KR20210030775A - 금속 칼코게나이드 박막의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자의 제조방법 - Google Patents

금속 칼코게나이드 박막의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자의 제조방법 Download PDF

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정재환
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Abstract

금속 칼코게나이드 박막의 형성방법 및 이를 포함하는 소자의 제조방법을 개시한다. 본 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법은, 스터퍼링 공정으로 금속 칼코게나이드 박막을 기판상에 증착시키고, 증착된 금속 칼코게나이드 박막을 열 처리하는 것을 포함한다.

Description

금속 칼코게나이드 박막의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자의 제조방법{Method for forming transition metal dichalcogenide film and method of manufacturing an electric device including the same}
개시된 실시예들은 금속 칼코게나이드 박막의 형성방법 및 이를 포함하는 전자 소자의 제조방법에 관한 것이다.
금속 칼코게나이드(metal chalcogenides)는 반도체 물질로서 이들이 가지는 화학적 물리적 특성 때문에 양 전지(solar cell), 광 탐지기(photo detector), 빛 발광 다이오드(light-emitting diode)등 여러 분야에 있어서 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
일반적으로 나노 크기의 물질은 입자의 크기가 작아지면 입자의 표면 대 질량의 비율이 증가되어 단위 질량 당 표면적이 증가한다. 또한 전자의 에너지 상태가 분자에 가까워지면서 벌크 물질과는 전혀 다른 물성이 나타난다. 나노 물질의 표면적 증가와 활성화는 입자의 녹는점이 낮아지는 것처럼 물성의 변화에 영향을 주며 또한 양자 효과에 의한 광학적, 전기적 성질의 변화에 영향을 주어 새로운 광전자 소재로 응용할 수 있다.
나노 크기의 금속 칼코게나이드 물질은 생물학적 마커(biological marker), 비선형 광학 물질, 발광 소자, 광검출기, 촉매, 화학적 센서 등으로서 응용될 수 있기 때문에, 금속 칼코게나이드 나노입자를 보다 효율적으로 합성하기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있다.
대면적 형성이 가능하고 균일성 및 고품질 확보가 가능한 금속 칼코게나이드(transition metal dichalcogenide) 박막의 형성방법을 제공한다.
단시간에 웨이퍼 스케일의 금속 칼코게나이드 박막을 형성시킬 수 있는 금속 칼코게나이드 박막의 형성방법을 제공한다.
상기한 금속 칼코게나이드 박막의 형성방법을 적용한 전자 소자의 제조방법을 제공한다.
일 측면(aspect)에 따른 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법은 반응 챔버내에 기판을 준비하는 단계; 제1 온도에서 스터퍼링 공정을 이용하여 전이금속과 칼코겐을 포함하는 전구체로부터 금속 칼코게나이드 박막을 상기 기판상에 증착시키는 단계; 및 칼코겐 분위기하에서 상기 금속 칼코게나이드 박막을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 열처리하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 금속 칼코게나이드 박막은, 비정절 및 다결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 칼코게나이드 박막은, MX(2-a)Ya(M은 전이금속 원소이고, X 칼코겐 원소이고, Y는 상기 전이금속 및 칼코겐이 아닌 원소이며, 0<a<2 이다)로 표시되는 조성을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 증착하는 단계는, 500℃ 내지 800℃에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 열처리하는 단계는, 800℃ 내지 1200℃에서 수행될 수 있다.
그리고, 상기 칼코겐 분위기는, 칼코켄 함유 기체가 제공됨으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기 증착하는 단계는, 2분 이내에 수행될 수 있다.
그리고, 상기 증착시키는 단계는, 0.1mTorr 내지 10mTorr 압력에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 열처리된 금속 칼코게나이드 박막은, 1층 내지 15층일 수 있다.
그리고, 상기 전구체는, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전구체는, S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전구체는, 산화 금속, 할로겐화 금속, 금속 카보닐 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열처리된 금속 칼코게나이드 박막은, 화학식 MX2(상기 M은 전이금속 원소이고, 상기 X는 칼코겐 원소이다)로 표시되는 조성을 포함할 수 있다.
