KR100844987B1 - 분자 소자 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
분자 소자 구조물 및 그 제조 방법에서, 기판 상에 하부 전극을 형성한다. 상기 하부 전극 상에 자기조립단분자층을 형성한다. 이어서, 상기 자기조립단분자층 상에 상부 전극을 형성한다. 그리고 상기 자기조립단분자층을 제거하여 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 갭을 형성한다. 그 후, 상기 갭에 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자를 삽입하여 분자 소자 구조물을 완성한다. 따라서 자기조립단분자층의 제거를 통해 기능성 분자가 삽입되는 다수의 균일한 갭들이 형성되기 때문에 분자 소자 구조물의 전기적 신뢰도를 증가시킬 수 있다.
Description
도 1a는 종래의 분자 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 "A" 부분의 확대 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자 구조물을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 자른 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 2 및 3에 도시된 분자 소자 구조물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 분자 소자 구조물을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 5의 II-II' 라인을 따라 자른 단면도이다.
도 7a 내지 7e는 도 5 및 6에 도시된 분자 소자 구조물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 분자 소자 구조물을 설명하기 위한 사시도이다.
도 9는 도 8의 III-III' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 10a 내지 10f는 도 8 및 9에 도시된 분자 구조물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
21, 51, 81 : 기판 22, 52, 82 : 하부 전극
53, 83 : 스페이서 24, 54, 84 : 자기조립단분자층
25, 55, 85 : 상부전극 86 : 절연막
27, 57, 87 : 나노갭 28, 58, 88 : 분자
본 발명은 분자 소자 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자의 전기적 특성을 이용하는 분자 소자 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
무어의 법칙이 발표된 후로 현재까지 마이크로 칩의 집적화 속도는 무어의 법칙에 맞추어 발달되어 왔지만 소형화는 한계에 다다를 수밖에 없다. 트랜지스터가 충분히 작아지면 누수전류가 증가하게 되고, 증가된 저항으로 인해 열 손실이 급격하게 증가하여 소자의 신뢰성을 잃기 때문이다. 따라서 많은 연구자들은 현재의 실리콘 기술을 대체할 수 있는 방안을 모색하게 되었고, 나노 기술의 발전에 힘입어서 기존의 탑-다운(top-down) 방식이 아닌 나노 크기의 분자를 전자 소자에 적용하는 바텀-업(bottom-up) 방식으로 관심을 기울이기 시작하였다. 분자는 제작 가 능한 가장 작은 소자이고 저비용으로 고집적 고속회로 구현이 가능하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 이 분야를 가리켜 분자 전자 공학 (molecular electronics)이라 한다.
이러한 분자 전자 공학이 성공하기 위해서는 나노 기술이 뒷받침이 되어야 한다. 그러나 현재 제작할 수 있는 나노 전극은 electron-beam lithography를 사용한다고 해도 5nm까지가 한계라고 한다. 작은 분자의 경우 그 크기가 1nm 정도이기 때문에 여기에 분자를 접합시키는 것은 힘들다. 또한 재현성 있는 분자 소자를 만들기 위해서는 분자와 전극 사이의 접합이 안정해야 한다. 따라서 분자의 크기 보다 더 큰 전극 사이의 거리를 분자로 연결하기 위해서 많은 시도들이 이루어지고 있다.
하지만 그 동안 만들어진 전극은 그 간격이 일정치 않거나 분자와 전극 사이의 접합에서의 불안정성이 문제가 되고 있다. 그리고 한 번에 얼마나 많은 분자가 동시에 접합 되는지 조차 확인할 수 없는 한계점을 가지고 있다.
이하, 종래의 분자 소자에 대하여 자세히 살펴보기로 한다.
도 1a 내지 도 1b는 종래의 분자 소자의 일예를 설명하기 위한 단면도이다.
종래의 분자 소자는 실리콘 기판(1)의 양면에 형성된 질화막 멤브레인(2)을 한쪽 면을 먼저 식각하여 홀(4)을 형성한 후 반응성 이온 식각(RIE) 공정으로 식각하여 나노홀(5)을 형성한다. 그 다음으로 상기 홀(4) 내에 금을 증착하여 하부 전극(6)을 형성한 후 자기조립단분자막(7)을 형성하고 상기 자기조립단분자막(7) 상에 티타늄(8)과 금(9)을 증착하여 상부 전극(10)을 형성한다.
