KR100718112B1 - 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
탄소나노튜브를 이용한 수직배선구조 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 수직배선구조는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 수직배선구조는, 기판 상에 형성된 복수의 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성된 촉매층; 상기 기판 상에서 상기 하부전극을 덮되, 상기 촉매층의 영역에 제1홀이 형성된 불활성 촉매층; 상기 불활성 촉매층 상에 형성되며, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 형성된 절연층; 상기 제1홀에 노출된 상기 촉매층에서 성장된 탄소나노튜브; 및 상기 절연층 상에서 상기 탄소나노튜브와 전기적으로 연결되게 형성된 상부전극;을 구비한다. 상기 불활성 촉매층은, 상기 하부전극을 덮되 상기 제1홀을 제외한 영역의 촉매층과 상기 촉매층을 덮되 상기 제2홀을 가진 패시베이션층이 열적 반응하여 형성된다.
Description
도 1은 탄소나노튜브를 하부전극 및 상부전극 사이의 수직 배선으로 사용시, 촉매층 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 과정에서 탄소가 측면으로 확산된 것을 보여주는 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조를 보여주는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제조방법에 따라서, 절연층 사이의 비아홀에서 촉매층으로부터 탄소나노튜브가 수직으로 성장되는 것을 보여주는 SEM 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 기판 112: 절연층
120: 하부전극 130: 촉매층
140: 패시베이션층 150: 절연층
154: 비아홀 160: 탄소나노튜브
170: 상부전극 180: 불활성 촉매층
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotubes)는 보통 수 nm 정도의 매우 미세한 직경과 약 10 내지 약 1,000 정도의 매우 큰 종횡비를 갖는 원통형 재료이다. 이러한 탄소나노튜브에 있어서, 탄소원자들은 육각형 벌집구조로 배열되어 있으며 각각의 탄소원자는 인접하는 3개의 탄소원자와 결합하고 있다. 탄소나노튜브는 그 구조에 따라서, 도체의 성질 또는 반도체의 성질을 가질 수 있다. 도체의 성질을 띠는 탄소나노튜브의 전기전도도는 매우 우수한 것으로 알려져 있다.
또한, 탄소나노튜브는 매우 강한 기계적 강도, 테라 단위의 영률(Young's modulus) 및 우수한 열전도도 등의 특성을 갖는다. 이러한 우수한 특성을 갖는 탄소나노튜브는 전계방출소자(FED; Field Emission Device), 액정 표시소자(LCD; Liquid Crystal Display)용 백라이트(backlight) 장치, 나노전자 소자(nanoelectronic device) 등과 같은 다양한 기술분야에 사용되고 있다.
한편, 탄소나노튜브의 도전성을 이용하여 탄소나노튜브를 수직 배선으로 사용시, 고집적 회로의 구현이 가능하게 된다.
그러나 탄소나노튜브를 하부전극 및 상부전극 사이의 수직 배선으로 사용시, 촉매층 상에 탄소나노튜브를 성장시키는 과정에서 탄소가 측면으로 확산되면서(도 1 참조) 상부전극 및 하부전극 사이에 형성된 절연층을 리프팅(lifting)하여 소자의 불량을 초래할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 한정된 영역에 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층이 형성된 수직 배선구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 수직배선구조는, 기판;
상기 기판 상에 형성된 복수의 하부전극;
상기 하부전극 상에 형성된 촉매층;
상기 기판 상에서 상기 하부전극을 덮되, 상기 촉매층의 영역에 제1홀이 형성된 불활성 촉매층;
상기 불활성 촉매층 상에 형성되며, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 형성된 절연층;
상기 제1홀에 노출된 상기 촉매층에서 성장된 탄소나노튜브; 및
상기 절연층 상에서 상기 탄소나노튜브와 전기적으로 연결되게 형성된 상부전극;을 구비하며,
상기 불활성 촉매층은, 상기 하부전극을 덮되 상기 제1홀을 제외한 영역의 촉매층과 상기 촉매층을 덮되 상기 제2홀을 가진 패시베이션층이 열적 반응하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 촉매층은 Fe, Ni, Co, Y, Mo, Pd, Pt 로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어진다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 패시베이션층은 Si 이며, 상기 불활성 촉매층은 메탈 실리사이드이다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 패시베이션층은 W, Al, In, Zn, Pb 로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어져 있으며,
상기 하부전극, 상기 촉매층, 및 상기 패시베이션층의 스택은 상기 절연층에 의해 절연된 아일랜드이다.
