KR20190041241A - 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 및 그 제조방법 - Google Patents

실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판에 적어도 하나 이상 형성되는 실리콘 나노와이어, 상기 실리콘 나노와이어의 끝단에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어보다 폭이 넓은 콘택트부, 및 상기 콘택트부에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어에 전기신호를 전달하는 전극패턴을 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 및 그 제조방법{Contact structure of sensor using silicon nanowire and manufacturing method thereof}
본 발명은 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
나노 기술의 발전에 따라 전기적 기계적 특성이 뛰어난 나노와이어를 다양한 분야에서 사용하는 연구가 진행되고 있다. 나노와이어는 물리적 크기가 매우 작아서 나노와이어를 정확한 위치에 배치하고 특정한 방향으로 정렬시키기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.
나노와이어를 전기재료로 활용하기 위해서는 나노와이어에 외부 회로와의 전기신호의 입출력을 위한 전극을 연결시킬 필요가 있다. 종래에, 나노와이어를 형성한 다음에 나노와이어의 양단에 금속 전극을 형성하거나, 금속판에 나노와이어를 성장시키는 방법 등이 연구되고 있다.
KR 10-2017-0078187 A
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 실리콘 나노와이어와 금속 재질의 전극의 옴성접촉을 향상시키는 구조를 제공한다.
또한, 실리콘 나노와이어의 끝단에 실리콘 나노와이어보다 폭이 넓은 콘택트부가 형성되고, 콘택트부에 금속 전극패턴이 결합되는 실리콘 나노와이어를 이용한 센서의 접촉구조 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조는, 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판에 적어도 하나 이상 형성되는 실리콘 나노와이어, 상기 실리콘 나노와이어의 끝단에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어보다 폭이 넓은 콘택트부 및 상기 콘택트부에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어에 전기신호를 전달하는 전극패턴을 포함한다.
또한, 상기 콘택트부는 상기 실리콘 나노와이어의 양단에 하나씩 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어와 일체로 형성될 수 있다.
또한, 실리콘 재질인 상기 콘택트부와 금속 재질인 상기 전극패턴의 접촉면에 형성되어, 상기 콘택트부와 전극패턴의 접합성을 향상시키는 실리사이드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 제조방법은, 실리콘 기판의 일면에 제1 폭을 갖는 와이어영역 및 상기 와이어영역의 끝단에 연결되고 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 콘택트영역을 갖는 패턴의 마스크를 적어도 하나 이상 형성하는 마스크 형성단계, 상기 마스크를 이용한 식각 및 산화 공정을 수행하여, 상기 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 실리콘 나노와이어의 끝단에 상기 실리콘 나노와이어보다 폭이 넓은 콘택트부를 형성하는 나노와이어 형성단계, 및 상기 콘택트부에 금속 재질의 전극패턴을 형성하는 전극패턴 형성단계를 포함한다.
또한, 상기 나노와이어 형성단계는 상기 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판을 일정 깊이로 식각하여 높이가 일정하고 상기 마스크와 평면이 동일한 칼럼구조물을 형성하는 단계, 상기 칼럼구조물을 이방성 식각하여 폭 방향의 단면이 모래시계 형상을 갖는 지지구조물을 형성하는 단계, 및 상기 칼럼구조물을 습식산화하여 상기 칼럼구조물의 상단에 상기 실리콘 나노와이어 및 콘택트부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지구조물을 형성하는 단계는 상기 패턴의 제1 폭 및 제2 폭에 비례하여 습식 산화 공정의 수행시간이 증가될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 실리콘 나노와이어의 끝단에 연결되고 실리콘 나노와이어보다 폭이 넓은 콘택트부에 금속 전극패턴을 연결할 수 있으므로, 전극패턴이 실리콘 나노와이어에 직접 연결되는 경우보다 실리콘과 금속의 접촉면적이 넓어 옴성 접촉(ohmic contact)이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 센서의 접촉구조를 나타낸 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어 및 콘택트부를 나타낸 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 2c는 도 2a의 B-B'에 따른 단면도이다.
