KR101172625B1 - Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same Download PDF

Info

Publication number
KR101172625B1
KR101172625B1 KR1020110006115A KR20110006115A KR101172625B1 KR 101172625 B1 KR101172625 B1 KR 101172625B1 KR 1020110006115 A KR1020110006115 A KR 1020110006115A KR 20110006115 A KR20110006115 A KR 20110006115A KR 101172625 B1 KR101172625 B1 KR 101172625B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
laser beam
semiconductor device
substrate
delete delete
Prior art date
Application number
KR1020110006115A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20120084840A (en
Inventor
이건재
최인성
최성율
홍병희
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020110006115A priority Critical patent/KR101172625B1/en
Priority to US13/233,553 priority patent/US20120068161A1/en
Priority to PCT/KR2011/006917 priority patent/WO2012036537A2/en
Publication of KR20120084840A publication Critical patent/KR20120084840A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101172625B1 publication Critical patent/KR101172625B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System
    • H01L29/1606—Graphene
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66015—Multistep manufacturing processes of devices having a semiconductor body comprising semiconducting carbon, e.g. diamond, diamond-like carbon, graphene

Abstract

레이저를 이용한 반도체 소자 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 반도체 및 그래핀 트랜지스터가 제공된다.
본 발명에 따른 반도체 소자 제조방법은 기판상에 붕소 함유 도핑가스 및 질소 함유 도핑 가스를 동시에 흘리면서, 레이저 빔을 상기 기판에 조사하여 질화붕소층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 반도체 소자 제조방법은 그래핀과 동일한 결정구조를 갖는 질화붕소(Boron Nitride(BN))를 레이저 빔으로 제조한다. 더 나아가, 상기 질화붕소층 상에 동일 방식으로 그래핀을 적층하고, 다시 레이저 빔으로 이를 패터닝하여, 그래핀 소자의 밴드갭을 조절하며, 그 결과 그래핀 반도체 소자가 효과적으로 제조될 수 있다. 따라서, 종래의 실리콘 기판에서 제조된 트랜지스터 소자보다 캐리어 이동도가 상당 수준 향상된다. Provided are a method of manufacturing a semiconductor device using a laser, and a graphene semiconductor and a graphene transistor manufactured thereby.
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises the step of simultaneously forming a boron nitride layer by irradiating a laser beam onto the substrate while simultaneously flowing a boron-containing doping gas and a nitrogen-containing doping gas on the substrate. In the semiconductor device manufacturing method of the boron nitride (BoN) having the same crystal structure as graphene (BN) is manufactured by a laser beam. Furthermore, graphene is laminated on the boron nitride layer in the same manner, and patterned again by a laser beam to adjust the bandgap of the graphene device, and as a result, the graphene semiconductor device may be effectively manufactured. Thus, the carrier mobility is considerably improved over the transistor device manufactured in the conventional silicon substrate.

Description

레이저를 이용한 반도체 소자 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 반도체 및 그래핀 트랜지스터 {Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same}Method for manufacturing a semiconductor device using a laser, thereby manufacturing a graphene semiconductor and graphene transistor {Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same}

본 발명은 레이저를 이용한 반도체 소자 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 반도체 및 그래핀 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게 종래의 실리콘 기판에서 제조된 트랜지스터 소자보다 캐리어 이동도가 상당 수준 향상된, 레이저를 이용한 레이저를 이용한 반도체 소자 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 반도체 및 그래핀 트랜지스터에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a laser, and a graphene semiconductor and a graphene transistor manufactured by the laser, and more particularly, the carrier mobility is significantly improved compared to a transistor device manufactured from a conventional silicon substrate. A method of manufacturing a semiconductor device using a laser, and a graphene semiconductor and a graphene transistor manufactured thereby.

그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO2/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다. Graphene refers to a planar monolayer structure in which carbon atoms are filled into a two-dimensional (2D) lattice, which forms the basis for all other dimensional graphite materials. That is, the graphene may be a basic structure of graphite stacked in a fullerene, a one-dimensional nanotube, or a three-dimensional structure. In 2004, Novoselev et al reported that a free-standing graphene monolayer was obtained on top of a SiO 2 / Si substrate, which was found experimentally by mechanical microfractionation.

최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목한다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 고성능의 단층 그래핀을 성장하고 선택적으로 도핑하면서 물성까지 제어 할 수 있다면, 그래핀은 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반도체 소자에 이용될 수 있다.In recent years, many research groups have identified graphene's unique physical properties due to its honeycomb crystal structure, two interpenetrating triangular sub lattice structures, and the thickness of one atomic size. Note that for example a zero bandgap is shown. In addition, graphene has unique charge transport characteristics, which causes graphene to exhibit a unique phenomenon that has not been observed in the past. For example, if a semi-integer quantum hole high performance single layer graphene can be grown and selectively doped to control physical properties, graphene can be used in next-generation semiconductor devices that can replace silicon.