그러나 상기와 같은 분자 소자는 제조 공정이 복잡하고 경사 식각으로 인해 고집적화가 어렵고 설사 고집적화 한다고 하더라도 수율 및 신뢰성 감소 등의 문제가 있다. 또한, 종래의 구조에서는 분자 층 형성 후에 상부 전극을 증착하기 때문에 분자층이 손상을 입을 가능성도 있다.
따라서, 본 발명에 제1 목적은 분자층의 손상을 최소화하여 전기적 신뢰성이 우수한 분자 소자 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명에 제2 목적은 상기 분자 소자 구조물은 재현성이 우수하며 비교적 간단한 공정으로 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분자 소자 구조물은 기판 상에 형성된 하부 전극, 상기 기판 상에 상기 하부 전극과 갭을 사이에 두고 오버랩되도록 형성되는 상부 전극 및 상기 갭 내부에 삽입되고 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자를 포함한다.
여기서 상기 갭은 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 형성된 자기조립단분자층을 제거함으로서 형성될 수 있다. 상기 하부 전극은 제1 방향으로 연장하고 상기 상부 전극은 상기 제1 방향과 실질적으로 수직하는 제2 방향으로 연장할 수 있다. 상기 하부 전극은 금, 은 또는 백금을 포함할 수 있다.
상기 갭의 폭은 상기 기능성 분자의 크기와 실질적으로 동일하고, 상기 갭에 삽입되는 상기 기능성 분자는 단일층을 이룰 수 있다. 상기 기판은 투명하고 연성 을 갖는 플라스틱을 포함할 수 있다.
상기 분자 소자 구조물은 상기 하부 전극의 측면 및 상기 상부 전극 사이에 형성된 스페이서를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 갭은 상기 하부 전극의 윗면과 상기 상부 전극 사이에 선택적으로 형성된 자기조립단분자층을 제거하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 분자 소자 구조물은 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상면들 상에 형성된 절연막을 더 포함할 수 있다. 상기 절연막의 높이는 상기 갭의 폭보다 실질적으로 작을 수 있다. 그리고 상기 절연막은 상기 갭의 내부에는 형성되지 않을 수 있다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분자 소자 구조물을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법에서 기판 상에 하부 전극을 형성한다. 상기 하부 전극 상에 자기조립단분자층을 형성한다. 이어서, 상기 자기조립단분자층 상에 상부 전극을 형성한다. 그리고 상기 자기조립단분자층을 제거하여 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 갭을 형성한다. 그 후, 상기 갭에 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자를 삽입한다.
상기 기능성 분자를 삽입하기 위하여 모세관 힘을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 기능성 분자들이 녹아있는 용액과 기판의 접촉각을 조절할 수 있다.
이와 다르게 상기 기능성 분자를 삽입하기 위하여 상기 갭의 내표면 및/또는 상기 기능성 분자의 표면을 상호 결합력을 갖도록 개질할 수 있다. 그리고 상기 결합력을 이용하여 상기 기능성 분자를 상기 갭의 내부에 삽입시킬 수 있다. 여기서 갭의 내표면을 개질하기 위하여 상기 기능성 분자와 결합력을 갖는 기능기를 상기 갭의 내표면에 부착시킬 수 있다.
상기 자기조립단분자층을 형성하기 전에 상기 하부 전극의 측면 상에 스페이서를 더 형성할 수 있다. 또한, 상기 갭의 내부에 상기 기능성 분자를 삽입하기 전에 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극의 상면들 상에 절연막을 더 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 절연막은 상기 갭의 내부에는 형성되지 않을 수 있다. 그리고 상기 절연막의 두께는 상기 갭의 폭보다 실질적으로 작을 수 있다.
본 발명에 따르면, 기능성 분자가 삽입되는 갭의 폭은 자기조립단분자층의 높이에 의해서 정해진다. 따라서 자기조립단분자층을 증착할 때 자기조립단분자층의 높이를 조절함으로서 갭의 폭을 비교적 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 증착된 자기조립단분자층을 제거함으로서 균일한 폭을 갖는 다수의 갭들을 동시에 형성할 수 있다.
