KR20220143671A - 나노와이어들에 대한 선택도가 향상된 선택적 영역 성장 - Google Patents

나노와이어들에 대한 선택도가 향상된 선택적 영역 성장 Download PDF

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KR20220143671A
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레이몬드 엘. 캘러허
세르게이 브이. 그로닌
제프리 씨. 가드너
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마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨
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Abstract

나노와이어 구조체는 기판, 패터닝된 마스크층, 및 나노와이어를 포함한다. 패터닝된 마스크층은 기판이 노출되는 개구부를 포함한다. 또한, 패터닝된 마스크층은 20(W/m*K)보다 큰 열전도율을 갖는다. 나노와이어는 패터닝된 마스크층의 개구부 내에 기판 상에 있다. 20(W/m*K)보다 큰 열전도율을 갖는 패터닝된 마스크층을 제공함으로써, 패터닝된 마스크층은, 나노와이어가 제공될 때 자신의 표면의 온도를 원하는 레벨로 유지할 수 있다. 이는 패터닝된 마스크층 상의 원치않는 기생적 성장을 방지하고, 이에 의해 나노와이어 구조체의 성능을 향상시킨다.

Description

나노와이어들에 대한 선택도가 향상된 선택적 영역 성장
본 개시는 나노와이어들, 및 특히 기생적 성장(parasitic growth)이 감소된 나노와이어들 및 이를 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다.
나노와이어들은 퀀텀 컴퓨팅에서 애플리케이션들에 대한 큰 가능성을 보여준다. 불행히도, 고품질 나노와이어들을 제조하는 것은 어렵다. 나노와이어들을 제조하기 위한 종래 프로세스들은, 패터닝된 마스크층 내의 개구부들을 통해 기판 직상에(directly on) 나노와이어들이 선택적으로 성장되는 선택적 영역 성장(selective-area-growth; SAG)을 포함한다. 그러한 프로세스에서, 패터닝된 마스크층 자체 상이 아닌 패터닝된 마스크층 내의 개구부들을 통해 기판 상에만 나노와이어들이 성장되는 것이 바람직하다. 나노와이어들의 성장 동안의 패터닝된 마스크층 상에 발생하는 재료 성장이 기생적 성장으로 지칭된다. 패터닝된 마스크층 상이 아닌 기판 상에 나노와이어들이 성장되는 정도가 선택도로 지칭된다. 나노와이어들에 대한 현재의 제조 기술들은 바람직하지 않게 높은 정도의 기생적 성장 및 따라서 낮은 정도의 선택도를 초래한다.
위에 비추어, 기생적 성장이 감소된 나노와이어들 및 이를 제조하기 위한 방법에 대한 필요성이 있다.
일 실시예에서, 나노와이어 구조체는 기판, 패터닝된 마스크층, 및 나노와이어를 포함한다. 패터닝된 마스크층은 기판이 노출되는 개구부를 포함한다. 패터닝된 마스크층은 20
Figure pct00001
보다 큰 열전도율(thermal conductivity)을 갖는다. 나노와이어는 패터닝된 마스크층의 개구부 내에 기판 상에 있다. 20
Figure pct00002
보다 큰 열전도율을 갖는 패터닝된 마스크층을 제공함으로써, 패터닝된 마스크층은, 기판의 열전도율보다 크지는 않더라도 이에 필적하는 열전도율을 갖고, 이때 마스크층에서의 온도 구배(temperature gradient)가 기판에서의 온도 구배에 필적한다. 이는 마스크 전체에 걸친 무시할 수 있는 온도 강하로 이끌고, 이때 마스크 표면에서의 온도가 성장 표면에서의 기판의 온도와 거의 동일하다. 이는 패터닝된 마스크층 상의 원치않는 기생적 성장을 방지하고, 이에 의해 나노와이어 구조체의 성능 및 수율(yield)을 향상시킨다.
