KR20120077789A - 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법 및 광다이오드 - Google Patents

수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법 및 광다이오드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법으로서 아연 원을 증착 반응기에 공급하여 실리콘 나노선 위에 아연화합물을 흡착시키는 단계, 미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제1퍼징단계, 상기 반응기에 산소원, 질소원을 혼합하여 공급하고 아연 함유 화학종이 흡착된 실리콘 나노선 위에 산소함유 화학종을 흡착시키고 질소도핑하는 단계 및 미반응 산소원 또는 질소원을 제거하고, 반응 부산물을 제거하는 제2퍼징단계를 포함한다. 본 발명에 의해서 원통형 나노선 실리콘 기판에 증착되는 산화아연 박막의 균일도가 향상되고 비교적 낮은 온도공정에서 박막의 증착을 수행하게 됨으로 인해서 기판의 변형에 대한 우려가 감소하게 된다.

Description

수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법 및 광다이오드{DEPOSITION METHOD OF ZINCOXIDE TO SILICON NANOWIRE VERTICAL SORTING AND PHOTODIODE}
본 발명은 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 원자층 증착법을 이용하여 산화아연을 균일하게 증착시키는 방법에 관한 것이다.
최근 이미지 센서에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 상태에서 수광부의 수광률을 향상시켜 빛에 반응하는 민감도를 증가시키기 위해서 광다이오드 구조를 변화시키거나 물질상의 특성을 이용하여 소자의 재료를 변화시키는 등의 시도가 계속되고 있다.
흔히 사용되는 CIS(CMOS IMAGE SENSOR)에는 광다이오드가 반드시 각 픽셀마다 구비되어 있어야 하는데 이러한 센서의 감도와 화질을 개선하기 위해서는 렌즈에 들어오는 빛을 전자로 바꾸어주는 광다이오드의 역할이 매우 중요하다
일반적인 광다이오드의 표면은 평면으로 구성되어 있으며 양극 실리콘 표면에 음극 산화아연을 증착시킴에 의해서 p-n접합의 다이오드를 형성하게 된다. 음극 산화아연을 증착시키기 위해서 화학기상증착법(CVD), 스퍼터링(sputtering)등의 방법에 의해서 산화아연을 증착하게 되고, 화학기상증착법은 IC(집적회로) 등의 제조공정에서 기판 위에 실리콘(규소) 등의 박막을 만드는 공업적 수법이다. 실리콘 산화막, 실리콘 질소막, 아모르퍼스 실리콘(Amorphous Silicon) 박막 등을 만드는데 쓰인다. 화학물질을 포함하는 가스에 열이나 빛으로 에너지를 가하거나, 고주파로 플라스마화시키면 원료물질이 라디칼화되어 반응성이 크게 높아져서 기판 위에 흡착되어 퇴적한다.
스퍼터링 방법은 진공 상태에서 아르곤 가스를 소량 주입하고 한편에는 재료 물질인 원반형 타겟을 두고 반대 쪽에는 기판을 두고 둘 사이에 전압을 인가하면 아르곤이 이온화되고 전압에 의해 가속되며 타겟에 부딪히게 된다. 이때 타겟의 재료가 튀어나와서 반대쪽에 있는 기판에 붙어서 성장하게 되어 박막이 만들어진다.