또한, 갭의 폭을 조절함으로써 갭에 삽입되는 기능성 분자의 개수를 조절할 수 있다. 구체적으로 갭의 폭을 조절함으로서 각각 단일의 기능성 분자를 갖는 셀들을 포함하는 분자 소자 구조물을 형성할 수 있다. 따라서 분자 소자 구조물이 다수의 셀들을 포함하더라도 소자 균일성을 유지시킬 수 있다.
이와 더불어, 분자층은 상부 전극을 형성한 후 형성된다. 따라서 분자층을 형성한 후 상부 전극을 형성하는 기존의 공정에 비하여 분자층의 손실을 최소화시킬 수 있다.
또한, 분자 소자 구조물을 형성할 때 셀들을 분리시기키 위한 별도의 식각 공정이 수행되지 않는다. 따라서, 종래의 분사 조사 구조물에서 분자층을 형성하기 위해 자기조립법이나 랭무어-블로짓(LB)법 등을 사용할 때 각 셀들의 분자들이 연결된 구조이기 때문에 발생하였던 크로스토크(Cross Talk) 현상을 억제할 수 있다.
나아가, 플라스틱 등으로 이루어진 기판을 사용하면 유연한 전자 회로 소자를 제작할 수 있어, 스마트 카드, 고주파 리더기 등에 분자 소자가 더욱 다양하게 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 반도체 장치 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하겠지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 구성 요소들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 구성 요소들이 "제1", "제2"," 제3" 및/또는 "제4"로 언급되는 경우, 이러한 구성 요소들을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 구성 요소들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2", "제3" 및/또는 "제4"는 구성 요소들에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다. 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 "상"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 제1 구성 요소가 제2 구성 요소의 위에 직접 형성되는 경우뿐만 아니라 제1 구성 요소 및 제2 구성 요소 사이에 제3 구성 요소가 개재될 수 있다.
실시예 1
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자 구조물을 설명하기 위한 사시도이다. 도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 자른 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 분자 소자 구조물은 기판(21), 하부 전극(22), 상부 전극(25) 및 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자(28)를 포함한다.
기판(21)은 연성을 갖는 플라스틱을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(21)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalete : PET)를 포함할 수 있다. 이 경우, 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 비교적 저가이기 때문에 기판(21)을 제조하는데 필요한 비용을 절감할 수 있다.
기판(21) 상에 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)이 위치한다. 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)은 금속, 금속 질화물 또는 도프트 폴리 실리콘과 같은 도전성 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)은 금, 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀 질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 구리, 알루미늄 구리, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
여기서 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)은 단일막 구조를 가질 수 있다. 이와 다르게 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)은 적어도 두 개의 도전막들이 적층된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
하부 전극(22)은 기판(21) 상에서 제1 방향으로 연장할 수 있다. 그리고 상부 전극(25)은 하부 전극(22)이 형성된 기판(21) 상에서 상기 제1 방향과 실질적으 로 수직인 제2 방향으로 연장할 수 있다. 여기서 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)의 사이에는 갭(27)이 형성된다.
기능성 분자(28)는 갭(27) 내부에 위치한다. 그러나 도 2에 도시된 바와 같이, 분자(28) 중 일부는 갭(27)의 외부에서 하부 전극(22), 상부 전극(25) 및/또는 기판(21)에 붙어 있을 수도 있다.
기능성 분자(28)는 기판(21) 상에 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)이 형성된 후 하부 전극(22) 및 상부 전극(25) 사이의 갭(27)으로 삽입된다.
기능성 분자(28)가 갭(27)으로 삽입되면, 상부 전극(25)이 하부 전극(22)에 실질적으로 고정되는 효과가 있다. 따라서 구조적 안정성이 증가한다.
그러나 갭(27)에 기능성 분자(28)를 삽입하기 전에도 상부 전극(25) 중 하부 전극(22)과 오버랩되지 않는 부분은 기판(22)에 고정된 상태이다. 따라서 갭(27)에 기능성 분자(28)를 삽입하기 전에도 구조적으로 안정적이다.
갭(27)의 폭이 상대적으로 클수록 갭(27)에 삽입되는 기능성 분자(28)의 개수가 증가한다. 반면에 갭(27)의 폭이 상대적으로 적을수록 갭(27)에 삽입된 기능성 분자(28)의 개수는 감소한다. 즉, 갭(27)의 폭을 조절함으로서 갭(27)에 삽입된 기능성 분자(28)의 개수를 변화시킬 수 있다.
