신재료·신기술 해외정보

새로운 n형 다이아몬드 반도체의 합성에 성공
(독)産業總合硏究所(産總硏) 다이아몬드 연구센터 加藤宙光 연구원 등은 기상합성법을 이용하여 면 위에 n형 다이아몬드 반도체를 합성하는데 세계 최초로 성공했다. 또한 이 (001)면 n형 다이아몬드 반도체를 이용하여 p-n접합시킨 자외선 발광소자를 시작, 자외선 발광에도 성공했다. 지금까지 다이아몬드 반도체를 이용한 전자 디바이스 개발의 걸림돌이 되었던 결정면 방향의 제약을 없애는 매우 중요한 성과이다.
다이아몬드는 높은 열전도율과 절연 내압을 비롯한 우수한 특성을 가져, 반도체로서도 전자나 정공(正孔)의 이동도가 상당히 높기 때문에 이들 특성을 살린 전자 디바이스에 대한 응용이 기대되고 있다. 특히 파워 소자나 자외선 발광 소자에서는 원리적으로 각종 반도체 가운데 최고의 성능을 기대할 수 있기 때문에 일본 내외의 연구기관에서 연구개발이 진행되고 있다.
다이아몬드 반도체를 전자디바이스에 응용하려면 다른 반도체와 마찬가지로 p형과 n형의 다이아몬드 반도체 개발이 불가결하다. 지금까지의 연구에서 p형 다이아몬드 반도체는 결정면의 방향에 제약되는 일 없이 합성이 가능하다고 한다. 한편 n형 다이아몬드 반도체의 합성은 지금까지 (111)면 위에서만 합성에 성공했는데, (001)면 위에는 불가능하다고 생각되어 왔다. (111)면은 제품화의 면에서 장애가 많아, 보다 실용화를 기대할 수 있는 (001)면 위에서의 합성이 절실히 요망되고 있어 (001)면 위에서의 n형 다이아몬드 반도체의 합성은 다이아몬드 반도체를 전자 디바이스에 응용할 때의 중요과제 가운데 하나였다.
이번에 합성에 성공한 (001)면 n형 다이아몬드 반도체는 메탄을 원료가스로 한 마이크로파 플라즈마 화학기상합성법을 이용, 인 원자를 첨가함으로써 합성했다. 이 연구에서는 (001)면에서의 불순물의 침투 방법이 (111)면에서의 그것과 크게 다르다는 점에 주목하여 인 첨가조건의 대폭적인 변경과 합성조건의 최적화를 실시, (001)면에서의 n형 다이아몬드 반도 합성에 성공했다. 또한 이 성공에 이어 (001)면에 있어 양호한 p-n 접합에 의한 자외선 발광소자의 시작에 성공하여 파장 235㎚의 자외선 발광을 확인했다. 인 첨가 (001)면 n형 다이아몬드 반도체를 이용한 자외선 발광은 세계 최초이다. (CJ)

단층 카본나노튜브 최고 밀도에서 수직 성장 성공
早稻田大學의 川原田洋 교수와 大泊嚴 교수 등은 단층 카본나노튜브(CNT)를 체적밀도 1입방미터 당 66킬로그램으로 최고밀도의 수직성장에 성공했다. 다이아몬드 박막 성장용으로 개발한 첨단 아크마이크로파 프라즈마 여기화학기상성장법(PAMPCVD)을 단층CNT의 성장에 이용하여 저온에서 대면적화를 실현했다. 촉매인 철 미립자를 미세화하는 연구 등이 주효했다. 원리적으로 단층CNT는 다층CNT보다도 한 자릿수 고밀도화할 수 있어, LSI접속공 배선이나 연료전지 캐퍼시터 등에 대한 응용이 기대되고 있다.
성장에 사용한 PAMPCVD는 안테나 끝에 10센티미터 지름의 마이크로파 플라즈마 볼이 생기고, 그것 때문에 균일한 성장이 가능하다. 이 안테나를 다극화하면 원리적으로 성장면적에 제어가 없어져 대면적화가 쉬워진다.
