KR100416492B1 - 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브를 갖는 삼극구조의 전자소자에 대한 제조 방법에 관한 것으로, 실리콘 웨이퍼 상에 산화막, 다결정 실리콘막 및 실리콘 산화막을 순차적으로 형성하고, 에칭하여 트렌치(trench)를 형성하고, 상기 트렌치의 측면에 실리콘 산화막으로 측벽을 형성하고, 트렌치의 바닥면을 제외한 부분에 알루미늄막을 형성한 다음, 탄소 나노튜브 성장의 촉매로 작용할 금속을 증착한 후, 상기 알루미늄막이 있는 곳에 증착된 금속 촉매층은 제거하여 트렌치 바닥면에만 상기 금속 촉매층을 잔류시킨 상태에서 금속촉매층 상에 수직으로 배향된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법{Method for manufacturing electronic device with triod-type carbon nanotube field emitter arrays}

본 발명은 탄소 나노튜브를 갖는 삼극구조의 전자소자에 대한 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반도체 제조공정 기술과 리프트-오프법(lift-off) 및 레이저 용발 기술을 이용하여 전자소자에 이용되는 균일하고 수직하게 배향된 탄소 나노튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다.

무선 통신에 있어서, 기지국의 RF블록은 송수신기, 고출력 전력증폭기 및 전력 합성기 등으로 구성되어진다. 최근, 이 고출력 전력증폭기에 이용되는 증폭소자에 있어서 내구성과 전계방출 특성이 뛰어난 탄소 나노튜브에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 탄소 나노튜브를 가진 전자소자는 마이크로웨이브 전력소자 외에도 전자총 등에 이용된다.

종래에는 불활성 기체분위기에서 양극과 음극에 흑연봉을 사용하는 아크방전법을 이용한 고온의 플러즈마 형성에 의하여 다중막 탄소 나노튜브를 성장하는 기술(참고자료:Nature, 358, 220, 1992), 및 온도조절에 의하여 생성시료의 열처리제어가 용이한 기술 및 레이저 증기화법을 이용하는 단일막 탄소 나노튜브의 성장에 관한 연구(참고자료:Chem.Phys.Lett., 243, 49, 1995)가 계속되어 왔으며, 최근에는 PE-HF-CVD법을 이용하여 배열된 탄소 나노튜브를 제조하였고(참고자료:Science, 282, 110, 1998), 전이금속이 입혀진 실리콘 웨이퍼 위에 열적 CVD법을 이용하여 탄소 나노튜브를 제조하는 방법(참고자료:Appl. Phys. Lett., 75, 1721, 1999)이 알려져 있다.

실리콘 웨이퍼 상에 증착되는 금속촉매는 입자의 크기가 매우 작은 나노 입자일 것을 요구하고 있으나, 종래의 금속촉매 증착 방법을 이용한 탄소 나노튜브의 제조방법은 금속촉매의 금속입자 크기가 매우 크기 때문에 나노 입자를 생성하기 위하여 여러 가지 표면처리 기술을 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 금속촉매의 금속입자의 크기를 매우 작게 하여 많은 탄소 나노튜브의 핵생성의 장소를 제공함으로써, 트렌치의 내부에서 전계의 방출특성이 뛰어난 탄소 나노튜브를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1(a) 내지 1(k)는 본 발명에 따른 트렌치의 형성 공정을 연속적으로 나타내는 단면도;

도 2(a) 및 2(b)는 본 발명에 따른 레이저 용발 기술을 이용하여 트렌치의 바닥면에 금속촉매를 형성하는 공정을 나타내는 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 트렌치 내부에 선택적으로 수직 배향된 탄소 나노튜브가 성장된 것을 나타내는 단면도; 및

도 4는 본 발명에 의하여 완성된 탄소 나노튜브를 가진 3극 구조의 전자소자의 단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 4:실리콘 산화막