일 실시예에서, 패터닝된 마스크층은 40
Figure pct00003
보다 큰 열전도율을 갖는다. 이 높은 열전도율로, 마스크층은 기판의 열전도율보다 상당히 큰 열전도율을 가질 수 있고, 이때 추가적으로 기판 상의 성장 표면 전체에 걸쳐 온도 균일도를 향상시키는 작용을 한다. 패터닝된 마스크층은 다이아몬드, 흑연, 알루미늄 질화물, 실리콘 탄화물, 및 붕소 질화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 나노와이어는 인듐 비화물(indium arsenide), 인듐 안티몬화물(indium antimonide), 및 인듐 비화 안티몬화물(indium arsenide antimonide) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 기판(12)은 갈륨 비화물, 갈륨 안티몬화물, 인듐 인화물(indium phosphide), 갈륨 인화물, 실리콘, 및 게르마늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 나노와이어 구조체는 나노와이어 위의 초전도체층을 더 포함한다.
당업자는, 첨부한 도면들과 연관하여 바람직한 실시예들의 다음의 상세한 설명을 읽은 후 본 개시의 범위를 인식할 것이고 이들의 추가 양태들을 실현할 것이다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부한 도면들은 본 개시의 여러 양태들을 예시하고, 설명과 함께 본 개시의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 예시하는 다이어그램이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 예시하는 다이어그램이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 제조하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 제조하기 위한 방법을 예시하는 다이어그램들이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 제조하기 위한 방법의 상세사항들을 예시하는 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체를 제조하기 위한 방법의 상세사항들을 예시하는 다이어그램들이다.
아래에 제시된 실시예들은 당업자가 실시예들을 실시할 수 있도록 필수 정보를 나타내며 실시예들을 실시하는 최적 모드를 예시한다. 첨부한 도면들에 비추어 다음의 설명을 읽을 시에, 당업자는 본 개시의 개념들을 이해할 것이고 본원에서 특별히 다루어지지 않은 이 개념들의 응용들을 인식할 것이다. 이 개념들 및 응용들이 본 개시 및 첨부한 청구범위의 범위 내에 있다는 점이 이해되어야 한다.
다양한 요소들을 설명하기 위해 용어들 제1, 제2 등이 사용될 수 있지만, 이 요소들이 이 용어들에 의해 제한되지 않아야 한다는 점이 이해될 것이다. 이 용어들은 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고, 제1 요소가 제2 요소로 칭해질 수 있고, 유사하게, 제2 요소가 제1 요소로 칭해질 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관된 리스트화된 항목들 중 하나 이상의 연관된 리스트화된 항목의 임의의 또한 모든 조합들을 포함한다.
층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "상에" 있는 것 또는 "상으로" 연장되는 것으로서 지칭될 때, 요소가 다른 요소 직상에 있을 수 있거나 직상으로 연장될 수 있거나 또는 개재한 요소들이 또한 존재할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 "직상에" 있는 것 또는 "직상으로" 연장되는 것으로서 지칭될 때, 존재하는 개재한 요소들이 없다. 마찬가지로, 층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "위에" 있는 것 또는 "위로" 연장되는 것으로서 지칭될 때, 요소가 다른 요소 바로 위에 있을 수 있거나 바로 위로 연장될 수 있거나 또는 개재한 요소들이 또한 존재할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 대조적으로, 요소가 다른 요소 "바로 위에" 있는 것 또는 "바로 위로" 연장되는 것으로서 지칭될 때, 존재하는 개재한 요소들이 없다. 요소가 다른 요소에 "연결된" 것 또는 "커플링된" 것으로서 지칭될 때, 요소가 다른 요소에 바로 연결될 수 있거나 커플링될 수 있거나 또는 개재한 요소들이 존재할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 대조적으로, 요소가 다른 요소에 "바로 연결된" 것 또는 "바로 커플링된" 것으로서 지칭될 때, 존재하는 개재한 요소들이 없다.