현재 그래핀의 밴드갭을 제어하기 위한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 그래핀의 나노 패턴을 만드는 방법과 기판에 전기장을 걸어주는 방법을 통하여 밴드갭을 제어하는 연구들이 진행되고 있지만, 아직까지 그래핀의 밴드갭을 정확하게 제어하는 연구 결과 및 이에 따른 그래핀 반도체 제조방식은 발표되지 않고 있다. Currently, researches to control the band gap of graphene are being actively conducted. Although researches are being conducted to control the bandgap by making a nano pattern of graphene and applying an electric field to the substrate, the results of the research to accurately control the bandgap of graphene and the resulting graphene semiconductor manufacturing method Is not announced.

질화붕소(Boron Nitride(BN)) 또한 그래핀과 동일한 결정 구조를 가지는 물질로서, 전자 소자의 주요물질로 주목받고 있으나, 화학기상증착과 같은 방식으로만 질화붕소층이 적층되고 있다. Boron nitride (BN) is also a material having the same crystal structure as graphene, and attracts attention as the main material of the electronic device, but the boron nitride layer is laminated only in the same manner as chemical vapor deposition.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 새로운 반도체 소자 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a new semiconductor device manufacturing method.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상술한 방법을 이용하여 제조되는 그래핀 반도체 및 이를 포함하는 트랜지스터를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a graphene semiconductor and a transistor comprising the same by using the above-described method.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 반도체 소자 제조방법으로, 상기 방법은 기판상에 붕소 함유 도핑가스 및 질소 함유 도핑 가스를 동시에 흘리면서, 레이저 빔을 상기 기판에 조사하여 질화붕소층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device, the method comprises the step of irradiating a laser beam to the substrate while simultaneously forming a boron-containing doping gas and a nitrogen-containing doping gas on the substrate to form a boron nitride layer It provides a semiconductor device manufacturing method comprising a.

본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 질화붕소층상에 그래핀을 적층하는 단계; 및 상기 그래핀을 패터닝하여, 반도체 특성의 그래핀을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 그래핀 적층 단계는 탄소 함유 가스를 흘리면서, 상기 질화붕소층에 레이저 빔을 조사하는 방식으로 수행된다. In one embodiment of the present invention the method comprises the steps of laminating graphene on the boron nitride layer; And patterning the graphene to prepare graphene having semiconductor characteristics, and the graphene lamination step is performed by irradiating a laser beam to the boron nitride layer while flowing a carbon-containing gas.

본 발명의 일 실시예에서 상기 그래핀 패터닝은 산소 분위기에서 제거하고자 하는 그래핀에 레이저 빔을 조사하는 방식으로 수행되며, 상기 조사에 의하여 상기 그래핀은 중심 너비는 10nm 이하의 리본 형태가 된다. In an embodiment of the present invention, the graphene patterning is performed by irradiating a laser beam to graphene to be removed in an oxygen atmosphere, and by the irradiation, the graphene becomes a ribbon having a center width of 10 nm or less.

본 발명의 일 실시예에서 상기 바법은 상기 그래핀 패터닝 후, 상기 리본형태의 그래핀의 양 끝에 질소 또는 붕소가 도핑된 소스, 드레인 영역을 형성시키는 단계를 더 포함하며, 상기 소스, 드레인 영역은 상기 질소 또는 붕소 함유 가스를 흘리면서, 해당 영역을 레이저 빔으로 조사하는 방식으로 수행되고, 상기 방법은 소스, 드레인 영역 형성 후 상기 소스, 드레인 영역 사이의 그래핀 상에 절연층을 적층하는 단계를 더 포함한다. The bar method may further include forming a source and a drain region doped with nitrogen or boron at both ends of the ribbon-shaped graphene after the graphene patterning, wherein the source and drain regions are The nitrogen or boron-containing gas is flowed, and the corresponding region is irradiated with a laser beam, and the method further includes the step of depositing an insulating layer on graphene between the source and drain regions after forming the source and drain regions. Include.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기판상에 적층된 질화붕소층에 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 질화붕소층 상에 그래핀을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법을 제공하며, 상기 그래핀 적층 단계는 탄소 함유 가스를 흘리면서, 상기 질화붕소층에 레이저 빔을 조사하는 방식으로 수행되며, 상기 방법은 상기 적층된 그래핀을 패터닝하여, 반도체 특성의 그래핀을 제조하는 단계를 더 포함하며, 상기 질화붕소층은 붕소 함유 도핑가스 및 질소 함유 도핑 가스를 동시에 흘리면서, 레이저 빔을 상기 기판에 조사하는 방식으로 상기 기판에 적층된다. In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor device manufacturing method comprising the step of laminating the graphene on the boron nitride layer by irradiating a laser beam on the boron nitride layer stacked on the substrate. The graphene lamination step is performed by irradiating a laser beam to the boron nitride layer while flowing a carbon-containing gas, and the method includes: patterning the laminated graphene to produce graphene having semiconductor characteristics. The boron nitride layer is laminated on the substrate by irradiating a laser beam to the substrate while simultaneously flowing a boron-containing doping gas and a nitrogen-containing doping gas.

