하며, DRIE(Deep reactive ion etcher)를 사용하여 식각을 진행함으로써 형성할 수 있다. 열전도도에 영향을 주는 포논의 산란효과는 표면의 거칠기 및 나노선의 단면 모양에 영향을 받기 때문에, 열전도도를 낮추기 위해서 표면 거칠기를 증가시키기 위한 공정을 진행할 수도 있다. 바람직하게는, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계와, 상기 감광제 및 식각 마스크 물질을 제거하는 단계 사이에, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 습식 식각하여 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이의 다양한 단면모양을 도시하는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 스캘럽 구조의 수직 나노선은 식각 공정 조건의 변화에 따라 다양한 수직 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, DRIE 식각 조건을 조절함으로써 상부에서 하부로 갈수록 직경 증가 및 감소의 반복이 일정한 형태(a), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 증가하는 형태(b), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 감소하는 형태(c), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 감소하다가 증가하여 중간부가 오목한 모래시계 형태(d), 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 증가하다가 감소하여 중간부가 볼록한 형태(e) 등을 만들 수 있다.
식각을 통해 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성한 후에는 남아있는 감광제(120)와 식각 마스크 물질(110)은 제거한다.
다음으로, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이와 상기 수직 나노선 어레이를 포함하는 영역을 도핑하는 제2단계를 도시하는 단면도 및 평면도이다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 상기 도핑하는 제2단계를 설명한다.
상기 도핑하는 단계는 기판에 보호막을 증착하는 단계, n형 도핑 영역 이외의 영역에 제1 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, n형 이온을 주입하는 단계, 제1 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계, p형 도핑 영역 이외의 영역에 제2 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, p형 이온을 주입하는 단계, 제2 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계 및 열처리 후 보호막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들이 형성된 기판에 보호막(130)을 증착한다. 상기 보호막(130)은 이온 주입시 발생하는 물리적 손상과 열처리 공정시 주입된 불순물이 외부로 빠져나가는 것을 차단하기 위하여 이온 주입 전에 증착하는 것이 바람직하다. 상기 보호막으로는 SiO2, SiN, Al2O3, HfO2 등의 산화물을 사용할 수 있으며, 보호막의 두께는 20 nm 이하로 증착할 수 있다.
다음으로, 선택적인 이온 주입을 위해, 상기 보호막(130) 상에 제1 불순물 주입 방지막(140)을 형성한다. 상기 제1 불순물 주입 방지막으로는 감광제를 사용할 수 있으며, 특정 영역에만 n형 도핑 영역을 형성하기 위해서, 이후 패터닝 공정을 통해 스캘럽 구조 수직 나노선 어레이들 및 나노선 어레이 아래의 기판 일부 영역의 제1 불순물 주입 방지막만 선택적으로 제거한다.
다음으로, 기판에 P, As, Sb 등의 n형 도펀트를 주입하는 이온주입(Ion Implantation) 공정을 진행한다. 상기 주입되는 도펀트의 농도는 1017cm-3 내지 1021cm-3 일 수 있다. 이때 제1 불순물 주입 방지막이 제거되어 노출된 스캘럽 구조조의 수직 나노선 어레이들과 기판의 일부 영역에만 n형 도펀트가 주입되고, 나머지 제1 불순물 주입 방지막이 존재하는 영역에는 n형 도펀트가 주입되지 않는다. n형 도펀트가 주입된 스캘럽 구조 수직 나노선 어레이들 및 기판은 각각 n형 도핑 영역이 되며, 상기 이온주입 공정 후 제1 불순물 주입 방지막은 제거된다.
다음으로, 상기 스캘럽 구조 수직 나노선 어레이들이 형성된 기판 상에 제2 불순물 주입 방지막을 형성한다. 상기 제2 불순물 주입 방지막은 제1 불순물 주입 방지막과 동일한 물질을 사용할 수 있고, 마찬가지로 패터닝 공정을 통해 p형 도핑 영역을 형성할 부분의 제2 불순물 주입 방지막만 선택적으로 제거한다. 이후, 상기 기판에 B, BF2, Al, Ga 등의 p형 도펀트를 주입하는 이온주입 공정을 진행하며, 이때 주입되는 도펀트의 농도는 1017cm-3 내지 1021cm- 3 일 수 있다. p형 도펀트가 주입된 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이들 및 기판은 각각 p형 도핑 영역이 된다. 이온주입 공정 후 제2 불순물 주입 방지막은 제거된다.
