KR20100023493A - 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장과 양극 산화 알루미늄나노 템플레이트를 이용한 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자 - Google Patents

실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장과 양극 산화 알루미늄나노 템플레이트를 이용한 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 정렬도를 갖는 실리콘 게르마늄 나노선(nano-wire)의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 실리콘 기판 위에 제작된 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트에 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장을 이용하여 나노 템플레이트의 구멍 바닥에 노출된 실리콘 기판 부분에서만 실리콘 게르마늄을 선택적으로 성장시킨 뒤, 양극 산화 알루미늄을 제거함으로써 실리콘 기판 위에 실리콘 게르마늄 나노선을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 실리콘 게르마늄 나노선의 제조 방법은 대면적 제조가 가능할 뿐만 아니라, 금속 촉매의 사용 없이 균일한 반지름을 갖는 나노선을 제조할 수 있고 동시에 나노선의 위치와 밀도의 조절이 가능한 장점을 가지므로, 나노선 전계방출효과트랜지스터, 나노선 광방출/검출 소자, 나노선 태양전지, 나노선 레이저 등의 다양한 분야에 이용할 수 있다.
실리콘 게르마늄, 나노선(線), 선택적 에피 성장, 양극산화 알루미늄, 대면적 제조, 전계방출효과트랜지스터, 나노선 광방출/검출 소자, 나노선 태양전지, 나노선 레이저

Description

실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장과 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트를 이용한 실리콘 게르마늄 나노선의 제조 방법 및 이를 이용한 반도체 소자 {FABRICATION METHOD FOR SIGE NANOWIRES VIE SELECTIVE EPITAXIAL GROWTH OF SIGE ON ANODIC ALUMINUM OXIDE NANOTEMPLATE AND A SEMICONDUCTOR ELEMENTS USING THE SAME}
본 발명은 실리콘 게르마늄 나노선의 제조 공정 및 이를 이용한 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알루미늄의 양극 산화를 통해 제조한 자기조립 (self-assembly) 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트(template)에 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장을 적용하여 균일한 반지름을 갖고 높은 정렬도를 구현하고 동시에 대면적 제조가 가능한 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법과, 이를 이용한 반도체 소자에 관한 것이다.
반도체 나노선의 제조는, 1960년대부터 금속 촉매를 이용한 VLS (Vapor-Liquid-Solid) 방법에 의해 흔히 제조되어 왔다.
이와 같은 VLS 방법은 나노선의 성장 과정에 기체, 액체, 고체의 세 가지 상이 관여함으로써 나노선이 성장하게 된다. 예를 들어, 금(Au)이 도포된 실리콘 기 판을 진공 챔버에서 금과 실리콘의 공융점(eutectic point)인 623 ℃ 이상의 온도로 가열한 후, 모노실란(SiH4), 테트라클로실란(SiCl4)과 같은 실리콘 소스 가스를 공급하면, 실리콘 소스 가스의 열분해에 의해 실리콘이 금-실리콘 공융액에 녹아들어가게 되고, 용융액 내부의 실리콘의 농도 구배에 의해 실리콘은 실리콘 소스 가스와 공융액이 닿는 표면의 반대편, 즉 공융액의 아래쪽으로 이동하게 되고 실리콘 고체상으로 석출되면서 나노선이 형성된다.
그러나 이와 같은 VLS 방법에 의한 반도체 나노선의 제조의 경우, 제조 방법이 간단하고 손쉽게 나노선을 제조할 수 있는 장점이 있으나, 반도체 소자의 신뢰성 측면에 치명적인 영향을 미칠 수 있는 금속 불순물이 함유되는 것을 완전히 배제할 수 없기 때문에 반도체 소자로의 응용은 제한적이다.
예를 들어, VLS 방법에 있어서 금속 촉매로 흔히 이용되는 금(Au)이나 철(Fe)의 경우 실리콘 밴드갭 내부에 deep level을 형성함으로써 전자와 정공과 같은 반송자(carrier)의 수송 현상을 방해하는 문제를 초래한다.
