JP2013144627A - 炭素ナノチューブの水平成長方法、これを用いた水平配線及びこれを用いた電界効果トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、炭素ナノチューブの水平成長方法、これを用いた水平配線及びこれを用いた電界効果トランジスタに関する。
【解決手段】本発明は、(イ)基板上に炭素ナノチューブを成長させるための触媒ドットを形成する段階と、(ロ)上記触媒ドットが形成された領域を含む多数のナノチャンネルを含む犠牲層を形成する段階と、(ハ)上記ナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを成長させる段階と、を含む炭素ナノチューブの水平成長方法及びこれを用いた電界効果トランジスタを提供する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は、(イ)基板上に炭素ナノチューブを成長させるための触媒ドットを形成する段階と、(ロ)上記触媒ドットが形成された領域を含む多数のナノチャンネルを含む犠牲層を形成する段階と、(ハ)上記ナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを成長させる段階と、を含む炭素ナノチューブの水平成長方法及びこれを用いた電界効果トランジスタを提供する。
【選択図】図1
Description
本発明は、炭素ナノチューブの水平成長方法、これを用いた水平配線及びこれを用いた電界効果トランジスタに関し、より具体的には、触媒ドットが形成された領域を含む多数のナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを水平成長させる方法及びこれを用いて形成された水平配線及び電界効果トランジスタに関する。
炭素ナノチューブ(carbon nano tube、CNT)は、板状黒鉛を丸く巻いて形成されたものと同じ形態を有し、より具体的には、六角形リングで連結された炭素が数nm〜数十nmの直径と数〜数百μmの長さの長形チューブ状構造で形成された一次元量子細線(one−dimensional Quantum Wire)構造を有する。
このような炭素ナノチューブは、機械的、化学的特性に優れ、一次元的量子輸送(Quantum transport)現象を示す等、特異な電気的特性を有する。特に、炭素ナノチューブは、強い強度を有し且つ破壊されず反りが可能であり、再び元の形態に戻る復元力を有し、継続して用いても磨耗や損傷が殆どないという特性を有する。また、炭素ナノチューブは、直径に対する長さの比が非常に大きいため、構造の非等方性が大きく、巻いた形態と構造及び直径に応じて電気的性質が変わる特性があり、これにより、導電体的又は半導体的性質を有する。他にも高い熱伝導度、高い電子放出特性及び優れた化学的反応性を有するため、多様な産業分野での応用が期待される。
このような炭素ナノチューブの半導体分野での可能な応用のうちの一つは金属配線を代替することである。このような可能性を実現するためには再現性を有する炭素ナノチューブ製造工程の開発が先行されなければならないが、現在の技術水準では、ナノチューブを製造した後にいちいち一つずつ操作し所望の位置に置く方法をとるため、電子素子や高集積素子を具現することが困難である。
また、現在の技術水準において、炭素ナノチューブ合成技術は、炭素ナノチューブを垂直に成長させる技術であり、これは、触媒パターンが形成された基板上に基板の表面に垂直な方向にナノチューブを成長させるものである。しかしながら、垂直に成長した炭素ナノチューブの場合、優れた整列を有しても、炭素ナノチューブの長さ及び間隔等を均一に制御することが困難であるという限界がある。また、半導体製造工程上、垂直方向に成長した炭素ナノチューブを適用することが困難であるという問題点がある。
本発明は、上記のような問題点を解決するためのもので、再現性を有し、高集積素子に適用されることができ、長さ及び間隔を均一に制御することができ、半導体製造工程に容易に適用することができる炭素ナノチューブの水平成長方法、これを用いた水平配線及び電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、(イ)基板上に炭素ナノチューブを成長させるための触媒ドットを形成する段階と、(ロ)上記触媒ドットが形成された領域を含む多数のナノチャンネルを含む犠牲層を形成する段階と、(ハ)上記ナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを成長させる段階と、を含む炭素ナノチューブの水平成長方法を提供する。
本発明の第2の態様は、平行に配列された多数の配線を含み、上記配線は上記炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブで形成されたものである水平配線を提供する。
本発明の第3の態様は、上記炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブの両端に電極を形成する段階と、上記電極を介して電流を流して金属性炭素ナノチューブを除去する段階と、を含む電界効果トランジスタ(FET)の製造方法を提供する。
