Co도핑된 TiO2박막 형성방법(METHOD FOR FORMING CO-DOPPING TIO2 THIN FILM)

(19)대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(51) 。Int. Cl.
H01L 21/20 (2006.01)
(11) 공개번호
(43) 공개일자
10-2006-0053443
2006년05월22일
(21) 출원번호 10-2004-0093135
(22) 출원일자 2004년11월15일
(71) 출원인 매그나칩 반도체 유한회사
충북 청주시 흥덕구 향정동 1
(72) 발명자 이재열
충북 청주시 흥덕구 신봉동 운천주공아파트 116동 406호
(74) 대리인 강성배
심사청구 : 없음
(54) Ｃｏ도핑된 ＴｉＯ2박막 형성방법
요약
본 발명은 강자성 반도체 특성을 가진 Co도핑된 TiO2박막 형성방법에 관해 개시한 것으로서, TiO2가 구비된 기판을 제공
하는 단계와, TiO2 내에 PLD공정으로 Co를 첨가하여 CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막을 성장시키는 단계를 포함한다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명은 PLD공정을 적용하여, 실리콘(100) 기판 또는 LaAlO3(100) 기판 위에 Co도핑된 TiO 박
막을 형성하였으며, 상기 방법에 의해 얻어진 Co도핑된 TiO 박막은 상온에서 자기이력곡선특성이나 자기특성이 관찰된
다. 따라서, 본 발명에서는 큐리온도(Tc)를 상온까지 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
대표도
도 1b
명세서
도면의 간단한 설명
도 1a 내지 도 1b는 본 발명에 따른 Co도핑된 TiO2박막 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.
도 2는 PLD장치의 개략도.
도 3은 실리콘(100) 기판 위에 Co도핑된 TiO2박막을 형성한 것을 보인 단면사진.
도 4는 LaAlO3(100) 기판 위에 Co도핑된 TiO2박막을 형성한 것을 보인 단면사진.
공개특허 10-2006-0053443
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발명의 상세한 설명
발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 Co도핑된 TiO2박막 형성방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강자성 반도체 특성을 가진 Co도핑된 TiO2
박막 형성방법에 관한 것이다.
강자성 반도체(FS:Ferromagnetic Semiconductor)란 호스트 역할을 하는 반도체물질 내에 자기적 성질을 갖는 불순물이
첨가된 물질로서, 홀 효과와 강자성 자기 저항 효과 등 MR센서나 스핀-FET를 비롯한 스핀트로닉스(spintronics) 분야에
서 주요 재료로 대두되고 있다. 그리고, 천이금속이 첨가된 산화물반도체는 그 자기적 특성으로 인한 자기저항 효과를 이
용하여 자기저항 소자 분야에서 주목되고 있으며 최근에는 스핀트로닉스 분야에 대한 관심이 높아지면서 전기전도성과 자
서을 동시에 지니는 자서안도체에 관한 연구가 다양하게 진행되어지고 있다. 특히 DMS(diluted magnetic
semiconductor)는 상당한 관심을 가지고 오랜동안 연구되어져 왔으며, 1985년 듀퐁사에서 Co자성박막의 두께를 조절하
여 최초로 스핀방향과 천이 형상을 규명해 냈기 때문에 Co를 선택하여 연구하였다. 여기서, Co는 단원자 물질로 Fe, Ni와
더불어 상온에서 강자성 특성을 가지고 있는, 자연계에서 유일하게 존재하는 자성체물질이다.
그러나, 국내 외에서 선행되어진 여러 연구 결과, 실리콘기판 위에 증착된 Co가 도핑된 TiO2박막은 상온에서 자기 이력 곡
선 특성이나 MR(Magneto-Resistance)특성이 나타나기 매우 어려운 것으로 알려져 왔다. 또한, TiO2박막은 동질이상으
로서, 메타에서 안정한 TiO2상 박막을 제조하는 것은 매우 어려움이 있다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 TiO2상 박막에 천이금속인 Co를 미량 첨가하여 메타에서 안정한
강자성 반도체 특성을 가진 CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막을 형성할 수 있는 Co도핑된 TiO2박막 형성방법을 제공하려
는 것이다.