또한, VLS 방법에서 사용되는 금속 촉매는 흔히 박막이나 나노 입자의 형태이기 때문에, 이를 통해 제조된 반도체 나노선은 지름에 따라 성장 방향이 다를 뿐만 아니라, 나노선의 지름, 위치 조절 및 밀도의 조절에 한계가 있어 양산화의 기초가 되는 대면적 제조 공정에 적용하기에는 어려움이 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장과 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트를 이용함으로써, 균일한 지름과 높은 정렬도를 구현할 수 있을 뿐 아니라 나노선의 크기, 위치, 밀도를 조절할 수 있어 대면적 제조 공정에 적용할 수 있는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한 본 발명의 다른 과제는 상기한 나노선의 제조 방법을 이용하여 제조된 반도체 소자를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, (a) 실리콘 기판상에 소정 형상의 나노 구멍이 다수 개 형성되어 있는 나노 템플레이트를 제조하는 단계; (b) 상기 나노 템플레이트 구멍 바닥을 식각하여 저항층을 제거하는 단계; (c) 상기 나노 템플레이트 구멍의 바닥으로부터 실리콘 게르마늄을 선택적으로 에피 성장시키는 단계; 및 (d) 상기 나노 템플레이트를 제거하는 단계;를 포함하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법을 제공한다.
이상과 같은 구성적 특징을 갖는 본 발명은 기판에 대략 수직한 방향으로 형성된 나노 크기의 구멍을 갖는 나노 템플레이트를 제조한 후, 건식 식각 공정을 통해 구멍의 바닥의 저항층(barrier layer)을 제거하여 실리콘 기판이 국부적으로 노출되도록 하고, 나노 크기의 구멍 바닥부터 실리콘 게르마늄을 선택적으로 성장시 킨 후, 나노 템플레이트를 제거함으로써, 종래기술로 구현하지 못했던 실리콘 기판 위에 지름이 균일하고 우수한 정렬도를 가질 뿐 아니라 금속 불순물의 함유를 배제시킬 수 있고 대면적 제조공정에 적용 가능한 나노선을 얻을 수 있다는 점을 기술적 사상으로 한다.
또한, 상기 나노 템플레이트는 구멍의 크기와 밀도 조절이 가능하고 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장을 할 수 있도록 하는 것이면 어느 것이나 사용될 수 있으나, 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장을 고려할 때 양극 산화법으로 형성된 산화 알루미늄으로 이루어진 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 (c) 단계의 에피 성장은 초진공 화학적 기상 증착 방법에 의하는 것이 바람직하다. 여기서 초진공이라 함은 10-7mbar 이하의 진공도를 의미한다.
또한, 상기 화학적 기상 증착 중 염소(Cl2) 가스를 주입하여 양극 산화 알루미늄 영역에서의 실리콘 게르마늄의 성장을 억제함으로써, 나노 템플레이트의 구멍 바닥으로부터 실리콘 게르마늄의 선택적 성장이 이루어지도록 하며, 상기 실리콘 게르마늄의 증착 온도는 500 ~ 550 ℃로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c) 단계의 에피 성장시 실리콘 게르마늄의 성장 시간을 조절함으로써 나노선의 길이를 조절할 수 있으며, 상기 (a) 단계의 나노 템플레이트의 구멍의 직경 또는 밀도를 조절함으로써, 실리콘 게르마늄 나노선의 지름과 밀도를 조절할 수 있다. 이를 통해 본 발명에 의하면 종래 구현하기 어려웠던 지름, 길이, 간격, 밀도가 정밀하게 제어된 대면적의 실리콘 게르마늄의 나노선을 얻을 수 있 다.
또한, 상기 (c) 단계의 에피 성장시 주입되는 반응가스 중 실리콘 소스와 게르마늄 소스 가스의 주입량과 그 비율을 조절함으로써 게르마늄의 농도 조절이 가능하다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조한 실리콘 게르마늄 나노선을 이용하여 제작한 나노선 전계방출효과트랜지스터, 나노선 광방출/검출 소자, 나노선 태양전지, 나노선 레이저 등의 반도체 소자를 제공한다.