본 발명의 일 실시예는 질화붕소층이 적층된 기판 상에 탄소함유가스, 수소가스 및 불활성가스를 동시에 흘리면서 레이저 빔을 조사하여, 상기 질화붕소층상에 그래핀을 적층하는 단계; 산소 분위기에서 레이저 빔을 상기 그래핀에 조사하여, 그래핀을 사각 형태로 패터닝하는 단계; 산소 분위기에서 레이저 빔을 사각 형태의 상기 그래핀에 조사하여, 리본 형태의 그래핀을 패터닝하는 단계; 붕소 또는 질소 함유 도핑가스를 흘리면서 레이저 빔을 상기 리본 형태의 그래핀의 양 끝에 조사하여, 붕소 또는 질소가 함유된 소스, 드레인 영역을 상기 리본 형태의 그래핀 양 끝에 형성하는 단계; 및 상기 소스, 드레인 영역 사이의 그래핀 상에 게이트 절연층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법을 제공한다. One embodiment of the present invention comprises the steps of depositing graphene on the boron nitride layer by irradiating a laser beam while simultaneously flowing a carbon containing gas, hydrogen gas and an inert gas on the substrate on which the boron nitride layer is stacked; Irradiating the graphene with a laser beam in an oxygen atmosphere to pattern the graphene in a square shape; Irradiating a laser beam on the graphene in a square shape in an oxygen atmosphere to pattern the graphene in a ribbon shape; Irradiating a laser beam at both ends of the ribbon-type graphene while flowing a boron or nitrogen-containing doping gas to form source and drain regions containing boron or nitrogen at both ends of the ribbon-type graphene; And depositing a gate insulating layer on the graphene between the source and drain regions.

본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 소스, 드레인 영역 및 상기 게이트 절연층 상에 금속을 적층, 패터닝하여, 소스, 드레인 전극 및 게이트 전극을 형성시키는 단계를 더 포함하며, 상기 질화붕소층은 상기 기판 전체에 적층되거나 또는 상기 그래핀 반도체 형성 영역에만 선택적으로 적층될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the method may further include forming a source, a drain electrode, and a gate electrode by stacking and patterning a metal on the source, drain region, and the gate insulating layer, wherein the boron nitride layer is The substrate may be stacked over the substrate or selectively stacked only in the graphene semiconductor formation region.

본 발명의 일 실시예에서 상기 리본 형태의 그래핀 중심 너비는 10nm 이하이다. In one embodiment of the present invention, the graphene center width of the ribbon is 10 nm or less.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 상술한 방법에 의하여 제조된 반도체 소자 및 그래핀 반도체 소자를 제공한다. The present invention provides a semiconductor device and a graphene semiconductor device manufactured by the above-described method to solve the above problems.

또한, 본 발명은 그래핀 트랜지스터로서, 상기 트랜지스터는 기판; 상기 기판상에 적층된 질화붕소층; 상기 질화붕소층 상에 적층되며, 소정 간격으로 이격된 소스, 드레인 영역을 포함하는 그래핀 반도체; 상기 그래핀 반도체의 소스, 드레인 영역 사이에 적층된 게이트 절연막; 및 상기 소스, 드레인 영역 및 게이트 절연막 상에 각각 적층된 소스, 드레인 및 게이트 전극을 포함하며, 여기에서 상기 그래핀은 상기 질화붕소층 상에 탄소함유가스를 흘리면서 진행된 레이저 빔 조사에 의하여 형성된 후, 산소 분위기 조건의 레이저 빔 조사에 의하여 패터닝되어 반도체 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 그래핀 트랜지스터를 제공한다. In addition, the present invention is a graphene transistor, the transistor is a substrate; A boron nitride layer laminated on the substrate; A graphene semiconductor stacked on the boron nitride layer and including source and drain regions spaced at predetermined intervals; A gate insulating layer stacked between the source and drain regions of the graphene semiconductor; And source, drain, and gate electrodes stacked on the source, drain region, and gate insulating film, respectively, wherein the graphene is formed by laser beam irradiation proceeding while flowing a carbon-containing gas on the boron nitride layer, Provided is a graphene transistor, which is patterned by laser beam irradiation under oxygen atmosphere conditions and has semiconductor characteristics.