상기 이온주입 공정 이후에는 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선들 전체에 도펀트를 균일하게 확산시키기 위한 열처리 공정을 진행하고 그 후 보호막(130)을 제거한다. 상기 제1 및 제2 불순물 주입 방지막(140)은 감광제 외에 산화물 등의 물질도 사용할 수 있으며, 산화물을 사용할 경우 추가적으로 식각공정이 필요할 수 있다. 이 때, 불순물 주입 방지막(140)은 보호막(130)과 다른 물질을 사용하여 보호막은 제거되지 않고 불순물 주입 방지막만 제거될 수 있도록 한다.
상술한 방법을 이용하여 n형 및 p형 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이 및 그 아래 기판 영역이 교차로 반복하여 배치된 구조를 형성할 수 있다. 또한, n형과 p형의 도펀트 주입 순서는 바꾸어 진행될 수 있다.
다음으로, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 실리사이드층(200)을 선택적으로 형성하는 제3단계를 도시하는 단면도 및 평면도이다.
이하, 도 8 및 도 9를 참조하여, 상기 실리사이드층(200)을 형성하는 제3단계를 설명한다.
상기 실리사이드층을 형성하는 단계는 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들이 형성된 기판에 보호막을 형성하는 단계, 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들, 그 아래 도핑영역들, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 연결 영역을 제외한 영역에 감광제를 선택적으로 형성하는 단계, 수직 나노선 측벽의 보호막을 제외하고 감광제 없이 노출된 부분의 보호막을 선택적으로 제거하는 단계, 금속 물질을 증착하여 상기 증착한 금속 물질과 실리콘이 반응하여 실리사이드층을 형성하는 단계, 및 잔류 금속 물질, 감광제 및 보호막을 제거하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 도 8을 참조하면, n형 및 p형의 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이가 형성된 기판 상에 보호막(130)을 형성한다. 상기 보호막(130)은 실리사이드층 형성을 방지할 수 있는 SiO2, SiN, high-k 절연막, 폴리머 등의 박막이 사용되며, 선택적 실리사이드층 형성을 위해 스캘럽 구조의 수직 나노선들의 측면에 균일하게 증착이 이루어져야 한다.
다음으로, 상기 보호막(130) 상에 감광제(140)를 도포하고, 포토 리소그래피, 스테퍼 또는 스캐너와 같은 패터닝 방법을 이용하여 n형 및 p형 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들, 그 아래 도핑 영역들, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 연결 영역의 감광제(140)를 선택적으로 제거한다. 또한, 건식 식각 방법을 이용하여 노출된 영역의 보호막(130)을 식각한다. 이때, 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선들의 측면에 형성되어 있는 보호막(130)은 식각되지 않고 나노선들의 상부와 나노선들 사이의 기판 영역의 보호막(130)만 선택적으로 식각되도록 한다.
다음으로, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들이 형성된 기판 상에 Co, Ni, Ti, Pt, Al, Ag, Ta, Zn 및 In 중 어느 하나 이상의 금속 물질(150)을 증착하고 열처리를 진행함으로써, 실리콘이 금속과 반응하여 실리사이드층(200)을 형성한다. 이때, 상기 보호막(130) 상에 증착된 금속 물질(150)은 실리사이드층(200)을 형성하지 못하고 상기 보호막(130)이 제거된 영역에 증착된 금속 물질(150)만 실리사이드층(200)을 선택적으로 형성한다. 또한, 열전소자 내의 n형 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이와 p형 스캘럽 구조 수직 나노선 어레이를 전기적으로 직렬로 연결하기 위해, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 영역에도 실리사이드층(200)을 형성한다.
