KR0148598B1 - 두꺼운 초전도채널층을 구비한 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법 - Google Patents
두꺼운 초전도채널층을 구비한 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법Info
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Abstract
이 발명은 두꺼운 초전도채널을 구비한 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로서, 그 방법은 산화물 단결정 기판을 준비하는 공정과; 펄스레이저증착장치를 사용하여 상기 산화물 단결정 기판의 주표면상에 밑틀층을 도포하는 공정과; 상기 밑틀층사에 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 공정과; 상기 YBa2Cu3O7-x층을 패터닝하여 개구부를 갖는 패터닝된 YBa2Cu3O7-x층을 형성하고 그리고 상기 밑틀층의 일부의 표면부분을 노출시키는 공정과; YBa2Cu3O7-x채널층을 상기 밑틀층의 상기 표면부분위에 그리고 상기 패터닝된 YBa2Cu3O7-x층위에 도포하되, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층이 60 내지 100nm의 두께를 갖게하는 공정과; 상기 YBa2Cu3O7-x채널층위에 SrTiO3보호층과 SrTiO3절연층을 차례로 형성하는 공정과; 상기 절연층과 보호층의 일부분을 식각용 마스크를 사용하여 건식식각하여 상기 YBa2Cu3O7-x채널층이 일부의 표면부분들을 노출시키게 하는 공정과; 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 상기 표면부분들의 양측상에 소오스/드레인 전극을 형성하고 그리고 이와 동시에 상기 개구부내에 있는 상기 SrTiO3절연층위에 게이트 전극을 형성하는 공정을 포함한다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 FET는 60nm이상의 매우 두꺼운 YBa2Cu3O7-x층을 채널층으로 사용할 수 있기 때문에, 종래의 초전도 FET와 비교하여 볼 때, 생산라인에서의 초전도 FET의 생산성을 향상시킬 수 있고, 그리고 이에 의해서 그 초천도 FET의 특성이 개선된다.
Description
제1도는 금속-절연층-초전도 층의 3층 구조로 되어 있는 종래의 초전도 전계효과 트랜지스터의 구성을 보여주는 단면도.
제2도는 역전된 3층구조로 되어 있는 다른 종래의 초전도 전계효과 트랜지스터의 구성을 보여주는 단면도.
제3a도 내지 제3d도는 본 발명의 실시예에 따라 고온초전도 전계효과를 트랜지스터의 제조방법을 보여주는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 산화물계 단결정 기판 32 : 밑틀층(template layer)
34 : 초전도층 35 : 개구부
36 : 초전도 채널층 38 : 보호막
40 : 절연층 42 : 게이트전극
44 : 소오스전극 46 : 드레인전극
본 발명은 초전도소자의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 두꺼운 초전도채널층을 구비한 고온초전도 전계효과 트랜지스터(a high temperature superconducting field-effect transistor)를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 초전도 트랜지스터는 고속연산, 고속데이터처리 및 저소비전력의 특성을 갖는 능동소자로서 널리 사용되어 왔고, 그리고 비디오 신호처리시스템, 고성능의 워크스테이션시스템, 위성신호처리시스템, 슈퍼컴퓨터 등의 신호처리시스템에 주로 적용될 수 있다.
제1도는 극히 작은 초전도채널을 갖는 종래의 초전도 전계효과 트랜지스터(이하, 초전도 FET라 칭한다)의 구성을 보여주고 있다.
제1도에서, 상기 초전도 FET는 YBa2Cu3O7-x로 이루어진 기판(11)과, 상기 기판(11)의 주면 상에 산화물초천도박막으로 이루어진 극히 얇은 초전도채널(12)과, 상기 초전도채널(12)상에 형성된 절연층(13)을 구비하고 있다.
또한, 상기 FET는 상기 구성이외에 상기 초전도채널층(12)의 양단에 그리고 금속으로 형성되어 있는 소오스/드레인 전극(15, 16)과, 상기 절연층(13)상에 형성되어 있고 그리고 금속으로 되어 있는 게이트전극(14)을 부가하고 있다.
이러한 FET 구성에 있어서, 상기 절연층(13)은 SrTiO3으로 형성되어 있고 그리고 상기 초전도채널층(12)은 고온초전도체로 형성되어 있다.