상기 전구체는, 상기 전이금속 및 상기 칼코겐 중 적어도 하나보다 낮은 족의 원소를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 열처리된 금속 칼코게나이드 박막은 도핑될 수 있다.
또한, 상기 금속 칼코게나이드 박막의 두께는, 상기 전구체로부터 스퍼터된 물질의 에너지 반응 속도에 비례할 수 있다.
일 측면(aspect)에 따른 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법은 앞서 기술한 금속 칼코게나이드 박막을 형성하는 단계; 및 상기 금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 소자부를 형성하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 전자 소자는 트랜지스터, 다이오드, 광전자소자, 터널링소자, 논리소자 및 메모리소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
균일성 및 고품질을 갖는 금속 칼코게나이드 박막을 대면적으로 용이하게 형성할 수 있다. 웨이퍼 스케일의 금속 칼코게나이드 박막을 단시간 내에 형성시킬 수 있다. 이와 관련하여, 본원의 실시예들은 금속 칼코게나이드 박막을 적용한 소자의 개발 및 상용화에 유리하게 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 개략적인 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 열 처리 장치는 개략적인 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 금속 칼코게나이드(transition metal dichalcogenide) 박막의 형성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 스퍼터링 시간에 따른 박막의 두께에 대한 라만(Raman) 스펙트럼 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따라 형성된 MoS2 박막의 TEM(transmission electron microscopy) 이미지이다.
도 6은 일 실시예에 따른 공정에 의해 형성된 금속 칼코게나이드 박막이 평면이미지이다.
도 7은 일 실시예에 따른 박막의 위치별 라만(Raman) 스펙트럼 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 도핑되지 않는 금속 칼코게나이드 박막과 도핑된 금속 칼코게나이드 박막의 형성을 실험한 결과이다.
도 9 및 도 10은 다양한 실시예에 따른 방법으로 형성한 금속 칼코게나이드 박막을 보여주는 단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 일 실시예에 따른 이차원 물질 함유 소자의 제조방법을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
이하, 실시예들에 따른 금속 칼코게나이드 박막의 형성방법 및 이를 포함하는 소자의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 스퍼터링 장치(100)를 개략적인 도면이다. 도 1를 참조하면, 스퍼터링 장치(100)는 스퍼터링 공정을 위한 공간을 제공하는 반응 챔버(110), 반응 챔버(110) 내측에 위치하며, 기판(S)에 증착할 물질이 장착된 타겟부(120), 타겟부(120)에 대향되도록 위치하며 기판(S)을 안착시키기 위한 기판 장착부(130) 및 반응 챔버(110)의 배기 배관(117)에 연결되는 펌프(170)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(110)는 스퍼터링 및 증착 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하기 위한 것으로, 타겟(122)과 기판 장착부(130) 사이에 플라즈마를 생성하기 위한 반응 가스를 공급하는 가스 유입구(112) 및 잔류 반응 가스를 배기시키기 위한 배기구(117)를 더 포함하며, 상기 배기구(117)를 반응 챔버(110) 내부의 압력을 제어하기 위한 펌프(170)과 연결되도록 하여, 별도의 배기 펌프 없이 잔류 반응 가스를 용이하게 배기할 수 있다. 여기서, 상기 반응 가스는 상기 기판 장착부(130)에 안착된 기판(S)의 손상을 방지하기 위하여 낮은 전력에서 플라즈마 생성이 가능한 아르곤(Ar) 가스일 수 있다.
기판 장착부(130)는 기판(S)을 장착하고, 기판(S)이 타겟부(120)와 대향하도록 지지하는 역할을 수행한다.
타겟(122) 이송부(미도시)는 타겟부(120)를 이송시키기 위한 장치로써, 타겟부(120)를 이송함으로써, 기판(S)에 균일한 스퍼터링을 유도할 수 있다. 타겟(122) 이송부는 타겟부(120)를 수평 또는 수직 이동시킬 수 있으며 또는 회전 이동시킬 수도 있다.
한편, 반응 챔버(110)내 기판(S)과 대향하는 영역에는 타겟부(120)가 배치되어 있다. 타겟부(120)는 기판(S)에 대향하면서 서로 나란하게 배치될 수 있다. 타겟부(120)는 타겟(122), 타겟 플레이트(124), 음극판(126), 자석(128) 등을 포함할 수 있다.