하나의 요소, 층의 관계, 또는 다른 요소, 층에 대한 영역, 또는 도면들에 예시된 영역을 설명하기 위해 "아래" 또는 "위" 또는 "상부" 또는 "하부" 또는 "수평" 또는 "수직"과 같은 상대적 용어들이 본원에서 사용될 수 있다. 이 용어들 및 위에서 논의된 것들이 도면들에 도시된 배향(orientation)에 추가하여 디바이스의 상이한 배향들을 망라하도록 의도된다는 점이 이해될 것이다.
본원에서 사용되는 전문용어(terminology)는 특정 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것일 뿐이며, 본 개시의 제한이도록 의도되는 것은 아니다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은 문맥(context)이 달리 명확하게 나타내지 않는 한, 복수 형태들도 포함하도록 의도된다. 용어들 "포함한다", "포함하는", "포괄한다", 및/또는 "포괄하는"이 본원에서 사용될 때, 언급된 피처들, 정수(integer)들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 구성요소들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 피처, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배재하는 것은 아니라는 점이 또한 이해될 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 (기술적 및 과학적 용어들을 포함한) 모든 용어들은, 본 개시가 속한 분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 사용되는 용어들이 본 명세서 및 관련 분야의 문맥에서의 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로서 해석되어야 하고 본원에서 명확히 그렇게 정의되지 않는 한 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것임이 또한 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체(10)를 보여준다. 나노와이어 구조체(10)는 기판(12), 기판(12) 상의 고열전도율 패터닝된 마스크층(high thermal conductivity patterned mask layer)(14), 및 고열전도율 패터닝된 마스크층(14) 내의 개구부를 통하는 기판(12) 상의 나노와이어(16)를 포함한다. 또한, 나노와이어 구조체(10)는 나노와이어(16) 상의 초전도체층(18)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 초전도체층(18)은 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)의 일부 위에서 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)은 20
Figure pct00004
[미터-켈빈당 와트(Watts per meter-Kelvin)보다 큰 열전도율을 갖는다. 일부 실시예에서, 이 열전도율은 나노와이어들의 성장을 위해 사용되는 일반적인 온도인 400℃ 내지 700℃ 사이의 온도에서 유효할 수 있다. 추가 실시예들에서, 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)은 40
Figure pct00005
보다 큰 열전도율을 갖는다. 고열전도율 패터닝된 마스크층은, 예를 들어 다이아몬드(600
Figure pct00006
내지 2000
Figure pct00007
)[결정질(crystalline), 다결정질(poly crystalline), 나노결정질(nanocrystalline), 및 극나노결정질(ultra-nanocrystalline) 다이아몬드 포함], 흑연(170
Figure pct00008
), 알루미늄 질화물(300
Figure pct00009
), 실리콘 탄화물(400
Figure pct00010
), 및 붕소 질화물(700
Figure pct00011
)을 포함할 수 있다. 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)의 두께는 1 nm 내지 10 마이크로미터 사이일 수 있다. 20
Figure pct00012
보다 큰 열전도율을 갖는 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)을 제공함으로써, 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)의 노출된 표면의 온도가 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이 나노와이어(16)의 성장 프로세스 동안 높게 유지될 수 있다. 나노와이어(16)의 성장 동안 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)의 노출된 표면에서 고온을 유지함으로써, 고열전도율 패터닝된 마스크층(14) 상의 기생적 성장이 감소될 수 있고 선택도가 향상될 수 있다. 이는 결국 나노와이어 구조체(10)의 전체 성능 및 수율을 향상시킬 수 있다.