本発明の第4の態様は、平行に配列された多数の配線を含み、上記配線は上記炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブで形成されたものである電界効果トランジスタ(FET)を提供する。
なお、上述した課題を解決するための手段は本発明の特徴を全て列挙したものではない。本発明の多様な特徴、それによる長所と効果は下記の具体的な実施形態を参照してより詳細に理解されることができる。
本発明による炭素ナノチューブの水平成長方法を用いる場合、炭素ナノチューブの垂直成長特性及び配線抵抗による水平配線形成が困難である問題点を解決することができ、再現性を有し高集積素子に適用されることができる。また、半導体素子の金属配線を代替することができる炭素ナノチューブで形成された水平配線を提供することができる。
また、本発明による炭素ナノチューブの水平成長方法を用いる場合、配線の長さ及び間隔を容易に制御することができるため、微細素子の製造に有利であり、半導体製造工程に容易に適用して製造工程を単純化することにより生産性を向上させることができ、小型化及び高性能化された炭素ナノチューブを用いた電界効果トランジスタを提供することができる。
さらに、上記のような水平配線及び電界効果トランジスタを用いて半導体を製造する場合、メモリ分野に限られた従来の半導体領域を非メモリ分野まで拡大することができるため、高い経済性を有するという長所がある。
以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
本発明の発明者らは、炭素ナノチューブを用いて半導体素子の金属配線を代替することができ再現性を有し長さ及び間隔を均一に制御することができる水平配線及び半導体製造工程に容易に適用することができ小型化及び高性能化が可能なトランジスタを開発するために研究を繰り返した結果、ナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを水平成長させる方法を見出して本発明を完成した。
即ち、本発明の発明者らは、多数のナノチャンネルを形成させこれにより炭素ナノチューブを触媒ドットから成長させる方法を開発することにより、炭素ナノチューブの垂直成長特性による水平配線形成の困難を画期的に改善して、再現性に優れ、炭素ナノチューブの長さ及び間隔も容易に制御することができる炭素ナノチューブの水平成長方法に関する本発明を完成した。
また、上記のような炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平配線及び電界効果トランジスタ(FET)を製造することができ、これを活用する場合、半導体製造工程を顕著に単純化させ生産性を格段に向上させることができることを確認した。
本発明の第1の態様によると、(イ)基板上に炭素ナノチューブを成長させるための触媒ドットを形成する段階と、(ロ)上記触媒ドットが形成された領域を含む多数のナノチャンネルを含む犠牲層を形成する段階と、(ハ)上記ナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを成長させる段階と、を含む炭素ナノチューブの水平成長方法を提供することができる。
以下、図1を参照して本発明の炭素ナノチューブの水平成長方法をより具体的に説明する。
まず、(イ)基板100上に炭素ナノチューブを成長させるための触媒ドット110を形成する。この際、上記触媒ドット110は、形成しようとする配線の数、間隔等を考慮して適切な個数及び間隔で形成されることができる。例えば、上記触媒ドット110は、基板100上に所定の間隔で一方向に整列されることができる。なお、図1(a)には二列に整列された触媒ドット110を示しているが、本発明の実施例は必ずしもこれに制限されるものではない。例えば、触媒ドット110が約10nm〜100nmの間隔に含まれるように複数の触媒ドット110を配置することもできる。上記のような触媒ドット110の間隔は、形成しようとする配線の間隔に応じて変わることができる。
また、上記触媒ドット110は、0.1nm〜5nm、0.5nm〜3nm又は1nm〜4nmの直径を有するように形成されることができる。上記触媒ドット110のサイズに応じて炭素ナノチューブの直径が決定されるため、微細な配線を具現するためには触媒の直径が小さいほど好ましい。
この際、上記触媒ドット110の形成方法は当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができるが、例えば、フォトリソグラフィーによって行われることができる。上記フォトリソグラフィーによって触媒ドット110を形成する方法は、例えば、基板100上にフォトレジストを塗布し、マスクを用いて触媒ドット110形成位置を選択的に露光した後にエッチングし、物理気相蒸着法(PVD)又は化学気相蒸着法(CVD)等を用いて触媒を蒸着する方法で行われることができる。
ここで、上記基板100としては、当該技術分野によく知られているものであれば制限なしに用いることができ、例えば、シリコン基板を用いることができる。