이러한 초전도 FET는 상기 기판(11)상에 차례로 형성되어 있는 금속-절연층-고온초전도층으로 이루어진 3층구조(three-layer-structure)로 구성되어 있으며, 그리고 유럽특허공고(European Patent) No. 0 533 519 A2에 개시되어 있다.
제2도는 역전된 3층 구조를 구비한 종래의 초전도 FET의 구성을 보여주고 있다.
제2도의 초전도 FET는 Nb로 도프된 SrTiO3기판(21)과, 이기판(21)의 주면상에 형성된 백금층(22)과, 절연층(23)의 사이에 끼워진 채로 상기 백금층(22)위에 형성된 초전도채널층(24)을 구비하고 있다.
또한 제2도의 초천도 FET는 서로 전기적으로 절연되어 있고 그리고 상기 초전도채널층(24)상에 형성된 금속의 소오스/드레인전극(25, 26)과 그리고 상기 기판(21)의 이면상에 형성된 게이트전극(27)을 부가하고 있다.
상기 초전도 FET는 제1도의 초전도 FET와 비교하여 역전도 3층구조를 구비하고 있고 그리고 미국특허 No 5,278,138에 개시되어 있다.
그러나, 이러한 초천도 FET들에 있어서는, 고온초전도막을 게이트로 이용하기 때문에, 전계효과가 수 % 이내로 저하되는 심각한 문제가 발생한다.
또한, 상기 종래의 초전도 FET에서는 높은 전계효과를 얻을 수 없는 이유들이 있는데, 그 중의 하나가 100Å이하의 두께를 갖는 초박막이 그 FET의 고온초전도채널층으로 이용된다는 점이다.
그러한 고온초전도채널층을 제조함에 있어서, 여러 문제점이 발생된다.
첫째, 극히 얇은 막을 갖는 YBa2Cu3O7-x초전도 층을 제조하는 경우에, 그 초전도 층이 공기중의 수분과 화학적으로 반응하여 다른 물질로 매우 빠른 속도로 분해되기 때문에, 결국 초전도특성을 상실하게 된다.
둘째, 상기 초전도트랜지스터의 제조시에, 여러 단계의 식각공정들이 수행되어야 하기 때문에, 극히 얇은 초전도 층의 화학적 안정성이 크게 떨어진다.
마지막으로, 극히 얇은 초전도 층의 두께가 더욱 얇아지게 되면, 그러한 초전도 층의 재현성은 막형성조건의 최적이 범위의 제한 때문에 크게 저하된다.
따라서, 본 발명은 초전도채널층의 두께가 종래의 초전도 FET내의 초전도채널층보다 약 6배정도 두꺼우면서도 채널로서 이용될 수 있는 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 족먹은 종래의 것보다 상대적으로 두꺼운 초전도채널층을 구비하여 그 생산성을 개선시킨 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 두꺼운 초전도채널층을 구비한 고온 초전도 전계효과 트랜지스터에 제조방법은 산화물계 단결정 기판을 준비하는 공정과 펄스레이저증착 장치를 사용하여 상기 산화물계 단결정 기판의 주표면상에 밑틀층을 도포 하는 공정과, 상기 밑틀층사에 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 공정과, 상기 YBa2Cu3O7-x층을 패터닝하여 개구부를 갖는 패터닝된 YBa2Cu3O7-x층을 형성하고 그리고 상기 밑틀층의 일부의 표면부분을 노출시키는 공정과, YBa2Cu3O7-x채널층을 상기 밑틀층의 상기 표면부분위에 그리고 상기 패터닝된 YBa2Cu3O7-x층위에 도포 하되, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층이 60내지 100nm의 두께를 갖게 하는 공정과, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층위에 SrTiO3보호층가 SrTiO3절연층을 차례로 형성하는 공정과, 상기 절연층과 보호층의 일부분을 식각용 마스크를 사용하여 건식식각하여 상기 YBa2Cu3O7-x채널층이 일부의 표면부분들을 노출시키게 하는 공정과, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 상기 표면부분들의 양측 상에 소오스/드레인 전극을 형성하고 그리고 이와 동시에 상기 개구부내에 있는 상기 SrTiO3절연층위에 게이트 전극을 형성하는 공정을 포함한다.
이 방법에 있어서, 상기 산화물계 단결정 기판은 SrTiO3, LaAlO3, MgO, NdGaO3, LaSrAlO4또는 LaSrGaO4로 이루어져 있다.
