WO2010080002A2 - 상변화 물질의 나노와이어 제조 방법 - Google Patents

상변화 물질의 나노와이어 제조 방법 Download PDF

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WO2010080002A2
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nanowire
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이홍림
김병근
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연세대학교 산학협력단
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
    • H10N70/021—Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N70/882—Compounds of sulfur, selenium or tellurium, e.g. chalcogenides
    • H10N70/8828—Tellurides, e.g. GeSbTe

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing nanowires, and more particularly, to a method of growing phase change material nanowires that can be used in an electronic device by phase separation of a phase-change material on a substrate.
  • phase change materials have been widely studied to implement phase change memory, which is one of the next generation memories.
  • phase change memory which is one of the next generation memories.
  • limitations of high integration and high voltage characteristics and to solve this problem, researches on nanowires of phase change materials have been conducted.
  • Conventional nanowire manufacturing methods include methods such as VLS and VS.
  • a catalyst, a high process temperature, and the like are required.
  • the catalyst since the catalyst is used, the catalyst remains on the grown nanowires, particularly at the ends of the nanowires.
  • such a catalyst acts as an impurity, and thus there is a problem in that a process to remove it is additionally performed.
  • the Ge-Sb-Te phase change material which is representative of phase change materials, is more nano-structured than in the form of a thin film, and requires more current to reset the phase of the phase change memory (PRAM) (crystalline to amorphous phase change). It seems to take less. This is related to the melting point of the material, which means that the lower the melting point is, the less energy is required to quench it quickly, so that low-voltage driving is possible in the PRAM.
  • PRAM phase change memory
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, and one object thereof is to provide a method for growing a phase change material on a substrate in the form of nanowires instead of a thin film.
  • Another object of the present invention is to provide a method of growing a nanowire made of a specific phase change material desired from a conventional phase change material on a substrate.
  • Another object of the present invention is to grow a nanowire of phase change material on a substrate, which can significantly shorten the process temperature and processing time compared with the conventional one, without using a catalyst, unlike a conventional nanowire manufacturing method. To provide a way.
  • a method for producing Sb 2 Te 3 single crystal nanowires comprising the steps of (a) providing a substrate, (b) without using a catalytic material, By sputtering on the substrate, a Ge-Sb-Te phase change material is stacked and a crystallization inducing material is doped together to form a thin film made of the Ge-Sb-Te phase change material doped with the crystallization inducing material. Forming a phase and (c) annealing and heat-treating the substrate on which the thin film is formed, so that the crystallization inducing material is preferentially bonded with Ge, and thus excess Sb and Te are combined to change the phase. Forming a material Sb 2 Te 3 And characterized in that it comprises the step of allowing a single crystal nanowire made of Sb 2 Te 3 to grow on the thin film.
  • the inside of the reactor may be carried out the annealing heat treatment while maintaining the vacuum or normal pressure (1 atm).
  • the crystallization inducing material may be Al, in which case the content of Al may be 7-30 atomic%, preferably about 7.5 or 23atomic%.
  • the annealing heat treatment in step (c) may be carried out at about 300 °C over about 30 minutes.
  • the substrate may be a Si wafer or a glass substrate, preferably a Si wafer substrate.
  • Sb 2 Te 3 single crystal nanowires can be grown on a substrate without the use of a catalyst, thus eliminating the step of removing the catalyst.
  • FIG 1 schematically shows one process of the method according to the invention.
  • FIG. 3 is a view showing that the nanowires grown according to the present invention is composed of Sb 2 Te 3 .
  • 6 and 7 are FESEM images showing the growth pattern of nanowires according to the amount of Al doping in the method according to the present invention.
  • FIG. 8 is a photograph showing the effect of annealing heat treatment time on nanowire growth in the method according to the present invention.
  • FIG. 9 is a FESEM image showing that the method according to the invention can also be applied to glass substrates.