촉매형성은 스팩터로 0.5나노미터 두께의 철을 알루미나 박막에 끼우는 샌드위치 구조로 했다. 이것을 가열함으로써 형성되는 철 미립자가 최대 5나노미터이며 동시에 고밀도로 형성되어 고밀도 단층CNT의 성장으로 이어졌다. 특히 샌드위치 위의 알루미나층이 철 미립자 이동을 억제하여 미립자의 응집을 제어하도록 작용했다고 보여진다.
CNT의 성장에는 메탄과 수소만을 이용하였다. 따라서 촉매의 오염도 제어되어 촉매활성을 장시간 유지할 수 있어 단층CNT의 성장이 20시간 만에 2밀리미터나 되었다고 한다.
단, 탄소 래디컬이 성분장하여 길어진 단층CNT를 빠져나가 기판 끝의 촉매까지 도달하기 어려워지기 때문에 성장속도는 감소하기 시작한다고 한다.
단층CNT는 다층CNT에 비해 결정간의 틈을 최소로 하는 최밀(最密)충전으로 하면 밀도를 1자릿수 높일 수 있어서 전기적 저항도 그만큼 줄일 수 있다고 한다. 시작한 체적미로의 1입방미터 당 66킬로그램은 최밀충전보다도 1자릿수 낮은 밀도에 상당하다. 앞으로 단층  CNT의 고밀도화와 함께 감는 방법 등도 제어하여 금속적인 단층CNT에서의 LSI에 대한 배선이나 연료전지에 대한 응용 등으로 연결시켜 나갈 예정이다. (NK)

45나노 세대용 FUSI게이트
방사선 안전기준치 전압 제어하는 기술 개발
富士通硏究所(川崎市 中原區, 사장 村野和雄)는 LSI의 45나노세대용 풀실리사이드(FUSI)게이트의 방사선 안전기준치 전압 제어기술을 개발했다. FUSI게이트로서 니켈 실리사이드를 이용, 게이트 불순물의 편석(偏析)을 제어하고 도이에 니켈 실리사이드의 조성을 제어함으로써 방사선 안전기준치 전압을 광범위하게 제어할 수 있게 했다.
이로써 소비전력이 낮은 제품에서부터 하이엔드 제품까지 FUSI게이트 기술을 적용할 수 있다. FUSI게이트는 종래의 폴리실리콘 게이트와 프로세스 호환성이 있는 메탈게이트 기술이다.
폴리실리콘 게이트와 비교해서 공핍층(空乏層)을 0.2나노~0.3나노미터 얇게 할 수 있기 때문에 45나노미터 세대에서 15%의 소자성능을 향상할 수 있다. 소자가 동작을 개시하는 방사선 안전기준치 전압의 조정범위가 좁아 저소비전력 상품에만 적용할 수 있었던 과제를 해결했다.
우선 니켈과 실리콘이 반응하여 만드는 니켈 실리사이드 반응과정을 조사하여 불순물의 움직임이 처음에는 폴리실리콘 속으로 들어갔다가 니켈 조성이 저하함에 따라서 반대로 불순물이 실리콘 측에서 나오는 현상을 발견했다. 이것으로 불순물 주입의 최적 조건을 찾아냈다.
니켈 실리사이드의 조성에 의해서도 방사선 안전기준치에 관계되는 仕事(일, 힘이 작용해서 물체를 움직이게 함)의 함수가 변화한다는 것을 확인했다.
게다가 게이트 절연막 계면의 불순물 편석 및 니켈 실리사이드의 조성제어에 의한 각각의 방사선 안전기준치 전압제어는 독립적으로 조정할 수 있다는 것을 발견했다. 그로 인해 조정범위가 확대되었다. (NK)

65나노 pMOS소자를 시작, 수명 10년 이상 달성
大阪대학 대학원 기초공학연구과의 赤坂洋一 교수 등은 회로선폭 65나노미터의 p형 MOS(금속산화막 반도체) 트랜지스터를 시작하여 실용 목표인 수명 10년 이상을 달성했다. 트랜지스터 주변 막의 수소함유량을 줄여서 수소가 원인인 오동작을 제어했다. 이번 성과는 회로선폭 65나노미터 이상의 트랜지스터 제작에 대한 응용을 전망할 수 있다.