나노와이어(16)는 인듐 비화물, 인듐 안티몬화물, 및 인듐 비화 안티몬화물 중 하나를 포함할 수 있다. 단일 층으로서 보여지지만, 나노와이어(16)는 일부 실시예들에서 여러 층들을 포함할 수 있다. 나노와이어(16)는 20 nm 내지 300 nm 사이의 두께를 가질 수 있다. 또한, 나노와이어(16)는 나노미터(10-9 미터) 단위의 직경 또는 1000보다 큰 폭에 대한 길이의 비율을 가질 수 있다. 기판(12)은 갈륨 비화물, 갈륨 안티몬화물, 갈륨 비화 안티몬화물, 인듐 인화물, 실리콘, 및 게르마늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 초전도체층(18)은 알루미늄, 납, 니오븀(niobium), 인듐, 주석, 및 바나듐(vanadium) 중 하나를 포함할 수 있다. 초전도체층(18)의 두께는 3 nm 내지 30 nm 사이일 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 나노와이어(16)는 다수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 보여지는 바와 같이, 나노와이어(16)는 고열전도율 패터닝된 마스크층(14) 내의 개구부를 통하는 기판(12) 상의 버퍼층(20) 및 버퍼층(20) 상의 활성층(22)을 포함할 수 있다. 버퍼층(20)은 갈륨 비화 안티몬화물, 인듐 갈륨 비화물, 알루미늄 안티몬화물, 인듐 알루미늄 안티몬화물, 및 인듐 알루미늄 비화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 활성층(22)은 인듐 비화물, 인듐 안티몬화물, 및 인듐 비화 안티몬화물 중 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층(20)은 0 nm 내지 10 마이크로미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 활성층(22)은 3_nm 내지 200 nm 사이의 두께를 가질 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 나노와이어 구조체(10)를 제조하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 4a 내지 도 4e는 도 3의 방법을 예시하며 따라서 도 3과 함께 논의된다. 기판(12)이 제공된다[블록(100) 및 도 4a]. 기판 상에 고열전도율 마스크층(14a)이 제공된다[블록(102) 및 도 4b]. 도 4b에 보여지는 바와 같이, 고열전도율 마스크층(14a)은 기판(12) 위에 블랭킷층(blanket layer)으로서 제공된다. 고열전도율 마스크층(14a)이 패터닝되어 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)을 형성한다[블록(104) 및 도 4c]. 고열전도율 마스크층(14a)을 패터닝하는 것은 임의의 적절한 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 고열전도율 마스크층(14a)은 전자 빔 리소그래피 프로세스와 같은 리소그래피 프로세스에 의해 패터닝될 수 있다. 고열전도율 패터닝된 마스크층(14) 내의 개구부를 통해 기판(12) 상에 나노와이어(16)가 제공된다[블록(106) 및 도 4d]. 나노와이어(16)는 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이 임의의 적절한 프로세스에 의해 제공될 수 있지만, 일부 실시예들에서 SAG 프로세스에 의해 제공된다. 나노와이어(16) 상에, 그리고 일부 실시예들에서 고열전도율 패터닝된 마스크층(14) 상에 초전도체층(18)이 제공된다[블록(108) 및 도 4e].
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 고열전도율 패터닝된 마스크층(14) 내의 개구부를 통해 기판(12) 상에 나노와이어(16)를 제공하는 상세사항들을 예시하는 흐름도이다. 도 6a 및 도 6b는 도 5의 방법을 예시하며 따라서 도 5과 함께 논의된다. 기판(12)의 후측(backside)이 가열된다[블록(200) 및 도 6a]. 본원에서 논의되는 바와 같이, 기판(12)의 후측은 고열전도율 패터닝된 마스크층(14) 반대측에 있는 기판(12)의 측이다. 기판(12)의 후측은 임의의 적절한 방식으로 가열될 수 있고, 일 실시예에서 열원(heat source)(24)과의 직접 접촉에 의해 가열된다. 열원(24)은 임의의 적절한 열원일 수 있다. 이어서 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy)를 통해 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)의 개구부를 통해 기판(12) 상에 나노와이어(16)가 성장된다[블록(202) 및 도 6b]. 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)을 사용함으로써, 기판(12) 반대측에 있는 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)의 표면이 열원(24)으로부터 제공되는 열을 전도하고 비교적 높은 온도로 유지된다. 고열전도율 패터닝된 마스크층(14)의 표면의 고온이 나노와이어(16)로부터의 기생적 성장을 감소시키거나 방지하고 따라서 선택도를 향상시킨다. 따라서, 나노와이어 구조체(10)의 성능이 향상될 수 있다.