  • FIG. 10 is an FESEM image showing nanowires grown using the present invention on a silicon wafer substrate (a) and a glass substrate (b).
  • Phase change materials have their own characteristics. Ge-Sb-Te phase change materials have been studied the most, but the speed of phase change (amorphous to crystalline phase change) is slow, and the disadvantage of slowing down the SET process (amorphous to crystalline phase change) during PRAM driving I think it is.
  • the Sb-Te thin film has a faster phase change rate compared to the Ge-Sb-Te thin film, the device driving speed in the PRAM can be increased, and Sb-Te is Ge- Since the melting point is lower than that of Sb-Te, it is possible to drive the low voltage in the PRAM as described above, and since it is a binary component material, there seems to be an advantage to simplify the process.
  • the present inventors implement the phase change material in the form of nanowires rather than in the form of a thin film, and in the case of applying the nanowire form with a binary phase change material other than Ge-Sb-Te to apply to a PRAM.
  • the present invention has been completed by the conclusion that a significant improvement in driving the device can be achieved.
  • the present inventors apply nanowires made of Sb-Te phase change materials to electronic devices while reducing process temperature and process time without using a catalyst, unlike the conventional methods for growing nanowires such as VLS and VS.
  • the growth of Sb-Te phase change material nanowires from GST material which is a representative phase change material, was studied.
  • GST phase change material was applied to the electronic device in the form of a thin film, and it was grown in the form of nanowires, and the research was performed to grow the nanowires of the phase change material containing no Ge. Completed the invention, it will be described in more detail as follows.
  • a Ge-Sb-Te material which is a representative phase change material at room temperature
  • Al is also laminated together by sputtering to deposit Al-doped phase change material 20 on the substrate.
  • the doped phase change material is in an amorphous state.
  • the substrate 10 on which the Al-doped phase change material is stacked is loaded on the furnace F in the form of a tube, and then heated to a predetermined temperature at atmospheric pressure to perform annealing heat treatment. At this time, nitrogen gas is introduced into the furnace to make the furnace interior into a non-oxidizing atmosphere.
  • Al doped with Ge-Sb-Te phase change material preferentially binds to Ge of the three elements during annealing in the furnace, thereby separating into Al-Ge phase.
  • Excess Sb and Te bind to each other, separate into Sb 2 Te 3 , and appear to grow in the form of single crystal nanowires.
  • the addition of Ge-Sb-Te phase-change material to the Ge-Sb-Te phase-change material to induce the binding and crystallization of Sb and Te is expected to grow the phase-change material nanowire of Sb 2 Te 3 . It seems to be the most suitable for this purpose.
  • FIG. 2 The FESEM and TEM images of the single crystal Sb 2 Te 3 nanowires grown according to the above process are shown in FIG. 2.
  • Figure 2 it can be seen that there is no conventional catalytic material at the end of the nanowire. That is, according to the method of the present invention, unlike the conventional VLS, VS method and the like to grow the nanowires without using a catalyst such as Au, the impurities such as the catalyst does not remain at the end of the formed nanowires and thus the catalyst It is not necessary to perform the step of removing the additional, it is possible to grow the nanowires in a very simple method compared to the conventional technology.
  • Figure 3 is a TEM image of the nanowires grown according to the method and the composition results analyzed by using the energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
  • EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • Figure 4 and 5 is an image confirming that the nanowires grown according to the method is a single crystal
  • Figure 4 is an enlarged HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) image
  • grain boundary is a selected area electron diffraction (SAED) pattern. It can be seen from the two images of FIGS. 4 and 5 that the nanowires grown in accordance with the present invention are single crystals.
  • Sb 2 Te 3 single crystal nanowires can be grown on a substrate from a Ge-Sb-Te phase change material in a very simple manner without using a catalyst. Moreover, it is possible to grow nanowires at a relatively low temperature as compared to conventional nanowire growth methods.