2:p형 실리콘 웨이퍼

3:다결정 실리콘막

5:감광액

6:측벽

7:알루미늄막

8:금속촉매층

9:탄소 나노튜브

본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 갖는 전자소자의 제조방법은, 기판상에 제1절연막을 형성하는 단계, 상기 제1절연막이 형성된 기판상에 게이트전극막을 형성하는 단계, 상기 게이트전극막이 형성된 기판상에 제2절연막을 형성하는 단계, 상기 제2절연막이 형성된 기판 상에 감광막 패턴을 형성하는 단계, 상기 감광막 패턴을 보호막으로 사용하여 감광막 패턴이 형성되지 않은 부분을 에칭하여 트렌치(trench)를 형성하는 단계, 상기 감광막 패턴을 제거하여 상기 제2절연막을 보호막으로 사용하여 상기 패턴 형태로 에칭하여 트렌치를 더욱 깊게 형성하는 단계, 상기 트렌치의 측면에 제3 절연막으로 측벽을 형성하는 단계, 트렌치의 바닥면을 제외한 부분에 알루미늄막을 형성하는 단계, 알루미늄막을 형성한 다음 탄소 나노튜브 성장의 촉매로 작용할 금속을 증착하는 단계, 상기 알루미늄막이 있는 곳에 증착된 금속 촉매층은 제거하여 트렌치 바닥면에만 상기 금속 촉매층을 잔류시키는 단계 및 상기 잔류 금속촉매층 상에 수직으로 배향된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계를 포함한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1(a) 내지 도 1(k)는 본 발명에 의하여 실리콘 웨이퍼 상에 트렌치를 형성하는 공정을 연속적으로 나타낸 것이다. 먼저, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이, p형 실리콘 웨이퍼(2) 위에 1000℃정도에서 H₂/O₂가스를 사용하여 열적 산화방법으로 제1절연막(1)을 6500Å 두께로 형성한다. 그 후, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 게이트전극을 구현하기 위하여 저압의 화학기상증착법(CVD)으로 다결정 실리콘막(3)을 3000Å정도의 두께로 형성한다. 그 후, 도 1(c)에 나타낸 바와 같이, 900℃정도에서 상기 다결정 실리콘막에 POCl₃를 도핑하여 다결정 실리콘막(3)의 저항을 줄인다. 그 후, 도 1(d)에 나타낸 바와 같이, 다시 저압 화학기상증착법으로 제2절연막(4)을 다결정 실리콘막(3) 위에 1㎛정도의 두께로 형성한다. 그 후, 도 1(e)에 나타낸 바와 같이, 이 제2절연막(4) 위에 스핀 코터(spin coter)로 감광액(photoresist;5)을 1㎛ 두께로 코팅한다. 이를 88℃에서 20분간 소프트 베이킹(soft baking)을 하고 UV에 노출시키고, 현상한 후 컨벡션 베이킹(convection baking)을 하여 패턴을 형성한다. 그 후, 도 1(f)에 나타낸 바와 같이, 상기 감광막 패턴을 보호막으로 사용하여 감광막(5)의 바로 아래에 있는 1㎛ 두께의 실리콘 산화막(4)을 패턴 모양으로 건식 에칭한다. 그 후, 도 1(g)에 나타낸 바와 같이, 그 밑에 있는 3000Å 두께의 다결정 실리콘막(3)을 건식 에칭하여 패턴 모양으로 트렌치를 만든다. 그 후, 도 1(h)에 나타낸 바와 같이, p형 실리콘 웨이퍼(2) 바로 위에 있는 6500Å 두께의 실리콘 산화막(1)을 건식에칭하여 위의 패턴 모양에 대응하는 더 깊은 골의 트렌치를 형성한다. 그 후, 감광막 패턴을 아세톤, 메탄올, 순수(純水)에 순차적으로 침적하여 제거한다. 도 1(i)에 나타낸 바와 같이, 다시, 제일 위에 있는 실리콘 산화막(4)을 보호막으로 사용하여 p형 실리콘 웨이퍼(2)를 건식 에칭함으로써 최상층의 표면으로부터 전체 깊이가 10㎛인 트렌치를 형성한다. 그 후, 도 1(j)에 나타낸 바와 같이, 게이트전극과 나중에 형성되는 탄소 나노튜브의 접촉을 방지하기 위하여 이 트렌치의 안쪽 측면에 실리콘 산화막으로 측벽(6)을 형성한다. 마지막으로, 도 1(k)에 나타낸 바와 같이, 이러한 트렌치가 형성된 실리콘 웨이퍼에 리프트-오프법에 의해 철 금속패턴을 형성하기 위하여 전자빔을 이용하여 알루미늄막(7)을 증착한다. 이 때, p형 실리콘 웨이퍼를 알루미늄 타겟과 경사지게 하여 트렌치 바닥에는 알루미늄막이 형성되지 않게 한다. 상기 트렌치 구조에서 실리콘 산화막 대신에 실리콘 질화막이 사용되어도 좋다. 한편, 게이트전극은 다결정 실리콘 이외에 크롬이나 텅스텐티탄늄(TiW) 등이 사용될 수 있고, 웨이퍼는 실리콘, 다공성 실리콘, 석영, 소다-라임(soda-lime)유리 등이 사용될 수 있다.