이러한 화학기상증착법과 스퍼터링을 이용한 산화아연 박막을 증착시키는 방법은 비교적 높은 온도에서 수행되므로 기판의 변형이 일어날 수 있으며, 균일도가 좋지 않으며, 막의 두께를 조절하는데 곤란한 점이 있다. 특히 실리콘 표면이 균일한 평면을 형성하고 있는 경우와는 달리 수직 정렬된 원통형의 나노선과 같은 형태로 형성되어 있는 경우에는 화학기상증착법과 스퍼터링 방법에 의해서 원하는 균일도를 얻을 수가 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수직으로 정렬된 원통형의 나노선 실리콘 기판에 원자층 증착법을 이용하여 균일도를 향상시키고자 함이다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법에 있어서, 아연 원을 증착 반응기에 공급하여 실리콘 나노선 위에 아연화합물을 흡착시키는 단계, 미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제1퍼징단계, 상기 반응기에 산소원, 질소원을 혼합하여 공급하고 아연 함유 화학종이 흡착된 실리콘 나노선 위에 산소함유 화학종을 흡착시키고 질소도핑하는 단계 및 미반응 산소원 또는 질소원을 제거하고, 반응 부산물을 제거하는 제2퍼징단계를 포함한다.
상기 제1퍼징단계는 상기 반응기에 불활성기체를 투입하고 퍼징하는 것을 특징으로 하고 상기 아연 원은 알킬산알킬아연화합물, 이소프로필산메틸아연, 이소프로필산에틸아연, 이차부틸산메틸아연, 삼차부틸산메틸아연인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 산소원은 물인 것과 상기 질소원은 암모니아인 것을 특징으로 하며, 상기 아연화합물을 흡착시키는 단계, 상기 제1퍼징단계, 산소함유 화학종을 흡착시키는 단계, 제2퍼징단계를 반복하여 목표 두께를 형성하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기와 같은 원자층 증착법으로 산화아연이 증착된 수직 정렬 실리콘 나노선을 포함하는 광다이오드에 관한 발명으로서 상기와 같은 목적을 달성할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 원통형 나노선 실리콘 기판에 증착되는 산화아연 박막의 균일도가 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 비교적 낮은 온도공정에서 박막의 증착을 수행하게 됨으로 인해서 기판의 변형에 대한 우려가 감소하게 된다.
도1은 원자층 증착법에 의해서 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하여 광다이오드를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도2는 원자층 증착법을 이용하여 산화아연을 증착하는 1사이클을 개략적으로 표현한 도면이다.
도3은 본 발명의 일실시예인 수직정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연 박막이 원자층 증착법을 이용하여 증착된 광다이오드를 나타낸 도면이다.
도4는 평판구조의 실리콘 표면에 산화아연박막이 형성된 광다이오드 개략도이다.
도5는 각 광다이오드의 민감도를 표현하는 지수인(EQE, External Quantum Efficiency)를 나타낸 도면이다.
도6은 각 광다이오드의 반응도를 나타낸 도면이다.
도7은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 실리콘 나노선을 포함하는 광센서인 CMOS의 한 픽셀을 표현한 도면이다.
도8은 본 발명의 일실시예인 원자층 증착법의 개략도이다.
도9는 본 발명인 원자층 증착법에 의해서 형성되는 소자와 수직정렬될 실리콘 나노선의 단면도이다.
도10은 실제 광 다이오드에 빛이 입사할 때 이동경로를 나타낸 도면이다.
실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 구체화되어질 수 있고, 여기에서 설명되는 양태들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 상기 양태들은 실시예들을 더욱 철저하고 완전하게 되도록 해주며, 당업자에게 실시예들의 영역을 충분히 전달할 수 있도록 해준다. 비록 제1, 제2 .. 등을 지칭하는 용어들이 여러 구성 요소들을 기술하기 위하여 여기에서 사용되어 질 수 있다면, 상기 구성 요소들은 이러한 용어들로 한정되지 않는 것으로 이해되어 질 것이다. 단지 이러한 용어들은 어떤 구성 요소로부터 다른 구성 요소를 구별하기 위해서 사용되어질 뿐이다.
이하 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
도1은 원자층 증착법에 의해서 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하여 광다이오드를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도1에 도시된 바와 같이 (a) RCA공정단계 HF클리닝단계, (b) 원자층증착법에 의한 산화아연 박막을 증착하는 단계, (c) RTA공정단계, (d) ITO 증착단계를 포함한다.
