KR100360476B1 - 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터 및 그제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테라비트급으로 고집적화가 가능한 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터 및 그 제조 방법(Vertical nano-size transistor using carbon nanotubes)를 기재한다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터는 알루미나와 같은 절연막에 직경 수nm의 구멍을 수 nm 간격으로 형성하여 탄소나노튜브를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법으로 나노 크기의 구멍 속에서 수직으로 배열시켜 채널로 이용하고, 반도체 제조 방법을 이용하여 탄소나노튜브의 둘레에 게이트 전극을 형성하고 탄소나노튜브의 위아래에 각각 소스와 드레인 전극을 형성함으로써 전기적으로 스위칭 특성을 갖는 나노 크기의 수직 트랜지스터를 제작한다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터 및 그 제조 방법{Vertical nano-size transistor using carbon nanotubes and manufacturing method thereof}
본 발명은 테라비트급으로 고집적화가 가능한 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터 및 그 제조 방법(Vertical nano-size transistor using carbon nanotubes)에 관한 것이다.
종래의 실리콘 기판을 이용하여 제작하는 스위칭 소자는 기본적으로 불순물 확산 영역, 소자 분리 영역 및 채널이 수평적으로 연결된 구조를 가지고 있고, 또한 이러한 스위칭 소자를 여러개 집적화시킨 집적 회로도 개개의 스위칭 소자를 수평적으로 배열하여 집적화시키는 구조를 가지고 있을 뿐 만 아니라 실리콘 기판에 앞서 언급한 불순물 확산영역이나 소자 분리영역을 형성시킬 경우 공정상의 복잡성으로 인하여 미세화 및 집적화에 한계를 가지고 있었다. 기존의 미세한 스위칭 소자로서 가장 일반적으로 사용되고 있는 MOSFET(Metal oxide semiconductor field effect transistor)의 경우, 실제로 최소 패턴 크기가 0.25μm인 256M DRAM에서 소자의 크기는 약 0.72μm2이고, 최소 패턴 크기가 0.18μm인 1G DRAM에서 소자의 크기는 약 0.32μm2이며, 최소 패턴 크기가 0.13μm인 4G DRAM에서 소자의 크기는 대략 0.18μm2이고, 최소 패턴 크기가 0.1μm인 16G DRAM에서 소자의 크기는 약 0.1μm2정도이다. 이러한 기존의 스위칭 소자가 가지는 미세화의 한계를 극복하기 위한 방안으로 탄소나노튜브를 이용한 개별 스위칭 소자가 제안되었지만 여전히 기존의 스위칭 소자와 유사한 형태의 수평적인 구조를 가지고 있고 더욱이 개개의 탄소나노튜브를 조작하는데 많은 제약이 있기 때문에 이러한 탄소나노튜브를 이용한 개별소자는 고밀도로 집적화시키는 것이 거의 불가능한 실정이다. 또 탄소나노튜브를 화학기상증착법으로 직접 성장한다해도 한 개의 전자를 제어하는 소자를 설계하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 탄소나노튜브의 수직 성장 및 선택적 증착법을 이용하여 나노 크기의 구멍이 배열된 부도체 기판에 나노미터 직경의 탄소나노튜브를 성장시켜 채널(channel)로 이용하고, 탄소나노튜브의 상.하부를 각각 소스(source), 드레인(drain)에 연결하고 중간에 게이트를 위치시켜 스위칭 되도록 함으로써 한 개 트랜지스터 크기가 수십 나노미터에서 최대 1마이크론 이하인 테라비트급의 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기의 수직 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터의 수직 단면도,
도 2는 도 1의 탄소나노튜브를 이용한 나노크기의 수직트랜지스터의 평면도,
그리고 도 3a 내지 도 3f는 각각 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터의 제조 방법을 공정 단계별로 보여주는 수직 단면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10'. 구멍
10. 절연층(부도체 기판) 20. 게이트
30. 부도체 박막 40. 소스 전극
50. 드레인 전극 100. 탄소나노튜브
200. 반도체 기판
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기의 수직 트랜지스터는, 나노 미터 직경의 구멍들이 배열된 절연층;
상기 구멍들 속에 수직으로 형성된 탄소나노튜브들; 상기 탄소나노튜브들 둘레의 상기 절연층 상에 형성된 게이트 전극들; 상기 구멍들이 메워지도록 절연층 게이트 전극들 상에 증착된 부도체 박막; 상기 부도체 박막 및 탄소나노튜브들 상부에 형성된 드레인 전극들; 및 상기 절연층 및 탄소나노튜브 하부에 형성된 소스 전극들;을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층은 Al2O3또는 Si로 형성되고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 금속막으로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기의 수직 트랜지스터의 제조 방법은, (가) 반도체 기판 상에 소스 전극들을 형성하는 단계; (나) 부도체로 절연층을 형성하고, 상기 소스 전극에 대응하는 영역에 나노미터 직경의 구멍들을 나노미터 간격으로 형성하는 단계;
(다) 상기 구멍들 내의 소스 전극들 상에 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키는 단계; (라) 상기 탄소나노튜브들의 둘레에 게이트 전극들을 형성하는 단계; (마) 상기 구멍들이 메워지도록 상기 게이트 전극들 상에 부도체 박막을 증착시키는 단계; 및 (바) 상기 부도체 박막과 탄소나노튜브들 상부에 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계에서 상기 부도체는 Al2O3또는 Si 이고, 상기 (다) 단계는 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 압축법으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기의 수직 트랜지스터 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터의 수직 단면도이고, 도 2는 그 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노크기의 수직트랜지스터의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 수직 배열된 탄소나노튜브 틀랜지스터(transistor)의 단위 소자는 다음과 같은 구조를 갖는다.
