KR100852628B1 - 1ｄ 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 양극산화를 통해 형성된 1차원(Dimensional) 나노 홀 어레이를 템플릿으로 채용하여 균일한 크기와 주기적인 간격을 가지는 나노와이어를 제작하고, 이를 수직형 박막트랜지스터의 채널에 적용하는 방법으로 별도의 트랜스퍼 과정이 필요하지 않아 나노와이어의 소실과 위치변화를 방지하고 안정된 제조 공정을 가질 수 있으며, 수직형 박막트랜지스터와 연동하여 기존의 복잡한 미세 식각과정 없이 절연층의 두께만으로 채널의 길이를 조절하여 보다 미세하고 뛰어난 성능의 소자를 구현할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 유리 기판 상에 소스전극, 소스영역의 오믹반도체층, 절연층, 드레인영역의 오믹반도체층을 형성하는 제1단계; 상기 소스전극 상에 나노와이어 생성용 템플릿을 형성하는 제2단계; 상기 템플릿에 채널 재료를 증착시켜 1차원 나노와이어 어레이를 형성하는 제3단계; 상기 결과물 상에 드레인전극, 게이트 절연막 및 게이트전극을 형성하는 제4단계; 및 상기 1차원 나노와이어 어레이를 노출시키는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
양극산화, 나노와이어, 수직형 박막트랜지스터
Description
도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이고,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노와이어 생성용 템플릿을 나타내는 사시도이고,
도 6은 종래기술에 따른 2D 알루미늄 벌크에 양극산화를 했을 때 나타나는 알루미늄 양극산화 피막의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 유리기판 11 : 소스전극
12 : 소스영역의 오믹반도체층 13 : 절연층
14 : 드레인영역의 오믹반도체층 15 : 나노기공
16 : 나노와이어 생성용 템플릿 17 : 드레인전극
18 : 게이트절연막 19 : 게이트전극
101 : 알루미늄 102 : 활성층
103 : 다공층
본 발명은 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 양극산화를 통해 형성된 1차원(Dimensional) 나노 홀 어레이를 템플릿으로 채용하여 균일한 크기와 주기적인 간격을 가지는 나노와이어를 제작하고, 이를 수직형 박막트랜지스터의 채널에 적용하는 방법으로 별도의 트랜스퍼 과정이 필요하지 않아 나노와이어의 소실과 위치변화를 방지하고 안정된 제조 공정을 가질 수 있으며, 수직형 박막트랜지스터와 연동하여 기존의 복잡한 미세 식각과정 없이 절연층의 두께만으로 채널의 길이를 조절하여 보다 미세하고 뛰어난 성능의 소자를 구현할 수 있도록 한 1Ｄ 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 나노 소자의 형성 방법은 크게 탑다운(top-down)방식과 바텀업(bottom-up)방식으로 나눌 수 있다.
탑다운 방식은 기존의 반도체 공정에서 사용되고 있는 포토 리소그라피와 같은 미세가공을 통해 물체를 나노 크기 수준으로 초미세화하는 방법으로, 최근에는 초자외선(extreme ultraviolet, EUV)이나 레이저(laser), 싱크로트론(synchrotron) 등의 초단파장 광원을 사용하여 극미세 패턴을 형성하고 있다.
그리고 바텀업 방식은 원자, 분자, 세포 레벨을 요소로써 조합하여 구조를 만드는 기술로, 주사형 터널링현미경(scanning tunneling microscope, STM) 등을 이용하여 원자를 하나씩 쌓아가는 가공 기술 등을 들 수 있다.
최근에는 분자나 원자의 상호 작용에 의해 균일한 상태로부터 임의의 질서 정연한 상태가 일어나는 자기 조직화 현상을 이용하여 특정한 구조나 결정을 성장시켜 원하는 나노 소자를 얻는 기술이 등장하고 있다.
나노 스케일 물질은 나노 미립자와 같은 0차원, 나노튜브(nano tube)나 나노와이어(nano wire), 나노로드(nano rod)와 같은 1차원, 나노 박막과 같은 2차원, 나노 미립자가 집합하여 벌크체를 형성한 나노 구조재료와 같은 3차원 나노 구조로 나누어진다.