본 발명에 의한 실리콘 게르마늄 나노선의 제조 방법은, 높은 정렬도와 균일도를 갖는 나노 템플레이트를 이용하여 나노선을 형성하기 때문에, 생성된 나노선도 높은 정렬도와 균일도를 가질 뿐 아니라, 종래의 방법으로 구현하기 어려웠던 대면적 제조공정에 적용할 수 있는 실리콘 게르마늄 나노선을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법은, 금속 촉매의 사용 없이 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장에 의해 나노선이 생성되기 때문에, 나노선 내부에 금속 불순물이 함유되는 것을 원천적으로 배제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법은, 나노 템플레이트의 나노 구멍의 지름 및 밀도의 조절과, 나노선의 에피 성장 시간의 조절 및 에피 성장시 소스 가스의 농도 조절 등을 통해, 적용될 소자의 필요에 맞게 나노선의 지름, 간격, 밀도, 길이, 게르마늄의 농도 등에 대한 정밀한 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법에 의해 제조된 실 리콘 게르마늄 나노선은, 전계방출효과 트랜지스터, 광방출/검출 소자, 태양전지, 레이저 등에 직접적으로 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 "포함한다"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및 /또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법을 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법의 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SiGe 나노선의 제조방법은, 크게 양극 산화법을 이용하여 실리콘 기판상에 수직하게 나노 구멍이 배열된 산화 알루미늄 나노 템플레이트를 제조하는 단계, 나노 구멍의 바닥층을 식각하여 실리콘이 노출되도록 하는 단계, 나노 구멍에서 실리콘-게르마늄(SiGe)을 선택적으로 성장시키는 단계, 및 나노 템플레이트를 제거하는 단계로 이루어지며, 이하에서는 이들 각 단계에 대해 상세하게 설명한다.
양극산화 알루미늄 나노 템플레이트의 제작
양극산화 알루미늄 나노 템플레이트는 Si 기판 위에 2 ㎛ 두께로 증착한 알루미늄의 양극산화를 통해 제조하였다. 0.3 M 옥살산(oxialic acid)을 15 ℃의 온도를 유지하면서 40볼트의 전압을 인가함으로써 양극산화를 진행하였다. 1차로 형성된 양극산화층을 65℃의 크롬산 9g + 인산 20.2 ml + 탈이온수(deionized water) 로 이루어진 500 ml 혼합용액에 침지하여 제거하면 규칙적인 얕은 홈을 가진 알루미늄의 표면이 노출된다. 이어서, 전술한 양극산화를 2 ~ 4회 반복함으로써 높은 정렬도를 갖는 나노 템플레이트를 제작하였다. 이후, 나노 템플레이트를 30 ℃, 0.1 M 인산용액에 침지함으로써, 구멍의 크기를 조절하였다. 이를 통해, 수직방향의 종횡비(aspect ratio)가 10:1인 나노 템플레이트를 제작하였다.
한편, 전술한 실시예와 달리 산용액, 온도, 전압, 인산용액에의 침지 시간등의 공정 조건 변화를 통해 구멍의 간격, 크기, 깊이의 조절이 가능하다.
나노 템플레이트 구멍 바닥의 식각
실리콘 기판상에 형성된 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트의 구멍 바닥의 저항층을 트리클로로보란(BCl3) 20 sccm과 아르곤(Ar) 10 sccm의 혼합 가스의 플라즈마를 이용한 공지의 건식 식각 방법을 통해 제거하였으며, 이때 건식 식각의 구 체적인 공정 조건은 소스파워 150와트 바이어스 파워 150와트, 식각 시간은 300초로 하였다. 이를 통해 나노 템플레이트의 구멍 바닥에는 실리콘이 노출된 상태가 되었다.
SiGe 의 선택적 에피 성장
본 발명의 실시예에서는 초고진공 화학적 기상 증착법을 이용하여 실리콘 게르마늄이 실리콘 영역에만 선택적으로 성장하게 하는 선택적 에피 성장을 통해 나노 템플레이트의 알루미나에서의 실리콘 게르마늄의 성장을 억제하고 실리콘이 노출된 나노 템플레이트의 구멍 바닥에서부터 실리콘 게르마늄이 구멍을 따라 성장하게 하였다.