시작품은 실리콘 질화(SiN)막의 수소 함유량을 줄이기 위해 열촉매 화학기상성장(Cat-CVD)법으로 제작했다. 종래의 열 CVD법에 비해서 원료가스의 분해효율이 높아 고밀도의 래디컬 반응 발생에 의해 막 속의 수소함유량을 줄일 수 있다. 그 결과, 트랜지스터 열화 수명을 2자릿수 개선하는데 성공했다.
회로선폭 65나노미터 이상의 트랜지스터는 방사선 안전기준치 전압이 변화하는 ‘NBTI현상’이 있다. NBTI는 트랜지스터의 게이트 절연막과 기판과의 계면으로 SiN막에 포함되는 수소와 정공이 반응하여 일어난다. 이 NBTI가 트랜지스터 오작동을 일으키는 원인이 되어왔다. 연구는 반도체 첨단 테크놀로지즈(茨城縣 츠쿠바시)와 공동으로 진행해 왔다. (NK)

극미량의 하프늄 첨가
신개념의 LSI게이트 절연막 기술 개발
日立製作所와 루네사스테크놀로지(東京都 千代田區, 사장 伊藤達)는 LSI의 645나노미터 세대 이후의 저전력·고속화를 실현할 게이트 절연막 기술을 개발했다.
게이트 절연막과 게이트 전극과의 계면에 극미량의 하프늄을 첨가하는 신개념으로, 새어나오는 전류의 절감과 이동도를 향상할 수 있다. 지금까지 게이트 절연막에 산화하프늄의 고유전율 막을 이용하면 방사선 안전기준치 전압이 높아지는 등의 과제가 있었다. 이로써 CMOS를 시작, 같은 소비전력일 때에 이동도를 15~20% 정도 향상할 수 있었다고 한다.
신기술은 게이트 절연막과 게이트 전극계면 단분자막에 차지 않을 정도로 미량의 하프늄 산화물을 첨가함으로써 절연막과 전극과의 에너지 레벨 차이인 게이트 仕事함수를 변화시켜서 소자동작을 시작하는 방사선 안전기준치 전압을 조정하는 개념이다.
지금까지 게이트 절연막으로서 고유전율막 재료를 채용하면 절연막을 두껍게 만들 수 있어 누전 전류를 줄일 수 있지만 방사선 안전기준치 전압이 높게 시프트하여 소자의 저전압화가 곤란했다. 또 전자주행층의 불순물 농도를 높게 하여 방사선 안전기준치 전압을 저감하는 연구도 한편으로 전자의 산란으로 이동도가 저하하는 문제를 안고 있었다.
미량의 하프늄을 첨가하면 nMOS의 게이트 仕事함수를 크게, pMOS의 경우는 그것을 작게 할 수 있어서 방사선 안전기준치 전압을 각각 제어할 수 있다. 이 미량첨가와 전자주행층의 불순물 농도도 조정하는 연합기술로 방사선 안전기준치 전압을 광범위하게 제어할 수 있다고 한다. 이 仕事함수의 제어로 밴드 구조가 온 오프 두 상태에서 게이트 누전 전류를 줄이는 방향으로 변화하기 때문에 일석이조의 효과를 가져온다.
신기술로 CMOS를 시작, 게이트 절연막의 두께 1.8나노미터의 낮은 대기시전력(LSTP)소자로 같은 소비전력 그대로 속도를 20%, 동 1.2나노미터 두께의 저전력동작(LOP)소자에서 동 15% 각각 향상할 수 있었다고 한다. (NK)

카본나노튜브 대향전극 사이에서 방향 정렬 기초실험 성공
首都大學東京의 菅原宏治 조교수, 安次富雅勤 대학원생은 마이크로미터 사이즈의 얇은 유로에 카본나노튜브(CNT)를 흐르게 하여 유로 아래 배치한 대향전극 사이에 방향을 일정하게 한 줄씩 들러붙게 하는 기초실험에 성공했다. CNT를 ‘흐르는 소면’처럼 다루고 실온, 대기 중에서 간단히 할 수 있다는 것이 특징이다. CNT를 이용한 단전자 트랜지스터나 발광소자에 대한 응용을 목적으로 하는데, 한 줄 CNT의 물성을 조사하는데에도 도움이 되리라 기대하고 있다.
