KR20030059936A

KR20030059936A - 실리콘 나노 결정을 형성하는 새로운 공정.

Info

Publication number: KR20030059936A
Application number: KR1020020000355A
Authority: KR
Inventors: 강윤묵; 이세준; 김두수; 차정호; 김방현; 심영석; 장영욱; 강태원; 김득영
Original assignee: 강윤묵; 이세준; 김두수; 차정호; 김방현; 심영석; 장영욱; 강태원; 김득영
Priority date: 2002-01-03
Filing date: 2002-01-03
Publication date: 2003-07-12

Abstract

본 발명은 실리콘 나노 결정을 형성하는 새로운 공정에 관한 것으로서, r.f magnetron sputter를 이용하여 산화막/다결정 실리콘 박막/산화막으로 이루어진 다층 박막 구조를 증착하였다. 이 시료 위에 수 나노미터의 지름을 갖는 Au 나노 입자들을 형성하고, 이 Au 나노 입자를 반응성 이온 식각 시 식각 마스크로 이용하여 다결정 실리콘 박막을 실리콘 나노 결정립으로 만들었다. 식각 후 투과 전자 현미경(TEM) 측정으로 실리콘 나노 결정이 형성 되었음을 확인하였고, Cathodoluminescence(CL) 측정으로 청색 발광 소자로의 활용 가능성과 Capacitance-Voltage(C-V) 측정으로 메모리 소자로의 활용 가능성을 보였다.

[색인어]

실리콘 나노 결정(Silicon nano crystal), Au 나노 입자(Au nano particle), 식각(Etching), 산화막(SiO₂), 다결정 박막(poly-Si), 스퍼터(Sputter), CL(Cathodoluminescence)

Description

실리콘 나노 결정을 형성하는 새로운 공정.{New fabricaton process for Si nano crystals}

반도체는 그 크기가 수 나노미터 정도로 작아지면 여러 가지 양자현상이 일어나기 때문에 학술적, 상업적인 관점에서 큰 관심의 대상이 되고 있다. 이와 같은 나노기술의 핵심 중 하나가 실리콘 나노 결정을 형성하는 공정 개발에 있다. 본 발명은 실리콘 나노 결정을 형성하는 공정개발에 관한 것이며, 먼저 종래에 실리콘 나노 결정을 형성하는 공정들을 나열한다.

첫째로 대면적화는 어렵지만 양자점의 크기와 위치 제어가 용이하기 때문에 연구용으로 활용되고 있는 STM(Scanning Tunneling Microscopy), AFM(Atomic Force Microscopy) 공정이 있다. 두 번째로는 대면적화에는 유리하지만 위치 제어가 어려운 이온 주입(Ion Implantation)과 화학 기상 증착 방법이 있다. 이온 주입 방법에 의한 실리콘 나노 결정 형성 공정을 도. 2에 나타내었다. 두꺼운 산화막 안에 실리콘 이온을 높은 에너지로 가속하여 주입한 후 1000℃ 이상에서 열처리하면 실리콘 이온들이 서로 뭉치게되어 나노미터 크기의 실리콘 결정이 만들어진다. 그리고 화학 기상 증착(CVD) 공정 방법은 자발 형성 법으로 나노미터 크기의 결정을 형성한다. 핵 형성 단계 즉, 가스 상태의 실리콘들이 처음에 표면에서 서로 뭉치게되는 현상을 이용하여 나노미터 크기의 실리콘 결정들을 형성하는 공정이다(도. 3). 세 번째로는 규칙적인 패턴을 만들 수 있는 장점을 가진 반면 분해능의 한계로 식각 마스크로 사용 될 감광막을 50nm 이하로 그릴 수 없기 때문에 수 나노 미터크기의 양자점은 만들기 어려운 e-beam이나 X-ray 노광(lithography) 공정이 있다(도. 4).

이 세 분류의 방법은 고가의 장비를 활용하여야하는 단점이 있다.

본 발명은 실리콘 나노 결정을 만드는 새로운 방법으로, 노광 공정을 거치지 않고 자발적으로 형성된 Au 나노 입자를 다결정 실리콘 식각을 위한 식각 마스크로 이용하여 기존의 광, e-beam 그리고 x-ray를 이용한 노광 공정을 통한 방법으로 만들기 어려운 수 나노미터 크기의 실리콘 나노 결정을 만드는 기술에 관한 것이다. 특히 저가의 sputter 장비와 간편한 공정으로 평균지름 10nm, 밀도 4×10¹¹ cm ^-2의 Au 나노 입자를 식각 마스크로 활용하여 수 나노미터 크기를 갖는 실리콘 나노 결정의 형성과 이의 소자 응용에 관한 것이다.

제1a, 1b, 1c 및 1d도는 본 발명의 주요공정도. 제2도, 제3도, 제4도는 기존의 공정도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: p형 실리콘 기판

2 : 터널링 산화막(SiO₂)

3 : 보호 산화막(SiO₂)

4 : 다결정 실리콘 박막(poly-Si)

5 : Au 나노 입자

6 : SF6 가스

7 : 실리콘 나노 결정

8 : 게이트 산화막(SiO₂)

9 : 실리콘 이온

10 : 산화막(SiO₂)

11 : SiH₄가스

12 : 감광막(Photo resist film)

13 : 식각 후 감광막의 모양대로 형성된 다결정 실리콘 구조물

도.1a, 1b, 1c, 1d는 공정 순서도를 나타낸다.