또한, 갭(27)의 폭이 상대적으로 큰 경우 갭(27)에 삽입되는 기능성 분자(28)들이 이루는 분자 층의 개수는 상대적으로 증가한다. 반면에 갭(27)의 폭이 상대적으로 적은 경우 갭(27)에 삽입되는 기능성 분자(28)들이 이루는 분자 층의 개수는 상대적으로 감소한다. 즉, 갭(27)의 폭을 조절함으로서 갭(27)에 삽입된 기 능성 분자(28)들이 이루는 분자 층의 개수를 변화시킬 수 있다. 구체적으로 갭(27)의 폭은 나노 사이즈까지 축소될 수 있기 때문에 갭(27)의 폭은 기능성 분자(28)들이 하나의 분자 층을 이루도록 조절될 수 있다.
이하, 도 2 및 3에 도시된 분자 소자 구조물을 제조하는 방법을 설명한다.
도 4a 내지 도 4e는 도 2 및 3에 도시된 분자 소자 구조물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 기판(21) 상에 하부 전극(22)을 형성한다. 기판(21)은 연성을 갖는 플라스틱을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(21)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalete : PET)를 포함할 수 있다. 이 경우, 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 비교적 저가이기 때문에 기판(21)을 제조하는데 필요한 비용을 절감할 수 있다.
하부 전극(22)은 금속, 금속 질화물 또는 도프트 폴리 실리콘과 같은 도전성 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(22)은 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀 질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 구리, 알루미늄 구리, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 사용하여 형성할 수 있다.
여기서 하부 전극(22)은 단일막 구조를 가질 수 있다. 이와 다르게 하부 전극(22) 적어도 두 개의 도전막들이 적층된 복합막 구조를 가질 수도 있다.
하부 전극(22)은 기판(21) 상에서 제1 방향으로 연장한다. 도 4a에는 두 개의 하부 전극(22)들을 도시하였으나 하부 전극(22)의 개수는 하나 또는 적어도 셋일 수 있다. 하부 전극(22)의 개수가 적어도 둘인 경우 하부 전극(22)들은 제1 방향과 실질적으로 수직하는 제2 방향으로 서로 이격된다.
도 4b를 참조하면, 하부 전극(22) 상에 자기조립단분자층(24)을 형성한다. 자기조립단분자층(24)은 하부 전극(22)을 둘러싸는 형상을 갖는다. 자기조립단분자층(24)은 금, 은, 백금 또는 이들의 합금을 사용하여 형성할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 기판(21) 및 자기조립단분자층(24) 상에 제2 방향으로 연장하는 상부 전극(23)을 형성한다. 상부 전극(23)은 금속, 금속 질화물 또는 도프트 폴리 실리콘과 같은 도전성 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(22)은 텅스텐, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 몰리브덴 질화물, 니오븀 질화물, 티타늄 실리콘 질화물, 알루미늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 보론 질화물, 지르코늄 실리콘 질화물, 텅스텐 실리콘 질화물, 텅스텐 보론 질화물, 지르코늄 알루미늄 질화물, 몰리브덴 실리콘 질화물, 몰리브덴 알루미늄 질화물, 탄탈륨 실리콘 질화물, 구리, 알루미늄 구리, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 사용하여 형성할 수 있다.
여기서 상부 전극(25)은 단일막 구조를 가질 수 있다. 이와 다르게 상부 전극(25) 적어도 두 개의 도전막들이 적층된 복합막 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 상부 전극(25)이 복합막 구조를 갖는 경우, 상부 전극(25)은 타티늄 및 금을 순차적으로 적층시켜 형성될 수 있다.
상부 전극(25)은 기판(21) 및 자기조립단분자층(24) 상에 적어도 하나의 도전막을 형성한 후, 상기 도전막에 식각 공정과 같은 패터닝 공정을 수행하여 형성된다. 따라서 상기 패터닝 공정에서 자기조립단분자층(24)은 손상을 받을 수 있다.
그러나 자기조립단분자층(24)은 후속하여 제거될 희생층으로 사용되기 때문에 상기 패턴이 공정을 수행하는 과정에서 자기조립된분자층(24)이 어느 정도의 손상을 입더라도 무방하다.