이 방법에 있어서, 상기 밑틀층은 PrBa2Cu3O7-x로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이 방법에 있어서, 온도접착제를 사용하여 상기 펄스레이저증착장치의 기판가열판에 상기 산화물계 단결정 기판을 부착하는 공정을 부가한다.
이 방법에 있어서, 상기 밑틀층의 도포공정은 6000℃내지 650℃의 온도에서 그리고 약 100mTorr의 산소압력하에서 실행되어, 50내지 200nm의 두께를 갖는 밑틀층을 형성한다.
이 방법에 있어서, 상기 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 공정은 720℃ 내지 780℃의 범위 내에서 그리고 약 100mTorr의 산소압력하에서 실행되어, 약 500nm의 두께를 갖는 YBa2Cu3O7-x층을 형성한다.
이 방법에 있어서, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 도포공정은 720℃ 내지 780℃의 범위내에서 그리고 100mTorr의 산소압력하에서 실행되며, 그리고 상기 절연층의 형성공정은 650℃ 내지 750℃의 범위 내에서 실행되고, 그리고 상기 보호층은 10 내지 50nm의 두께를 갖고 그리고 상기 절연층은 100 내지 500nm의 두께를 갖는다.
이 방법에 있어서, 상기 SrTiO3보호층을 형성하는 공정을 수행하는 중에, 상기 SrTiO3보호층과 상기 밑틀층의 표면부분사이에 있는 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 응력이 변형되어 응력변형력으로 변환된다.
이 방법에 있어서, 상기 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 공정 중에, 상기 YBa2Cu3O7-x층을 상기 YBa2Cu3O7-x층의 a-축이 상기 밑틀층에 의해서 상기 기판에 수직하도록 성장되게 된다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 초전도 FET는 60nm 이상의 매우 두꺼운 YBa2Cu3O7-x층을 채널층으로 사용할 수 있기 때문에, 종래의 초전도 FET와 비교하여 볼 때, 생산라인에서의 초전도 FET의 생산성을 향상시킬 수 있고, 그리고 이에 의해서 그 초전도 FET의 특성이 개선된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제3a도 내지 제3d도는 본 발명의 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법의 공정 등을 보여주고 있다.
제3a도에서, 산화물계 단결정 기판(30)상에 밑틀층(32)과 YBa2Cu3O7-x층(34)이 차례로 형성되고, 이어 패터닝공정이 수행된다.
상기 밑틀층(32)과 YBa2Cu3O7-x층(34)의 형성공정은 이 기술분야에서 잘 알려진 펄스레이저증착장치내에서 실행된다.
즉, 상기 산화물계 단결정 기판(30)을 상기 펄스레이저증착장치내의 기판가열판에 부착시킨다.
이때, 상기 부착재료로는 은접착제(silver paste)를 사용한다.
이러한 상태에서, 상기 밑틀층(32)은 상기 산화물계 단결정 기판(30)의 주면상에 형성되는데, 약 100mTorr의 산화압력하에서, 그리고 600℃ 내지 650℃의 범위내의 온도에서 형성된다.
그 결과, 상기 밑틀층(32)은 50에서 200nm의 두께를 갖는다.
상기 산화물계 단결정기판(30)은 SrTiO3, LaAlO3, MgO, NdGaO3, LaSrAlO4중 어느 하나로 구성되어 있다.
게다가, 상기 밑틀층(32)의 증착은 600℃ 내지 650℃의 범위내의 온도 그리고 약 100mTorr의 산소압력하에서 실행되는데, 그 결과 상기 산화물계 단결정 기판(30)상에는 50 내지 200nm의 두께를 갖는 밑틀층(32)이 형성된다.
이 밑틀층(32)은 또한 PrBa2Cu3O7-x로 구성되어 있다.
상기 YBa2Cu3O7-x층(34)의 형성공정은 720℃ 내지 780℃의 범위 내에서 그리고 100mTorr의 산소 압력 하에서 실행되어, 상기 YBa2Cu3O7-x층(34)은 약 500nm의 두께를 갖는다.
이때, 에칭공정에 의해, 개구부(35)를 갖는 패턴 화된 YBa2Cu3O7-x층(34)이 제3a도에 도시된 바와 같이 상기 밑틀층(32)상에 형성된다.
이 개구부(35)는 상기 밑틀층(32)의 노출된 표면상에 형성된다.