타겟(122)은 전자의 가속에 의해 발생되는 반응 챔버(110) 내의 이온과 충돌하여 타겟(122) 표면의 물질이 이탈되는 스퍼터링 현상이 발생한다. 이탈된 타겟(122) 표면의 물질은 기판(S) 상에 형성되어 박막(미도시)을 형성하는데, 상기한 타겟(122)은 전이금속과 칼코겐을 포함하는 전구체를 포함할 수 있다. 상기한 전구체에 의해 금속 칼코게나이드 박막이 형성될 수 있다.
타겟 플레이트(124)는 스퍼터링에 의해 기판(S) 상에 형성되는 증착 물질의 공급원인 타겟(122)을 고정하게 된다. 그리고, 음극판(126)은 상기 타겟 플레이트(124) 하측에 위치하며, 전원 공급부(150)과 연결되어서 상기 타겟(122)에 파워를 인가한다. 뿐만 아니라, 자석(128)은 플라즈마에서 발생하는 전자가 스퍼터링 장치(100)의 다른 부분으로 이탈하는 것을 방지하기 위해 자기장을 인가한다.
전원 공급부(150)은 반응 챔버(110) 내의 음극판(126)에 연결되어 파워를 인가함으로, 기판(S)과 타겟(122) 사이에서 플라즈마를 발생시키게 된다.
도면에는 하나의 타겟부(120)가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 타겟부(120)는 복수 개일 수 있으며, 하나의 타겟부(120)에는 전이금속의 전구체가 다른 하나의 타겟부(120)에는 칼코겐의 전구체가 배치될 수도 있다. 그리고, 각 타겟부(120)에 서로 다른 파워가 인가될 수도 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 열 처리 장치(200)는 개략적인 도면이다. 도 2를 참조하면, 열 처리 장치(200)는 공간을 제공하는 챔버(210), 챔버(210)내의 공간을 가열시키는 히터(220)를 포함할 수 있다. 챔버(210)는 챔버(210)의 공간에 반응 가스를 공급하는 가스 유입부(212a, 212b), 잔류 반응 가스를 배기시키기 위한 배기구(217) 및 기판이 장착될 수 있는 기판 장착부(230)를 포함할 수 있다. 도면에는 열 처리 장치(200)의 챔버(210)내에 기판이 배치된다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 기판의 배치로 챔버(210)내의 반응 공간이 완성될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 금속 칼코게나이드(transition metal dichalcogenide) 박막의 형성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
반응 챔버내에 기판을 준비한다(S310). 상기한 반응 챔버는 도 1에 도시된 스퍼터링 장치(100)의 반응 챔버(110)일 수 있으며, 반응 챔버(110)내의 기판 장착부(130)에 기판이 준비될 수 있다. 기판은 금속 칼코게나이드 박막을 성장시킬 수 있는 기판일 수 있다. 예를 들어, 금속 칼코게나이드 박막이 성장하는데 필요한 지지 기판으로서, 실리콘, 산화실리콘, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 탄화규소, 질화규소, 유리, 석영, 사파이어, 그래파이트, 그래핀, 폴리이미드 공중합체, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 플루오르폴리머(FEP) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는 기판은, 예를 들어 실리콘(Si) 기판을 이용할 수 있다. 이때, 실리콘 기판 상에는 산화실리콘이 더 위치할 수 있다.
그리고, 아르곤(Ar) 가스 등의 반응 가스를 가스 유입구를 통하여 반응 챔버(110) 내부의 공간으로 공급할 수 있다. 아르곤(Ar) 가스 외에 산소 또는 질소 등 다른 가스가 반응 챔버(110) 내부에 주입할 수 있다. 반응 챔버(110)의 공정 압력은 약 0.1mTorr 내지 10mTorr 범위 이내일 수 있다. 그리고, 스퍼터링시 기판의 온도는 약 500℃ 내지 에서 800℃ 수행될 수 있다.