도 3a 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 센서의 접촉구조 제조방법의 각 단계를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어(131)를 이용한 센서의 접촉구조를 나타낸 단면도이고, 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)를 나타낸 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 2c는 도 2a의 B-B'에 따른 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어(131)를 이용한 센서의 접촉구조는, 실리콘 기판(100), 상기 실리콘 기판(100)에 적어도 하나 이상 형성되는 실리콘 나노와이어(131), 상기 실리콘 나노와이어(131)의 끝단에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어(131)보다 폭이 넓은 콘택트부(132), 및 상기 콘택트부(132)에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어(131)에 전기신호를 전달하는 전극패턴(160)을 포함한다.
실리콘 기판(100)은 결정방향이 <100> 인 단결정 실리콘 기판(100)일 수 있다. 실리콘 나노와이어(131)는 P-형 도펀트 및 N-형 도펀트가 도핑되어, PN접합을 갖는 다이오드(diode), 단일 광자(single photon)가 입사하면 애벌런치 전류가 발생하는 애벌런치 포토다이오드(avalanche photodiode) 등으로 형성될 수 있다. 도펀트가 도핑된 실리콘 나노와이어(131)는 광검출 센서로 사용될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)의 일면에는 지지구조물(120)이 형성되며, 지지구조물(120)의 상단에 실리콘 나노와이어(131) 및 실리콘 나노와이어(131)의 끝단에 연결되는 콘택트부(132)가 형성된다. 실리콘 나노와이어(131)는 실리콘 기판(100)의 일면과 평행하게 형성된다. 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)는 지지구조물(120)의 측면과 중단에 형성되는 실리콘 산화막에 의하여 실리콘 기판(100)과 절연된다. 실리콘 나노와이어(131)는 단면이 역삼각형 형상이고 균일한 폭을 갖고 길이방향으로 긴 와이어 형상을 가질 수 있다.
콘택트부(132)는 실리콘 나노와이어(131)의 양단에 하나씩 연결되며, 실리콘 나노와이어(131)와 일체로 형성될 수 있다. 콘택트부(132)는 실리콘 나노와이어(131)보다 큰 폭을 갖는다. 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)를 다시 표현하면, 하나의 실리콘 나노와이어(131)에서 일부분의 폭과 다른 일부분의 폭이 다르게 형성된 구조라고 할 수 있다.
콘택트부(132)의 폭(F2)이 실리콘 나노와이어(131)의 폭(F1)보다 크므로, 콘택트부(132)는 금속 재질의 전극패턴(160)이 연결될 때 옴성 접촉을 달성하기 위한 충분한 면적을 제공한다.
실리콘 나노와이어(131)에 금속 재질의 전극패턴(160)을 직접 형성하는 경우에 비하여, 실리콘 나노와이어(131)의 끝단에 실리콘 나노와이어(131)보다 폭이 넓은 콘택트부(132)를 형성하고 콘택트부(132)에 전극패턴(160)을 형성함으로써, 실리콘과 금속의 접촉면적이 넓어 옴성 접촉(ohmic contact)이 향상되는 이점이 있다. 따라서 접촉불량에 의한 불량률이 낮아져, 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 수율이 향상된다.
실리콘 나노와이어(131)의 폭(F1)과 콘택트부(132)의 폭(F2)은 정해진 범위의 비율 내에서 결정될 수 있다. 콘택트부(132)의 폭(F2)이 실리콘 나노와이어(131)의 폭(F1)보다 일정 비율 이상 큰 경우 제조과정에서 콘택트부(132)와 실리콘 기판(100)이 절연되지 않을 위험이 있다. 다시 말해서, 콘택트부(132)와 실리콘 기판(100)이 제2 실리콘 산화막(Ox2)에 의하여 분리되지 않을 수 있다.
실리콘 나노와이어(131)의 폭과 콘택트부(132)의 폭을 결정함에 있어서, 제2 실리콘 산화막(Ox2)의 두께, 지지구조물(120)의 높이 등의 수치를 함께 결정할 필요가 있으며, 자세한 내용은 아래의 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 제조방법에서 상세히 설명한다.
콘택트부(132)의 상면에는 실리사이드(140)(TiSi2)가 형성될 수 있고 실리사이드(140) 상에 금속 재질의 전극패턴(160)이 형성된다. 실리사이드(140)는 실리콘 재질인 상기 콘택트부(132)와 금속 재질인 상기 전극패턴(160)의 접촉면에 형성되어, 상기 콘택트부(132)와 전극패턴(160)의 접합성을 향상시킨다.