이 실시예에서는, 상기 밑틀층(32)은 a-축이 상기 기판(30)에 수직되도록 상기 YBa2Cu3O7-x층을 성장시키기 위하여 제공된 것이다.
이어서, 제3b도에 도시된 바와 같이, 상기 패턴화된 YBa2Cu3O7-x층(34)l 형성된 구조물위에 YBa2Cu3O7-x채널층(36), SrTiO3보호층(36) 및 SrTiO3절연층(40)의 증착공정이 차례로 실행된다.
상기 YBa2Cu3O7-x채널층(36)의 증착공정이 먼저 실행되며, 60에서 100nm의 두께를 갖는 상기 YBa2Cu3O7-x채널층(36)이 형성된다.
이 증착공정은, 720℃ 내지 780℃의 온도에서 그리고 100mTorr의 산소압력하에서 실행된다.
이어, SrTiO3보호층(38)이 상기 YBa2Cu3O7-x채널층(36)상에 형성되는데, 약 10에서 50nm의 두께를 갖는다.
상기 SrTiO3절연층(40)의 증착공정은 650℃ 내지 750℃의 범위내의 온도에서 실행되어서, 약 100 내지 500nm의 두께를 갖는 SrTiO3절연층(40)이 형성된다.
그 결과, 제3b도의 구조가 형성된다.
이 실시예에 있어서, 상기 SrTiO3보호층(38)의 증착공정을 실행중에, 상기 SrTiO3보호층(38)과 상기 밑틀층(32)의 표면부사이의 계면에 형성된 YBa2Cu3O7-x채널층은 그 응력이 변화되어서 응력변형층(36a)으로 변화된다.
게다가, 건식식간공정이 실행되어서, 상기 절연층과 보호층의 일부부에 제3c도에 도시된 바와 같이 제거된다.
예를 들어, 식각용 마스크를 사용하여, 상기 절연층 및 보호층이 선택적으로 제거된다.
그 결과, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층(36)의 표면부분이 노출된다.
최종적으로, 제3d도에 도시된 바와 같이, 소오스/드레인전극(44, 46)이 상기 YBa2Cu3O7-x채널층(36)의 노출된 표면부분들의 양쪽 위에 각각 도포되고, 이와 동시에 게이트전극(42)은 상기 개구부(35)내에 있는 상기 SrTiO3절연층(40) 상에 도포된다.
그러므로, 고온초전도 FET를 제조하는 공정들이 모두 완료된다.
상기 초전도 FET의 YBa2Cu3O7-x층은 그의 결정구조 때문에 그의 속성이 결정축을 따라 크게 변화되는 초전도특성(superconducting characteristic)을 가지고 있고, 그리고 상기 초전도 특성에 의한 응력변형(stress-strain)의 의존성(dependency)이 상기 결정축방향(crystalline axis directions)에 따라 결정되는 특성을 가지고 있다.
이와 같이, YBa2Cu3O7-x층의 a-축이 기관표면에 대하여 수직이 되도록 상기 YBa2Cu3O7-x층을 상기 기판상에 성장시킬 경우에는, 이 되도록 상기 YBa2Cu3O7-x층을 상기 기판상에 성장시킬 경우에는, 인장응력(tension stress)이 그들사이의 열팽창계수)thermal expansion coefficient)와 그들 사이의 격자부정합(Lattice mismatching) 때문에 그들 사이의 계면근처에 있는 영역에 영향을 준다.
그것에 비해, 많은 점결합(point defects)이 상기 계면근처의 영역내에서 발생된다.
이러한 결함들은 산란점(scattering center)으로 작용하기 때문에, 초전도전자쌍(superconducting electron pairs)들은 상기 점결합가 충돌하게 되고, 이에 의해서 그 초전도특성이 상기 YBa2Cu3O7-x층내에서 상실하게 된다.
따라서, 상기 인장응력이 상기 YBa2Cu3O7-x층내에서 영향을 줄 수 있는 표면으로부터 약 25nm이 깊이까지의 영역내에서는, 그러한 전도특성이 발생하지 않는다.