  • the inside of a furnace such as a furnace is in a high vacuum state.
  • single crystal nanowires are used in a vacuum as well as at atmospheric pressure (1 atm). There is an advantage to grow.
  • FIG. 6 and 7 are FESEM photographs of Al doped Ge: Sb: Te thin films according to the Al content.
  • Al contained less than 7 atomic%
  • the annealing heat treatment is performed for about 30 minutes at atmospheric pressure and at about 300 ° C for the Ge-Sb-Te thin film.
  • 2 Te 3 nanowires were grown on the thin film.
  • the nanowire growth mode appeared different, which is according to the Al content, the composition ratio of Gb-Se-Te seems to vary accordingly.
  • the nanowires can grow to a desired shape when the annealing heat treatment is performed at about 300 ° C. for about 30 minutes.
  • FIG. 9 is a FESEM photograph of nanowires when grown on a glass substrate, similar to the case where nanowires are grown on a Si wafer substrate shown in FIGS. 6 to 8, using a glass substrate using the same process as described above. It was confirmed that even if Sb 2 Te 3 nanowires can be grown.
  • FIG. 10 is a FESEM image of Sb 2 Te 3 nanowires grown on a Si substrate (FIG. 10 (a)) and a glass substrate (FIG. 10 (b)). It can be seen that the number of nanowires is larger and the length is longer. This is because the coefficient of thermal expansion (CTE) between the silicon substrate and the Ge-Sb-Te phase change material is greater than that between the glass substrate and the Ge-Sb-Te phase change material, resulting in greater thermal stress due to temperature heating on the Si substrate. In effect, this stress appears to have resulted from the greater effect on Sb 2 Te 3 nanowire generation and growth.
  • CTE coefficient of thermal expansion

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Abstract

본 발명에 따라서 Sb2Te3 단결정 나노와이어를 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 기판을 제공하는 단계와, (b) 촉매 물질을 사용하지 않으면서, 상기 기판 상에 스퍼터링에 의해, Ge-Sb-Te 상변화 물질을 적층함과 아울러 결정화 유도 물질을 함께 도핑하여, 상기 결정화 유도 물질이 도핑된 Ge-Sb-Te 상변화 물질로 이루어진 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계와, (c) 상기 박막이 형성된 기판을 반응로 내부에서 어닐링 열처리하여, 상기 결정화 유도 물질이 Ge과 우선적으로 결합함과 아울러, 이에 따라 과잉의 Sb와 Te가 결합하여 상변화물질 Sb2Te3을 형성하여 상분리됨으로써 Sb2Te3로 이루어진 단결정 나노와이어가 상기 박막 상에서 성장하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

상변화 물질의 나노와이어 제조 방법
본 발명은 나노와이어 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상변화물질(phase-change material)을 상분리시켜 전자 소자에 이용될 수 있는 상변화물질 나노와이어를 기판 상에서 성장시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 상변화 물질은 차세대 메모리 중의 하나인 상변화 메모리를 구현하기 위해 널리 연구되고 있다. 그러나, 고집적도의 한계와 고전압 특성의 단점을 갖고 있어, 이를 해결하고자 상변화물질의 나노와이어에 관한 연구가 수행되고 있다.
기존의 대표적인 나노와이어 제조 방법으로는 VLS, VS 등의 방법이 있으나, 이러한 제조 방법을 이용하여 나노와이어를 제조하기 위해서는 촉매, 높은 공정 온도 등을 필요로 한다. 특히, 촉매를 이용하기 때문에, 성장시킨 나노와이어, 특히 나노와이어의 끝단 부분에 촉매가 잔존하게 된다. 반도체 분야에서 이러한 촉매는 불순물로 작용하고, 따라서 이를 제거해야 하는 공정이 추가로 수행되어야 하는 문제점이 있다.