다음으로, 실리콘과 반응하지 않아 실리사이드를 형성하지 않은 잔류 금속 물질, 감광제 및 보호막을 차례로 제거한다. 저항의 감소를 위해, 추가적으로 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 실리사이드층(200) 상에 금속 물질을 증착할 수도 있다.
도 9는 기판 상에 실리사이드층(200)의 위치 관계를 도시하는 평면도이다. 기판 상에 형성되는 하부 실리사이드층(200)은 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들의 상단부와 하단부의 기판 외에 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 연결 영역에도 형성된다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 열 보호막(300)을 형성하는 제4단계를 도시하는 단면도 및 평면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 열 보호막을 증착하는 단계는 열전도도가 낮은 물질들을 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 사이에 증착하는 단계 및 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 상단의 실리사이드층을 열 보호막 바깥으로 노출시키는 단계를 포함한다.
상기 열 보호막(300)은 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선들 사이에 빈공간이 생기지 않도록 채워져야 하며, 열전도도가 낮아야 한다. 예컨대, 상기 열 보호막(300)으로는 폴리이미드, SOG, BPDG, SiO2 또는 SiN이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열 보호막(300)은 열전도도가 낮은 물질들을 플라즈마 기상 증착, 화학 기상 증착, 원자층 증착, 고밀도 플라즈마 기상 증착 또는 스핀 코팅의 방법을 통하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선의 상단과 접하는 열 보호막(300)은 건식 식각, 습식 식각 및 연마공정을 통해 나노선 상단의 실리사이드층(200)이 열 보호막(300) 바깥으로 노출되도록 할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 상부 전극들을 형성하는 제5단계를 도시하는 단면도 및 평면도이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 상부 전극을 형성하는 단계는 열 보호막 상에 제1 n형 나노선 어레이와 제1 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역과, 제2 n형 나노선 어레이와 제2 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역을 제외한 영역에 감광제를 선택적으로 형성하는 단계, 금속 물질을 증착하여 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 형성하는 단계 및 잔류 금속 물질과 감광제를 제거하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선의 실리사이드층(200)이 노출된 열 보호막(300) 상에 감광제(140)를 도포하고, 리소그래피 공정을 이용하여 제1 n형 나노선 어레이와 제1 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역(제1 상부 영역)과, 제2 n형 나노선 어레이와 제2 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역(제2 상부 영역)의 감광제를 제거한다. 다음으로 금속 물질을 증착하고 마스크 물질을 제거하는 리프트 오프 공정을 진행하여, 제1 상부 영역 및 제2 상부 영역에 제1 상부 전극(401a)과 제2 상부 전극(401b)을 동시에 형성한다.
상기 제1 상부 전극(401a)과 제2 상부 전극(401b)은 앞서 형성된 제1 p형 도핑 영역과 상기 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 기판 상의 실리사이드층(200)과 전기적으로 직렬연결을 이룬다. 상기 상부 전극들(401a, 401b)은 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 통해 열이 들어가거나 나오게 되며, 열전변환에 의해 생성된 전류가 흐르는 통로 역할을 할 수 있다. 따라서 상기 금속 물질은 열전도도가 높은 금속 물질을 사용하고 절연 및 보호를 위해 절연물질을 상부전극 상에 형성할 수도 있다.
또한, 상기 상부 전극들(401a, 401b)은 건식 또는 습식 식각을 통하여 형성될 수도 있다. 구체적으로, 식각 공정을 위해서는 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선의 실리사이드층(200)이 노출된 열 보호막(300) 상에 금속 물질, 식각 마스크 물질 및 감광제(140)를 차례로 형성한 후, 리소그래피 공정을 통해 감광제층에 패턴을 형성한다. 이후, 식각 공정을 통해 식각 마스크 물질과 금속 물질을 차례대로 제거함으로써 상부 전극을 형성할 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판의 하부를 연마하는 제6단계 및 열 흡수부를 형성하는 제7단계를 도시하는 단면도 및 평면도이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 상기 기판의 하부를 연마하는 단계는 반도체 연마 공정, 건식 식각 또는 습식 식각 공정을 이용하여 연마함으로써 기판 두께를 줄인다. 기판 두께가 두꺼우면 열전소자 양단에 가해지는 온도차에 손실이 발생하며 제백효과에 의해 생성된 전류 흐름을 방해하여 열전소자의 효율을 저하시키므로, 기판의 두께를 줄임으로써 열전소자의 특성 향상을 도모할 수 있다.