발명의 구성 및 작용
상기 목적을 달성하고자, 본 발명에 따른 Co도핑된 TiO2박막 형성방법은 TiO2가 구비된 기판을 제공하는 단계와, TiO2
내에 PLD공정으로 Co를 첨가하여 CoxTi 1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 실리콘(100)기판 및 LaAlO3(100)기판 중 어느 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 Co는 3∼7% 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 PLD공정은 PLD장치 내에서 진행하며, 상기 PLD장치는 초기압력을 1×10-6 토르로 하고, 작동압력을 1.0×10-
2∼1.0×10-3토르를 유지하며, O2 량을 10∼200sccm로 하고, 상기 기판의 온도를 15∼700℃이하로 유지하는 것이 바람
직하다. 또한, 상기 PLD장치는 248nm 파장의 KrF엑시머 레이저를 사용하며, 상기 레이저의 파워는 200mJ으로, 진동수
는 10Hz으로 유지하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, PLD공정을 진행한 후, 인-시튜상태에서 산소분위기에서 30분동안 후열처리공정을 진행하는 단계를 추가
한다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면을 참고로하여 본 발명에 따른 실시예들을 설명하기로 한다.
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본 발명은 타겟의 조성과 박막 조성 간의 편차가 적으며, 구조가 비교적 간단하여 증착 제어가 손쉬우며, 오염이 적고 고속
증착이 가능한 PLD공정을 적용하여 기판 위에 강자성 반도체 특성을 가진 CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막을 성장시키려
는 것이다.
도 1a 내지 도 1b는 본 발명에 따른 Co도핑된 TiO2박막 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
본 발명에 따른 Co도핑된 TiO2박막 형성방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 실리콘(100) 기판 또는 LaAlO3(100) 기판 중
어느 하나의 기판(31) 위에 n타입의 반도체인 TiO2박막(33)을 형성한다. 이어, TiO2박막(33)을 포함한 기판을, 도 2에 도
시된 바와 같은 PLD장치(20) 내의 기판홀더(3)로 이송시킨다. 상기 PLD장치(20)는 PLD공정을 진행시키는 장치로서, 몸
체 내부에는 기판(31)이 홀딩되는 기판홀더(3)와, 기판 홀더(3)와 일정간격으로 이격된 다중-타겟 홀더(7)가 각각 설치되
어 있고, 몸체 외부에는 기판 홀더(3)와 연결설치된 기판 히터(1)와, 몸체 내부를 관측가능한 관측부(15)와, O2가스 공급
부(13)와, 다중-타겟 홀더(7)와, 연결설치된 타겟홀더부(11)와, 다-타겟 홀더(7)에 레이저를 공급하기 위한 KrF엑시머 레
이저부(9)가 각각 설치되어 있다. 그런다음, 상기 기판홀더(3)위에 홀딩된 기판 위에 Co를 소량으로 첨가하면서 PLD
(Pulsed Laser Deposition)공정을 진행한다. 여기서, PLD공정은 물리적 증착법의 하나로서, 단파장의 KrF엑시머 레이저
를 이용하여 다중-타겟 홀더(7) 표면을 융제(ablation)시킨 다음, 융제된 타겟의 구성요소(Co)를 기판 위에 증착시켜
CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막(34)을 증착시키는 방법이다.
자세하게는, 먼저 PLD장치(20)는 초기압력을 1×10-6 토르로, 작동압력을 1.0×10-2∼1.0×10-3토르로 셋팅시키고, 기판
히터(1)를 이용하여 기판의 온도를 15∼700℃이하로 유지시킨 상태에서, O2가스 공급부(13)를 통해 O2량을
10∼200sccm로 공급한다.
또한, PLD장치(20) 내의 KrF엑시머 레이저부(9)에서는 248nm 파장의 KrF엑시머 레이저를 다중-타겟 홀더(7)에 공급하
게 되면, 다중-타겟 홀더(7)에서는 레이저펄스에 의해 타겟 표면이 융제되며, 융제된 타겟(Co)이 기판 위의 TiO2박막(33)
에 증착하게 되며, 이 과정에서, O2가스 공급부(13)를 통해 공급되는 O2도 TiO2 박막(33)에 증착되면서 기판 위에는
CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막(34)이 성장된다. 이때, KrF엑시머 레이저부(9)에서 레이저의 파워는 200mJ으로, 진동
수는 10Hz을 각각 유지하도록 한다.
한편, 타겟 표면이 융제되는 과정에서 Co타겟 뿐만 아니라, 여러 원자, 분자, 전자, 이온, 마이크로 크기의 파티클 등의 활
성이 큰 입자의 복합체가 형성되며, 이러한 복합체는 결정화에 알맞게 가열된 기판과 접촉되어 CoxTi1-xO2
(0.03≤x≤0.07)박막(34)이 증착된다.