상기 촉매층은 1~100 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 패시베이션층은 상기 촉매층과 실질적으로 동일한 두께로 형성되며, 상기 불활성 촉매층은 대략 상기 촉매층의 두배의 두께로 형성된다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 패시베이션층은 산소, 질소, 불소, 염소로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나를 상기 촉매층과 반응시켜서 산화물, 불화물, 염화물, 질화물 중 어느 하나의 불활성 촉매층을 형성한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 수직배선구조의 제조방법은: 기판 상에 하부전극을 형성하는 제1단계;
상기 기판 상에 상기 하부전극을 덮는 촉매층 및 패시베이션층을 순차적으로 적층하는 제2단계;
상기 하부전극 상에 상기 촉매층 및 패시베이션층으로 이루어진 스택을 아일랜드로 형성하는 제3단계;
상기 기판 상에 상기 아일랜드를 덮는 절연층을 형성하는 제4단계;
상기 하부전극 영역에서 상기 절연층 및 상기 패시베이션층을 식각하여 상기 촉매층을 노출시키는 비아홀을 형성하는 제5단계;
상기 기판을 가열하여 상기 비아홀에 의해 노출되지 않은 영역에서 상기 패시베이션층과 상기 촉매층을 열반응시켜 불활성 촉매층을 형성하는 제6단계;
상기 비아홀에 노출된 촉매층으로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 제7단계;
상기 비아홀 상에 상부전극을 패터닝하는 제8단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 제7단계는, 상기 절연층과 상기 탄소나노튜브를 평탄화하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서는 설명의 명료성을 위하여 각 구성요소의 크기가 과장되어 도시되어 있을 수 있다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 실리콘 기판(110) 상에 절연층(112), 예컨대 실리콘 옥사이드(SiO2)층이 2000 Å 두께로 형성되어 있다. 절연층(112) 상에는 하부전극(120)이 패터닝되어 있다. 하부전극(120)은 도트 형상으로 패터닝될 수 있다. 상기 하부전극(120)의 중앙부에는 촉매층(130)이 형성되어 있다. 상기 촉매층(130)은 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt)으로 대략 1~100 nm 두께로 형성되어 있다. 상기 촉매층(130)은 카본나노튜브용 촉매층이다.
상기 하부전극(120) 상에는 상기 촉매층(130)을 포위하는 불활성 촉매층(180)이 형성되어 있다. 상기 불활성 촉매층(180)은 상기 촉매층(130)에 해당되는 제1홀(182)을 가진다. 상기 불활성 촉매층(180)은 상기 하부전극(120)을 덮되 상기 제1홀(182)을 제외한 영역의 촉매층과, 상기 촉매층을 덮되 상기 제1홀을 가진 패시베이션층(미도시)이 열적 반응하여 형성된다. 이러한 촉매층과 패시베이션층의 열적 반응으로 형성되는 불활성 촉매층(180)은 후술하는 제조방법의 설명에서 명확해진다.
상기 기판(110) 상에는 상기 불활성 촉매층(180)을 덮으며, 상기 제1홀(182)과 연통된 제2홀(152)을 가진 절연층(150), 예컨대 SiO2층이 형성되어 있다. 상기 제1홀(182)과 제2홀(152)은 비아홀을 형성한다. 상기 비아홀 내에는 상기 촉매층(130)으로부터 성장된 탄소나노튜브(160)가 형성된다. 상기 절연층(150) 상에는 상기 탄소나노튜브(160)와 전기적으로 연결된 상부전극(170)이 패터닝되어 있다. 상기 탄소나노튜브(160)는 상기 하부전극(120) 및 상부전극(170) 사이의 전기적 수직 배선이 된다.
상기 패시베이션층(140)은 대략 상기 촉매층(130)과 실질적으로 동일한 두께로 형성되며, 상기 불활성 촉매층(180)은 대략 상기 촉매층(130)의 두배의 두께로 형성된다. 상기 패시베이션층은 상기 촉매층과 고온, 예컨대 450 ℃ 이상에서 반응하여 불활성 촉매층(180)을 형성한다. 상기 불활성 촉매층(180)은 상기 탄소나노튜브(160)의 성장 과정에서 상기 탄소나노튜브(160)가 상기 절연층(150)의 하부로 생성되는 것을 방지한다.
상기 패시베이션층(140)은 실리콘(Si)일 수 있으며, 이때, 상기 불활성 촉매층(180)은 메탈 실리사이드(metal silicide)가 된다.
상기 패시베이션층(140)은 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 인듐(In), 아연(Zn), 납(Pb) 으로 이루어진 금속층일 수 있으며, 상기 하부전극(120), 상기 촉매층(130), 상기 패시베이션 층은 상기 제2절연층(150)에 의해 절연된 아일랜드인 것이 바람직하다.