상기 기판 하부면에는 열전도도가 높은 금속 물질을 증착하여 열 흡수부(400)를 형성한다. 추가적으로 기판(100)의 하부면과 열 흡수부(400) 사이에 열전도도가 높으며 전기적인 절연 특성을 띠는 물질을 증착하여 열전소자의 특성을 향상시킬 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판 101a: 제1 n형 도핑 영역
101b: 제1 p형 도핑 영역 101c: 제2 n형 도핑 영역
101d: 제2 p형 도핑 영역
102a: 제1 n형 수직 나노선 어레이
102b: 제1 p형 수직 나노선 어레이
102c: 제2 n형 수직 나노선 어레이
102d: 제2 p형 수직 나노선 어레이
110: 식각 마스크 물질 120: 감광제
130: 보호막 140: 불순물 주입 방지막(감광제)
150: 금속층 200: 실리사이드층
300: 열 보호막 400: 열 방출부
401: 상부 전극 401a: 제1 상부 전극
401b: 제2 상부 전극

Claims (22)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 서로 이격되어 배치된 제1 n형 도핑 영역, 제1 p형 도핑 영역, 제2 n형 도핑 영역 및 제2 p형 도핑 영역을 포함하는 도핑 영역;
    상기 도핑 영역 상에 형성되고, 상단부부터 하단부까지 직경이 반복적으로 증가했다가 감소하는 스캘럽 구조를 가지는, 제1 n형 수직 나노선 어레이, 제1 p형 수직 나노선 어레이, 제2 n형 수직 나노선 어레이 및 제2 p형 수직 나노선 어레이를 포함하는 수직 나노선 어레이;
    상기 수직 나노선 어레이의 상부와 하부, 도핑 영역에 형성되고 제1 p형 도핑 영역과 상기 제2 n형 도핑 영역을 연결하도록 형성되는 실리사이드층;
    상기 수직 나노선 사이를 채우는 열 보호막;
    상기 열 보호막 상에서 상기 제1 n형 수직 나노선 어레이의 상단과 상기 제1 p형 수직 나노선 어레이의 상단을 덮는 제1 상부 전극과, 상기 제2 n형 수직 나노선 어레이의 상단과 상기 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상단을 덮는 제2 상부 전극을 포함하는 상부 전극; 및
    상기 기판 하부에 형성되는 열 방출부를 포함하는,
    스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수직 나노선 어레이의 나노선은 상부에서 하부로 갈수록 직경 증가 및 감소의 반복이 일정하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 증가하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 감소하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 감소하다가 증가하여 중간부가 오목한 모래시계 형태를 형성하거나, 상부에서 하부로 갈수록 직경의 증가 및 감소의 반복이 점차 증가하다가 감소하여 중간부가 볼록한 형태를 가짐을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수직 나노선 어레이의 나노선의 최대 직경과 최소 직경의 차이는 3~990 nm인 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수직 나노선 어레이의 수평 단면은 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형의 형태인 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수직 나노선 어레이의 나노선들은 일정 패턴을 형성하며 배열되는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수직 나노선 어레이의 나노선의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 수직 나노선 어레이의 나노선들 간의 간격과 상기 나노선들 패턴의 한 변의 길이는 5 nm 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 n형 도핑을 위한 도핑 물질은 P, As 또는 Sb이고, 상기 p형 도핑을 위한 도핑 물질은 B, BF2, Al 또는 Ga인 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도핑 물질의 주입 농도는 1017cm-3 내지 1021cm- 3 인 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열 보호막은 폴리이미드, SOG, BPDG, SiO2 또는 SiN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 열 방출부는 각각 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자.