이 중에서 1차원 나노 구조에 해당하는 나노와이어는 탄소 나노튜브의 발견을 계기로 다양한 접근을 통한 제조법이 소개되고 있다.
특히, 바텀업 방식의 VLS(vapor liquid solid) 성장법은 가장 많이 연구되고 있는 방법으로, 3차원적인 넓이를 가진 원료공급의 장소인 기상(V)으로부터 나노 크기의 액체(L)속에 목적 물질성분이 용해하여 과포화상태를 형성하고, 이것으로부터 1차원 고체(S)가 연속적으로 석출되는 프로세스이다.
대부분의 반도체, 금속 물질의 나노와이어 성장에 이용되고 있으며, 기상(V) 대신에 용액상(S)이 관여하는 SLS 프로세스도 연구되고 있다.
이러한 성장법 외에 임의의 방법으로 만들어진 1차원 나노 구조를 템플릿으로 이용하여 새로운 1차원 나노 구조를 만드는 템플릿법이 있다.
템플릿이 되는 구조는 나노 튜브의 내벽이나 다공성 알루미늄 양극산화 피막 또는 단결정 표면상의 스탭을 이용하는 경우로 크게 나눌 수 있다.
상기 나노튜브의 내벽을 템플릿으로 이용할 경우 나노튜브에 원료를 용해시키거나 아크 방전등을 통해 내벽으로 용이하게 도입해 1차원 나노 구조를 얻을 수 있지만, 결함이 많고 다결정이 되기 쉽다.
상기 다공성 알루미늄 양극산화 피막은 1차원 나노포어(nano pore) 구조를 가진 가장 범용성이 높은 템플릿으로 알려져 있다. 특히, 전압이나 전해액의 농도, 온도와 같은 전해 조건을 조절해 수~수백 nm까지 기공의 직경을 바꿀 수 있고 막의 두께도 100㎛까지 실현가능하다.
상기 단결정면의 스텝을 이용할 경우 박막형성 초기과정에서 계단 부근에 석출물이 모여 와이어 모양의 물질이 형성되고 플라스틱으로 전사하여 분리하면 나노 와이어를 얻을 수 있다. 이때 와이어의 굵기는 석출 조건에 따라서 제어가능하다.
위의 방법들을 통하여 성장시킨 나노와이어는 소자로 제작되기 위해서는 소자로서 동작할 수 있는 위치에 전사가 가능해야하고, 전사과정 중 손상이 없어야 하며, 전사 이후에도 일정한 주기성을 잃지 않고 정렬되어야 한다.
그러나, 상기 방식들을 통해 생성된 나노와이어는 통상 일정하지 않은 배열을 한 응집체로 얻게 되고, 기판 상에서 규칙적인 위치를 갖고 성장시키더라도 전이 과정에서 배향성을 잃게 되므로, 이를 보완하기 위해서는 추가적인 공정이 불가피하게 되고 결과적으로도 신뢰할만한 수율을 기대하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 별도의 전사과정 없이 소자 제작 과정 내에서 나노와이어를 생성할 수 있게 하여 나노와이어의 소실과 재정렬 없이 소자에 적용할 수 있도록 한 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 미세 공정을 위한 기존의 복잡한 사진 식각과정 없이 절연층의 두께만으로 채널 길이를 조절할 수 있는 수직형 트랜지스터와 나노와이어 채널을 결합하여 소자의 집적도와 성능을 향상시킬 수 있는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 박막트랜지스터의 제조방법에 있어서,
유리 기판 상에 소스전극, 소스영역의 오믹반도체층, 절연층, 드레인영역의 오믹반도체층을 형성하는 제1단계; 상기 소스전극 상에 나노와이어 생성용 템플릿을 형성하는 제2단계; 상기 템플릿에 채널 재료를 증착시켜 1차원 나노와이어 어레이를 형성하는 제3단계; 상기 결과물 상에 드레인전극, 게이트 절연막 및 게이트전극을 형성하는 제4단계; 및 상기 1차원 나노와이어 어레이를 노출시키는 제5단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 제1단계는 절연층 및 드레인영역의 오믹반도체층이 소스영역의 오믹반도체층의 패턴을 형성한 후 적층되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제1단계는 소스영역의 오믹반도체층, 절연층 및 드레인 영역의 오믹반도체층의 측벽이 비등방 식각에 