도 4d를 참조하면, 상부 전극(25)을 형성한 후, 자기조립단분자층(24)을 선택적으로 제거한다. 따라서 자기조립단분자층(24)이 제거된 공간에는 갭(27)이 형성된다. 구체적으로 갭(27)은 하부 전극(22) 및 상부 전극(25)의 사이에 형성된다.
상술한 바와 같이, 갭(27)은 자기조립단분자층(24)이 제거된 공간과 대응한다. 따라서 자기조립단분자층(24)의 폭을 조절함으로서 갭(27)의 폭을 조절할 수 있다. 구체적으로 나노 사이즈의 폭을 갖는 자기조립단분자층(24)을 형성하는 경우, 나노 사이즈의 폭을 갖는 갭(27)을 형성할 수 있다.
도 4e를 참조하면, 소정의 기능기를 갖는 분자(28)를 갭(27)에 삽입한다. 기능성 분자(28)를 갭에 삽입하기 위하여 모세관 현상이 이용될 수 있다.
구체적으로 모세관 현상은 소정의 기능기를 갖는 분자(28)들이 녹아 있는 용액에 갭(27)이 형성되어 있는 기판(21)을 침지시킨다. 이 경우, 용액이 증발하면서 용액 내부의 분자(28)들이 용액의 표면으로 노출되게 된다. 이 경우, 최초 용액과 공기와의 계면이 분자(28)와 공기와의 계면으로 변화되며 여기서 모세관의 힘이 발생한다. 상기 모세관의 힘에 의해서 갭(27) 안으로 기능성 분자(28)들이 효과적으 로 삽입될 수 있다.
이 때, 기판(21)을 용액에 침지시키는 각도 및 속도 등을 조절하여 용액의 기판에 대한 접촉각(contact angle)을 조절할 수 있다. 상기 접촉각을 적절히 조절함으로서 기능성 분자(28)들을 갭(27)의 내부에 더욱 효과적으로 삽입시킬 수 있다.
이와 다르게 기능성 분자(28)의 표면 및/또는 갭(27)의 내표면을 개질하여 갭(27)의 내표면에 기능성 분자(28)가 효과적으로 부착되도록 할 수 있다.
일 예로, 기능성 분자(28)와 결합력이 강한 기능기를 갭(27)을 정의하는 하부 전극(22) 및/또는 상부 전극(25)의 부분들에 부착시켜 기능성 분자(28)를 갭(27)에 효과적으로 삽입할 수 있다.
다른 예로, 기능성 분자(28)와 결합력이 상대적으로 약한 기능기를 갭(27)이 형성되지 않은 하부 전극(22) 및/또는 상부 전극(25)의 부분에 부착시켜 기능성 분자(28)를 갭(27)에 효과적으로 삽입할 수 있다.
여기서, 기능성 분자(28)의 대부분은 갭(27) 내부에 삽입된다. 그러나 기능성 분자(28) 중 일부는 갭(27)의 외부에서 하부 전극(22), 상부 전극(25) 및/또는 기판(21)에 붙어 있을 수도 있다.
실시예 2
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 분자 소자 구조물을 설명하기 위한 사시도이다. 도 6은 도 5의 II-II' 라인을 따라 자른 단면도이다.
본 실시예에 따른 분자 소자 구조물은 도 2 및 3에 도시된 분자 소자 구조물과 스페이서를 제외하고 실질적으로 동일하다. 따라서 도 2 및 3에 도시된 분자 소자 구조물에 포함되는 구성 요소들과 실질적으로 동일한 구성 요소들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 5 및 6을 참조하면, 분자 소자 구조물은 기판(21), 하부 전극(22), 상부 전극(25), 스페이서(53) 및 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자(28)를 포함한다.
스페이서(53)는 하부 전극(22)의 측벽 및 상부 전극(55) 사이에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 하부 전극(22)의 상면 및 상부 전극(55) 사이에는 갭(57)이 위치한다. 그리고 갭(57)의 내부에는 기능성 분자(28)들이 위치한다.
여기서 스페이서(53)는 갭(57)을 형성하기 위하여 요구되는 자기조립단분자층(54)이 하부 전극(52)의 상면에 선택적으로 형성되도록 한다. 그리고 스페이서(53)에 의해서 하부 전극(52) 및 상부 전극(55)은 서로 전기적으로 절연된다.