당업자는 본 개시의 바람직한 실시예들에 대한 향상점들 및 변형점들을 인식할 것이다. 모든 그러한 향상점들 및 변형점들은 본원에 개시된 개념들 및 이어지는 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (15)

  1. 나노와이어 구조체에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상의 패터닝된 마스크층으로서,
    상기 패터닝된 마스크층은 기판이 노출되는 개구부를 갖고; 그리고
    상기 패터닝된 마스크층은 20
    Figure pct00013
    보다 큰 열전도율(thermal conductivity)을 갖는 것인, 상기 패터닝된 마스크층; 및
    상기 패터닝된 마스크층의 개구부 내의 상기 기판 상의 나노와이어
    를 포함하는, 나노와이어 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패터닝된 마스크층은 40
    Figure pct00014
    보다 큰 열전도율을 갖는 것인, 나노와이어 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 패터닝된 마스크층은 다이아몬드, 흑연, 알루미늄 질화물, 실리콘 탄화물, 및 붕소 질화물 중 하나 이상을 포함하는 것인, 나노와이어 구조체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 나노와이어는 선택적 영역 성장(selective area growth; SAG) 프로세스에 의해 상기 기판 상에 성장되는 것인, 나노와이어 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 나노와이어는 인듐 비화물(indium arsenide), 인듐 안티몬화물(indium antimonide), 및 인듐 비화 안티몬화물(indium arsenide antimonide) 중 하나를 포함하는 것인, 나노와이어 구조체.
  6. 제3항에 있어서, 상기 나노와이어는 인듐 비화물, 인듐 안티몬화물, 및 인듐 비화 안티몬화물 중 하나를 포함하는 것인, 나노와이어 구조체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기판은 갈륨 비화물, 갈륨 안티몬화물, 인듐 인화물(indium phosphide), 갈륨 인화물, 실리콘, 및 게르마늄 중 하나 이상을 포함하는 것인, 나노와이어 구조체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노와이어 상의 초전도체층을 더 포함하는, 나노와이어 구조체.
  9. 나노와이어 구조체를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 패터닝된 마스크층을 제공하는 단계로서,
    상기 패터닝된 마스크층은 기판이 노출되는 개구부를 갖고; 그리고
    상기 패터닝된 마스크층은 20
    Figure pct00015
    보다 큰 열전도율을 갖는 것인, 상기 패터닝된 마스크층을 제공하는 단계; 및
    상기 패터닝된 마스크층의 개구부 내에 상기 기판 상에 나노와이어를 제공하는 단계
    를 포함하는, 나노와이어 구조체를 제조하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 패터닝된 마스크층은 40
    Figure pct00016
    보다 큰 열전도율을 갖는 것인, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 패터닝된 마스크층은 다이아몬드, 흑연, 알루미늄 질화물, 실리콘 탄화물, 및 붕소 질화물 중 하나 이상을 포함하는 것인, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 나노와이어를 제공하는 단계는 선택적 영역 성장(SAG) 프로세스를 통해 상기 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 나노와이어는 인듐 비화물, 인듐 안티몬화물, 및 인듐 비화 안티몬화물 중 하나를 포함하는 것인, 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 나노와이어는 인듐 비화물, 인듐 안티몬화물, 및 인듐 비화 안티몬화물 중 하나를 포함하는 것인, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기판은 갈륨 비화물, 갈륨 안티몬화물, 인듐 인화물, 갈륨 인화물, 실리콘, 및 게르마늄 중 하나 이상을 포함하는 것인, 방법.
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