먼저 (a) RCA 공정단계는 암모니아, 과산화수소, 물을 1:1:5의 비율로 혼합한다. 혼합된 액체에 90℃에서 약 20분간 산화아연을 증착하기 전에 실리콘 나노선 기판을 담근다. 상기 혼합액체에 기판을 담그게 되면 나트륨 이온과 같이 기판의 표면에 있는 불순물들을 제거할 수가 있으며, 이후에 불소(HF) 49%되는 용액에 기판을 클리닝하게 되면 기판상에 남아 있는 Native oxide가 제거된다.
상기 RCA공정과 불소용액에 의한 클리닝 공정에 의해서 불순물이 제거된 실리콘 나노선 기판으로 본 발명인 (b) 원자층증착법(ALC)공정을 시작하게 된다.
이하 본 발명의 일실시예인 원자층 증착법에 대해서 자세히 설명한다.
원자층 증착법은 반도체 제조 공정 중 화학적으로 달라붙는 단원자층의 현상을 이용한 나노 박막 증착 기술로서 기판 표면에서 분자의 흡착과 치환을 번갈아 진행함으로 원자층 두께의 초미세 층간(layer-by-layer) 증착이 가능하고, 산화물과 금속 박막을 최대한 얇게 쌓을 수 있는 박막형성 기법이라고 할 수 있다.
본 발명인 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법은 아연 원을 증착 반응기에 공급하여 실리콘 나노선 위에 아연화합물을 흡착시키는 단계, 미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제1퍼징단계, 상기 반응기에 산소원, 질소원을 혼합하여 공급하고 아연 함유 화학종이 흡착된 실리콘 나노선 위에 산소함유 화학종을 흡착시키고 질소도핑하는 단계, 미반응 산소원 또는 질소원을 제거하고, 반응 부산물을 제거하는 제2퍼징단계를 포함한다.
도2는 원자층 증착법을 이용하여 산화아연을 증착하는 1사이클을 개략적으로 표현한 도면이다.
도2에 도시된 바와 같이 전구체(precursor)로서 아연 원을 증착 반응기에 공급하여 실리콘 나노선 위에 아연화합물을 흡착시키는 단계를 거친다.
상기 아연원은 알킬산알킬아연화합물, 이소프로필산메틸아연, 이소프로필산에틸아연, 이차부틸산메틸아연, 삼차부틸산메틸아연 일 수 있다. 아연원은 실리콘 나노선 위에 흡착되고 도2에 도시된 바와 같이 원자층 두께의 아연원이 층을 이루어 형성된다. 본 발명인 원통형 실리콘 나노선위에 층을 이루어 결합되어 수직정렬되어 미세한 홈에 있는 부분까지 conformity를 우수하게 유지하면서 실리콘 나노선 기판위에 결합된다.
상기와 같은 실리콘 나노선 위에 아연화합물을 흡착시키는 단계는 1초 정도 지속한다. 1초 이상의 시간을 투입할 수 있으나 실험적으로 1초의 시간간격은 결합하지 않는 아연화합물의 부산물을 줄이고 끊기지 않고 아연원의 층을 이룰 수 있도록 하는 필요한 시간이다.
상기와 같은 아연화합물을 흡착시키는 단계를 거친 후에 제1퍼징단계를 거친다. 상기 제1퍼징단계는 반응기 내부에 불활성기체를 투입하여 소정의 압력으로 실리콘 나노선 위를 세척하는 공정이다. 이 때 불활성기체로는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등을 사용할 수 있고 본 발명의 일실시예는 상기 불연성, 비활성 기체인 불활성 기체 중에 아르곤(Ar)을 사용하였다.
아르곤(Ar)가스를 반응기에 투입하여 퍼징단계를 수행하면 상기 아연화합물을 흡착시키는 단계에서 실리콘 나노선 표면과 반응하지 않고 남아 있는 아연원을 제거하고 반응에 따른 부산물 또한 제거하여 표면상에 얇은 아연원층만을 형성하도록 한다. 상기 제1퍼징단계는 약 3초간 수행하게 된다.