また、上記基板100には絶縁層となる酸化膜が形成され、上記酸化膜は当該技術分野によく知られているものであれば制限なしに用いることができるが、例えば、シリコン酸化膜(SiO2)であることが好ましい。この際、上記酸化膜の形成は、当該技術分野によく知られている方法により行われることができ、例えば、酸素を含有するシリコン前駆体の熱分解蒸着又は酸素が存在する雰囲気でのシリコン前駆体の熱分解蒸着によって行われることができる。
一方、上記触媒ドットは、当該技術分野によく知られているものを制限なしに用いることができるが、例えば、Ni、Co、Fe、Pd、Au、これらを含む合金及びこれらを含む有機物からなる群から選択された1種以上であることができる。
次に、(ロ)上記触媒ドット110が形成された領域を含む多数のナノチャンネルを含む犠牲層を形成する。この際、上記(ロ)段階は、例えば、上記触媒ドット110が形成された領域を含む多数のナノチャンネルを形成するために、第1の犠牲層120を形成する段階と、上記第1の犠牲層120の上部に第2の犠牲層130を形成する段階と、上記第1の犠牲層120を除去してナノチャンネルを形成する段階と、を含んで具現されることができる。
ここで、上記触媒ドット110が形成された領域を含む多数のナノチャンネルを形成するための第1の犠牲層120を形成する段階は、当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができるが、例えば、フォトレジストを用いるフォトリソグラフィー、プリンティング又はスタンプを用いるパターン転写方法等により行われることができる。特に、本発明において、上記第1の犠牲層120を形成する方法は、汚染防止の面でフォトリソグラフィーによって行われることが好ましい。
この際、上記第1の犠牲層120は、多数のナノチャンネルを形成するためのものであるため、形成しようとする配線の形態に応じて多様な形態に形成されることができる。例えば、上記第1の犠牲層120は、図1(b)に示されるように、ストライプ形態に形成されることができるが、これに制限されるものではない。また、上記第1の犠牲層120は、上記触媒ドット110を一つ又は二つ以上含むことができ、上記触媒ドット110に応じて幅や間隔等が調節されることができる。
一方、上記第1の犠牲層120は、後述する第2の犠牲層130との関係で選択的な除去が可能な物質であることが好ましく、例えば、フォトレジスト又はこれを含む有機物等であることができる。一方、上記フォトレジストとしては、市販される製品を用いることができ、例えば、AZ1512又はAZ9260(AZ Electric Materials Co.)等を用いることができるが、これに限定されるものではない。
次に、図1の(c)に示すように、上記第1の犠牲層120の上部に第2の犠牲層130を形成する段階が行われることができる。第2の犠牲層130を形成する方法は、当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができるが、例えば、化学気相蒸着法(Chemical vapor deposition、CVD)、熱化学気相蒸着法(Thermal Chemical vapor deposition、Thermal CVD)、プラズマ化学気相蒸着法(Plasma enhanced chemical vapor deposition、PECVD)、物理気相蒸着法(Physical vapor deposition、PVD)、熱蒸着法(Thermal evaporation)又はスパッタリング(Sputtering)により行われることができる。本発明において、上記第2の犠牲層130を形成する方法は、工程の容易性のためにPECVDにより行われることが好ましい。
ここで、第2の犠牲層130は、上記基板100上に形成された酸化膜との関係で選択的な除去が可能な物質であれば制限なしに用いることができ、例えば、Si3N4、SiGe又はこれらの組み合わせからなる群から選択された1種以上であることができる。特に、本発明において、上記第2の犠牲層130は、第1の犠牲層120との関係で選択的な除去が容易なSi3N4であることが好ましい。
次に、上記第2の犠牲層130の形成後に第1の犠牲層120を除去してナノチャンネルを形成する段階が行われることができる。この際、上記第1の犠牲層120を除去する方法は、当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができるが、例えば、フォトレジスト等の有機物を除去することができる有機溶剤に溶かして除去する方法により行われることができる。この際、上記有機溶剤としてはフォトレジストを除去するのに用いられるエッチング液を制限なしに用いることができ、例えば、アセトン等を用いて除去することができる。図1の(e)は、上記のような方法で第1の犠牲層120が除去されナノチャンネルが形成された状態を示すものである。
上記第1の犠牲層120と第2の犠牲層130間の選択比は数値上で100:1以上であり、上記選択比は溶媒によってエッチングされる二つ以上の物質間のエッチング速度比である。本明細書上で言及した100:1以上のエッチング速度比は、第1の犠牲層120のエッチング速度を100とするとき、第2の犠牲層130のエッチング速度が1であることを意味する。即ち、溶媒によって第1の犠牲層120は溶解されるが、第2の犠牲層130は殆ど溶解されないのである。