본 발명의 반도체 소자 제조방법은 그래핀과 동일한 결정구조를 갖는 질화붕소(Boron Nitride(BN))를 레이저 빔으로 제조한다. 더 나아가, 상기 질화붕소층 상에 동일 방식으로 그래핀을 적층하고, 다시 레이저 빔으로 이를 패터닝하여, 그래핀 소자의 밴드갭을 조절하며, 그 결과 그래핀 반도체 소자가 효과적으로 제조될 수 있다. 따라서, 종래의 실리콘 기판에서 제조된 트랜지스터 소자보다 캐리어 이동도가 상당 수준 향상된다. 더 나아가, 고온의 열처리 대신 레이저 빔을 이용하여, 도핑 등의 공정을 진행하므로, 공정 경제적 측면에서의 장점이 있다. In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, boron nitride (BN) having the same crystal structure as graphene is manufactured by a laser beam. Furthermore, graphene is laminated on the boron nitride layer in the same manner, and patterned again by a laser beam to adjust the bandgap of the graphene device, and as a result, the graphene semiconductor device may be effectively manufactured. Thus, the carrier mobility is considerably improved over the transistor device manufactured in the conventional silicon substrate. Furthermore, since a laser beam is used instead of a high temperature heat treatment, a doping process is performed, and thus, there is an advantage in process economics.

도 1 내지 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 반도체 제조방법의 단계별 도면이다.
도 20 내지 32는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 반도체 소자 제조방법의 단계별 도면이다.
도 33은 상술한 그래핀 반도체 구조로부터 유도할 수 있는 다양한 방식의 그래핀 트랜지스터 단면도이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버(13)의 모식도이다.
도 35는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조장치의 전체 모식도이다. 1 to 19 are step-by-step views of a graphene semiconductor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
20 to 32 are step-by-step views of a graphene semiconductor device manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
33 is a cross-sectional view of graphene transistors in various ways that can be derived from the graphene semiconductor structure described above.
34 is a schematic diagram of a chamber 13 according to an embodiment of the present invention.
35 is an overall schematic diagram of a semiconductor device manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout. In addition, abbreviations displayed throughout this specification should be interpreted to the extent that they are known and used in the art unless otherwise indicated herein.

도 1 내지 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 반도체 제조방법의 단계별 도면이다.1 to 19 are step-by-step views of a graphene semiconductor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 사파이어(Al2O3) 기판(101)이 개시된다. 하지만, 본 발명에 사용되는 기판은 통상의 반도체 공정이 진행될 수 있는 임의의 모든 기판이 될 수 있으며, 예를 들면, 실리콘 기판, 실리콘산화물/실리콘 기판, 메탈이 증착된 실리콘 기판, 구리 호일(Cu foil) 등도 사용될 수 있다.Referring to FIG. 1, a sapphire (Al 2 O 3) substrate 101 is disclosed. However, the substrate used in the present invention may be any substrate that can be subjected to a conventional semiconductor process, for example, a silicon substrate, a silicon oxide / silicon substrate, a metal deposited silicon substrate, a copper foil (Cu foil) and the like can also be used.

도 2를 참조하면, 상기 기판(101)위에 질소 함유 도핑가스 및 붕소 함유 도핑가스를 동시에 흘리면서, 레이저 빔을 상기 기판에 조사한다(제 1 레이저 빔 조사). 본 발명의 일 실시예에서 상기 질소 함유 도핑가스는 암모니아(NH3)이었으며, 붕소 함유 도핑가스는 B2H6이었다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, BCl3, BF3 등의 다양한 도핑가스가 사용가능하다. Referring to FIG. 2, a laser beam is irradiated onto the substrate while simultaneously flowing a nitrogen-containing doping gas and a boron-containing doping gas on the substrate 101 (first laser beam irradiation). In one embodiment of the present invention, the nitrogen-containing doping gas was ammonia (NH 3), and the boron-containing doping gas was B 2 H 6. However, the scope of the present invention is not limited thereto, and various doping gases such as BCl 3 and BF 3 may be used.

조사되는 레이저에 의하여 해당 조사영역의 도핑가스는 분해되어, 질화붕소(BN) 층을 형성하는데, 이는 붕소 함유 도핑가스와 질소 함유 도핑가스의 동시 분해에 의한 것이다. 이로써, 기판(101) 상에 질화붕소층(102)이 형성되는데, 상기 질화붕소층 형성영역은 레이저 빔의 조사 영역에 대응된다. The doping gas in the irradiation region is decomposed by the irradiated laser to form a boron nitride (BN) layer, which is caused by simultaneous decomposition of the boron-containing doping gas and the nitrogen-containing doping gas. As a result, the boron nitride layer 102 is formed on the substrate 101, and the boron nitride layer forming region corresponds to the irradiation region of the laser beam.