상술한 바와 같이 스페이서(53)에 의하여 자기조립단분자층(54)이 하부 전극(52)의 상면에만 선택적으로 형성되기 때문에 자기조립단분자층(54)을 제거한 후에 형성되는 갭(57)은 하부 전극(52)의 상면의 위로 형성된다.
여기서, 상부 전극(55) 및 하부 전극(52)의 폭들과 자기조립단분자층(54)의 두께를 적절히 조절하여 갭(57)에 삽입되는 기능성 분자의 개수(58)가 조절될 수 있다. 구체적으로 갭(57)의 크기가 충분히 작은 경우 갭(57)에 삽입되는 기능성 분자의 개수(58)는 하나일 수 있다.
이하, 도 5 및 6에 도시된 분자 소자 구조물을 제조하는 방법을 설명한다.
도 7a 내지 7e는 도 5 및 6에 도시된 분자 소자 구조물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7a를 참조하면, 도 4a에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 기판(51) 상에 제1 방향으로 연장하는 적어도 하나의 하부 전극(52)을 형성한다. 이어서 하부 전극(52) 측면에 스페이서(53)를 형성한다.
일 예로, 스페이서(53)는 기판(51) 상에 증착된 도전막을 패터닝하여 하부 전극(52)을 형성할 때 사용되는 포토레지스터 패턴 상에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 물리 기상 증착 방식을 통해 증착한 후 리프트 오프 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
다른 예로, 스페이서(53)를 형성하기 위하여 우선 하부 전극(52) 형성한다. 그리고 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 증착하여 기판(51) 상에 하부 전극(52)을 도포하는 절연막을 형성한다. 이어서 절연막에 전면 식각 (etch-back) 공정과 같은 이방성 식각 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 상부 전극(53)의 상면 상에 자기조립단분자층(54)을 형성한다. 여기서, 스페이서(53)에 의해서 자기조립단분자층(54)이 하부 전극(52)의 상면에만 선택적으로 형성된다.
도 7c를 참조하면, 기판(51) 상에 스페이서(53) 및 자기조립단분자층(54)을 도포하도록 상부 전극(55)을 형성한다. 상부 전극(55)은 하부 전극(52)이 연장하는 상기 제1 방향과 실질적으로 수직하는 제2 방향으로 연장한다.
도 7d를 참조하면, 자리조립단분자층(54)을 선택적으로 제거한다. 다라서 하부 전극(52)의 상면 및 상부 전극(55)의 사이에는 갭(57)이 형성된다.
스페이서(53)에 의하여 자기조립단분자층(54)이 하부 전극(52)의 상면에만 선택적으로 형성되기 때문에 자기조립단분자층(54)을 제거함으로서 형성되는 갭(57)은 하부 전극(52)의 상면 위로 형성된다.
도 7e를 참조하면, 갭(57)에 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자(58)를 삽입한다. 여기서 상부 전극(55) 및 하부 전극(52)의 폭들과 자기조립단분자층(54)의 두께를 적절히 조절하여 갭(57)에 삽입되는 기능성 분자의 개수(58)가 조절될 수 있다. 구체적으로 갭(57)의 크기가 충분히 작은 경우 갭(57)에 삽입되는 기능성 분자의 개수(58)는 하나일 수 있다.
실시예 3
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 분자 소자 구조물을 설명하기 위한 사시도이다. 도 9는 도 8의 III-III' 선을 따라 자른 단면도이다.
본 실시예에 따른 분자 소자 구조물은 도 5 및 6에 도시된 분자 소자 구조물과 절연막을 제외하고 실질적으로 동일하다. 따라서 도 5 및 6에 도시된 분자 소자 구조물에 포함되는 구성 요소들과 실질적으로 동일한 구성 요소들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 8 및 9를 참조하면, 분자 소자 구조물은 기판(81), 하부 전극(82), 상부 전극(85), 스페이서(83), 절연막(86) 및 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자(88)를 포함한다.
절연막(86)은 하부 전극(82) 및 상부 전극(85)의 상면들 상에 형성된다. 절연막(86)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
하부 전극(82) 및 상부 전극(85)의 상면들 상에 형성되는 절연막(86)은 하부 전극(82) 및 상부 전극(85)의 사이에 형성되는 갭(87)의 내부에는 형성되지 않는 것이 바람직하다.