그런 다음, 타겟(122)에 파워를 인가하여 스퍼터링 공정으로 기판(S)상에 박막을 증착시킨다(S320). 타겟(122)에 인가되는 파워는 약 20W 내지 60W일 수 있다. 상기한 타겟(122)은 전이금속과 칼코겐을 포함하는 전구체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 타겟(122)은 하나 이상의 전이금속 및 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 의 전구체를 포함하는 2종 이상의 전구체일 수 있다. 상기한 타겟(122)은 고체일 수 있다.
상기 전이금속의 전구체는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전이금속의 전구체는 상기 원소를 함유하는 산화 금속, 할로겐화 금속, 금속 카보닐 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 칼코겐 전구체는 S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것일 수 있다.
또는 상기한 전구체는 전이금속 및 칼코겐 이외에도 전이금속이나 칼코켄보다 낮은 족의 원소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전이 금속의 전구체로 Mo가 포함된 경우, Mo보다 낮은 족의 V, Nb, Ta, Db 등이 더 포함될 수 있고, 칼코겐의 전구체로 S가 포함된 경우, S보다 낮은 족의 N, P, As, Sb 등을 포함할 수 있다. 상기한 전구체에 의해 도핑된 박막을 형성할 수 있다.
타겟(122)에 전원 공급부(150)를 통하여 파워를 인가하면, 반응 챔버(110) 내부에 스퍼터링 플라즈마가 발생된다. 이때, 플라즈마는 감마-전자, 음이온, 양이온 등으로 이루어져 있다. 스퍼터링 플라즈마는 타겟(122)에 충돌하고 타겟(122)으로부터 스퍼터된 물질이 기판(S)상에 증착되면서 박막이 형성된다.
스퍼터링에 의해 증착된 박막은 하기 화학식1로 표시되는 조성을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
MX2-a Ya
상기 식 중 M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소이며, Y는 전이금속 및 칼코겐 원소가 아닌 다른 원소(이하 '노이즈 원소'라고도 한다. )이고, 0<a<2이다.
전이금속의 원소, 예를 들어, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 칼코겐 원소는 예를 들어, S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 노이즈 원소는 전이금속 및 칼코겐 원소가 아닌 원소로서, 반응 챔버(110)내에 존재하는 O, N, Ar 나, 전이금속의 전구체 또는 칼코겐 전구체에 있는 O, CO, C, H 등의 원소일 수 있다. 상기한 스퍼터링에 의해 형성된 박막을 금속 칼코게나이드 박막(transition metal dichalcogenide film)이라고 할 수 있다.
금속 칼코게나이드 박막의 두께는 타겟(122)에 인가되는 파워의 크기, 파워가 인가되는 시간, 압력 및 기판 온도 등을 통해 스퍼터된 물질의 에너지 반응 속도에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 스퍼터된 물질의 에너지 반응 속도가 클수록 금속 칼코게나이드 박막의 두께는 클 수 있다. 압력 및 기판 온도가 동일한 경우 스퍼터링 공정 시간에 따라 금속 칼코게나이드 박막의 두께가 조절될 수 있다. 스퍼터링 공정은 예를 들어, 약 20초 내지 120초 동안 수행될 수 있다.
상기와 같이, 금속 칼코게나이드 박막은 타겟(122)으로부터 스퍼터된 입자에 의해 증착되기 때문에 넓은 기판에 증착될 수 있다. 또한, 파워의 크기, 파워 인가 시간 등을 조절하여 스퍼터된 물질의 에너지 반응 속도를 용이하게 조절할 수 있기 때문에 금속 칼코게나이드 박막의 두께 조절도 용이해질 수 있다.
한편, 스퍼터링에 의해 형성된 금속 칼코게나이드 박막은 스퍼터링에 의해 증착되기 때문에 비정질 또는 임의의 다결정을 포함할 수 있다. 또한, 스퍼터된 입자는 전구체내에 있는 전이금속 및 칼코켄 원소 이외의 원소를 포함할 수 있고, 스퍼터된 입자가 타겟(122)부에서 기판으로 이동하는 도중 반응 챔버(110)내에 있는 원소, 예를 들어, 산소 또는 질소와 결합할 수 있다. 그리하여, 스퍼터링에 의해 형성된 금속 칼코게나이드 박막은 전이금속 원소 및 칼코켄 원소 이외의 노이즈 원소를 포함할 수도 있다.