먼저, 탄소나노튜브의 수직 성장 및 선택적 증착법에 의해 나노 크기의 구멍(10')들이 배열된 부도체 기판(10)에 탄소나노튜브(100)들이 배열된다. 배열된 탄소나노튜브(100)들의 둘레의 부도체 기판(10) 상에 게이트 전극(20)들이 형성되고, 그 위에 구멍(10')이 메워지도록 부도체 박막(30)이 증착된다. 탄소나노튜브(10)들의 상하부에 소스 전극(40) 및 드레인 전극(50)들이 연결된다. 여기서, 부도체 기판(10)으로 알루미나와 같은 절연막을 사용하며 구멍의 크기 및 구멍 사이의 간격은 수 nm로 조절가능하기 때문에 테라비트급으로 고집적화가 가능하다.
즉, 수직 방향으로 성장된 나노미터 크기 직경의 탄소나노튜브(100)를 채널로 이용하고 탄소나노튜브의 상.하부를 각각 소스(source) 전극(40), 드레인(drain) 전극(50)에 연결하고 중간에 게이트 전극(20)이 위치하도록 하여 스위칭이 일어나도록 구성함으로써 한 개의 트랜지스터 크기가 수십 나노미터에서 최대 1마이크론 이하로 구성이 가능하게 되므로 고집적화가 가능하게 된다. 도 2를 참조할 때, 탄소나노튜브의 직경은 1~200nm 정도이고, 부도체 박막(30)은 50~500nm의 폭으로 형성된다.
이와 같이 구성된 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터는 소스 전극(40)에서 전자가 공급되어 게이트 전극(20)에 인가되는 전압에 따라 전류가 미세하게 제어되어 드레인 전극(50)으로 전류가 방출되어지는 특성을 지닌다. 단위소자 크기가 나노미터급이므로 작은 부하로 전류 제어가 가능하므로 저전력특성의 장점을 지닌다.
이와 같은 구성을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터는도 3a 내지 도 3f에 도시된 바와 같은 방법으로 제작된다. 도시된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터의 제조 방법을 공정 단계별로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(200) 상에 소스 전극(40)들을 형성한다.
다음에, 도 3b에 도시된 바와 같이, Al2O3또는 Si 등의 부도체로 절연층(10)을 형성하고, 소스 전극(40)에 대응하는 영역에 구멍(10')들을 형성한다.
다음에, 도 3c에 도시된 바와 같이, 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 압축법으로 구멍(10') 내의 소스(40) 상에 탄소나노튜브(100)를 수직으로 성장시킨다. 즉, 구멍을 뚫어 탄소나노튜브를 성장시키면 구멍(10') 내에만 선택적으로 탄소나노튜브(100)가 증착된다. 이 구멍(10')들은 나노미터 크기의 구멍이 배열된 절연층(10)에 배열되도록 형성한다.
다음에, 도 3d에 도시된 바와 같이, 배열된 탄소나노튜브(100)의 둘레에 게이트 전극(20)을 형성시킨다.
다음에, 도 3e에 도시된 바와 같이, 구멍(10')이 메워지도록 게이트 전극(20) 상에 부도체 박막(30)을 증착시킨다.
다음에, 도 3f에 도시된 바와 같이, 부도체 박막(30)과 탄소나노튜브(100) 상부에 드레인 전극(50)을 형성한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터는 알루미나와 같은 절연막에 직경 수nm의 구멍을 수 nm 간격으로 형성하여 탄소나노튜브를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법으로 나노 크기의 구멍 속에서 수직으로 배열시켜 채널로 이용하고, 반도체 제조 방법을 이용하여 탄소나노튜브의 둘레에 게이트 전극을 형성하고 탄소나노튜브의 위아래에 각각 소스와 드레인 전극을 형성함으로써 전기적으로 스위칭 특성을 갖는 나노 크기의 수직 트랜지스터를 제작한다.
따라서, 탄소나노튜브의 고유한 특성을 이용하여 기존의 반도체 기술의 한계를 극복할 수 있는 테라비트(Terabit) 급의 수직 구조 트랜지스터(transistor)를 구성할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브를 양자점으로 이용하여 전자를 제한하는 구조로, 전자 몇 개로 트랜지스터를 구현할 수 있어 저전력 구동으로 여러 가지 장점을 지니고 있다.

Claims (6)

  1. 나노 미터 직경의 구멍들이 배열된 절연층;
    상기 구멍들 속에 수직으로 형성된 탄소나노튜브들;
    상기 탄소나노튜브들 둘레의 상기 절연층 상에 형성된 게이트 전극들;
    상기 구멍들이 메워지도록 절연층 게이트 전극들 상에 증착된 부도체 박막;
    상기 부도체 박막 및 탄소나노튜브들 상부에 형성된 드레인 전극들; 및
    상기 절연층 및 탄소나노튜브 하부에 형성된 소스 전극들;을
    구비한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 Al2O3또는 Si로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소스 전극 및 드레인 전극은 금속막으로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터.
  4. (가) 반도체 기판 상에 소스 전극들을 형성하는 단계;
    (나) 부도체로 절연층을 형성하고, 상기 소스 전극에 대응하는 영역에 나노미터 직경의 구멍들을 나노미터 간격으로 형성하는 단계;
    (다) 상기 구멍들 내의 소스 전극들 상에 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키는 단계;
    (라) 상기 탄소나노튜브들의 둘레에 게이트 전극들을 형성하는 단계;
    (마) 상기 구멍들이 메워지도록 상기 게이트 전극들 상에 부도체 박막을 증착시키는 단계; 및
    (바) 상기 부도체 박막과 탄소나노튜브들 상부에 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 부도체는 Al2O3또는 Si 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (다) 단계는 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 압축법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 수직 트랜지스터의 제조 방법.
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