본 발명은 이와 같이 그래핀 등과 같은 반도체 소자층이 상부에 형성되는 하부 기판인 질화붕소층(102)을 레이저 빔으로 제조하는 방식을 제공한다. 일반적인 질화붕소층은 플라즈마 화학증착법과 같은 고열 반응을 통하여 제조되나, 본 발명은 고열 반응이 아닌 레이저 빔 반응을 통하여 질화붕소층(102)을 기판 상에 형성시킨다. As described above, the present invention provides a method of manufacturing the boron nitride layer 102, which is a lower substrate, on which a semiconductor device layer such as graphene is formed. A general boron nitride layer is manufactured through a high thermal reaction such as plasma chemical vapor deposition, but the present invention forms the boron nitride layer 102 on a substrate through a laser beam reaction rather than a high thermal reaction.

도 3 및 4를 참조하면, 순차적으로 레이저 빔의 조사 영역을 기판(101) 상에서 이동시켜, 기판(101) 전체에 질화붕소층(102)을 형성시킨다. 이때, 상술한 바와 같이 질소 함유 도핑가스와 붕소 함유 도핑가스는 지속적으로 유입되는 상태이다.3 and 4, the boron nitride layer 102 is formed on the entire substrate 101 by sequentially moving the laser beam irradiation region on the substrate 101. At this time, as described above, the nitrogen-containing doping gas and the boron-containing doping gas are continuously introduced.

더 나아가, 본 발명의 일 실시예는 질화붕소층(102)을 형성시킨 레이저 빔을 이용, 상기 질화붕소층(102) 상에 그래핀 반도체 소자를 형성시키는데, 이러한 질화붕소층-기반 그래핀 반도체 소자는 실리콘 기판 반도체 소자에 비하여 캐리어 이동도가 상당 수준 향상되는데, 본 발명은 이를 레이저 빔의 복수 회 조사를 통하여 다층 반도체 소자를 제조한다. Furthermore, an embodiment of the present invention forms a graphene semiconductor device on the boron nitride layer 102 by using a laser beam on which the boron nitride layer 102 is formed, such a boron nitride layer-based graphene semiconductor. The device has a considerably improved carrier mobility compared to the silicon substrate semiconductor device, and the present invention manufactures a multilayer semiconductor device through a plurality of irradiations of a laser beam.

도 5를 질화붕소층(102) 상에 탄소를 포함하는 반응가스를 흘림으로써, 상기 질화붕소층(102)에 접촉시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스는 메탄(CH4), 수소(H2) 및 아르곤(Ar)과 같은 불활성가스를 포함한다. 여기에서, 메탄은 그래핀 성장을 위한 탄소를 공급하며, 수소는 환원분위기를 통하여, 그래핀의 산화를 방지한다. 이후, 반응가스와 접촉하는 기판(보다 구체적으로는 질화붕소층(102))에 대하여 레이저 빔 조사를 진행한다(제 2 레이저 빔 조사). 이로써 조사되는 레이저 빔에 의하여 해당 기판 영역과 접촉하는 반응가스, 특히 반응가스의 탄소함유 기체종(메탄)은 분해되고, 이에 따라 그래핀이 레이저 빔이 조사된 영역에서만 성장한다. 이로써 펨토초 수준의 분해속도를 갖는 메탄 가스는 나노초 수준의 레이저 빔 조사에 의하여 기판(실리콘 산화물층)상에서 효과적으로 분해되어, 탄소가 기판위에 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 레이저 빔의 파워는 2 내지 100W 수준이었고, 레이저 빔의 라인 폭은 2 내지 4㎛, 길이는 수 센티미터 수준이었다. 하지만, 본 발명의 범위는 상술한 레이저 빔의 종류와 조건에 제한되지 않으며, 고체 레이저 등도 사용될 수 있다. 예를 들면 레이저는 펄스 레이저뿐만 아니라 CW(continuous wave) 레이저도 이용이 가능하다.5, the reaction gas containing carbon flows on the boron nitride layer 102 to contact the boron nitride layer 102. As shown in FIG. In one embodiment of the present invention, the reaction gas includes an inert gas such as methane (CH 4 ), hydrogen (H 2 ) and argon (Ar). Here, methane supplies carbon for graphene growth, and hydrogen prevents oxidation of graphene through a reducing atmosphere. Thereafter, laser beam irradiation is performed on the substrate (more specifically, the boron nitride layer 102) in contact with the reaction gas (second laser beam irradiation). The reaction gas, in particular the carbon-containing gas species (methane) of the reaction gas, is decomposed by the laser beam irradiated thereby, so that the graphene grows only in the region where the laser beam is irradiated. As a result, methane gas having a femtosecond decomposition rate is effectively decomposed on the substrate (silicon oxide layer) by nanosecond laser beam irradiation, and carbon is deposited on the substrate. In one embodiment of the present invention, the power of the laser beam was in the range of 2 to 100 W, the line width of the laser beam was 2 to 4 μm, and the length was a few centimeters. However, the scope of the present invention is not limited to the types and conditions of the above-described laser beam, a solid state laser or the like may also be used. For example, the laser may use not only pulse laser but also CW (continuous wave) laser.

