실리콘 나노선의 도핑 효율 감소 메커니즘 밝혀내
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실리콘 나노선의 도핑 효율 감소 메커니즘 밝혀내
  • 이경은 기자
  • 승인 2012.11.05 14:53
  • 댓글 0
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[물리학과 장기주 교수팀] 인과 붕소가 첨가되었을 때 각 원자의 움직임을 코어-쉘 모델 통해 분석

우리 학교 물리학과 장기주 교수 연구팀이 세계 최초로 실리콘 나노선에 인, 붕소를 첨가했을 때 도핑 효율이 감소하는 메커니즘을 규명했다. 이번 연구는 나노과학 분야 세계적 학술지 <나노 레터스> 9월 7일 자 온라인판에 게재되었다.

소자의 간격을 좁히기 위한 노력

반도체 기술은 제한된 면적에 많은 반도체소자를 부착하도록 발전해왔다. 그런데 기존 반도체소자는 소자간의 폭이 좁아질수록 한 소자가 옆 소자의 영향을 많이 받아 전자를 제어하기 어려워졌다. 이 같은 이유로 현재까지의 공정기술로는 소자 사이의 폭을 10nm 이하로 만드는 것이 불가능했다. 이 한계를 뛰어넘기 위해 실리콘 나노선 반도체소자가 제시되었다. 그러나 나노단위에서는 보통 반도체소자와 달리 불순물을 첨가해도 효율이 떨어져서 실리콘 나노선 반도체소자를 만들지 못하고 있었다.

산화물과 불순물을 이용한 반도체소자

실리콘 기반 반도체소자를 만들기 위해서는 실리콘 표면에 실리콘 산화물 실리카(SiO₂)를 접합시켜야 한다. 이 접합면을 계면이라 한다. 원래 실리콘은 에너지 밴드에 전자가 꽉 차있기 때문에 더 이상 전자가 흐를 수 없다. 에너지 밴드란 전자가 있을 수 있는 에너지 상태를 나타내며, 에너지가 낮은 부분부터 전자가 채워지기 시작한다. 그런데 계면에서는 실리카의 에너지 밴드가 변형되면서 전자가 흐를 있는 채널이 생긴다. 

실리콘보다 최외각전자가 한 개 많은 인을 실리콘에 첨가하면 인이 실리콘과 결합하며 전자 한 개를 방출하는데, 이 전자가 계면의 채널을 따라 이동하면서 전류가 형성된다. 실리콘보다 최외각전자가 한 개 적은 붕소는 실리콘과 결합하며 전자가 한 개 비어 구멍이 생긴다. 다른 실리콘 전자가 이 구멍을 채우면 그 전자가 원래 있던 자리에 구멍이 생기고, 그 구멍을 채우려고 또 다른 전자가 움직이기 때문에 결국 구멍이 이동하는 것과 같은 효과가 나타난다. 이 구멍을 정공이라고 하며, 정공은 전자와 반대되는 개념이므로 양전하를 가진다고 본다. 정공 또한 채널을 따라 이동한다. 이처럼 인과 붕소 같은 불순물을 소량 첨가하는 것을 도핑(doping)한다고 한다.

나노 단위에서는 실리콘 반도체소자 만들기 어려워

실리콘 나노선 반도체소자는 둥근 도선 모양 실리콘을 실리카가 감싼 형태다. 이때 중심의 실리콘을 코어(core)라 하고 중심의 실리콘을 둘러싸고 있는 실리카를 쉘(shell)이라고 한다. 실리콘 나노선은 제작이 어려울 뿐 아니라 나노 단위에서 붕소나 인을 첨가했을 때에는 도핑 효율이 감소하는데, 그 이유가 알려지지 않은 상태였다.

실제와 흡사한 실리콘 나노선 코어-쉘 모델

장 교수팀은 실리콘 나노선 코어-쉘 원자 모델을 최초로 구현했다. 이를 통해 붕소와 인 도핑 효율이 감소하는 메커니즘을 장교수팀은 밝혀냈다. 우선 덩어리(bulk) 형태의 실리카 내부에 원형으로 구멍을 뚫어 격자 구조의 실리콘 나노선을 삽입하고 이를 둘러싼 실리카를 원형으로 깎는다. 그리고 분자동역학 전산모사를 이용해 최적화된 나노선 구조를 구한다. 이 모델을 이용하면 붕소와 인 원자가 실리콘 나노선 각 위치에서 가지는 에너지 준위를 계산할 수 있다.

장 교수팀이 구현한 실리콘 나노선 코어-쉘 원자 모델= (a) 덩어리 형태 실리카 (b) 내부를 깎는다 (c) 내부에 실리콘 나노선 삽입 (d) 실리카 표면을 깎는다 (e) 표면을 원형으로 정리 (f) 최적화된 나노선 구조 /장기주 교수 제공

도핑 효율을 낮추는 인과 붕소

인을 실리콘 나노선에 첨가했을 때, 인 원자는 중심에서 계면으로 갈수록 에너지가 낮아 안정적이기 때문에 계면으로 이동한다. 인 원자가 계면에 모이면 인 원자끼리 만날 가능성이 커진다. 인 원자끼리 만나면 서로 결합하는데, 이때는 전자를 내놓지 않기 때문에 도핑 효율이 낮아진다.

한편, 붕소를 첨가했을 때는 반대 작용이 일어난다. 실리콘이 산화되는 과정에서 격자 구조로 결합하지 않고 독립적으로 존재하는 원자가 생기는데, 이 실리콘 원자를 자체틈새(self-interstitial)라 한다. 붕소는 이 자체틈새와 결합하면서 전자를 내놓고 쉘로 이동한다. 코어보다 쉘에서 에너지가 더 낮기 때문이다. 결국 정공 비율이 낮아져 도핑 효율이 감소한다.

연구에서 제시된 코어-쉘 모델을 구현법은 FinFET과 같은 다른 구조 구현에도 사용될 것으로 기대된다. 코어-쉘 모델을 통한 계산은 양자역학을 기반으로 한 제일원리전자구조계산이다. 장 교수는 “원자 수준의 제일원리 전자구조계산을 이용하면 전자의 움직임을 이해하고 예측할 수 있다”라며 “원하는 대로 새로운 기능과 특성을 가진 물질을 디자인할 수도 있다”라고 강조했다. 


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