가) Si 기판 위에 SiO₂산화막과 비정질 실리콘 박막을 증착한 후 1000℃ 질소 분위기에서 10분간 열처리를 하여 산화막을 활성화시키고 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 상을 변화시켰다(도. 1a).

나) 가)공정으로 제작된 시료위에 Au 박막을 Au 타겟을 이용하여 스퍼터로 증착한 후 550℃, 2 분 동안 열처리하여 Au 나노입자를 형성하였다(도. 1b). 형성된 Au 나노 입자는 지름이 약 10nm이며, 밀도는4×10¹¹ cm ^-2이다. 도. 5에 전자 주사 현미경(SEM)으로 측정한 Au 나노 입자의 형상을 보였다. 하얀 것들이 Au 나노 입자이다.

다) SF₆가스로 반응성 이온 식각을 하여 3nm 두께의 보호 산화막과 5nm 두께인 다결정 실리콘을 식각하였다. 이 때 Au 식각 마스크를 따라서 지름이 약 10nm 인 실리콘 나노 결정이 만들어진다(도. 1c).

라) 식각 마스크로 사용된 Au 나노 입자를 aqua regia 용액으로 제거 한 후 스퍼터로 게이트 산화막을 증착한 그림이다(도. 1d). 이로써 SiO₂산화물 속에 지름이 10nm인 Si 나노 결정이 박혀있는 구조가 완성된다. 이 시료로 실리콘 나노 결정의 모양을 TEM으로 관찰하고(도. 6), CL을 측정하여 발광 특성을 확인하였으며(도. 7), 전극을 형성하여 C-V 측정으로 메모리 특성을 확인하였다.(도. 8)

위 공정에 사용된 실험방법으로는 먼저 SiO₂(3nm)/a-Si(5nm)/SiO₂(3nm) 박막을 5∼10Ω·cm의 비저항을 갖는 Boron이 도핑된 p형 Si(100) 기판 위에 r.f magnetron sputter를 이용하여 증착시켰다. 증착 전 Si 웨이퍼를 H₂SO₄:H₂O₂=4:1 용액으로 세정하고 희석된 불산(HF:DI water=1:50) 용액으로 자연 산화막을 제거하였으며 고 순도 질소 가스로 건조 시켰다. 표.1에 공정조건을 나타내었다. 산화막은SiO₂타겟을 사용했으며, 소자의 누설 전류와 계면의 결함 밀도를 줄이고 step coverage를 향상시키기 위해서 기판온도를 250℃로 유지하면서 산소 분압비{O₂/(Ar+O₂)}를 20%로 고정시켰다. a-Si 박막은 Si 타겟을 사용하여 Ar 분위기에서 증착하였다. 증착 후 1000℃에서 10분간 N₂분위기에서 열처리를 하였다. 이 공정을 통하여 산화막이 활성화되고 비정질 실리콘은 다결정 실리콘이 된다. SiO₂/poly-Si/SiO₂시료 위에 Au를 스퍼터로 20초간 증착하고 550℃에서 2분간 열처리하였다. 반응성 이온 식각은 SF₆가스 유량 20sccm, 전력 20W, 식각 진공도 30mmHg의 조건을 사용하였으며 Au 나노 입자들이 식각 마스크로 활용되었다. 건식 식각 후 Au 나노 입자들을 aqua regia로 제거하고 gate oxide를 증착하여 열처리를 하였다.

본 발명은 나노 결정을 만들기 위해 사용되던 기존의 공정과는 다르게 Au 나노 입자를 식각 마스크로 이용하여 실리콘 나노 결정을 형성하는 새로운 공정으로서, 광, e-beam 그리고 X-ray 노광 공정으로는 구현하기 힘든 10nm이하의 지름을 갖는 실리콘 나노 결정을 형성 할 수 있고, 또한 AFM, STM으로 이루어지는 공정보다는 결정의 위치제어가 어렵지만 대면적화가 가능하며, 4×10¹¹ cm ^-2정도의 고 밀도 실리콘 나노 결정을 형성할 수 있다는 장점이 있다. 또한 보호 산화막/다결정 실리콘 박막/터널링 산화막 구조를 보호 산화막/화합물 반도체 박막/터널링 산화막구조로 바꿀 경우 다결정 실리콘 박막을 나노 결정 실리콘으로 만드는 공정과 유사하게 화합물 반도체 박막을 식각하여 이온 주입 법이나 화학 기상 증착 법으로 형성하기 어려운 나노미터 크기의 화합물 반도체(또는 화합물 반도체 양자점)를 쉽게 형성할 수 있다는 장점이 있다.

상기 공정을 통하여 얻은 실리콘 나노 결정이 함유된 시료를 CL로 측정하여 청색 영역인 410nm 파장에서 발광하는 특성을 확인하였는데(도. 7), 이는 청색 발광소자로 실리콘 나노 결정이 사용될 수 있음을 보여준다. 그리고 실리콘 나노 결정 층이 외부와 전기적으로 분리되어 부유 게이트로 사용된 MOS Capacitor 구조를 갖는 시료로 C-V를 측정하여 얻은 0.23[V]의 flat band voltage의 변화는(도 .8) 실리콘 나노 결정 flash 메모리 소자로의 활용가치를 보여주는 결과이다.

Claims

Au 나노 입자를 식각 마스크로 이용하여 다결정 실리콘을 실리콘 나노 결정으로 만드는 공정(도. 1).
상기 도. 1의 공정에 의하여 제작되는 청색 발광 소자(도. 7).
상기 도. 1의 공정에 의하여 제작되는 메모리 소자(도. 8).