절연막(86)의 높이가 갭(87)의 폭보다 같거나 큰 경우, 기능성 분자(88)가 갭(87)안으로 삽입될 수 없다. 따라서 절연막(86)의 높이는 갭(87)의 폭보다 실질적으로 작은 것이 바람직하다.
이하, 도 8 및 9에 도시된 분자 소자 구조물을 제조하는 방법을 설명한다.
도 10a 내지 10f는 도 8 및 9에 도시된 분자 구조물을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10a를 참조하면, 도 4a에서 설명된 공정들과 실질적으로 동일한 공정들을 수행하여 기판(81) 상에 제1 방향으로 연장하는 적어도 하나의 하부 전극(82)을 형성한다. 이어서 하부 전극(82) 측면에 스페이서(83)를 형성한다.
일 예로, 스페이서(83)는 기판(81) 상에 증착된 도전막을 패터닝하여 하부 전극(82)을 형성할 때 사용되는 포토레지스터 패턴 상에 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 물리 기상 증착 방식을 통해 증착한 후 리프트 오프 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
다른 예로, 스페이서(83)를 형성하기 위하여 우선 하부 전극(82) 형성한다. 그리고 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 증착하여 기판(81) 상에 하부 전극(82)을 도포하는 절연막을 형성한다. 이어서 절연막에 전면 식각 (etch-back) 공정과 같은 이방성 식각 공정을 수행하여 형성할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 상부 전극(83)의 상면 상에 자기조립단분자층(84)을 형성한다. 여기서, 스페이서(83)에 의해서 자기조립단분자층(84)이 하부 전극(82)의 상면에만 선택적으로 형성된다.
도 10c를 참조하면, 기판(81) 상에 스페이서(83) 및 자기조립단분자층(84)을 도포하도록 상부 전극(85)을 형성한다. 상부 전극(85)은 하부 전극(82)이 연장하는 상기 제1 방향과 실질적으로 수직하는 제2 방향으로 연장한다.
도 10d를 참조하면, 자리조립단분자층(84)을 선택적으로 제거한다. 따라서 하부 전극(82)의 상면 및 상부 전극(85)의 사이에는 갭(87)이 형성된다.
스페이서(83)에 의하여 자기조립단분자층(84)이 하부 전극(82)의 상면에만 선택적으로 형성되기 때문에 자기조립단분자층(84)을 제거함으로서 형성되는 갭(87)은 하부 전극(82)의 상면 위로 형성된다.
도 10e를 참조하면, 하부 전극(82) 및 상부 전극(85)의 상면들 상에 절연막(86)을 형성한다. 절연막(86)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연성 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 절연막(86)은 물리 화학 기상 공정과 같은 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
하부 전극(82) 및 상부 전극(85)의 상면들 상에 형성되는 절연막(86)은 하부 전극(82) 및 상부 전극(85)의 사이에 형성되는 갭(87)의 내부에는 형성되지 않는 것이 바람직하다.
절연막(86)의 높이가 갭(87)의 폭보다 같거나 큰 경우, 기능성 분자(88)가 갭(87)안으로 삽입될 수 없다. 따라서 절연막(86)의 높이는 갭(87)의 폭보다 실질적으로 작은 것이 바람직하다.
도 10f를 참조하면, 갭(87)에 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자(88)를 모세관 현상 또는 특정 결합을 이용하여 삽입한다. 여기서 상부 전극(55) 및 하부 전극(52)의 폭들과 자기조립단분자층(54)의 두께를 적절히 조절하여 갭(57)에 삽입되는 기능성 분자의 개수(58)가 조절될 수 있다. 구체적으로 갭(57)의 크기가 충분히 작은 경우 갭(57)에 삽입되는 기능성 분자의 개수(58)는 하나일 수 있다.
이때, 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자(88)들은 갭(87) 내부 뿐만 아니라 갭(87)의 외부에도 형성될 수 있다. 하지만 절연막(86)이 각 셀들을 분리시키기 때문에 소자의 특성에 영향을 미치지 않으며, 크로스토크(cross talk) 또한 억제한다.