다음, 트렌치의 바닥면에 금속촉매층(8)을 후술하는 바와 같이 형성한다.

도 2(a) 및 도 2(b)는 레이저 용발기술(pulsed laser ablation deposition)을 이용하여 트렌치의 바닥면에 금속촉매층(8)을 형성하는 과정을 나타낸 단면도이다.

먼저, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 트렌치가 형성된 실리콘 웨이퍼(2)의 전면에 레이저 용발기술을 이용하여 금속촉매를 증착시켜 금속촉매층(8)을 형성한다. 여기서, 금속촉매층(8)은 Fe, Co, Ni 등의 전이원소가 사용될 수 있다. 이와 같이 레이저 용발기술에 의하여 금속촉매를 증착시키기 때문에, 금속촉매의 입자 크기가 매우 작아 탄화수소가스에 대한 반응성이 양호할 뿐만 아니라 보다 많은 나노튜브의 핵생성 위치를 제공한다. 또한, 레이저에 의하여 발생된 금속 입자들의 에너지는 매우 크기 때문에, 금속촉매들이 실리콘 웨이퍼(2) 상에 강하게 증착된다. 그 후에, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 금속촉매가 증착된 p형 실리콘 웨이퍼(2)를 수산화칼륨(KOH), 메탄올, 순수(純水)에 순차적으로 침적하면 알루미늄막(7)이 제거되어 트렌치의 바닥면에만 금속촉매층(8)이 형성된다.

다음, 트렌치의 내부에 선택적으로 수직 배향된 탄소 나노튜브를 후술하는 바와 같이 성장시킨다.

트렌치의 내부에 탄소 나노튜브를 성장시키기 위하여, 석영 보트(boat)를 이용하여 상기 금속촉매층(8)이 트렌치의 바닥에 증착된 웨이퍼(2)를 고온의 노(爐) 안으로 주입시킨 후 반응온도에 이를 때까지 불활성 가스를 그 안으로 흘려보낸다. 이 때, 금속촉매는 매우 불안정한 상태에 있기 때문에 대기중의 산소와 산화반응을일으켜 불필요한 산화물이 형성되는 문제가 발생될 수 있으므로 이를 방지할 필요가 있다. 반응온도인 600 내지 900℃에 도달하면, 금속촉매층(8)의 환원반응을 돕기 위하여 암모니아 가스를 고온의 노 안으로 주입하여 트렌치 구조물의 금속촉매층(8)을 표면 처리한다. 즉, 이와 같이, 나노 튜브를 형성하기 이전에 금속촉매층(8)을 암모니아 가스에 의하여 환원반응 과정을 거치도록 하기 때문에, 후속의 나노 튜브를 생성하는 탄소가스에 대한 반응성이 향상된다.