뿐만 아니라, 스퍼터링에 의해 증착된 금속 칼코게나이드 박막은 수직 성장(vertical growth)되어 두께가 균일하지 않을 수도 있다.
금속 칼코게나이드 박막의 두께를 균일하게 하기 위해, 스퍼터링에 의해 형성된 금속 칼코게나이드 박막을 열처리할 수 있다(S330). 금속 칼코게나이드 박막이 증착된 기판을 스퍼터링 장치(100)에서 열 처리 장치(200)로 이동시킬 수 있다. 상기한 열 처리 장치(200)는 일반적으로 스퍼터링 장치(100)보다 협소한 반응 공간을 구비할 수 있다. 금속 칼코게나이드 박막이 증착된 기판을 열 처리 장치(200)의 내부에 배치시키거나, 기판이 열 처리 장치(200)에 장착됨으로써 열 처리 장치(200)의 반응 공간이 완성될 수 있다. 열 처리 장치(200)는 히터 등을 이용하여 금속 칼코게나이드 박막을 열처리할 수 있다. 열처리 온도는 약 800℃ 내지 1200℃ 일 수 있다. 열처리시 반응 공간의 압력은 약 1 Torr 내지 10 Torr일 수 있다.
금속 칼코게나이드 박막의 열처리는 칼코겐 분위기하에서 수행될 수 있다. 상기한 칼코겐 분위기는 열 처리 장치(200)의 챔버(210)에 칼코겐 함유 기체를 공급하거나, 칼코겐 물질을 가열하고 캐리어 가스를 이용함으로써 조성할 수 있다. 예를 들어, 칼코겐 분위기는 열 처리 장치(200)의 챔버(210) 내에 H2S, H2Se 및 H2Te 등의 칼코겐 함유 기체를 공급하여 이루어지거나, 황(S), 셀레늄(Se) 또는 텔루륨(Te)을 가열하고 아르곤(Ar) 질소(N2) 등의 캐리어 가스(carrier gas)를 이용하여 열 처리 장치(200)의 챔버(210) 내에 칼코겐 분위기를 조성할 수 있다.
금속 칼코게나이드 박막을 열처리함으로써 금속 칼코게나이드 박막은 결정화될 수 있다. 또한, 열처리에 의해 노이즈 원소가 금속 칼코게나이드 박막에서 분리됨으로써 금속 칼코게나이드 박막의 순도를 높일 수 있다. 상기한 분리된 노이즈 원소 위치에 칼코켄 원소가 대체될 수도 있다. 또한, 금속 칼코게나이드 박막을 열처리함으로써 스터퍼링에 의해 수직 성장된 물질의 일부가 에칭되어 측방 성장(lateral growth)되는 바, 박막의 두께가 균일해질 수 있다.
열처리된 금속 칼코게나이드 박막은 하기 화학식 2로 표시되는 조성을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
MX2
상기 식 중 M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소이다.
전이금속 원소는, 예를 들어, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있고, 칼코겐 원소는 예를 들어, S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 금속 칼코게나이드 박막은 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2 등일 수 있다.
실시예에 따라 형성되는 금속 칼코게나이드 박막은 도핑 원소(A)를 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 전구체에 도핑 원소가 더포함될 수 있다. 상기한 도핑 원소는 전이금속 원소나 칼코켄 원소보다 낮은 족의 원소일 수 있다. 예를 들어, 전이 금속의 전구체로 Mo가 포함된 경우, Mo보다 낮은 족의 V, Nb, Ta, Db 등 더 포함될 수 잇고, 칼코겐의 전구체로 S가 포함된 경우, S보다 낮은 족의 N, P, As, Sb 등을 포함할 수 있다. 상기한 전구체에 의해 도핑된 박막을 형성할 수 있다.
이 경우, 도핑된 금속 칼코게나이드 박막의 물질은 A-doped MX2 또는 AMX2로 표시될 수 있다. AMX2는 AxM1 - xX2 또는 AxMX2 -x 일 수 있다. 상기 도핑 원소(A)는 예를 들어, Nb, P, Zr, N, V, Ta, As, Sb 등일 수 있다. 도핑 원소(A)의 함유량은 약 5 wt% 이하 또는 약 3 wt% 이하일 수 있다.