레이저 빔의 조사에 따라 레이저 빔이 조사된 기판 영역은 900 내지 2000℃로 상승하며, 이에 따라 온도 상승된 기판과 접촉하는 반응가스의 메탄가스는 분해된다. 따라서, 본 발명에서 사용된 레이저 빔의 범위는 그 종류와 치수에 관계없이 조사된 기판의 온도를 900 내지 2000℃ 수준으로 상승시킬 수 있는 임의의 모든 레이저 빔을 다 포함한다.According to the irradiation of the laser beam, the substrate region irradiated with the laser beam rises to 900 to 2000 ° C., whereby the methane gas of the reaction gas in contact with the elevated temperature substrate is decomposed. Thus, the scope of the laser beam used in the present invention includes any laser beam capable of raising the temperature of the irradiated substrate to the level of 900 to 2000 ° C regardless of its type and dimension.

도 5를 참조하면, 레이저 빔 조사에 따라 기판의 일 영역에서 그래핀(103)이 성장하며, 이는 상술한 바와 같다. Referring to FIG. 5, the graphene 103 grows in one region of the substrate according to the laser beam irradiation, as described above.

도 6 및 7을 참조하면, 레이저 빔이 조사되어 그래핀이 성장한 기판의 일 영역 이외의 타 영역으로 레이저 빔이 조사된다. 즉, 본 발명은 기판에 조사되는 레이저 빔을 이동시킴으로써, 그래핀(103)의 성장, 적층 영역을 이동시키는데, 이를 위하여 레이저 빔이 이동하거나 또는 기판 자체가 이동하는 방식 모두 가능하다. 특히 본 발명에 따른 그래핀 제조방법은 레이저 빔이 가지는 작은 라인 폭 때문에, 그래핀 성장 영역의 정밀한 제어가 가능하다는 장점이 있으며, 도 7에서 도시된 바와 같이 레이저 빔 조사에 따라 수평으로 성장한 그래핀(103)이 질화붕소층(102) 상에 형성되며, 이로써 대면적의 그래핀이 제조가능하다. Referring to FIGS. 6 and 7, the laser beam is irradiated to other regions other than one region of the substrate on which graphene is grown. That is, the present invention moves the growth and stacking region of the graphene 103 by moving the laser beam irradiated to the substrate, for this purpose, both the laser beam or the substrate itself can be moved. In particular, the graphene manufacturing method according to the present invention has the advantage that the precise control of the graphene growth region is possible because of the small line width of the laser beam, as shown in FIG. 103 is formed on the boron nitride layer 102, whereby a large area of graphene can be produced.

도 8을 참조하면, 상기 그래핀(103)이 형성된 기판에 산소(O2)를 흘리면서, 레이저 빔을 조사한다(제 3 레이저 빔 조사). 특히 산소 분위기에서 조사되는 레이저 빔은 산소를 활성화시켜, 그래핀 산화를 촉진시키며, 이로써 그래핀이 제거된다. 즉, 본 발명에서는 산소 분위기의 레이저 빔 조사에 의하여 그래핀 패터닝이 가능하며, 여기에서, 산소 분위기에서 레이저 빔을 단일층 그래핀(102)의 일 영역에 조사한다. 본 발명에서 산소 분위기라 함은 산소로만 이루어진 기체 분위기 만을 의미할 뿐만 아니라, 산소를 포함하는 기체 분위기를 모두 총칭하며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. Referring to FIG. 8, while irradiating oxygen (O 2) to the substrate on which the graphene 103 is formed, the laser beam is irradiated (third laser beam irradiation). In particular, a laser beam irradiated in an oxygen atmosphere activates oxygen to promote graphene oxidation, thereby removing graphene. That is, in the present invention, graphene patterning may be performed by laser beam irradiation in an oxygen atmosphere, and the laser beam is irradiated to one region of the single layer graphene 102 in an oxygen atmosphere. In the present invention, the oxygen atmosphere not only means a gas atmosphere made of oxygen alone, but also refers to all of the gas atmospheres containing oxygen, which all belong to the scope of the present invention.

이로써, 산소 기체 또는 산소를 포함하는 기체가 공급된 상태에서 조사된 레이저 빔에 의하여 레이저 빔이 조사된 그래핀(103)은 제거되며, 이때 상기 제거되는 그래핀 영역은 조사되는 레이저 빔 영역에 대응된다. As a result, the graphene 103 irradiated with the laser beam by the irradiated laser beam is removed while oxygen gas or oxygen-containing gas is supplied, and the removed graphene region corresponds to the irradiated laser beam region. do.