한편 상변화 물질 중 대표적인 Ge-Sb-Te 상변화 물질은 박막의 형태로 있을 때보다 나노 구조로 있을 때가 상변화 메모리(PRAM)의 RESET 과정(결정질에서 비결정질로의 상변화)에 필요한 전류가 더 적게 소요되는 것으로 보인다. 이는 물질의 녹는점과 관련이 있는데, 녹는점이 더 낮아지므로 그것을 빠르게 급냉(quenching)하는데 필요한 에너지가 줄어들게 되는 것이며, 따라서 PRAM에서 저전압 구동이 가능한 것으로 판단된다. 그러나, 종래 기술에 따르면 대표적인 상변화 물질인 Ge-Sb-Te를 단순히 박막 형태로만 PRAM과 같은 전자 소자에 적용하고 있는 바, 이에 대한 개선이 요구된다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 상변화 물질을 박막의 형태가 아닌 나노와이어 형태로 기판 상에서 성장시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 상변화 물질로부터, 원하는 특정 상변화 물질로 이루어진 나노와이어를 기판 상에서 성장시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 나노와이어 제조 방법과는 달리 촉매를 이용하지 않으면서도, 종래의 것과 비교하여 공정 온도와 공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있는 상변화 물질의 나노와이어를 기판 상에서 성장시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 Sb2Te3 단결정 나노와이어를 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 기판을 제공하는 단계와, (b) 촉매 물질을 사용하지 않으면서, 상기 기판 상에 스퍼터링에 의해, Ge-Sb-Te 상변화 물질을 적층함과 아울러 결정화 유도 물질을 함께 도핑하여, 상기 결정화 유도 물질이 도핑된 Ge-Sb-Te 상변화 물질로 이루어진 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계와, (c) 상기 박막이 형성된 기판을 반응로 내부에서 어닐링 열처리하여, 상기 결정화 유도 물질이 Ge과 우선적으로 결합함과 아울러, 이에 따라 과잉의 Sb와 Te가 결합하여 상변화물질 Sb2Te3을 형성하여 상분리됨으로써 Sb2Te3로 이루어진 단결정 나노와이어가 상기 박막 상에서 성장하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 반응로 내부는 진공 또는 상압(1 atm)으로 유지하면서 상기 어닐링 열처리를 수행할 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 결정화 유도 물질은 Al일 수 있고, 이 경우 Al의 함량은 7~30 atomic%, 바람직하게는 약 7.5 혹은 23atomic%일 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서의 어닐링 열처리는 약 300℃에서 대략 30분 전후에 걸쳐 수행될 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 기판은 Si 웨이퍼 또는 유리 기판일 수 있고, 바람직하게는 Si 웨이퍼 기판이다.
본 발명에 따른 방법을 이용하면, 촉매를 이용하지 않고도 Sb2Te3 단결정 나노와이어를 기판 상에서 성장시킬 수 있어, 촉매를 제거해야 하는 공정을 생략할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 비교적 낮은 온도(300℃)에서 짧은 열처리 시간으로 나노와이어를 제거할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 고진공 상태뿐만 아니라, 상압(1atm)에서 열처리를 해도 단결정 나노와이어를 성장시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 한 가지 프로세스를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 성장시킨 Sb2Te3 단결정 나노와이어의 FESEM 및 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 성장시킨 나노와이어가 Sb2Te3로 구성되어 있음을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 성장시킨 나노와이어가 단결정임을 보여주는 HRTEM 이미지 및 SAED 패턴 이미지이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 방법에서 Al 도핑량에 따른 나노와이어 성장 양태를 보여주는 FESEM 이미지이다.
도 8은 본 발명에 따른 방법에서 어닐링 열처시 시간이 나노와이어 성장에 미치는 효과를 보여주는 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 방법이 유리 기판에서도 적용될 수 있음을 보여주는 FESEM 이미지이다.