도 1은 콘택트부(132)와 전극패턴(160)이 하나의 지점에서 접촉하는 구조를 예시적으로 도시하였으나, 콘택트부(132)와 전극패턴(160)은 두 개 이상의 지점에서 접촉하도록 구성될 수 있다. 즉, 콘택트부(132)의 길이(G2)를 결정함에 있어서, 콘택트부(132)와 전극패턴(160)이 하나의 지점에서 접촉하기 충분한 길이보다 더 긴 길이로 결정하고, 콘택트부(132)와 전극패턴(160)이 두 개 이상의 지점에서 접촉하도록 형성할 수도 있다. 이러한 경우, 어느 한 지점에서 접촉불량이 발생하더라도 다른 지점에서 옴성 접촉이 가능하므로, 불량률을 낮출 수 있다.
실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)가 형성된 실리콘 기판(100) 상에 비아홀이 형성된 절연층(150)이 형성된다. 절연층(150)은 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)를 보호하고 전기적으로 절연한다. 절연층(150)의 비아홀은 콘택트부(132) 상에 형성되고, 금속 재질의 전극패턴(160)이 비아홀을 통해 콘택트부(132)와 연결된다. 전극패턴(160)은 예를 들어, 실리콘 나노와이어(131)가 광검출 센서로 동작하는 경우, 실리콘 나노와이어(131)가 생성한 전류를 콘택트부(132)를 통해 전달받아 외부 회로로 전송한다.
본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 제조방법은, 실리콘 기판(100)의 일면에 제1 폭(W1)을 갖는 와이어영역(AR131) 및 상기 와이어영역(AR131)의 끝단에 연결되고 상기 제1 폭(W1)보다 큰 제2 폭(W2)을 갖는 콘택트영역(AR132)을 갖는 패턴의 마스크를 적어도 하나 이상 형성하는 마스크 형성단계, 상기 마스크를 이용한 식각 및 산화 공정을 수행하여, 상기 실리콘 기판(100)에 실리콘 나노와이어(131) 및 실리콘 나노와이어(131)의 끝단에 상기 실리콘 나노와이어(131)보다 폭이 넓은 콘택트부(132)를 형성하는 나노와이어 형성단계, 상기 콘택트부(132)에 금속 재질의 전극패턴(160)을 형성하는 전극패턴(160) 형성단계를 포함한다.
도 3a는 실리콘 기판(100)을 준비하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 3b는 도 3a의 A-A'에 따른 단면도이다. 먼저, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 결정방향이 <100 >인 단결정 실리콘 기판(100)을 준비한다.
도 4a는 실리콘 기판(100) 상에 제1 실리콘 산화막 및 제1 실리콘 질화막을 형성하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 4b는 도 4a의 A-A'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)의 일면 상에 건식 산화(dry oxidation) 방법을 이용하여 제1 실리콘 산화막(Ox1)(SiO2)을 형성하고, 제1 실리콘 산화막(Ox1)(SiO2) 상에 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor deposition: LPCVD)을 이용하여 제1 실리콘 질화막(Nx1)(Si3N4)을 순차적으로 형성한다.
도 5a는 실리콘 기판(100) 상에 마스크를 형성하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 5b는 도 5a의 A-A'에 따른 단면도이고, 5c는 마스크의 패턴을 나타내는 도 5a의 평면도이다.
다음으로, 도 5a, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 실리콘 질화막(Nx1) 상에 제1 포토레지스트(PR1)를 도포한 후, 사진 식각 공정(Photolithography)을 통해 제1 포토레지스트(PR1)에 일정한 패턴(Pt)을 형성하고 건식 식각(dry etching) 공정을 통해 노출된 제1 실리콘 질화막(Nx1) 및 제1 실리콘 산화막(Ox1)을 순차적으로 제거하여 마스크를 형성한다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 패턴(Pt)은 제1 폭(W1)을 갖는 와이어영역(AR131) 및 상기 와이어영역(AR131)의 끝단에 연결되고 상기 제1 폭(W1)보다 큰 제2 폭(W2)을 갖는 콘택트영역(AR132)을 포함한다. 패턴(Pt)은 적어도 하나 이상 폭 방향으로 일정간격 이격되어 형성될 수 있다. 패턴(Pt)은 가운데의 와이어영역(AR131)이 좁고 길며 와이어영역(AR131)의 양단부의 콘택트영역(AR132)이 면적이 넓은 아령과 같은 형상으로 형성될 수 있다.