도 9 및 10을 참조하면, 동일한 산소 분위기에서 레이저 빔이 조사되는 기판 영역을 이동시켜, 불필요한 영역의 그래핀을 제거하고, 이로써 도 10에서 도시한 바와 같이 원하는 패턴(사각 형태)의 그래핀 소자(단위 그래핀 소자)를 얻게 된다. 도 10에서는 4개의 단위 그래핀 소자가 개시되나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 본 발명자는 상기 그래핀 소자의 에너지 밴드 갭을 열어서 반도체를 만들기 위해서는 나노 리본 패턴의 그래핀 단일층이 필요한 점에 주목하였다. 이를 위하여 도 12에서와 같이 나노리본 형태로서 그래핀 소자 가로 길이(즉, 중심 너비)가 10nm 이하가 되도록 그래핀 소자를 패터닝할 필요가 있다. 따라서, 도 11 및 12에서와 같이, 단위 그래핀 소자들의 외측 영역을 산소분위기하에서 레이저 빔 처리(제 4 레이저 빔 조사)하여 제거하며, 이로써 10nm 이하의 폭을 갖는 그래핀 반도체 소자(104)가 완성된다. 즉, 본 발명은 기판에서 질화붕소층, 단일층 그래핀의 성장과 성장한 그래핀의 패터닝을 모두 레이저 빔에 의하여 수행하며, 이로써 반도체 특성의 그래핀이 제조될 수 있다. 더 나아가, 짧은 파장 거리의 레이저 빔 특성에 따라 정밀한 밴드갭 제어가 가능하다는 장점이 있다. 9 and 10, the region of the substrate to which the laser beam is irradiated in the same oxygen atmosphere is moved to remove the unnecessary region of graphene, thereby forming a graphene element having a desired pattern (square) as shown in FIG. 10. (Unit graphene device) is obtained. In FIG. 10, four unit graphene devices are disclosed, but the scope of the present invention is not limited thereto. The inventors noted that a graphene monolayer of a nanoribbon pattern is required to open the energy band gap of the graphene device to make a semiconductor. For this purpose, it is necessary to pattern the graphene device such that the graphene device horizontal length (ie, the center width) is 10 nm or less in the form of nanoribbons as shown in FIG. 12. Accordingly, as shown in FIGS. 11 and 12, the outer regions of the unit graphene devices are removed by laser beam treatment (fourth laser beam irradiation) under an oxygen atmosphere, whereby the graphene semiconductor device 104 having a width of 10 nm or less is removed. Is completed. That is, in the present invention, both the growth of the boron nitride layer and the single layer graphene on the substrate and the patterning of the grown graphene are performed by a laser beam, whereby graphene having semiconductor characteristics can be manufactured. Furthermore, there is an advantage that precise bandgap control is possible according to the laser beam characteristics of the short wavelength distance.

도 13에서는 질화붕소층(102) 상에 복수 개의 패터닝된 복수 개의 그래핀 반도체 소자(104)가 제조된다. 여기에서 그래핀 반도체 소자는 그래핀이나, 밴드갭 에너지가 반도체로서 기능할 수 있는 수준으로 패터닝된 소자층을 의미한다. In FIG. 13, a plurality of patterned graphene semiconductor devices 104 are manufactured on the boron nitride layer 102. Here, the graphene semiconductor device refers to graphene or a device layer patterned to a level at which bandgap energy can function as a semiconductor.

도 14에서는 반도체 특성을 갖도록 패터닝된 그래핀 반도체 소자에, 도핑되어야 하는 불순물 중 하나인 붕소를 포함하는 도핑가스(B2H6, 메탄가스)가 공급되며, 그래핀 소자의 양 끝 영역(105)을 레이저 빔으로 열 처리한다(제 5 레이저 빔 조사). 이로써 리본 형태의 소자 양 끝 부분에는 붕소가 도핑된다(도 14 및 15의 좌측 열 반도체 소자). 동일한 방식으로 기판에 형성된 복수 개의 단위 그래핀 소자에 대한 질소 도핑을 진행하는데, 이를 위하여 NH3 및 메탄을 포함하는 또 다른 도핑가스를 기판에 흘리면서, 도핑되어야 하는 소자 영역을 레이저 빔으로 열 처리한다(도 16 및 17의 우측 열 반도체 소자). 이로써 4개의 나노리본 형태의 그래핀 단위 소자에서, 좌측 두 개는 양 끝 영역(105)에 붕소가 도핑되며(104), 우측 두 개 소자의 양 끝 영역(106)에 질소가 도핑된다. 상술한 바와 같이 상기 도핑된 그래핀 영역은 그래핀 기반 트랜지스터의 소스 및 드레인 영역이 됨은 상술한 바와 같다. In FIG. 14, a doping gas (B 2 H 6 , methane gas) containing boron, which is one of impurities to be doped, is supplied to a graphene semiconductor device patterned to have semiconductor characteristics, and both end regions 105 of the graphene device are supplied. ) Is heat treated with a laser beam (fifth laser beam irradiation). As a result, boron is doped at both ends of the ribbon element (left column semiconductor elements of FIGS. 14 and 15). Nitrogen doping of the plurality of unit graphene devices formed on the substrate is performed in the same manner. To do this, another doping gas containing NH 3 and methane is flowed to the substrate, and the device region to be doped is thermally treated with a laser beam. (Right column semiconductor elements in FIGS. 16 and 17). As a result, in the graphene unit device having four nanoribbons, boron is doped at both end regions 105 at the left two sides and nitrogen is doped at both end regions 106 of the two right elements. As described above, the doped graphene region becomes the source and drain region of the graphene-based transistor as described above.