一方、必須ではないが、必要に応じて、上記第2の犠牲層130を形成する段階は、上記第1の犠牲層120上に第2の犠牲層130を形成する段階の後に、第2の犠牲層130をパターニングする段階をさらに含むことができる。ここで、第2の犠牲層130をパターニングする方法は必要に応じて適切に調節されることができ、当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができる。例えば、フォトリソグラフィーにより行われることができる。このように、第2の犠牲層130をパターニングする場合、炭素ナノチューブの成長長さを制御することができるため、配線の長さを調節することができるという長所がある。図1の(d)は、上記のような方法でパターニングされた第2の犠牲層130’の一例を示すものである。
本発明による炭素ナノチューブの水平成長方法において、上記のような方法で行われる(イ)段階及び(ロ)段階の後に、(ハ)上記ナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを成長させる段階が行われる。ここで、上記炭素ナノチューブを成長させる方法は、当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができるが、例えば、化学気相蒸着法(Chemical vapor deposition、CVD)、熱化学気相蒸着法(Thermal Chemical vapor deposition、Thermal CVD)、プラズマ化学気相蒸着法(Plasma enhanced chemical vapor deposition、PECVD)、触媒熱分解法(catalyst thermal reduction)又は熱フィラメント気相蒸着法(hot−filament vapor deposition)により行われることができる。
選択的に、上記(ハ)段階後に上記犠牲層を除去する段階をさらに含むことができる。上記犠牲層の除去は、当該技術分野によく知られている方法であれば制限されず、例えば、燐酸(H3PO4)溶液に浸漬させて第2の犠牲層130を除去する方法で行われることができる。
上記のような方法で行われる本発明による炭素ナノチューブの水平成長方法によると、炭素ナノチューブを用いた水平配線形成の困難を画期的に改善することができる。
本発明の第2の態様によると、平行に配列された多数の配線を含み、上記配線は上記炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブで形成されたものである水平配線を提供する。
本発明の水平配線140において、上記炭素ナノチューブは多重壁(Multi−wall)であることができる。ここで、上記多重壁炭素ナノチューブは、同心円上に多重のナノチューブが存在することを意味する。このような多重壁炭素ナノチューブは、電気伝導性が非常に高く結合強度に優れてエレクトロマイグレーション(electromigration、EM)に対する耐性が非常に高いという長所がある。
また、上記配線の水平配線はその幅が1nm〜10μm、2nm〜30nm、5nm〜80nm又は50nm〜1μmであることができる。
さらに、上記配線の水平配線はその高さが1nm〜1μm、2nm〜10nm、5nm〜50nm又は20nm〜100nmであることができる。
一方、上記配線の水平配線はその間隔が1nm〜1mm、5nm〜50nm、10nm〜100nm又は80nm〜1μmであることができる。
本発明において、水平配線の幅、高さ又は間隔が上記数値範囲を満足する場合、数nm〜数十nm程度の配線幅、高さ又は間隔が要求されるローカル(Local)領域及び数百nm〜数μmの配線幅、高さ又は間隔が要求されるグローバル(Global)領域で多様に用いることができる。
上記のような本発明による水平配線は、炭素ナノチューブで形成されたもので長さ及び間隔を均一に制御することができ、再現性を有し、半導体設計において金属配線の代替が可能であるため高集積素子の具現が可能であるという長所がある。
本発明の第3の態様によると、上記炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブの両端に電極を形成する段階と、上記電極を介して電流を流して金属性炭素ナノチューブを除去する段階と、を含む電界効果トランジスタ(FET)の製造方法を提供する。
この際、上記電極150を形成する段階は、当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができるが、例えば、化学気相蒸着法(Chemical vapor deposition、CVD)又は物理気相蒸着法(Physical vapor deposition、PVD)により行われることができる。
次に、上記電極を介して電流を流して金属性炭素ナノチューブを除去する段階は、当該技術分野によく知られている方法であれば制限なしに用いることができるが、例えば、両端の電極の間に電源を連結して炭素ナノチューブが燃焼されることができる程度の大きな電流を流す方法で行われることができる。
上記のような方法で電界効果トランジスタを製造する場合、金属性ナノチューブのみを選択的に容易に除去することができるため、アレイを形成した半導体性炭素ナノチューブを形成することが可能であり小型化及び高集積化された電界効果トランジスタが得られる。