와이어영역(AR131) 내에 실리콘 나노와이어(131)가 형성되며, 콘택트영역(AR132) 내에 콘택트부(132)가 형성되므로, 실리콘 나노와이어(131)와 콘택트부(132)의 폭(F1, F2) 및 길이(G1, G2)보다 와이어영역(AR131)과 콘택트영역(AR132)의 폭(W1, W2) 및 길이(L1, L2)가 크게 결정된다. 와이어영역(AR131)의 제1 길이(L1)는 제조하려는 실리콘 나노와이어(131)의 길이(G1)에 대응한다. 콘택트영역(AR132)의 제2 길이(L2)는 콘택트부(132)의 길이(G2)보다 길게 결정된다.
도 6a는 마스크를 이용한 식각공정으로 칼럼구조물(110)을 형성하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 6b는 도 6a의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 6c는 도 6a의 B-B'에 따른 단면도이며, 도 6d는 도 6a의 C-C'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 6a, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 포토레지스트(PR1)에 형성된 패턴(Pt)을 마스크로 이용하여 건식 식각(dry etching) 방법으로 노출된 제1 실리콘 질화막(Nx1) 및 제1 실리콘 산화막(Ox1)을 순차적으로 제거하고, 계속하여 실리콘 기판(100)을 일정 깊이로 식각하여 높이(H)가 일정하고 상기 마스크와 평면 형상이 동일한 칼럼구조물(110)을 형성한 다음 제1 포토레지스트(PR1)을 제거한다. 칼럼구조물(110)은 폭 방향으로 일정간격 이격되어 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 실리콘 기판(100)을 식각하는 깊이는 칼럼구조물(110)의 높이(H)가 된다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 패턴(Pt)의 와이어영역(AR131)에 해당하는 칼럼구조물(110) 부분은 패턴(Pt)의 제1 폭(W1)과 같게 형성되고, 도 6d에 도시된 바와 같이, 패턴(Pt)의 콘택트영역(AR132)에 해당하는 칼럼구조물(110) 부분은 패턴(Pt)의 제2 폭(W2)과 같게 형성된다.
도 7a는 마스크를 이용한 이방성 식각공정으로 지지구조물(120)을 형성하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 7b는 도 7a의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 7c는 도 7a의 B-B'에 따른 단면도이며, 도 7d는 도 7a의 C-C'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)을 KOH 용액(또는 TMAH 용액)을 이용하여 이방성 식각(anisotropic etch)한다. 이방성 식각 공정이 완료되면, 실리콘 기판(100)의 칼럼구조물(110)은 실리콘의 결정방향에 따른 이방성 식각 특성에 의해, 중단(120m) 폭이 좁고, 상단(120h) 및 하단(120l) 폭이 중단에 비해 넓은 모래시계 형상(hourglass shape)의 지지구조물(120)로 형성된다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 패턴(Pt)의 와이어영역(AR131)에 해당하는 지지구조물(120) 부분의 상단(120h1)의 폭은 패턴(Pt)의 제1 폭(W1)과 같고, 중단(120m1)의 폭(R1)은 제1 폭(W1)보다 작다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 패턴(Pt)의 콘택트영역(AR132)에 해당하는 지지구조물(120) 부분의 상단(120h2)의 폭은 패턴(Pt)의 제2 폭(W2)과 같고, 중단(120m2)의 폭(R2)은 제1 폭(W2)보다 작다.
패턴(Pt)의 와이어영역(AR131)에 해당하는 지지구조물(120) 부분과 패턴(Pt)의 콘택트영역(AR132)에 해당하는 지지구조물(120) 부분은 같은 시간의 이방성 식각 공정을 거치므로 측면의 식각 정도가 동일하고, 패턴(Pt)의 제1 폭(W1)보다 제2 폭(W2)이 크므로 패턴(Pt)의 와이어영역(AR131)에 해당하는 지지구조물(120) 부분의 중단 폭(R1)보다 패턴(Pt)의 콘택트영역(AR132)에 해당하는 지지구조물(120) 부분의 중단 폭(R2)이 더 크다.