도 10은 실리콘 웨이퍼 기판(a)과 유리 기판(b) 상에서 본 발명을 이용하여 성장시킨 나노와이어를 보여주는 FESEM 이미지이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 나노와이어의 성장/제조와 관련하여 당업계에 이미 널리 알려진 기술/구성에 대하여는 그 상세한 설명을 생략한다.
상변화 물질은 그 물질마다 고유의 특색이 있다. 그동안 Ge-Sb-Te 상변화 물질이 가장 많이 연구되었지만, 상변화 속도(비정질에서 결정질로의 상변화)가 느려, PRAM 구동 과정에서 SET 과정(비정질에서 결정질로의 상변화)을 저속화시키는 단점이 있는 것으로 판단된다. 이와 관련하여, 본 발명자의 연구에 따르면, Sb-Te 박막은 Ge-Sb-Te 박막과 비교하여 상변화 속도가 더 빠르기 때문에 PRAM에서의 소자 구동 속도를 높일 수 있고, 또 Sb-Te는 Ge-Sb-Te보다 녹는점이 더 낮으므로, 상기한 바와 같이 PRAM에서 저전압 구동이 가능하며, 이성분계 물질이므로 공정을 단순화시킬 수 있는 이점이 있는 것으로 보인다.
상기한 관점에 기초하여, 본 발명자는 상변화 물질을 박막의 형태가 아닌 나노와이어 형태로 구현하고 또 Ge-Sb-Te가 아닌 이성분계 상변화 물질로 나노와이어 형태를 구현하여 PRAM에 적용할 경우 소자의 구동과 관련한 획기적인 개선을 이룰 수 있을 것이라는 결론에 이르러 본 발명을 완성하였다.
본 발명자는 기존의 나노와이어 성장 방법인 VLS, VS등의 방법과는 달리, 촉매를 사용하지 않으면서도 공정 온도와 공정 시간을 단축시키면서 Sb-Te 상변화 물질로 이루어진 나노와이어를 전자 소자에 적용하는 것을 연구하면서, 대표적인 상변화물질인 GST 물질로부터 Sb-Te 상변화물질 나노와이어를 성장시키는 것을 연구하였다. 기존에는 GST 상변화 물질이 전자 소자에 있어서 박막의 형태로 적용되는 것에 착안하여, 이를 나노와이어 형태로 성장시키고, 아울러 Ge을 포함하지 않는 상변화물질의 나노와이어를 성장시키는 연구를 수행하여, 본 발명을 완성하였는 바, 이를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 방법을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르면, 먼저 상온에서 대표적인 상변화물질인 Ge-Sb-Te 물질을 스퍼터링에 의해 기판(10) 상에 적층한다. 한편, 이와 동시에 Al도 스퍼터링에 의해 함께 적층하여, Al이 도핑된 상변화 물질(20)을 기판 상에 적층한다. 본 발명자의 관찰에 따르면, 상기 도핑된 상변화 물질은 비정질 상태에 있다.
후속하여, 상기 Al이 도핑된 상변화 물질이 적층된 기판(10)을 튜브 형태로 된 퍼니스(F)에 적재한 후, 상압에서 소정의 온도로 가열하여 어닐링 열처리를 수행한다. 이때, 상기 퍼니스 내부에는 질소 가스를 도입하여 퍼니스 내부를 비산화 분위기로 만들어준다.
상기 열처리의 결과, 도면에 도시한 바와 같이 상변화 물질(20)의 표면에서 Sb2Te3로 된 단결정 나노와이어(30)들이 성장하는 것을 관찰하였다.
즉 본 발명자의 연구에 따르면, Ge-Sb-Te 상변화 물질과 함께 도핑된 Al이 퍼니스 내에서의 어닐링 중에 상기 세 개의 원소 중 Ge와 우선적으로 결합하여, Al-Ge 상으로 분리되고, 이에 따라 과잉의 Sb와 Te이 서로 결합하여, Sb2Te3로 분리되어, 단결정 나노와이어 형태로 성장하는 것으로 보인다. 즉 Ge-Sb-Te 상변화물질에 Ge와 우선적으로 결합하여 Sb와 Te의 결합 및 결정화를 유도하는 물질을 첨가하면 Sb2Te3의 상변화물질 나노와이어를 성장시킬 수 있을 것으로 보이며, Al이 이러한 목적에 가장 적합한 것으로 판단된다.