本発明の第4の態様によると、平行に配列された多数の配線を含み、上記配線は本発明による炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブで形成されたものである電界効果トランジスタ(FET)を提供する。
本発明の電界効果トランジスタにおいて、上記炭素ナノチューブは単一壁(Single−wall)であることができる。上記のような単一壁炭素ナノチューブは金属性と半導体性が混在しており、トランジスタに応用しようとする場合は必ず半導体性炭素ナノチューブのみを選別して用いなければならない。半導体性炭素ナノチューブは、ゲート電圧によってチャンネルの電気伝導度の調節が可能(gating)であり且つ炭素ナノチューブの一般的な特徴である優れた電気伝導性とエレクトロマイグレーション(electromigration、EM)耐性を有するという長所がある。
上記のように本発明による電界効果トランジスタを用いると、小型化及び高性能化された半導体を製造することができ、半導体製造工程に容易に適用することができるため工程の単純化が可能であり生産性を顕著に向上させることができる効果がある。
100 基板
110 触媒ドット
120 第1の犠牲層
130、130’ 第2の犠牲層
140 炭素ナノチューブ水平配線
150 電極
110 触媒ドット
120 第1の犠牲層
130、130’ 第2の犠牲層
140 炭素ナノチューブ水平配線
150 電極
Claims (16)
- (イ)基板上に炭素ナノチューブを成長させるための触媒ドットを形成する段階と、
(ロ)前記触媒ドットが形成された領域を含む多数のナノチャンネルを含む犠牲層を形成する段階と、
(ハ)前記ナノチャンネルを用いて炭素ナノチューブを成長させる段階と、
を含む、炭素ナノチューブの水平成長方法。 - 前記(ロ)段階は、
前記触媒ドットが形成された領域を含む多数のナノチャンネルを形成するために第1の犠牲層を形成する段階と、
前記第1の犠牲層の上部に第2の犠牲層を形成する段階と、
前記第1の犠牲層を除去してナノチャンネルを形成する段階と、
を含む、請求項1に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法。 - 前記第2の犠牲層を形成する段階後に第2の犠牲層をパターニングする段階をさらに含む、請求項2に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法。
- 前記(ハ)段階は、化学気相蒸着法、熱化学気相蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、触媒熱分解法又は熱フィラメント気相蒸着法により行われる、請求項1から3のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法。
- 前記(ハ)段階後に前記犠牲層を除去する段階をさらに含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法。
- 前記触媒ドットは、Ni、Co、Fe、Pd、Au及びこれらを含む合金からなる群から選択された1種以上である、請求項1から5のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法。
- 前記第1の犠牲層は、フォトレジスト又はこれを含む有機物からなる、請求項2から6のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法。
- 前記第2の犠牲層は、Si3N4、SiGe又はこれらの組み合わせである、請求項2から7のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法。
- 平行に配列された多数の配線を含み、前記配線は請求項1から8のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブで形成されたものである、水平配線。
- 前記炭素ナノチューブは多重壁(Multi−wall)である、請求項9に記載の水平配線。
- 前記配線はその幅が1nm〜10μmである、請求項9又は10に記載の水平配線。
- 前記配線はその高さが1nm〜1μmである、請求項9から11のいずれか一項に記載の水平配線。
- 前記配線はその間隔が1nm〜1mmである、請求項9から12のいずれか一項に記載の水平配線。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブの両端に電極を形成する段階と、
前記電極を介して電流を流して金属性炭素ナノチューブを除去する段階と、
を含む、電界効果トランジスタ(FET)の製造方法。 - 平行に配列された多数の配線を含み、前記配線は請求項1から8のいずれか一項に記載の炭素ナノチューブの水平成長方法を用いて水平成長された炭素ナノチューブで形成されたものである、電界効果トランジスタ(FET)。
- 前記炭素ナノチューブは単一壁(Single−wall)である、請求項15に記載の電界効果トランジスタ(FET)。
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