와이어영역(AR131)과 콘택트영역(AR132)에서 지지구조물(120)의 상면과 측면 사이의 각(θ)은 동일하다. 이 각(θ)은 실리콘 기판(100)의 결정방향 < 100 > 에 따라 결정되는 것으로, 54.7°일 수 있다.
도 7e는 패턴(Pt)의 폭(W)이 동일하다면, 칼럼구조물(110)의 높이(H)에 대한 지지구조물(120)의 중단(120m) 폭(R)의 변화를 나타내는 도면이다.
칼럼구조물(110)의 높이(H1)가 폭(W)에 비하여 낮은 경우(도 7e의 (1)참조), 이방성식각 공정을 거치면 지지구조물(120)의 중단(120m) 폭(R)이 넓게 형성된다. 이러한 경우처럼 중단 폭(R)이 너무 넓을 경우, 이후의 습식 산화 공정에 의한 실리콘 나노와이어 형성 과정에서 실리콘 나노와이어(131)와 실리콘 기판(100)이 분리되지 않을 수 있다.
칼럼구조물(110)의 높이(H2)가 폭(W)에 비하여 적당한 경우(도 7e의 (2)참조), 지지구조물(120)의 폭(R)이 알맞게 형성되어, 이후의 습식 산화공정에 의한 실리콘 나노와이어 형성 과정에 있어서 실리콘 나노와이어(131)와 실리콘 기판(100)이 적절히 분리되어 실리콘 나노와이어 형성이 원만히 이루어질 수 있다.
칼럼구조물(110)의 높이(H3)가 폭(W)에 비하여 높은 경우(도 7e의 (3)참조), 이방성식각 공정을 거치면 지지구조물(120)의 중단(120m)이 모두 제거되어, 지지구조물(120)의 상단(120h)이 실리콘 기판(100)과 분리되어 이후의 나노와이어 제조가 어려워진다.
따라서, 칼럼구조물(110)의 높이(H)를 결정함에 있어서, 패턴(Pt)의 폭(W)을 고려하여 적절한 높이를 선택해야 하며, 이방성식각과 실리콘 기판(100)의 결정방향<100> 특성상 지지구조물(120)의 상면과 측면 사이의 각(θ)을 고려하여야 한다. 예를 들어, 패턴(Pt)의 폭(W), 지지구조물(120)의 중단(120m) 폭(R) 및 각(θ) 값을 기초로 알맞은 높이(H)를 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
[수학식 1]
H=(W-R)tan(θ)
도 8a는 마스크를 이용한 습식 산화 공정으로 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)를 형성하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 8b는 도 8a의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 8c는 도 8a의 B-B'에 따른 단면도이며, 도 8d는 도 8a의 C-C'에 따른 단면도이다.
다음으로, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)에 습식 산화 공정을 수행하면, 노출된 실리콘 기판(100)과 지지구조물(120)의 측면(120s)에 제2 실리콘 산화막(Ox2)이 형성된다. 습식 산화 공정에서 물 분자가 실리콘 질화막을 통과할 수 없어서 제2 실리콘 산화막(Ox2)은 모래시계 형상의 지지구조물(120)의 상면에는 형성되지 않고, 지지구조물의 측면(120s)에 형성된다. 지지구조물(120)의 상단(120h) 측면 및 중단(120m)의 실리콘이 산화되어 제2 실리콘 산화막(Ox2)을 형성함으로써, 지지구조물(120)의 상단(120m)에 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)가 형성된다.
도 8c 및 도 8d에 도시된 바와 같이, 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)는 지지구조물(120)의 측면(120s)과 중단(120m)에 형성된 제2 실리콘 산화막(Ox2)에 의하여 실리콘 기판(100)과 절연된다. 패턴(Pt)의 콘택트영역(AR132)에 해당하는 지지구조물(120)의 중단(120m1)의 양측면에서 지지구조물(120)의 내측방향으로, 습식 산화 공정에 의하여 제2 실리콘 산화막(Ox2)이 성장하여 서로 만날 수 있는 최소한의 시간 이상으로 습식 산화 공정이 수행된다. 다만, 패턴(Pt)의 와이어영역(AR131)에 해당하는 지지구조물(120)의 상단(120h1)의 중앙까지 제2 실리콘 산화막(Ox2)이 형성되면 실리콘 나노와이어(131)를 형성할 수 없기 때문에 습식 산화 공정의 최대한계시간이 존재한다. 습식 산화 공정의 수행시간은 지지구조물(120)의 중단(120m)의 폭과 상단(120h)의 폭을 고려하여, 적절한 범위 내에서 수행되어야 한다.