상기 과정에 따라 성장시킨 단결정 Sb2Te3 나노와이어의 FESEM 사진 및 TEM 사진을 도 2에 나타내었다. 도 2를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 나노와이어 끝단에는 종래와 같은 촉매 물질이 없음을 알 수 있다. 즉 본 발명의 상기 방법에 따르면, 종래의 VLS, VS 방법 등과는 달리 Au와 같은 촉매를 사용하지 않으면서도 나노와이어를 성장시키기 때문에, 형성된 나노와이어의 끝단에 촉매와 같은 불순물이 남아 있지 않고 따라서 촉매를 제거하는 공정을 추가로 실시할 필요가 없어, 종래의 기술과 비교하여 매우 간단한 방법으로 나노와이어를 성장시킬 수가 있다.
또한, 도 3은 상기 방법에 따라 성장시킨 나노와이어의 TEM 사진 및 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 분석한 조성 결과이다. EDX로 나노와이어의 조성을 분석한 결과에 따르면, 나노와이어의 조성이 Sb2Te3로 이루어짐을 알 수 있고, TEM 사진으로부터 표면이 매끄러운 나노와이어가 생성되었음을 알 수 있다.
한편, 도 4 및 도 5는 상기 방법에 따라 성장시킨 나노와이어가 단결정임을 확인하여 주는 이미지로서, 도 4는 HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscopy) 이미지를 확대한 것으로서, 결정립계(grain boundary)가 없는 것을 확인할 수 있으며, 도 5는 SAED(Selected Area Electron Diffraction) 패턴이다. 도 4 및 도 5의 두 개의 이미지로부터 본 발명에 따라 성장시킨 나노와이어가 단결정임을 확인할 수 있다.
정리하면, 상기한 본 발명을 이용하면, Ge-Sb-Te 상변화물질로부터 촉매를 사용하지 않고 극히 단순한 방법으로 Sb2Te3 단결정 나노와이어를 기판 상에서 성장시킬 수가 있다. 더욱이, 기존의 나노와이어 성장 방법과 비교하여 비교적 저온에서 나노와이어를 성장시킬 수가 있다. 또한, 종래의 나노와이어 성장 방법에 따르면, 나노와이어의 산화를 방지하기 위해 퍼니스와 같은 반응로 내부를 고진공 상태로 하는데, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 진공은 물론, 상압(1atm)에서도 단결정 나노와이어를 성장시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명자는 상기 결정화 유도 물질인 Al의 함량에 따른 영향에 대해 연구를 하였으며, 그 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6 및 도 7은 Al 함량에 따른, Al이 도핑된 Ge:Sb:Te 박막의 FESEM 사진이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, Al이 7 atomic% 미만으로 함유된 경우에는, Ge-Sb-Te 박막에서 어떠한 나노구조물도 성장하지 않았음을 알 수 있다. 그러나, 도 7에 도시한 바와 같이, Al 함량이 대략 7~30 atomic%인 경우, 상기 Ge-Sb-Te 박막에 대해 상압에서 그리고 대략 300℃에서 약 30분 동안 어닐링 열처리를 하게 되면, 단결정 Sb2Te3 나노와이어가 상기 박막 상에서 성장하였다는 것을 확인할 수 있었다. Al의 함량에 따라 나노와이어 성장 양태가 다르게 나타났는데, 이는 Al 함량에 따라, Gb-Se-Te의 조성비가 변화되고, 그에 따라 나노와이어 성장 양태가 다양하게 나타나는 것으로 보인다. 이때, Al이 대략 7.5 atomic% 혹은 23 atomic% 함유된 경우에, 규칙적인 Al이 성장하는 것으로 보인다. 즉 본 발명에 따른 방법에 있어서, 결정화 유도 물질인 Al을 Ge:Sb:Te 상변화 물질에 첨가시 약 7~30 atomic%, 바람직하게는 약 7.5 atomic% 혹은 23 atomic% 첨가하였을 때 원하는 나노와이어 형태로 Sb2Te3를 성장시킬 수 있다는 결론을 얻었다.
