KR20010084721A - 집속이온빔을 이용한 동위치에서 식각 및 나노결정체 형성기술개발 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차세대 고메모리 집적회로 소자인 단전자 터널링 소자 또는 양자소자 제작에 있어서 전자구속을 위한 나노입자를 집속이온빔을 이용하여 형성하는 기술이다. 집속이온빔 시스템은 집적회로의 수정 또는 마스크없는 리소그래피에 사용되는 시스템으로 액체금속이온원의 개발로 인해 마이크로 미터이하의 초미세구조를 직접 가공할 수 있는 기술적인 발전을 이루고 있다. 현재까지 나노입자를 형성하기 위해 에피텍셜법이나 화학기상증착법을 이용한 나노입자 성장기법이 주로 사용되고 있고 형성된 나노입자를 이용한 전자소자들이 소개되고 있다. 집속이온빔을 이용해 형성된 수십 Å 크기의 나노입자들은 가장 단순한 공정에 의해 효과적인 나노입자를 형성할 수 있는 새로운 방법이다. 집속이온빔의 방사선효과를 이용해 나노입자를 형성하고 집속이온빔에 의한 이차전자에 의하여 나노입자를 결정화하는 방법은 지금까지 알려진 방법으로는 아주 단순한 공정을 특징으로 하고 있으며 상온의 열적에너지를 극복할 수 있는 구속에너지를 갖는 나노입자의 형성이 가능한 방법이다. 이러한 기술의 개발은 차세대 반도체 전자소자개발의 촉진제 역할을 할 수 있는 획기적인 새로운 기술이다.
Description
본 발명은 차세대 고메모리 집적회로 소자인 단전자 터널링 소자 또는 양자소자 제작에 있어서 전자구속을 위한 나노결정체형성에 집속이온빔을 이용하는 기술이다. 집속이온빔 시스템은 집적회로의 수정 또는 마스크 없는 리소그래피에 사용되는 시스템으로 액체금속이온원의 개발로 인해 마이크로 이하의 초미세구조를 직접 가공할 수 있는 기술적인 발전을 이루고 있다. 또한 최근 차세대 반도체소자 제작에 있어서 그 미세구조를 형성할 수 있는 기술적인 바탕을 제공하고 있다. 차세대 반도체 소자의 선두주자라 할 수 있는 단전자 트랜지스터 또는 양자소자는 전자를 구속할 수 있는 나노입자형성이 핵심기술이라 할 수 있다. 현재까지 나노입자 혹은 양자점을 형성하기 위해 에피텍셜법 또는 화학기상증착법을 이용하는 성장기술이 주로 훌륭한 성과를 나타내고 있다. 집속이온빔을 이용해 나노결정체를 형성하는 것은 수십 Å 크기의 나노결정체를 임의적으로 형성할 수 있는 기술이며 기존의 복잡한 공정에 비해 가장 간단하며 효과적으로 조절이 가능한 방법이다.
차세대 반도체 소자인 단전자 트랜지스터 또는 양자소자제작에 필요한 나노결정체 형성에 있어 집속이온빔의 방사선효과를 이용하는 기술로서 현재까지의 기술에 비해 가장 단순하며 효과적인 크기의 나노입자를 형성할 수 있는 기술로 사료된다.
도 1 집속이온빔 방사선효과에 의한 나노결정체 형성 단면 개략도
도 2 나노결정체 형성 평면 개략도
도 3 나노입자공정을 이용해 제작된 단전자 트랜지스터
도 4 집속이온빔 방사선효과에 의해 형성된 나노결정체의 고배율 투과전자 현미경 이미지
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 집속이온빔 프르브 2 : 빔 에너지 분포
3 : 집속이온빔 주입영역 4 : 나노결정체 형성지역
5 : 나노결정체 6 : 금속층(Al)
7 : 절연체층(MgO) 8 : 기판(p-Si)
9 : 소스 전극 10 : 이온빔에 의해 식각된 지역
11 : 게이트 전극 12 : 드레인 전극
13 : 배율표시
본 발명은 차세대 초고밀도 반도체소자 제작시 핵심기술이 되는 전자구속을 위한 초미세구조 형성에 있어 집속이온빔을 이용하는 기술이다. 금속 또는 반도체 나노입자는 전류를 형성하는 터널전자를 구속시킬 수 있는 나노크기의 구조를 가져야 한다. 이러한 나노크기의 금속 혹은 반도체 군섬은 인공적 또는 자연발생적으로 형성하게 되는데 일반적으로 상온에서의 열적요동에너지보다 큰 구속에너지를 제공하기 위해 수십 nm 이하의 구조를 형성해야 한다.