상기 제1퍼징단계를 거친후에 반응기에 산소원, 질소원을 혼합하여 공급하여 아연함유 화학종이 흡착된 실리콘 나노선 위에 산소함유화합종을 흡착시키고 질소도핑을 하는 단계를 거친다.
상기 산소원은 아연함유 화학종과 반응하여 산화아연(ZnO)를 실리콘 나노선 표면에 형성하게 되고 질소원은 불순물을 투입하여 산화아연이 n형 반도체 박막을 형성하도록 한다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 산소원으로 물과 상기 질소원으로 암모니아를 사용한다. 물과 암모니아를 소정의 비율로 혼합하여 희석용액을 실리콘 나노선 기판에 1초간 공급한다.
상기 산소함유화학종을 흡착시키고 질소도핑하는 단계를 거치게 되면 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연박막층이 형성된다. 상기와 같은 단계를 거친 후에 마지막으로 제2퍼징단계를 거친다.
상기 제2퍼징단계는 미반응 산소원과 질소원을 제거하고 반응 부산물을 제거하기위해서 약 5초간 상기 제1퍼징단계에서와 같이 불활성기체를 반응기내에 투입함으로서 수행된다.
본 발명의 일실시예인 원자층 증착법은 상기 수직정렬된 실리콘 나노선 위에 아연화합물을 흡착하는 단계와 제1퍼징단계, 산호함유화학종을 흡착시키고 질소도핑하는 단계, 제2퍼징단계를 거치게 되면 1사이클이 완성된다.
원자층 증착법 1사이클이 완성되면 수nm단위의 원자층이 형성된다. 산화아연박막의 증착두께가 목표로 하는 두께에 이르도록 상기 1사이클을 반복함으로서 달성될 수 있다.
도1에 도시된 (b) 원자층 증착법에 의한 산화아연 박막을 증착시키는 단계가 완성되면 (c) RTA 공정 단계를 수행한다. 어닐링(annealing)공정으로서 상기 (b)단계에 의해서 형성된 n형 박막을 p형 실리콘 기판과 접합이 되도록 하는 단계로서 상기 산화아연박막이 형성된 수직 정렬된 실리콘 나노선 기판을 700℃온도로 가열하고 상기와 같은 온도를 약 40초동안 유지한다. np접합이 되어 전자, 정공의 이동이 원활하도록 하기 위한 공정으로 사실상 원자층 증착법을 이용하여 n형 박막을 증착과 동시에 형성하게 되어 생략이 가능한 공정이다. 특히 고온공정을 포함하고 있으므로 실리콘 기판의 변형이나 손상이 우려되는 경우에는 (c) 단계인 RTA공정을 거치지 않아도 무방하다.
원자층 증착법에 의해서 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하여 광다이오드를 제조하는 방법으로서 마지막 단계인 투명전극(ITO)를 형성하는 단계는 스퍼터링을 이용하여 상기 수직 정렬된 실리콘 나노선 기판 위에 전극을 형성한다.
도3은 본 발명의 일실시예인 수직정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연 박막이 원자층 증착법을 이용하여 증착된 광다이오드를 나타낸 도면이다.
도3에 도시된 바와 같이 수직정렬된 실리콘 나노선 표면에 균일하게 산화아연 박막이 일정한 두께로 형성되어 있고 그 위에 투명전극인 ITO가 형성되어 있다.
도4는 평판구조의 실리콘 표면에 산화아연박막이 형성된 광다이오드 개략도이다.
도4는 종래 스퍼터링방법 또는 화학기상증착법에 의해서 산화아연박막을 형성한 광다이오드의 개략도로서 직관적으로 본 발명의 일실시예인 도3과 비교해 보아도 표면적에서 큰 차이가 있음을 알 수 있다.