구체적으로, 실리콘 게르마늄(SiGe)의 성장에는 디실란(Si2H6)과 게르만(GeH4)을 반응 가스로 이용하였다. 또한, 염소(Cl2) 가스를 반응 챔버 내부로 주입하여 알루미나 영역에서의 실리콘 게르마늄의 성장을 억제함으로써, 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트의 구멍 바닥에 노출된 실리콘 기판 영역에서부터 실리콘 게르마늄의 성장이 이루어지도록 하였다. 이때, 실리콘 게르마늄의 성장온도는 500 ~ 550 ℃이고 디실란의 유량은 10 sccm이며, 게르만의 유량은 20 sccm, 염소의 유량은 1 sccm로 하였다.
실리콘 게르마늄의 성장은 디실란과 게르만을 함께 20초간 반응 챔버로 주입하면서 실리콘 게르마늄을 성장하는 단계와, 염소 가스를 반응 챔버로 12초간 주입 하면서 선택적 성장을 유도하는 단계를 1 사이클(cycle)로 하여, 상기 두 단계로 이루어진 단위 사이클을 반복함으로써 이루어지며, 본 발명의 실시예에 따라 450 사이클을 반복함으로써, 도 2에서와 같이 평균 지름 65±10 nm, 나노선간 간격 100 nm의 실리콘 게르마늄 나노선을 제조하였다.
나노 템플레이트의 제거
전 단계에서 나노 템플레이트의 구멍 내부에 실리콘 게르마늄의 성장이 완료된 후에는, 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트를 전술한 바 있는 크롬산 9g + 인산 20.2 ml + 탈이온수로 이루어진 500 ml 혼합용액에 침지하여 양극 산화 알루미늄 나노 템플레이트만을 선택적으로 제거함으로써 도 3에서와 같이 실리콘 기판상에 지름이 균일하고 높은 정렬도를 갖는 실리콘 게르마늄 나노선을 제조하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 게르마늄 나노선의 제조 방법에 대한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 양근산화 알루미늄 나노템플레이트 내부에 형성된 실리콘 게르마늄 나노선의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라, 양극산화 알루미늄 나노템플레이트 제거 후의 실리콘 게르마늄 나노선의 주사전자현미경 사진이다.

Claims (9)

  1. 실리콘 게르마늄 나노선을 제조하는 방법으로,
    (a) 실리콘 기판상에 소정 형상의 나노 구멍이 다수 개 형성되어 있는 나노 템플레이트를 제조하는 단계;
    (b) 상기 나노 템플레이트 구멍 바닥을 식각하여 저항층을 제거하는 단계;
    (c) 상기 나노 템플레이트 구멍의 바닥으로부터 실리콘 게르마늄을 선택적으로 에피 성장시키는 단계; 및
    (d) 상기 나노 템플레이트를 제거하는 단계;를 포함하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 템플레이트는 양극 산화법으로 형성된 산화 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 (c) 단계의 에피 성장은 화학적 기상 증착 방법에 의하는 것을 특징으로 하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 (c) 단계의 에피 성장시 실리콘 게르마늄의 성장 시간을 조절함으로써, 나노선의 길이를 조절하는 것을 특징으로 하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 (a) 단계의 나노 템플레이트의 구멍의 직경 또는 밀도를 조절함으로써, 실리콘 게르마늄 나노선의 지름과 밀도를 조절하는 것을 특징으로 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 (c) 단계의 에피 성장시 주입되는 반응가스 중 게르마늄의 농도를 조절함으로써, 실리콘 게르마늄 나노선의 게르마늄 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 화학적 기상 증착 중 염소(Cl2) 가스를 주입하여 나노 템플레이트로부터의 실리콘 게르마늄의 성장을 억제함으로써, 실리콘 게르마늄의 선택적 성장이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 실리콘 게르마늄의 증착 온도를 500 ~ 550 ℃로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 방법에 의해 제조된 나노선을 포함하는 반도체 소자.
KR1020080082292A 2008-08-22 2008-08-22 실리콘 게르마늄의 선택적 에피 성장과 양극 산화 알루미늄나노 템플레이트를 이용한 실리콘 게르마늄 나노선의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 소자 KR20100023493A (ko)

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