집속이온빔을 이용한 시료의 표면가공 시 직접 빔에 노출된 영역주위는 빔방사선효과에 의해 부분적인 결함을 나타내게 된다. 이러한 결함들은 시료에 주입된 빔의 에너지, 집속도, 노출시간 등에 따라 변하지만 모든 조건이 동일한 경우 시간에 따라 결함이 증가하게 된다. 빔을 시료에 주입시킨 후 적당한 시간이 흐른 후 형성된 결함들의 중첩에 의해 빔에 바로 노출되지 않은 영역에서는 나노입자군섬이 형성되고 시간이 더 지난 후에는 형성된 나노입자군섬의 밀도가 차츰 낮아지게 된다. 또한 형성된 나노입자들은 이온과 시료원자의 충돌로 발생되는 이차전자, 혹은 다른 원인에 의해 결정화되는 과정을 거쳐 나노 결정체를 형성하게 된다. 도 1, 도 2 는 각각 빔의 방사선효과에 의한 나노결정체 형성의 단면 개략도, 평면 개략도를 나타내고 있다.
두 가지 방법에 의해 나노결정체의 형성을 확인할 수 있는데 먼저 나노결정체 형성지역에 터널전류를 인가시켜 전기적 성질을 조사하거나 혹은 직접적인 방법으로 고배율 전자현미경을 이용해 관측하는 방법이다. 상온에서의 전류-전압 특성에서 Coulomb staircase 현상과 전도도-전압 특성에서 전도도의 주기적인 진동을나타내었다. 도 3 은 집속이온빔을 이용한 동위치에서 식각 및 나노결정체 형성과정으로 제작된 단전자 트랜지스터의 상이다. 그림에서 나노결정체형성지역으로 표시된 지역에 입사되는 이온빔을 적절하게 조절하면 그 지역에 나노결정체가 형성되고 소스-드레인에 전압을 가하면 전자는 소스전극에서 나노결정체를 통해 드레인 전극으로 이동하게 된다. 나노입자공정을 이용해 제작된 소자의 전기적 특성에 대한 상온에서의 측정시 게이트전압이 인가되지 않은 상태에서 전류-전압 특성은 Coulomb staircase 현상을 나타내고 전도도-전압 특성에서는 주기적인 전도도 진동 특성이 관측되었으며 게이트 전압이 인가된 경우 게이트전압에 의한 전류진동효과인 주기적인 Coulomb 진동 현상도 관측되었다. 이러한 전기적 성질은 나노결정체에 의해 나타나는 Coulomb blockade 현상으로 예측될 수 있으며 상온의 열적에너지보다 큰 구속에너지를 갖는 나노결정체가 생성되었음을 증명한다. 도 4 는 나노결정체가 형성된 지역을 고배율 투과전자현미경에 의해 관측한 사진이다. 도 4 의 나노입자형성지역에 대한 고배율 투과전자현미경 상은 집속이온빔 방사선효과에 의해 형성된 나노결정체의 크기가 수십 Å 임을 나타내며 각 나노결정체들은 일정한 결정방향을 갖고 있음을 알 수 있다. 또한 형성된 나노결정체간의 거리는 대략 10 Å 부근으로 낮은 바이어스 전압에 의해 터널전류를 형성할 수 있으며 단전자 트랜지스터의 양자효과인 Coulomb blockade 효과를 상온에서 나타낼 수 있다.
집속이온빔을 이용한 동위치에서 식각 및 나노입자형성 기술은 차세대 반도체 소자 또는 양자소자 제작에 있어 반드시 필요한 기술로서 아주 단순하며 동위치에서 식각 및 조절될 수 있는 크기의 나노결정체를 형성할 수 있는 획기적인 새로운 방법을 제시하여 차세대 반도체 소자 개발의 촉진제 역할을 할 것으로 사료된다.
Claims (1)
- 동위치에서 식각 및 나노결정체형성 공정에 있어서,집속이온빔을 이용한 직접 식각에 의하여 초미세 구조를 제작하는 동시에 집속이온빔의 방사선 효과에 의해 나타나는 결함의 중첩으로 형성되는 나노결정체를 특징으로하는 집속이온빔을 이용한 동위치에서 식각 및 나노결정체형성 기술.
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