도 8e는 습식 산화 공정에 의해 형성되는 제2 실리콘 산화막(Ox2)의 두께(Tox)와 지지구조물(120)의 중단(120m) 폭(R)과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 지지구조물(120)에 형성되는 제2 실리콘 산화막(Ox2)은 지지구조물(120)의 측면(120s)을 중심으로 내측 및 외측에 형성된다. 제2 실리콘 산화막(Ox2)의 45%는 지지구조물(120)의 측면(120s)에서 내측 방향으로 형성되고(0.45Tox), 제2 실리콘 산화막(Ox2)의 55%는 지지구조물(120)의 측면(120s)에서 외측 방향으로 형성된다(0.55Tox).
따라서, 습식 산화 공정에 의하여 지지구조물(120)의 상단(120h)에 실리콘 나노와이어(131)가 형성되고, 실리콘 나노와이어(131)와 실리콘 기판(100)이 절연되려면, 지지구조물(120)의 중단(120m)의 내측으로 형성되는 제2 실리콘 산화막(Ox2)이 서로 연결될 수 있도록, 충분한 두께(Tox)로 제2 실리콘 산화막(Ox2)이 형성되어야 한다. 제2 실리콘 산화막(Ox2)은 지지구조물(120)의 측면(120s)에 수직한 내측 방향으로 형성되므로, 지지구조물(120)의 상면과 측면(120s) 사이의 각(θ) 및 지지구조물(120)의 중단(120m) 폭(R)으로 필요한 제2 실리콘 산화막(Ox2)의 최소 두께(Tox-min)를 수학식 2를 이용하여 결정할 수 있다.
[수학식 2]
(R/2)sin(θ) = 0.45Tox
⇒ Tox-min = (R/0.9)sin(θ)
이와 같이 결정된 제2 실리콘 산화막(Ox2)의 최소 두께(Tox-min)보다 두껍게 실리콘 산화막이 형성되도록 습식 산화 공정의 시간을 조절할 수 있다.
도 8c 및 도 8d를 다시 참조하면, 와이어영역(AR131)에서 지지구조물(120)의 상단(120h1) 폭(W1)과 콘택트영역(AR132)에서 지지구조물(120)의 상단(120h2) 폭(W2)의 차이(Kw, Kw = W2-W1)와, 실리콘 나노와이어(131)의 폭(F1)과 콘택트부(132)의 폭(F2)의 차이(Kf, Kf = F2-F1)는 동일하다(Kw=Kf). 지지구조물(120)의 폭(W1, W2)이 다르더라도, 동일한 시간의 습식 산화 공정에 의하여 동일한 두께(Tox)의 제2 실리콘 산화막(Ox2)이 형성되기 때문이다.
도 9a는 마스크를 제거하여 실리콘 나노와이어(131)와 콘택트부(132)를 노출하는 단계를 나타낸 도면이며, 도 9b는 도 9a의 A-A'에 따른 단면도이고, 도 9c는 도 9a의 B-B'에 따른 단면도이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 마스크로 사용된 제1 실리콘 산화막(Ox1) 및 제1 실리콘 질화막(Nx1)을 제거하면 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)의 상면이 노출된다. 실리콘 나노와이어(131)는 패턴(Pt)의 와이어영역(AR131)에 해당하는 지지구조물(120) 부분에 형성되고, 콘택트부(132)는 패턴(Pt)의 콘택트영역(AR132)에 해당하는 지지구조물(120) 부분에 형성된다. 패턴(Pt)의 제1 폭(W1) 및 제2 폭(W2) 치수와, 습식 식각 공정 수행시간에 따라 실리콘 나노와이어(131)의 폭(F1)과 콘택트부(132)의 폭(F2)이 결정되므로, 제조하려는 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)의 치수를 토대로 패턴(Pt)의 치수를 산출할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 콘택트부(132) 상에 실리사이드(140)를 형성하고, 절연층(150) 및 전극패턴(160)을 형성하여 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서를 형성할 수 있다. 절연층(150) 및 전극패턴(160)을 형성하기 전에, 실리콘 나노와이어(131)에 P-형 도펀트 및 N-형 도펀트를 도핑하여 실리콘 나노와이어(131)를 다이오드(diode) 등의 소자로 형성할 수 있다.