  12. 기판 상에 상단부부터 하단부까지 직경이 반복적으로 증가했다가 감소하는 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 제1단계;
    상기 기판 상에 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 포함하는 영역을 도핑하여 선택적으로 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 도핑 영역과, 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이를 형성하는 제2단계;
    상기 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 도핑 영역과, 스캘럽 구조를 갖는 제1 n형, 제1 p형, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상부 및 하부와, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역 사이에 실리사이드층을 형성하는 제3단계;
    상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부와, 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이 사이 및 상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이에 열 보호막을 증착하는 제4단계;
    제1 n형 및 제1 p형 수직 나노선 어레이의 상단과, 제2 n형 및 제2 p형 수직 나노선 어레이의 상단에 각각 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 형성하는 제5단계;
    상기 기판의 하부를 연마하는 제6단계; 및
    상기 연마된 기판의 하부에 위치하는 열 흡수부를 형성하는 제7단계를 포함하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이를 형성하는 제1단계는
    기판의 상부에 식각 마스크 물질을 증착하는 단계;
    감광제를 상기 식각 마스크 물질 상에 도포한 후 나노패턴을 형성하는 단계;
    패터닝된 감광제를 이용하여 식각 마스크 물질을 식각하여 패턴을 전사하고 기판을 순차적으로 식각하여 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계; 및
    감광제 및 식각 마스크 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계와, 상기 감광제 및 식각 마스크 물질을 제거하는 단계 사이에, 상기 스캘럽 구조의 수직 나노선 어레이를 습식 식각하여 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제2단계는
    기판에 보호막을 증착하는 단계;
    n형 도핑 영역 이외의 영역에 제1 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계;
    n형 이온을 주입하는 단계;
    제1 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계;
    p형 도핑 영역 이외의 영역에 제2 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계;
    p형 이온을 주입하는 단계;
    제2 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계; 및
    열처리 후 보호막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 n형 이온 또는 p형 이온의 주입 농도는 1017cm-3 내지 1021cm- 3 인 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 실리사이드층을 형성하는 제3단계는
    스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들이 형성된 기판에 보호막을 형성하는 단계;
    스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 어레이들, 그 아래 도핑영역들, 제1 p형 도핑 영역과 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 연결 영역을 제외한 영역에 감광제를 선택적으로 형성하는 단계;
    수직 나노선 측벽의 보호막을 제외하고 감광제 없이 노출된 부분의 보호막을 선택적으로 제거하는 단계;
    금속 물질을 증착하여 상기 증착한 금속 물질과 기판의 실리콘이 반응하여 실리사이드층을 형성하는 단계; 및
    잔류 금속 물질, 감광제 및 보호막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 열 보호막을 증착하는 제4단계는
    열전도도가 낮은 물질들을 플라즈마 기상 증착, 화학 기상 증착, 원자층 증착, 고밀도 플라즈마 기상 증착 또는 스핀 코팅의 방법을 통하여 스캘럽 구조를 갖는 수직 나노선 사이에 증착하는 단계; 및
    건식 식각, 습식 식각 또는 연마공정을 통해 수직 나노선 상단의 실리사이드층을 열 보호막 바깥으로 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 상부 전극을 형성하는 제5단계는
    열 보호막 상에 제1 n형 나노선 어레이와 제1 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역과, 제2 n형 나노선 어레이와 제2 p형 나노선 어레이의 상부 및 이를 연결하는 영역을 제외한 영역에 감광제를 선택적으로 형성하는 단계;
    금속 물질을 증착하여 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 형성하는 단계; 및
    잔류 금속 물질과 감광제를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극은, 제1 p형 도핑 영역과 상기 제2 n형 도핑 영역을 연결하는 기판 상의 실리사이드층과 전기적으로 직렬연결을 이루는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 기판의 하부를 연마하는 제6단계는 반도체 연마 공정, 건식 식각 또는 습식 식각 공정을 이용하여 연마하는 것을 특징으로 하는 스캘럽 구조를 가지는 수직 나노선 열전소자의 제조방법.
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