또한, 본 발명자는 단결정 Sb2Te3 나노와이어를 성장에 미치는 열처리 시간에 대해 연구를 하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에 도시한 바와 같이, 300℃에서 대략 30분 전후로 어닐링 열처리를 한 경우에 나노와이어가 원하는 형태로 성장할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
마지막으로, 본 발명자는 기판이 나노와이어의 성장에 미치는 연구를 수행하였는데, 그 결과를 도 9 및 도 10에 나타내었다.
도 9는 유리 기판 상에서 성장시킨 경우의 나노와이어의 FESEM 사진으로서, 도 6 내지 도 8에 나타낸 Si 웨이퍼 기판 상에서 나노와이어를 성장시킨 경우와 마찬가지로, 전술한 프로세스와 동일한 프로세스를 이용하여 유리 기판을 사용하여도 Sb2Te3 나노와이어를 성장시킬 수 있음을 확인하였다.
한편, 도 10은 Si 기판(도 10의 (a))과 유리 기판(도 10의 (b)) 상에서 성장시킨 Sb2Te3 나노와이어의 FESEM 이미지인데, 유리 기판과 비교하여 Si 기판 상에서 성장시킨 나노와이어의 수가 더 많고 그 길이도 길다는 것을 알 수 있다. 이는 실리콘 기판과 Ge-Sb-Te 상변화 물질 사이의 열팽창 계수(CTE)가 유리 기판과 Ge-Sb-Te 상변화 물질 사이의 열팽창 계수보다 커서, Si 기판 상에서 온도 가열에 따른 열응력이 더 크게 작용하여, 이 응력이 Sb2Te3 나노와이어 생성 및 성장에 더 크게 작용한 결과에서 비롯된 것으로 보인다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것에 유의하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (10)

  1. (a) 기판을 제공하는 단계와,
    (b) 촉매 물질을 사용하지 않으면서, 상기 기판 상에 스퍼터링에 의해, Ge-Sb-Te 상변화 물질을 적층함과 아울러 결정화 유도 물질을 함께 도핑하여, 상기 결정화 유도 물질이 도핑된 Ge-Sb-Te 상변화 물질로 이루어진 박막을 상기 기판 상에 형성하는 단계와,
    (c) 상기 박막이 형성된 기판을 반응로 내부에서 어닐링 열처리하여, 상기 결정화 유도 물질이 Ge과 우선적으로 결합함과 아울러, 이에 따라 과잉의 Sb와 Te가 결합하여 상변화물질 Sb2Te3을 형성하여 상분리됨으로써 Sb2Te3로 이루어진 단결정 나노와이어가 상기 박막 상에서 성장하도록 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 반응로 내부는 진공 또는 상압(1 atm)으로 유지되는 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 결정화 유도 물질은 Al인 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 Al의 함량은 7~30 atomic%인 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 Al의 함량은 약 7.5 atomic% 혹은 23 atomic%인 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (c) 단계에서의 어닐링 열처리는 약 300℃에서 대략 30분 전후에 걸쳐 수행되는 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 Si 웨이퍼 또는 유리 기판인 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 기판은 Si 웨이퍼 기판인 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 기판은 Si 웨이퍼 또는 유리 기판인 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 기판은 Si 웨이퍼 기판인 것을 특징으로 하는 Sb2Te3 상변화물질 나노와이어 제조 방법.
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