상술한 바와 같이, 상기 초전도 FET는 상술한 공정들에 따라서 제조되는 경우에는, a-축이 기판표면에 수직이 상기 YBa2Cu3O7-x층과 상기 기판사이의 계면에서 발생하는 응력변형효과는 상기 YBa2Cu3O7-x체널층의 양쪽표면의 근처에 있는 영역들에서도 발생하기 때문에, 응력변형된 YBa2Cu3O7-x채널층은 응력변형이 완전히 제거된 10 내지 50nm의 두께의 중앙부분을 갖게 된다.
구체적으로, 본 발명의 초전도 FET에 있어서는, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층이 기판과 SrTiO3층들이 사이에서 60 내지 100nm의 두께로 형성되어 있다.
상기 YBa2Cu3O7-x채널층이 그의 표면으로부터 약 25nm의 깊이까지 응력변형에 의한 영향을 받게 되더라도, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층에서 응력변형의 영향을 받게 되더라도, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층에서 응력변형의 영향을 받는 표면부분의 총깊이는 약 50nm가 되기 때문에, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층은 응력변형이 완전히 제거된 10 내지 50nm의 두께를 갖는 초전도 특성이 나타나는 중앙부분을 갖게 된다.
따라서 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 초전도 FET는 60nm 이상의 매우 두꺼운 YBa2Cu3O7-x층을 채널층으로 사용할 수 있기 때문에, 종래의 초전도 FET와 비교하여 볼 때, 생산라인에서의 초전도 FET의 생산성을 향상시킬 수 있고, 그리고 이에 의해서 그 초전도 FET의 특성이 개선된다.
Claims (8)
- 두꺼운 초전도 채널층을 구비한 고온 초전도 전계효과 트랜지스터를 제조하는 방법에 있어서, 산화물계 단결정 기판을 준비하는 공정과; 펄스레이저증착장치를 사용하여 상기 산화물계 단결정 기판의 주표면에 밑틀층을 도포하는 공정과; 상기 밑틀층상에 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 공정과; 상기 YBa2Cu3O7-x층을 패터닝하여 개구부를 갖는 패터닝된 YBa2Cu3O7-x층을 형성하고 그리고 상기 밑틀층의 일부의 표면 부분을 노출시키는 공정과; YBa2Cu3O7-x채널층을 상기 밑틀층의 상기 표면부분위에 그리고 상기 패터닝된 YBa2Cu3O7-x층위에 도포하되, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층이 60 내지 100nm의 두께를 갖게 하는 공정과; 상기 YBa2Cu3O7-x채널층위에 SrTiO3보호층과 SrTiO3절연층을 차례로 형성하는 공정과; 상기 절연층과 보호층의 일부분을 식각용 마스크를 사용하여 건식식각하여 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 일부의 표면부분들을 노출시키게 하는 공정과; 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 상기 표면부분들의 상기 양측상에 소오스/드레인 전극을 형성하고 그리고 이와 동시에 상기 개구부내에 있는 상기 SrTiO3절연층위에 게이트전극을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 밑틀층은 PrBa2Cu3O7-x로 구성되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 은접착제를 사용하여 상기 펄스레이저증착장치의 기판가열판에 상기 산화물계 단결정 기판을 부착하는 공정을 부가하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 밑틀층의 도포공정은 600℃ 내지 650℃의 온도에서 그리고 약 100mTorr의 산소압력하에서 실행되어, 50 내지 200nm의 두께를 갖는 밑틀층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 공정은 720℃ 내지 780℃의 범위내에서 그리고 약 100mTorr의 산소압력하에서 실행되어, 약 500nm의 두께를 갖는 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 도포공정은 720℃ 내지 780℃의 범위내에서 그리고 10mTorr의 산소압력하에서 실행되며, 그리고 상기 절연층의 형성공정은 650℃ 내지 750℃의 범위내에서 실행되고, 그리고 상기 보호층은 10 내지 50nm의 두께를 갖고 그리고 상기 절연층은 100 내지 500nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 SrTiO3보호층을 형성하는 공정을 수행하는 중에, 상기 SrTiO3보호층과 상기 밑틀층의 표면부분사이에 있는 상기 YBa2Cu3O7-x채널층의 응력이 변형도어 응력변형된 층으로 변화되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 YBa2Cu3O7-x층을 형성하는 공정중에, 상기 YBa2Cu3O7-x층은 상기 YBa2Cu3O7-x층의 a-축이 상기 밑틀층에 의해서 상기 기판에 수직하도록 성장되게 하는 것을 특징으로 하는 고온초전도 전계효과 트랜지스터 제조방법.
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