CNT가 분산한 용매를 유로 안에 흘려 넣었을 때, 유로의 벽면 근처보다 중앙 쪽이 유속이 빠르다. 그 결과, 비스듬하게 방향을 잡고 있는 CNT도 중앙 부근에서는 흐르는 방향이 자연스럽게 일정하게 된다. 따라서 유로 중앙부근에 대향전극을 두고 전압을 가하면 방향이 일정한 CNT를 끌어올 수 있으리라 생각했다.
실험에서는 실리콘 기판 위에 알루미늄 박막의 대향전극을 다수 형성했다. 대향전극은 끝을 예리한 모양으로 하여 2~8마이크로미터 떨어뜨려 놓았다. 그 위에 실리콘 고무로 만든 유로를 붙였다. 하나의 유로는 현재, 폭 2마이크로~40마이크로미터, 높이 2마이크로~4마이크로미터에 달한다.
CNT가 분산된 용매를 흘려 넣은 결과, 단층형 CNT를 대향전극 사이에 일정한 방향으로 들러붙게 할 수 있었다. 실험에서 사용한 기판은 전체 길이가 9밀리미터, 폭 7밀리미터이며, 그 위의 대향전극은 6000페어 정도이다. 그 일부를 관찰한 결과, 약 40%가 합격점을 줄 수 있을 만큼 들러붙어 있었다.
앞으로는 유속이나 CNT의 농도, 대향전극 사이의 거리, 유로의 사이즈, 인가하는 전계의 크기 등을 밝혀나갈 예정이다. 菅原조교수는 “카본나노튜브 이외에도 섬유 등 직쇄상의 것에서도 응용할 수 있지 않을까”라고 말했다.  (NK)

중성자 차폐 패널재료 개발, PET진단시설에 시공
竹中工務店은 중성자를 차폐하는 새로운 패널 재료를 개발했다. 암 검사 등에 사용하는 양전자방사단층촬영장치(PET) 등이 방출하는 중성자가 옆 방 등에 새어나가는 것을 방지하는데 사용할 수 있다. 같은 종류의 재료에 비해 가격을 반 이하로 낮출 수 있다. 이 회사가 다루는 PET용 시설은 건설에 사용해 나갈 생각이다.
새로 개발한 중성자 차폐재료는 가로세로 80센티에 두께 5센티미터의 패널상이며, 폴리에스테르계 수지와 붕소를 포함하는 광물을 섞어서 만들었다. 재료에 날아 들어간 고속중성자가 수지에 포함된 수소원자에 부딪쳐 감속하여 열중성자가 되고 다시 붕소에 흡수되는 구조이다.
종래의 중성자 차폐재와 성능은 비슷한데 수소를 비교적 많이 포함하는 값싼 수지를 사용함으로써 가격을 반 이하로 낮출 수 있게 하였다.
PET는 암의 조기발견에 도움이 되는 진단 장치인데, 외부에 불필요한 중성자를 방출하면 인체에 악영향을 줄 우려가 있기 때문에 적절히 차폐할 필요가 있다.
지금까지는 차폐에 콘크리트 벽을 사용하는 것이 일반적이다. 마찬가지로 내부의 수소로 중성자를 감속시키지만 붕소는 포함하지 않기 때문에 그만큼 두꺼워야 한다.
케이스에 따라 다르지만 두께 1.5미터 정도가 되는 경우도 있다. 따라서 기존의 의료시설에서는 대폭적인 개축이 필요했다.
한편 중성자 차폐재는 같은 두께의 콘크리트의 1.5~2배의 차폐능력을 갖기 때문에 필요한 두께가 3분의 2 이하면 충분하므로 시공하기 쉽다고 한다.