본 발명에 따르면, 기능성 분자가 삽입되는 갭의 폭은 자기조립단분자층의 높이에 의해서 정해진다. 따라서 자기조립단분자층을 증착할 때 자기조립단분자층의 높이를 조절함으로서 갭의 폭을 비교적 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 증착된 자기조립단분자층을 제거함으로서 균일한 폭을 갖는 다수의 갭들을 동시에 형성할 수 있다.
또한, 갭의 폭을 조절함으로써 갭에 삽입되는 기능성 분자의 개수를 조절할 수 있다. 구체적으로 갭의 폭을 조절함으로서 각각 단일의 기능성 분자를 갖는 셀들을 포함하는 분자 소자 구조물을 형성할 수 있다. 따라서 분자 소자 구조물이 다수의 셀들을 포함하더라도 소자 균일성을 유지시킬 수 있다.
이와 더불어, 분자층은 상부 전극을 형성한 후 형성된다. 따라서 분자층을 형성한 후 상부 전극을 형성하는 기존의 공정에 비하여 분자층의 손실을 최소화시킬 수 있다.
또한, 분자 소자 구조물을 형성할 때 셀들을 분리시기키 위한 별도의 식각 공정이 수행되지 않는다. 따라서, 종래의 분사 조사 구조물에서 분자층을 형성하기 위해 자기조립법이나 랭무어-블로짓(LB)법 등을 사용할 때 각 셀들의 분자들이 연결된 구조이기 때문에 발생하였던 크로스토크(Cross Talk) 현상을 억제할 수 있다.
나아가, 플라스틱 등으로 이루어진 기판을 사용하면 유연한 전자 회로 소자를 제작할 수 있어, 스마트 카드, 고주파 리더기 등에 분자 소자가 더욱 다양하게 사용될 수 있다.
Claims (20)
- 기판 상에 형성된 하부 전극;상기 기판 상에 상기 하부 전극과 갭을 사이에 두고 오버랩되도록 형성되는 상부 전극;상기 하부 전극의 측면 및 상기 상부 전극 사이에 형성된 스페이서; 및상기 갭 내부에 삽입되고 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자를 포함하는 분자 소자 구조물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 갭은 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 형성된 자기조립단분자층을 제거함으로서 형성되는 분자 소자 구조물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부 전극은 제1 방향으로 연장하고, 상기 상부 전극은 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부 전극은 금, 은 또는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 갭의 폭은 상기 기능성 분자의 크기와 동일하고, 상기 갭에 삽입되는 상기 기능성 분자는 단일층을 이루는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 투명하고 연성을 갖는 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 갭은 상기 하부 전극의 윗면과 상기 상부 전극 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극의 상면들 상에 형성된 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 제 9 항에 있어서, 상기 절연막의 높이는 상기 갭의 폭보다 실질적으로 작은 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 제 10항에 있어서, 상기 절연막은 상기 갭의 내부에는 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물.
- 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;상기 하부 전극 측면 상에 스페이서를 형성하는 단계;상기 하부 전극 상에 자기조립단분자층을 형성하는 단계;상기 자기조립단분자층 및 스페이서 상에 상부 전극을 형성하는 단계;상기 자기조립단분자층을 제거하여 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 갭을 형성하는 단계; 및상기 갭에 소정의 기능기를 갖는 기능성 분자를 삽입하는 단계를 포함하는 분자 소자 구조물 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 기능성 분자를 삽입하는 단계는 모세관 힘을 사용하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 기능성 분자를 삽입하는 단계는 상기 기능성 분자들이 녹아있는 용액과 기판의 접촉각을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 분자 소자 구조물 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 기능성 분자를 삽입하는 단계는:상기 갭의 내표면 및 상기 기능성 분자의 표면을 상호 결합력을 갖도록 개질하는 단계; 및상기 상호 결합력을 이용하여 상기 기능성 분자를 상기 갭의 내부에 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 상호 결합력을 갖도록 개질하는 단계는 상기 기능성 분자와 결합력을 갖는 기능기를 상기 갭의 내표면에 부착시키는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물 제조 방법.
- 삭제
- 제 15 항에 있어서, 상기 갭의 내부에 상기 기능성 분자를 삽입하기 전에 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극의 상면들 상에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물 제조 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 절연막은 상기 갭의 내부에는 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 절연막의 두께는 상기 갭의 폭보다 실질적으로 작은 것을 특징으로 하는 분자 소자 구조물 제조 방법.
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