이후, 도면에 도시되지 않았지만, PLD공정이 완료되면 인-시튜 상태에서 주어진 온도를 유지하면서 산소분위기 하에서
30분간 후열처리 공정을 진행하여 강자성 반도체 특성을 가진 CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막 제조 공정을 완료한다.
한편, 본 발명에서는 PLD공정을 적용한 Co도핑된 TiO 박막은 박막은 XRD (X-Ray Diffraction)와 FE-SEM (Field
Emission Scanning Electron Microscope) 및 AFM (Atomic Force Microscope)을 이용하여 박막의 결정상, 미세조직,
표면 모폴로지(morphology)를 관찰하고, 또한 박막의 비저항을 측정하여 전기적 물성과 AGM(Alternating Gradient
Magnetometer)를 통해 자기이력곡선(magnetic hysteresis loop) 등 Co도핑된 TiO 박막의 구조적, 전기적, 자기적 특성
을 측정, 분석한 결과, 지금까지는 측정에 어려움을 많이 겪었던 상온에서의 자기특성이 관찰되므로, 큐리온도(Tc)를 상온
까지 향상시킬 수 있다.. 여기서, 큐리온도는 자성을 갖거나 잃게 되는 임계온도로서, 일반적으로는 온도가 높아지면 자성
을 잃게 된다.
도 3은 실리콘(100) 기판 위에 Co도핑된 TiO2박막을 형성한 것을 보인 단면사진이다. 또한, 도 4는 LaAlO3(100) 기판 위
에 Co도핑된 TiO2박막을 형성한 것을 보인 단면사진이다.
도시된 도 3및 도 4를 통해, CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막(34)은 실리콘(100) 기판, LaAlO3(100) 기판 등 두 기판에서
성장됨을 알 수 있다.
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본 발명에 따르면, 조성, 온도, 산소 흐름속도, 압력 등의 공정변수를 제어하면서 PLD공정을 진행시켜 강자성 반도체 특성
을 가진 CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막을 형성할 수 있다. 여기서, PLD공정은 타겟의 조성과 박막 조성 간의 편차가 적
으며, 구조가 비교적 간단하여 증착 제어가 손쉬우며, 오염이 적고 고속 증착이 가능하다.
발명의 효과
상술한 바와 같이, 본 발명은 PLD공정을 적용하여, 실리콘(100) 기판 또는 LaAlO3(100) 기판 위에 Co도핑된 TiO 박막을
형성하였으며, 상기 방법에 의해 얻어진 Co도핑된 TiO 박막은 상온에서 자기이력곡선특성이나 자기특성이 관찰된다. 따
라서, 본 발명에서는 큐리온도(Tc)를 상온까지 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
(57) 청구의 범위
청구항 1.
TiO2가 구비된 기판을 제공하는 단계와,
상기 TiO2 내에 PLD공정으로 Co를 첨가하여 CoxTi1-xO2(0.03≤x≤0.07)박막을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징
으로 하는 Co도핑된 TiO2박막 형성방법.
청구항 2.
제 1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘(100)기판 및 LaAlO3(100)기판 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 Co도
핑된 TiO2박막 형성방법.
청구항 3.
제 1항에 있어서, 상기 Co는 3∼7% 첨가하는 것을 특징으로 하는 Co도핑된 TiO2박막 형성방법.
청구항 4.
제 1항에 있어서, 상기 PLD공정은 PLD장치 내에서 진행하며, 상기 PLD장치는 초기압력을 1×10-6 토르로 하고, 작동압
력을 1.0×10-2∼1.0×10-3토르로 셋팅된 것을 특징으로 하는 Co도핑된 TiO2박막 형성방법.
청구항 5.
제 4항에 있어서, 상기 PLD장치는 O2량을 10∼200sccm로 하고, 상기 기판의 온도를 15∼700℃이하로 유지하는 것을 특
징으로 하는 Co도핑된 TiO2박막 형성방법.
청구항 6.
제 4항에 있어서, 상기 PLD장치는 248nm 파장의 KrF엑시머 레이저를 사용하며, 상기 레이저의 파워는 200mJ으로, 진동
수는 10Hz으로 유지하는 것을 특징으로 하는 Co도핑된 TiO2박막 형성방법.
공개특허 10-2006-0053443
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청구항 7.
제 1항에 있어서, 상기 PLD공정을 진행한 후, 인-시튜로 산소분위기에서 30분동안 후열처리공정을 진행하는 단계를 추가
하는 것을 특징으로 하는 Co도핑된 TiO2박막 형성방법.
도면
도면1a
도면1b
도면2
도면3
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도면4
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