그 대신 재료의 가격이 비싸 보급이 확대되지 않는 원인이 되어왔다. 이 회사는 앞으로 수소와 붕소의 가장 적합한 양을 시뮬레이션(모의실험)으로 조사하여 차폐능력을 더욱 높일 계획으로, 저가화를 추진하여 이용확대를 꾀할 생각이다.
2002년 PET를 가진 의료시설은 검사에 사용하는 약제가 보험적용이 되기도 해서 계속 늘고 있다. 일본 내에 약 100개의 시설이 있다고 하며 이 회사는 그 가운데 약 20%의 시설을 수주했다고 한다. (일경산업)

불순물을 포함하지 않는 오존 생성장치 개발
明電舍는 産業技術總合硏究所와 중금속 등의 불순물을 포함하지 않는 오존생성장치를 개발, 반도체의 양산라인용으로 판매를 시작했다. 저온에서 액화하는 새로운 시스템을 사용하여 오존의 농도를 거의 100%로 했다. 반도체 웨하로 배선을 형성하는 공정에서 중금속 등 불순물을 포함하지 않는 산화막을 형성할 수 있으므로 미세가공에 의한 전자기기의 소형화에 도움이 된다.
새 장치는 종래의 오존생성공정에 냉동기를 사용하는 액화공정을 더했다. 오존생성공정에서는 방전반응에 의해 산소원자를 떼어내는 종래 방식으로 10%의 저농도 오존을 생성한다. 냉동기를 장착한 용기에 오존을 옮겨 섭씨 마이너스 183도로 낮춰 액화오존으로 만든다.
용기 내의 온도를 높이면 오존이 기화하여 중금속을 포함하지 않는 고순도의 오존가스가 생긴다. 방전 시에 생기는 순금속의 불순물은 액체오존이 기화하는 과정에서 제거된다.
반도체의 실리콘 산화막 형성 과정에서 오존을 사용하면 종래 방식에 비해 약 500도 낮은 섭씨 400도에서도 안정적인 미세한 배선 패턴의 작성이 가능하다.
산화막 형성 장치와 반도체에 대한 열 손실을 줄일 수 있는 이외에 고온상태에 두기가 어려운 플라스틱 기판에 대한 산화막의 형성에도 사용할 수 있다.
明電舍는 양산장치를 3800만 엔에 판매하기 시작했다. 섭씨 0도 1기압의 상태에서 매분 1000cc의 고순도 오존을 최장 25분 생성할 수 있다. 사이즈는 폭 90cm, 높이 190cm, 깊이 70cm이다. (일경산업)
단백질 사용한 고품질 실리콘 박막 개발
액정의 잔상을 줄여
奈良先端과학기술대학원 대학의 연구팀은 단백질을 이용하여 고품질의 실리콘 박막을 만드는데 성공했다. 액정이나 유기 EL(일렉트로 루미네센스) 등 디스플레이 화소의 표시 교체에 사용하는 스위치 소자에 이용하면 잔상 등이 적은 영상을 나타낼 수 있게 된다고 한다.
奈良先端大의 冬木隆 교수와 浦岡行治 조교수 등이 개발했다. 유리기판 위에 두께 50나노미터의 비결정 실리콘 박막을 만들고, 그 위에 페리친이라고 하는 단백질을 흡착시켰다. 포유류가 체내에 철을 저장하기 위해 사용하는 단백질로, 내부에 니켈을 도입했다. 섭씨 500도 정도로 가열하면 실리콘이 니켈과 반응하여 실리콘 결정의 박막이 생긴다.
대규모 집적회로(LSI)등에 사용되는 스위치 소자는 고품질로 만들기 위해 섭씨 1000도 정도에서 뜨겁게 하여 만드는데, 디스플레이용은 유리기판이 녹아버리므로 고온으로 하기가 어려웠다.
개발한 방법은 비교적 저온에서 고품질의 실리콘 박막을 만들 수 있다. 박막을 가공하여 스위치 소자로 하면 반응속도를 현행의 10분의 1인 수백 나노초로 향상시킬 수 있다고 한다.  (일경산업)