의해 수직하게 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2단계는 나노와이어 생성용 템플릿이 상기 소스영역의 오믹반도체층, 절연층 및 드레인 영역의 오믹반도체층의 측벽에 수직방향으로 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제2단계는 나노와이어 생성용 템플릿이 알루미늄 박막을 증착한 후 양극산화시켜 형성되고, 상기 알루미늄 박막 내부에는 다수의 나노기공이 일렬로 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계는 상기 알루미늄 박막 증착 후 양극산화 전에 알루미늄 산화 피막의 나노기공들이 일렬로 정렬될 수 있도록 증착될 알루미늄의 폭을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계는 일정한 두께의 알루미늄 박막을 산화시켜 나노와이어 생성용 템플릿으로 사용될 활성층이 소스영역의 오믹반도체층과 접촉하게 한 후, 용매를 사용하여 상기 활성층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계의 나노와이어 생성용 템플릿은 박막트랜지스터 제조 공정 중에 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제5단계는 상기 나노와이어 생성용 템플릿을 선택적으로 제거하여 나노와이어를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제5단계는 알루미늄 산화 피막을 선택적으로 용해하여 나노와이어를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막트랜지스터의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 유리 기판(10)에 소스 전극(11)과 소스 영역의 오믹반도체층(12)(ohmic contacts)을 형성한다. 소스 전극(11)은 금속 재료를 사용하고, 오믹반도체층(12)은 접촉 저항을 최소화할 수 있는 n+μc-Si:H 혹은 그 이외 사용가능한 재료를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 소스 영역의 오믹반도체층(12)의 패턴을 형성한 후 절연층(13)과 드레인 영역의 오믹반도체층(14)을 적층한다.
여기서 절연층(13)의 두께는 완성될 박막트랜지스터의 채널 길이를 결정한다. 그리고 오믹반도체층(소스영역)(12) / 절연층(13) / 오믹반도체층(드레인영역)(14) 구조의 측벽으로 수직한 단면을 구현하기 위해 CH4/H2 RIE(reactive ion etching)와 같은 높은 종횡비를 얻을 수 있는 비등방 식각 공정을 사용한다.
상기 RIE 공정 후 측벽에 생성된 폴리머 층은 유기용매를 통해 제거한다.
한편, 템플릿에 대해 설명하면, 도 6은 기존의 2D 알루미늄 벌크에 양극산화를 했을 때 나타나는 알루미늄 양극산화 피막의 구조를 나타낸 것이다.
양극산화 후, 남은 알루미늄 위로 열적 및 기계적으로 안정한 활성층(102)과 다공층(103)이 형성된다.
여기서, 전압이나 전해액의 농도, 온도와 같은 전해 조건을 조절할 경우, 기공의 직경은 물론 간격과 분포를 변화시킬 수 있어 원하는 직경과 길이를 갖는 나노와이어 생성을 위한 다양한 템플릿을 만들어 낼 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기의 2D 다공성 알루미늄 산화 피막의 생성 조건을 바탕으로 생성될 기공의 직경을 고려하여 1D 나노기공(15) 행렬이 발생하도록 알루미늄 박막의 폭을 조절하여 양극산화를 시행하면 1D 알루미늄 산화피막을 구현할 수 있다.
상기 도 2까지의 과정을 통해 제작된 결과물 상에 1D 나노기공(15) 행렬만이 형성되도록 적당한 폭의 알루미늄을 증착하고 양극산화를 시행하여 나노와이어 생성용 템플릿(16)을 제작한다.