이러한 금속 칼코게나이드 박막은 이차원 물질(2D material)일 수 있다. 이차원 물질은 원자들이 소정의 결정구조를 이루고 있는 단층(single-layer) 또는 반층(half-layer)의 고체이다. 이차원 물질은 층상 구조(layered structure)를 가질 수 있다. 전자 구조적으로, 이차원 물질은 상태 밀도(density of state)(DOS)가 양자 우물 거동(quantum well behavior)을 따르는 물질로 정의될 수 있다. 복수의 이차원 단위 물질층(단일층)이 적층된 물질에서도 상태 밀도(DOS)가 양자 우물 거동(quantum well behavior)을 따를 수 있기 때문에, 이런 관점에서, 상기 단일층이 반복 적층된 구조도 "이차원 물질"이라고 할 수 있다. 이차원 물질의 층간은 반데르 발스(van der Waals) 결합을 할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따르면, 균일성 및 고품질을 갖는 금속 칼코게나이드 박막을 대면적으로 단시간에 형성할 수 있다. 그리고, 스퍼터링 공정에 의해 금속 칼코게나이드 박막의 두께를 용이하게 조절할 수 있고, 열 처리에 의해 금속 칼코게나이드 박막의 두께를 균일하게 할 수 있다. 금속 칼코게나이드 박막은 스퍼터링 공정과 열처리 공정이 1회씩 수행됨으로써 형성될 수도 있고, 스퍼터링 공정과 열처리 공정이 복수 회 반복적으로 수행됨으로써 형성될 수도 있다. 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 형성된 금속 칼코게나이드 박막은 1층 내지 15층일 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 스퍼터링 시간에 따른 박막의 두께에 대한 라만(Raman) 스펙트럼 분석 결과를 나타내는 도면이다. Mo와 S를 포함하는 전구체를 이용하여 박막을 증착시켰다. 스퍼터링 공정 시간을 늘려가면 박막 증착을 수행하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 공정 시간이 길어질수록 피크 주파수가 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 상기한 피크 주파수는 박막의 두께와 관련된 것으로서, 피크 주파수가 증가한다는 것은 박막의 두께가 증가함을 의미한다. 화학 기상증착 방법 등을 통해 금속 칼코게나이드 박막을 형성할 수도 있지만, 두께 조절의 어려움이 있다. 그러나, 일 실시예에 따른 스퍼터링 공정에 의한 금속 칼코게나이드 박막은 스퍼터링 공정 시간 또는 스퍼터링 공정 횟수를 조절함으로써 용이하게 금속 칼코게나이드 박막의 두께를 조절할 수 있다.
도 5은 일 실시예에 따라 형성된 MoS2 박막의 TEM(transmission electron microscopy) 이미지이다. 도 5의 TEM 이미지에서 중간에 라인처럼 보이는 것이 MoS2 박막이다. MoS2 박막이 11층 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 공정에 의해 형성된 금속 칼코게나이드 박막이 평면이미지이다. Mo와 S를 포함하는 전구체를 이용하여 기판 온도가 약 700℃에서 약 35초 동안 박막을 증착시키고, 증착된 박막을 약 1000℃ 에서 약 30분간 열처리하였다. 그 결과 형성된 박막의 평면이미지는 도 6과 같다. 도 6에 도시된 바와 같이, 박막은 결정이 균일하게 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 박막의 위치별 라만(Raman) 스펙트럼 분석 결과를 나타내는 도면이다. MoS2 박막은 스퍼터링에 의해 증착한 후 H2S 함유의 기체가 공급된 상태에서 열처리하였다. 그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, MoS2 박막은 박막의 길이 방향에 따른 위치에 상관없이 특정한 크기의 피크 주파수가 발견되었음을 확인할 수 있다. 이는 박막의 위치에 상관없이 균일한 두께가 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 8은 도핑되지 않는 금속 칼코게나이드 박막과 도핑된 금속 칼코게나이드 박막의 형성을 실험한 결과이다. Mo와 S를 포함하는 제1 전구체를 이용하여 제1 박막을 형성하였고, Nb, Mo 및 S를 포함하는 제2 전구체를 이용하여 제2 박막을 형성하였다. 제2 전구체에 포함된 Nb의 비중은 약 5%였다. 제2 박막의 결합 에너지는 제1 박막의 결합 에너지에 비해 시프트되었음을 확인할 수 있다. 이는 제2 박막이 도핑되었음을 의미한다. 그리하여, 스퍼터링 공정을 이용하여 도핑된 금속 칼코게나이드 박막을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.