그 후, 탄화수소 가스를 20 내지 50sscm으로 노 안에 주입시킴으로써, 탄화수소 가스의 열분해에 의하여 트렌치의 내부에서 금속촉매층(8) 상에 선택적으로 수직 배향된 탄소 나노튜브(9)를 성장시킨다. 도 3은 트렌치 내부에 선택적으로 수직 배향된 탄소 나노튜브(9)가 성장된 것을 나타낸다. 이 때, 탄화수소 가스와의 반응시간에 따라 수직 배향된 탄소 나노튜브(9)의 높이를 조절할 수 있다. 도 4는 본 발명에 의하여 완성된 탄소 나노튜브를 가진 3극 구조의 전자소자의 단면도이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체의 제조공정, 리프트-오프법 및 레이저 용발 기술에 의한 증착법 등을 이용하여 트렌치 내부에 선택적으로 성장되고, 우수한 전계 방출 특성을 갖는 수직 배향된 탄소 나노튜브를 제공할 수 있다. 특히, 레이저 용발 기술에 의하여 금속촉매를 증착시키므로 금속촉매의 입자 크기가 매우 작아 탄소가스에 대한 금속촉매층의 반응성이 매우 양호할 뿐만 아니라, 많은 나노튜브의 핵생성의 장소를 제공할 수 있다. 또한, 레이저에 의하여 발생된 금속입자들의 에너지가 매우 크기 때문에, 금속촉매들이 실리콘 웨이퍼에 강하게 증착되며, 금속촉매들은 탄소 나노튜브의 위 끝쪽에 위치하지 않고 실리콘 웨이퍼의 바닥쪽에 위치하므로 트렌치 내부에서 전계 방출의 특성이 매우 우수한 탄소 나노튜브를 가진 전자소자를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 기판 위에 제1절연막을 형성한 후, 상기 제1절연막 위에 게이트전극을 형성하는 단계;

   상기 게이트 전극 위에 제2절연막을 형성하고, 상기 제2절연막 위에 감광막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 감광막 패턴을 보호막으로 하여 상기 감광막이 형성되지 않은 부분을 에칭함으로써 트렌치(trench)를 형성하는 단계;

   상기 감광막 패턴을 제거하고, 제1절연막을 보호막으로 하여 상기 패턴 형태로 에칭함으로써 상기 트렌치를 더욱 깊게 형성하는 단계;

   상기 게이트전극과 탄소 나노튜브 사이의 접촉을 방지하기 위하여, 상기 트렌치의 측면에 제3 절연막으로 측벽을 형성하는 단계;

   상기 트렌치의 바닥면을 제외한 부분에 전체적으로 알루미늄막을 형성하는 단계;

   상기 알루미늄막이 형성되지 않은 상기 트렌치의 바닥면 상에 레이저 용발기술(pulsed laser ablation deposition), 또는 RF스퍼터법에 의하여 금속촉매층을 형성하는 단계;

   상기 알루미늄막을 제거하는 단계; 및

   상기 금속촉매층 상에 수직하게 배향된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계를 순차적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 게이트전극은 다결정 실리콘, 크롬, 및 텅스텐티탄늄(TiW) 등으로부터 선택된 어느 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 다공성 실리콘, 석영, 또는 소다-라임(soda-lime)유리 등으로부터 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1, 2 및 3 절연막은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 금속촉매층을 형성하는 단계는 상기 기판을 경사지게 하여 리프트-오프법을 이용함으로써, 상기 알루미늄막을 상기 트렌치의 바닥면을 제외한 다른 부분에만 증착시켜 상기 금속촉매층을 상기 트렌치의 바닥면 상에만 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 금속촉매층은 코발트, 철, 및 니켈 등으로 이루어진 금속군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브를 성장시키는 단계는 600 내지 1000℃의 온도 범위 내에서 상기 금속촉매층이 형성된 상기 기판을 탄화수소 기체의 분위기에 노출시켜 상기 탄화수소 기체를 열분해함으로써 상기 탄소 나노튜브를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 금속촉매층을 트렌치의 내부에 형성시키는 단계 이후에 상기 금속촉매층이 형성된 상기 기판을 암모니아 기체 분위기에 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 기판을 암모니아 기체나 수소 기체 분위기에 노출시키는 단계는 600 내지 1000℃의 온도 범위 내에서 행해지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.
10. 기판상에 제1절연막, 게이트전극 및 제2절연막이 순차적으로 형성된 상태에서 제2절연막의 표면으로부터 기판의 표면보다 약간 아래까지 에칭되어 형성된 트렌치, 상기 트렌치의 측면에 형성된 알루미늄막, 상기 트렌치의 바닥면 상에 형성된 금속촉매층, 및 상기 금속촉매층 상에 형성된 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법에 있어서,

    상기 금속촉매층은 레이저 용발기술 또는 스퍼터법에 의하여 형성되며, 상기 금속촉매층이 형성된 상기 기판을 암모니아 기체 분위기에 노출시키는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 가진 삼극 구조의 전자소자에 대한 제조방법.