한편, 상기 패시베이션층(140)은 산소, 질소, 불소, 염소로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나를 상기 촉매층(130)과 반응시켜서 상기 촉매층(130)을 산화물, 불화물, 염화물, 질화물 중 어느 하나로 형성하는 물질일 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소나노튜브(160)를 이용한 수직 배선구조를 제조하는 방법을 단계별로 설명하는 단면도이며, 상기 제1실시예에서의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에은 동일한 도면부호를 사용한다.
도 3a를 참조하면, 실리콘 기판(110) 상에 절연층(112), 예컨대 SiO2층을 2000 Å 두께로 형성한다. 절연층(112) 상에는 도전층(미도시)을 증착한 후, 도전층을 패터닝하여 하부전극(120)을 형성한다. 하부전극(120)은 도트 형상으로 패터닝될 수 있다. 이어서, 상기 절연층(112) 상에 상기 하부전극(120)을 덮는 촉매층(130)을 증착한다. 상기 촉매층(130)은 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 이트륨(Y), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 백금(Pt)으로 대략 1~100 nm 두께로 증착한다. 상기 촉매층(130)은 카본나노튜브용 촉매층이다.
이어서, 상기 절연층(112) 상에 상기 촉매층(130)을 덮는 패시베이션층(140)을 형성한다.
도 3b를 참조하면, 상기 패시베이션층(140) 및 상기 촉매층(130)을 패터닝하여 상기 하부전극(120), 촉매층(130), 및 패시베이션층(140)의 스택(S)을 형성하며, 이 스택(S)은 아일랜드 타입이 되게 한다. 이와같이 아일랜드를 형성하는 것은 촉매층(130) 또는 패시베이션층(140)에 의해서 하부전극들(120)이 통전되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 3c를 참조하면, 절연층(112) 상에 상기 아일랜드를 덮는 절연층(150), 예컨대 실리콘 옥사이드(SiO2)층을 형성한다.
도 3d를 참조하면, 하부전극(120) 상에 절연층(150) 및 패시베이션층(140)을 식각하여 비아홀(154)을 형성한다.
도 3e를 참조하면, 상기 기판(110)을 열적 공정을 거쳐서 상기 패시베이션층(140)과 상기 촉매층(130)과 접촉된 촉매층(130)을 반응시켜서 불활성 촉매층(180)을 형성한다.
상기 패시베이션층(140)은 실리콘(Si) 일 수 있으며, 이때, 상기 불활성 촉매층(180)은 메탈 실리사이드가 된다. 여기서 상기 촉매층(130)이 철(Fe)인 경우, 상기 기판(110)을 450 ℃에서 1시간 반응시켜서 상기 불활성 촉매층(180)을 형성할 수 있아. 이러한 가열조건은 촉매층(130) 및 패시베이션층(140)의 물질과 그 두께에 따라서 달라질 수 있다.
상기 패시베이션층(140)은 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 인듐(In), 아연(Zn), 납(Pb) 으로 이루어진 금속층일 수 있다.
한편, 상기 패시베이션층(140)은 산소, 질소, 불소, 염소로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나를 상기 촉매층(130)과 반응시켜서 상기 촉매층(130)을 산화물, 불화물, 염화물, 질화물 중 어느 하나로 형성하는 물질일 수 있다.
이어서, 상기 기판(110)이 안치된 챔버에 탄소를 함유하는 개스를 불어넣어서 상기 비아홀(154)에 노출된 촉매층(130)으로부터 탄소나노튜브(160)를 성장시킨다. 이때의 탄소나노튜브(160)는 상기 비아홀(154)의 높이 이상으로 성장시킨 후, 상기 절연층(150)을 CMP 공정으로 평탄화하면서 비아홀(154) 이상으로 성장된 탄소나노튜브(160)의 높이를 절연층(150)과 같게 할 수 있다.
도 3f를 참조하면, 상기 절연층(150) 상에 도전층(미도시)을 증착한 다음, 상기 도전층을 상기 비아홀(154)을 덮는 상부전극(170)으로 패터닝한다.