종래의 방법으로는 금속 칼코게나이드 박막을 웨이퍼 스케일로 형성하기 어렵고, 또한 연속막(continuous film)의 균일성을 확보하기가 어려운 문제가 있다. 확장성(scalability) 문제를 해결하기 위해 유기금속 전구체(metal organic precursor)를 사용하는 방법이 소개되었지만, 박막 형성을 위해 필요한 시간이 약 26 시간으로 매우 길어 상용화가 불가하다. 그러나 본원의 실시예에 따르면, 전체적인 필름 균일성(universal film uniformity)을 확보할 수 있으면서, 아울러, 쉬운 공정으로 단시간에 고품질의 금속 칼코게나이드 박막을 형성할 수 있다.
도 9 및 도 10은 다양한 실시예에 따른 방법으로 형성한 금속 칼코게나이드 박막을 보여주는 단면도이다.
도 9을 참조하면, 기판(400) 상에 금속 칼코게나이드 박막(410)을 형성할 수 있다. 금속 칼코게나이드 박막(410)은, 예컨대, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2 등일 수 있다.
도 10를 참조하면, 기판(400) 상에 서로 다른 복수의 금속 칼코게나이드 물질을 복층 구조로 형성할 수 있다. 예컨대, 기판(400) 상에 제1 금속 칼코게나이드 박막(420)을 형성하고, 그 위에 이종의 제2 금속 칼코게나이드 박막(430)을 형성할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한 방법을 이용하여 제1 금속 칼코게나이드 박막(420)을 형성한 후, 전구체 물질(소스 물질)을 변경하여 추가적인 박막 형성 공정을 진행함으로써, 제1 금속 칼코게나이드 박막(420) 상에 이와 다른 제2 금속 칼코게나이드 박막(430)을 형성할 수 있다. 제1 금속 칼코게나이드 박막(420)과 제2 금속 칼코게나이드 박막(430)을 교대로 반복해서 적층할 수 있다. 세 종류 이상의 금속 칼코게나이드 박막을 원하는 순서로 적층할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 금속 칼코게나이드 박막의 형성방법은 다양한 소자(이차원 물질 함유 소자)의 제조방법에 적용될 수 있다. 상기 소자(이차원 물질 함유 소자)의 제조방법은 전술한 방법으로 기판 상에 금속 칼코게나이드 박막을 형성시키는 단계 및 상기 금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 소자부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 소자(이차원 물질 함유 소자)는 트랜지스터, 다이오드, 광전자소자(optoelectronic device), 터널링소자(tunneling device), 논리소자(logic device), 메모리소자(memory device) 등으로 다양할 수 있다. 상기 광전자소자는 포토스위치(photoswitch)나 포토디텍터(photodetector), 광발전소자(photovoltaic device) 등으로 다양할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 금속 칼코게나이드 박막은 금속과 반도체 사이의 콘택 특성을 제어할 목적으로 이들 사이에 삽입층으로 적용될 수도 있다. 그 밖에도 다양한 전자소자 분야에 다양한 목적으로 적용될 수 있다. 더욱이, 실시예의 방법은 Si-based 공정과 양립할 수 있기 때문에(compatible), 기존의 Si 기반의 공정 및 소자에 용이하게 적용될 수 있다. 실시예의 방법을 이용하면, 높은 스루풋(high throughput)으로 금속 칼코게나이드 박막을 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 이를 적용한 소자를 높은 생산성 및 저비용으로 제조할 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 일 실시예에 따른 이차원 물질 함유 소자의 제조방법을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 11a를 참조하면, 기판(500) 상에 이차원 금속 칼코게나이드 박막(510)을 형성할 수 있다. 웨이퍼 스케일로 대면적의 이차원 금속 칼코게나이드 박막(510)을 형성할 수 있다. 여기서, 기판(500)은 성장 기판이거나, 혹은, 전이 기판일 수 있다.