도5는 각 광다이오드의 민감도를 표현하는 지수인(EQE, External Quantum Efficiency)를 나타낸 도면이다. 도6은 각 광다이오드의 반응도를 나타낸 도면이다. 도5와 6에 도시된 바와 같이 전반적으로 본 발명인 수직정렬된 실리콘 나노선 표면에 산화아연박막을 형성한 광다이오드가 EQE와 반응도가 우월함을 확인할 수 있다.
도7은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 실리콘 나노선을 포함하는 광센서인 CMOS의 한 픽셀을 표현한 도면이다.
도7에 도시된 바와 같이 입사빛을 모아주는 렌즈와 렌즈 밑에 칼라필터, 실리콘 기판에 형성되어 있는 광다이오드가 포함되어 있다. 입사하는 빛에 의해서 pn접합에서 bandgap을 뛰어넘는 에너지를 공급받고 전류가 흐르게 되면 빛에너지를 전기에너지로 변환하여 센서로서 동작하게 된다. 이 때 수광부라고 할 수 있는 광다이오드 부분은 집광부인 렌즈가 형성되어 있음에도 불구하고 민감도를 증가시키기 위해서 본 발명과 같은 수직 정렬될 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착시킨 소자를 사용하게 되면 민감도가 향상되게 된다.
도8은 본 발명의 일실시예인 원자층 증착법의 개략도이다.
도8에 도시된 바와 같이 수직정렬될 실리콘 나노선 기판에 아연원(디에틸아연)과 산소원으로 물을 반응시켜 산화아연을 증착시키는 개략적인 공정을 표현하였다.
도9는 본 발명인 원자층 증착법에 의해서 형성되는 소자와 수직정렬될 실리콘 나노선의 단면도이다.
도9에 도시된 바와 같이 산화아연이 원통형의 나노 실리콘을 감싸고 있어 완전히 capping되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도10은 실제 광 다이오드에 빛이 입사할 때 이동경로를 나타낸 도면이다.
도10에 도시된 바와 같이 광다이오드에 입사하는 빛은 반사하는 빛과 진행하는 빛으로 나누어지고 반사되는 빛은 나노선 사이에 입사함으로서 다시 상기 광다이오드에 영향을 미치게 된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

Claims (6)

  1. 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법에 있어서,
    아연 원을 증착 반응기에 공급하여 실리콘 나노선 위에 아연화합물을 흡착시키는 단계;
    미반응 아연 원 및 반응 부산물을 제거하는 제1퍼징단계;
    상기 반응기에 산소원, 질소원을 혼합하여 공급하고 아연 함유 화학종이 흡착된 실리콘 나노선 위에 산소함유 화학종을 흡착시키고 질소도핑하는 단계;및
    미반응 산소원 또는 질소원을 제거하고, 반응 부산물을 제거하는 제2퍼징단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1퍼징단계는 상기 반응기에 불활성기체를 투입하고 퍼징하는 것을 특징으로 하는 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법.
  3. 제1항에 있어서
    상기 아연 원은 알킬산알킬아연화합물, 이소프로필산메틸아연, 이소프로필산에틸아연, 이차부틸산메틸아연, 삼차부틸산메틸아연인 것을 특징으로 하는 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산소원은 물인 것과 상기 질소원은 암모니아인 것을 특징으로 하는 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아연화합물을 흡착시키는 단계, 상기 제1퍼징단계, 산소함유 화학종을 흡착시키는 단계, 제2퍼징단계를 반복하여 목표 두께를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법.
  6. 제1항의 방법으로 산화아연이 증착된 수직 정렬 실리콘 나노선을 포함하는 광다이오드.
KR1020100139871A 2010-12-31 2010-12-31 수직 정렬된 실리콘 나노선 위에 산화아연을 증착하는 방법 및 광다이오드 KR20120077789A (ko)

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