도 4는 본 발명의 탄소나노튜브(160)를 이용한 수직 배선구조의 제조방법에 따라서, 절연층(150) 사이의 비아홀(154)에서 촉매층(130)으로부터 탄소나노튜브(160)가 수직으로 성장되는 것을 보여주는 SEM 사진이다. 본 발명에 따르면, 비아홀(154)로 노출되지 않은 촉매층은 비활성 촉매층이 되며, 따라서 탄소가 절연층 (112)의 하부로 성장되지 않는다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수직배선구조는 탄소나노튜브의 우수한 전류수송능력을 이용하므로 전자 특성이 양호해진다. 또한, 패터닝 기술에 의해 수직 배선을 형성하므로 고집적 회로의 구현에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수직배선구조의 제조방법에 따르면, 비아홀에 촉매층을 자동정렬시킬 수 있으며, 비활성 촉매층을 촉매층의 주위에 형성함으로써 비아홀 이외의 영역으로 탄소가 성장되는 것을 방지함으로써 소자의 회수율을 향상시킨다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
Claims (16)
- 기판;상기 기판 상에 형성된 복수의 하부전극;상기 하부전극 상에 형성된 촉매층;상기 기판 상에서 상기 하부전극을 덮되, 상기 촉매층의 영역에 제1홀이 형성된 불활성 촉매층;상기 불활성 촉매층 상에 형성되며, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 형성된 절연층;상기 제1홀에 노출된 상기 촉매층에서 성장된 탄소나노튜브;상기 절연층 상에서 상기 탄소나노튜브와 전기적으로 연결되게 형성된 상부전극;을 구비하며,상기 불활성 촉매층은, 상기 하부전극을 덮되 상기 제1홀을 제외한 영역의 촉매층과 상기 촉매층을 덮되 상기 제1홀과 대응되는 홀을 가진 패시베이션층이 열적 반응하여 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 제 1 항에 있어서,상기 촉매층은 Fe, Ni, Co, Y, Mo, Pd, Pt 로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 제 2 항에 있어서,상기 패시베이션층은 Si 이며, 상기 불활성 촉매층은 메탈 실리사이드인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 제 2 항에 있어서,상기 패시베이션층은 W, Al, In, Zn, Pb 로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어져 있으며,상기 하부전극, 상기 촉매층, 및 상기 패시베이션층의 스택은 상기 절연층에 의해 절연된 아일랜드인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 제 1 항에 있어서,상기 촉매층은 1~100 nm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 제 5 항에 있어서,상기 패시베이션층은 상기 촉매층과 실질적으로 동일한 두께로 형성되며, 상기 불활성 촉매층은 대략 상기 촉매층의 두배의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 제 2 항에 있어서,상기 패시베이션층은 산소, 질소, 불소, 염소로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나를 상기 촉매층과 반응시켜서 산화물, 불화물, 염화물, 질화물 중 어느 하나의 불활성 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 제 7 항에 있어서,상기 하부전극, 상기 촉매층, 및 상기 패시베이션층의 스택은 상기 절연층에 의해 절연된 아일랜드인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조.
- 기판 상에 하부전극을 형성하는 제1단계;상기 기판 상에 상기 하부전극을 덮는 촉매층 및 패시베이션층을 순차적으로 적층하는 제2단계;상기 하부전극 상에 상기 촉매층 및 패시베이션층으로 이루어진 스택을 아일랜드로 형성하는 제3단계;상기 기판 상에 상기 아일랜드를 덮는 절연층을 형성하는 제4단계;상기 하부전극 영역에서 상기 절연층 및 상기 패시베이션층을 식각하여 상기 촉매층을 노출시키는 비아홀을 형성하는 제5단계;상기 기판을 가열하여 상기 비아홀에 의해 노출되지 않은 영역에서 상기 패 시베이션층과 상기 촉매층을 열반응시켜 불활성 촉매층을 형성하는 제6단계;상기 비아홀에 노출된 촉매층으로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 제7단계;상기 비아홀 상에 상부전극을 패터닝하는 제8단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 촉매층을 형성하는 단계는, Fe, Ni, Co, Y, Mo, Pd, Pt 로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 금속을 상기 기판 상에 증착하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 패시베이션층을 형성하는 단계는, 실리콘(Si)을 상기 촉매층 상에 형성하는 단계이며,상기 불활성 촉매층은 메탈 실리사이드인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 패시베이션층을 형성하는 단계는, W, Al, In, Zn, Pb 로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 금속을 상기 촉매층 상에 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 촉매층은 1~100 nm 두께로 증착된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 패시베이션층은 상기 촉매층과 실질적으로 동일한 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 패시베이션층은 산소, 질소, 불소, 염소로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나를 포함하는 화합물층이며,상기 제6단계는 상기 패시베이션층을 상기 촉매층과 반응시켜서 산화물, 불화물, 염화물, 질화물 중 어느 하나의 불활성 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 제7단계는, 상기 절연층과 상기 탄소나노튜브를 평탄화하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수직 배선구조의 제조방법.
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