도 11b를 참조하면, 이차원 금속 칼코게나이드 박막(510)을 패터닝하여 패터닝된 금속 칼코게나이드 박막(510a)을 형성할 수 있다. 패터닝된 금속 칼코게나이드 박막(510a)은 복수일 수 있다.
도 11c를 참조하면, 기판(500) 상에 패터닝된 금속 칼코게나이드 박막(510a)을 포함하는 소자부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 패터닝된 금속 칼코게나이드 박막(510a)의 양단에 접촉된 소오스전극(520a)과 드레인전극(520b)을 형성할 수 있고, 패터닝된 금속 칼코게나이드 박막(510a)을 덮는 게이트절연층(530)을 형성한 후, 그 위에 게이트전극(540)을 형성할 수 있다. 이를 통해, 금속 칼코게나이드 박막(510a)을 포함하는 트랜지스터 소자를 제조할 수 있다. 그러나 도 11a 내지 도 11c를 참조하여 설명한 소자의 제조방법은 예시적인 것에 불과하고, 다양하게 변형될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 앞서 설명한 금속 칼코게나이드 박막의 형성방법과 이를 적용한 소자의 제조방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
400, 500: 기판
410, 510: 금속 칼코게나이드 박막

Claims (18)

  1. 반응 챔버내에 기판을 준비하는 단계;
    제1 온도에서 스터퍼링 공정을 이용하여 전이금속과 칼코겐을 포함하는 전구체로부터 금속 칼코게나이드 박막을 상기 기판상에 증착시키는 단계; 및
    칼코겐 분위기하에서 상기 금속 칼코게나이드 박막을 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 열처리하는 단계;를 포함하는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 칼코게나이드 박막은,
    비정절 및 다결정 중 적어도 하나를 포함하는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 칼코게나이드 박막은,
    하기 화학식 1로 표시되는 조성을 포함하는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
    [화학식 1]
    MX(2-a)Ya
    상기 식 중 M은 전이금속 원소이고, X 칼코겐 원소이고, Y는 상기 전이금속 및 칼코겐이 아닌 원소이며, 0<a<2 이다.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 증착하는 단계는,
    500℃ 내지 800℃에서 수행되는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는,
    800℃ 내지 1200℃에서 수행되는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 칼코겐 분위기는,
    칼코켄 함유 기체가 제공됨으로써 형성되는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 증착하는 단계는,
    2분 이내에 수행되는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 증착시키는 단계는,
    0.1mTorr 내지 10mTorr 압력에서 수행되는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리된 금속 칼코게나이드 박막은
    1층 내지 15층인 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전구체는,
    Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Tc, Re, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Zn 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것인 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전구체는,
    S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것인 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 전구체는,
    산화 금속, 할로겐화 금속, 금속 카보닐 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리된 금속 칼코게나이드 박막은,
    하기 화학식 2로 표시되는 조성을 포함하는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
    [화학식 2]
    MX2
    상기 M은 전이금속 원소이고, 상기 X는 칼코겐 원소이다.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 전구체는,
    상기 전이금속 및 상기 칼코겐 중 적어도 하나보다 낮은 족의 원소를 더 포함하는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 열처리된 금속 칼코게나이드 박막은
    도핑된 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 칼코게나이드 박막의 두께는,
    상기 전구체로부터 스퍼터된 물질의 에너지 반응 속도에 비례하는 금속 칼코게나이드 박막의 형성 방법.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 이용하여 금속 칼코게나이드 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 소자부를 형성하는 단계;를 포함하는 전자 소자의 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 전자 소자는 트랜지스터, 다이오드, 광전자소자, 터널링소자, 논리소자 및 메모리소자 중 적어도 하나를 포함하는 전자 소자의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9768313B2 (en) * 2015-10-05 2017-09-19 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Devices having transition metal dichalcogenide layers with different thicknesses and methods of manufacture
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KR20170107323A (ko) * 2016-03-15 2017-09-25 연세대학교 산학협력단 전이금속 칼코겐 화합물 합금 및 그의 제조방법
KR101800363B1 (ko) 2016-12-27 2017-11-23 한국세라믹기술원 전이금속 칼코겐화합물 박막 제조 방법
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