도 4를 참조하면, 활성층이 소스의 오믹반도체(11)층과 맞닿게 하기 위해 질산이나 인산 등과 같은 산성용매를 사용하여 나노와이어 생성용 템플릿(16)의 하단부의 알루미늄 두께를 제거한다.
상기 나노와이어 생성용 템플릿(16)에 채널재료를 증착하여 나노와이어(20)가 형성되게 하고, 상기 제거된 활성층으로 인해 나노와이어(20)의 하단부가 소스영역의 오믹반도체층(11)과 접촉하게 되며, 피막 위로 과다하게 증착된 부분은 폴리싱(polishing)을 통해 제거한다.
그 다음 드레인 전극(17), 게이트 절연막(18), 게이트 전극(19)을 각각 차례대로 증착한다. 그리고 알루미늄 산화 피막을 선택적으로 용해하는 수산화나트륨과 같은 용매를 이용해 템플릿을 제거하여 1D 나노 와이어 어레이(20)가 노출되도록 한다.
이로써, 본 발명에 따른 1D 나노와이어 채널을 이용한 수직형 박막트랜지스터가 제조된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법에 의하면, 나노와이어의 형성과 소자 제작에 있어서 별도의 전사과정 없이 소자 제작 과정 내에서 나노와이어를 생성할 수 있게 하여 나노와이어 생성을 위한 별도의 공정과 전사 과정을 생략할 수 있고, 나노와이어의 소실과 부가적인 재배치 과정이 필요하지 않아 간단하고 향상된 수율을 갖는 공정이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 알루미늄 양극산화 피막을 템플릿으로 하여 나노 와이어를 생성하고 채널 물질로 사용하기 위해 수직형 박막트랜지스터를 채용하여 기존의 평면 트랜지스터보다 보다 집적도가 높고, 높은 이동도의 채널을 갖는 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.
Claims (10)
- 박막트랜지스터의 제조방법에 있어서,유리 기판 상에 소스전극, 소스영역의 오믹반도체층, 절연층, 드레인영역의 오믹반도체층을 형성하는 제1단계;상기 소스전극 상에 나노와이어 생성용 템플릿을 형성하는 제2단계;상기 템플릿에 채널 재료를 증착시켜 1차원 나노와이어 어레이를 형성하는 제3단계;상기 결과물 상에 드레인전극, 게이트 절연막 및 게이트전극을 형성하는 제4단계;상기 제4단계 후, 탬플릿을 제거하여 1차원 나노와이어 어레이를 노출시키는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1단계는 절연층 및 드레인영역의 오믹반도체층이 소스영역의 오믹반도체층의 패턴을 형성한 후 적층되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1단계는 소스영역의 오믹반도체층, 절연층 및 드레인 영역의 오믹반도체층의 측벽이 비등방 식각에 의해 수직하게 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 선택된 어느 한 항에 있어서,상기 제2단계는 나노와이어 생성용 템플릿이 상기 소스영역의 오믹반도체층, 절연층 및 드레인 영역의 오믹반도체층의 측벽에 수직방향으로 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 제2단계는 나노와이어 생성용 템플릿이 알루미늄 박막을 증착한 후 양극산화시켜 형성되고, 상기 알루미늄 박막 내부에는 다수의 나노기공이 일렬로 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 제2단계는 상기 알루미늄 박막 증착 후 양극산화 전에 알루미늄 산화 피막의 나노기공들이 일렬로 정렬될 수 있도록 증착될 알루미늄의 폭을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 제2단계는 활성층이 소스 영역의 오믹반도체층과 맞닿게 하기 위해 용매를 사용하여 나노와이어 생성용 템플릿의 하단부의 알루미늄 두께를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 제2단계의 나노와이어 생성용 템플릿은 박막트랜지스터 제조 공정 중에 사용되는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 제5단계는 상기 나노와이어 생성용 템플릿을 선택적으로 제거하여 나노와이어를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서,상기 제5단계는 알루미늄 산화 피막을 선택적으로 용해하여 나노와이어를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1D 나노와이어 채널을 이용한 박막트랜지스터의 제조방법.
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