전계 펄스 인가 증발 방법을 이용한 $Ge_2Sb_2Te_5$ 나노 구조물에 관한 연구

Abstract

$Ge_2Sb_2Te_5$ (GST) 와 같은 상변화 물질은 광학 및 전기 메모리 분야에서 중요한 물질로 여겨지고 있다. 특히 SRAM, DRAM, Flash 메모리의 좋은 특성을 갖춘 PRAM 용 메모리 분야에서 주목 받고 있다. 좋은 특성을 갖는 유니버셜 메모리의 실현을 위해서는 나노미터 크기의 셀 사이즈로 만드는 제조 기술이 필수적이다. 최근에 이러한 노력은 두 가지 방법으로 접근하고 있다. 탑다운 (Top-down) 방식과 바틈업 (Bottom-up) 방식이 그것이다. 전통적인 리소그래피 (lithographic) 와 에칭 (etching) 방식을 이용한 탑다운 방식은 소위 광원의 분해능의 한계 및 에칭에 의한 결함으로 인하여 한계에 부딪히고 있다. 따라서 최근에는 나노 기술을 이용한 바틈업 방법이 주목할만한 대체방법으로 떠오르고 있다. 이 방법의 특징은 서브 리소그래피 사이즈를 가지며, 에칭 결함이 없고, 단결정 구조를 가진다는 것이다. 현재까지 여러 가지 나노 구조물을 성장시키는 방법 (예, template-assisted synthesis, laser ablation, chemical vapor deposition (CVD), electrochemical deposition, vapor-liquid-solid (VLS) approach) 이 보고되었다. 이들 방법 중, 최근 VLS 방법이 나노와이어 구조물을 성장시키는 가장 보편적인 방법으로 인식되고 있다. 하지만, VLS 방법은 타겟 물질과 액상을 형성시킬 수 있는 금속 촉매가 반드시 필요하며, 비교적으로 긴 시간 동안 공융 (eutectic) 온도를 형성해야 하며, 고온의 연소로 (furnace) (예, GST 의 경우 670℃) 가 필수적이다. 이러한 고온 분위기는 연소로 안의 잔류 산소에 의한 나노 구조물의 산화를 유발시킬 수 있음이 보고되었다. 이 논문에서, GST 나노 구조물을 형성하는 새로운 방법 (Electrical Pulse Induced Evaporation(EPIE)) 을 보고하고자 한다. EPIE 방법은 타겟 물질이 놓여 있는 스테이지(stage)를 적정 온도로 가열한 후 (Pre-heating), 전기적 펄스를 가하여 증발을 유발시켜 반대편 기판 (substrate) 에 자발적(self-assembled)으로 나노 구조물을 성장시키는 것이다. 나노 구조물은 Pre-heating 및 전기적 펄스 각각 만으로는 생성되지 않았다. Pre-heating에 의한 열적 증발(Thermal evaporation) 및 전기적 펄스에 의한 필드 증발(Field evaporation) 의 조합에 의하여 단결정 구조를 갖는 GST 나노 구조물을 성장시킬 수 있다. 이 방법은 GST를 성장시키기 위한 VLS 방법보다 낮은 온도인 250℃~300℃에서 나노 구조물 성장이 가능하여 산소에 의한 오염을 줄일 수 있고, 촉매는 불필요 하고, 매우 짧은 나노 초 단위에서 생성이 가능하다. 실험은 SPM heater 와 tip 을 이용한 방법과 새롭게 고안한 EPIE 장치를 이용한 방법으로 두 가지를 실시하였다. SPM heater 와 tip 을 이용한 경우, Pre-heating 온도 변수가 GST 나노 구조물의 형태 변화에 중요한 역할을 하였다. Pre-heating 온도가 200℃, 250℃, 300℃, 400℃ 각 온도에서 hexagonal 단면을 갖는 inverted pyramid, tube, rod, c축 방향 우선 성장 구조물이 성장하였다. 낮은 온도에서는 초기 속이 비어있는 구조 (hollow structure) 에서, 온도가 증가함에 따라서 tube 의 두께는 점차 증가하였고, 결국은 rod로 성장하였다. Inverted pyramid 구조물의 끝부분의 step 형성은 ES (Ehrlch Schwoeble) barrier 로, hollow structure 형성은 표면으로부터의 adatom 의 농도차이로, wall 두께의 변화는 adatom 의 확산 속도 와도 관련성을 제안하였다. EDS 정량 분석 결과 nano-tu