실리사이드(140)는 Ti 등의 금속층을 콘택트부(132) 상에 형성하고 열처리를 통하여 형성할 수 있으며, 실리콘 나노와이어(131) 및 콘택트부(132)를 덮도록 실리콘 기판(100) 상에 절연층(150)을 형성하고, 절연층(150)에 콘택트부(132)로 통하는 비아홀을 형성하며, 절연층(150)의 비아홀을 통하여 콘택트부(132)와 연결되는 전극패턴(160)을 순차적으로 형성할 수 있다.
상술한 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 제조방법은, 식각 및 산화공정을 이용하여 실리콘 나노와이어(131)와 콘택트부(132)를 형성할 수 있고, 식각에 사용되는 마스크의 폭 및 산화공정의 시간 등의 요소를 조절하여 실리콘 나노와이어(131)와 콘택트부(132)의 폭을 조절할 수 있는 제조방법을 제공한다.
또한, 실리콘 나노와이어(131)의 끝단에 연결되고 실리콘 나노와이어(131)보다 폭이 넓은 콘택트부(132)에 금속 전극패턴(160)을 연결할 수 있으므로, 전극패턴(160)이 실리콘 나노와이어(131)에 직접 연결되는 경우보다 실리콘과 금속의 접촉면적이 넓어 옴성 접촉(ohmic contact)이 향상된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 실리콘 기판 Ox1: 제1 실리콘 산화막
Nx1: 제1 실리콘 질화막 PR1: 제1 포토레지스트
Ox2: 제2 실리콘 산화막 Pt: 패턴
110: 칼럼 구조물 120: 지지 구조물
Ox2: 제2 실리콘 산화막 131: 실리콘 나노와이어
132: 콘택트부 140: 실리사이드
150: 절연층 160: 전극패턴

Claims (6)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판에 적어도 하나 이상 형성되는 실리콘 나노와이어;
    상기 실리콘 나노와이어의 끝단에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어보다 폭이 넓은 콘택트부; 및
    상기 콘택트부에 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어에 전기신호를 전달하는 전극패턴을 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 콘택트부는
    상기 실리콘 나노와이어의 양단에 하나씩 연결되며, 상기 실리콘 나노와이어와 일체로 형성되는 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    실리콘 재질인 상기 콘택트부와 금속 재질인 상기 전극패턴의 접촉면에 형성되어, 상기 콘택트부와 전극패턴의 접합성을 향상시키는 실리사이드를 더 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조.
  4. 실리콘 기판의 일면에 제1 폭을 갖는 와이어영역 및 상기 와이어영역의 끝단에 연결되고 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 콘택트영역을 갖는 패턴의 마스크를 적어도 하나 이상 형성하는 마스크 형성단계;
    상기 마스크를 이용한 식각 및 산화 공정을 수행하여, 상기 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 실리콘 나노와이어의 끝단에 상기 실리콘 나노와이어보다 폭이 넓은 콘택트부를 형성하는 나노와이어 형성단계;
    상기 콘택트부에 금속 재질의 전극패턴을 형성하는 전극패턴 형성단계를 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 나노와이어 형성단계는
    상기 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판을 일정 깊이로 식각하여 높이가 일정하고 상기 마스크와 평면이 동일한 칼럼구조물을 형성하는 단계;
    상기 칼럼구조물을 이방성 식각하여 폭 방향의 단면이 모래시계 형상을 갖는 지지구조물을 형성하는 단계;
    상기 칼럼구조물을 습식산화하여 상기 칼럼구조물의 상단에 상기 실리콘 나노와이어 및 콘택트부를 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 지지구조물을 형성하는 단계는
    상기 패턴의 제1 폭 및 제2 폭에 비례하여 습식 산화 공정의 수행시간이 증가되는 나노와이어를 이용하는 센서의 접촉구조 제조방법.
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