도 18을 참조하면, 트랜지스터 소자를 만들기 위하여, 그래핀 반도체 소자의 양 끝 도핑 영역(104, 105) 사이의 그래핀 위로 HfO2 등의 절연막(107)이 적층된다. 상기 절연막(107)은 게이트 절연층으로 기능하며, 임의의 다른 절연물질이 상기 절연막(107) 물질로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 18, an insulating film 107 such as HfO 2 is stacked on the graphene between the doped regions 104 and 105 at both ends of the graphene semiconductor device to form a transistor device. The insulating film 107 functions as a gate insulating layer, and any other insulating material may be used as the insulating film 107.

도 19를 참조하면, 상기 절연막(107) 적층 후 단위 그래핀 소자의 도핑영역(소스, 드레인 영역)과 게이트 절연층인 절연막(106) 위로 금속층(107)이 적층되고, 패터닝된다. 이로써 소스, 드레인 전극(도핑 영역(104, 105)과 연결된 금속층)과 게이트 전극(도핑 영역 사이의 절연막과 연결된 금속층)으로 구성된 그래핀 기반 트랜지스터가 제조된다. Referring to FIG. 19, after the insulating layer 107 is stacked, the metal layer 107 is stacked and patterned on the doping region (source and drain region) of the unit graphene device and the insulating layer 106 which is a gate insulating layer. This manufactures a graphene-based transistor composed of a source and a drain electrode (metal layer connected to the doped regions 104 and 105) and a gate electrode (metal layer connected to an insulating film between the doped regions).

본 발명의 또 다른 일 실시예는 기판 전체에 질화붕소층을 형성하는 대신, 선택적으로 그래핀 반도체 소자를 제조하고자 하는 기판 영역에서 질화붕소층을 형성시키는 기술구성을 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a technical configuration for forming a boron nitride layer in the substrate region to selectively manufacture a graphene semiconductor device, instead of forming a boron nitride layer on the entire substrate.

도 20 내지 32는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 반도체 소자 제조방법의 단계별 도면이다.20 to 32 are step-by-step views of a graphene semiconductor device manufacturing method according to another embodiment of the present invention.

도 20에는 도 1과 유사하게 사파이어 기판이 개시된다. 하지만, 사파이어 기판 이외에 실리콘 기판 등의 다양한 기판이 사용될 수 있음은 상술한 바와 같다. 20, a sapphire substrate is disclosed similarly to FIG. 1. However, as described above, various substrates such as a silicon substrate may be used in addition to the sapphire substrate.

도 21을 참조하면, 붕소 함유 도핑가스와 질소 함유 도핑가스를 동시에 흘리면서, 레이저 빔을 기판의 특정 영역에 조사한다(제 1 레이저 빔 조사). 이로써 특정 영역에서만 질화붕소층(102)이 형성된다(도 22 참조)Referring to Fig. 21, while irradiating a boron-containing doping gas and a nitrogen-containing doping gas simultaneously, the laser beam is irradiated to a specific region of the substrate (first laser beam irradiation). As a result, the boron nitride layer 102 is formed only in a specific region (see FIG. 22).

이후, 상기 질화붕소층(102)이 형성된 영역에 탄소함유 가스(메탄가스) 및 수소 가스의 혼합가스를 흘리면서, 제 2 레이저 빔 조사를 진행하여, 그래핀(103)을 형성시킨다(도 23 및 24 참조).Thereafter, the second laser beam is irradiated while flowing a mixed gas of carbonaceous gas (methane gas) and hydrogen gas in a region where the boron nitride layer 102 is formed to form graphene 103 (FIGS. 23 and 24).

이후 산소 분위기에서 레이저 빔을 조사하여, 충분한 밴드갭을 얻을 수 있는 수준으로 그래핀(103)을 패터닝하여, 그래핀 반도체(104)를 질화붕소층(102) 위에 형성시킨다(제 3 레이저 빔 조사, 도 25, 26 참조).Thereafter, the laser beam is irradiated in an oxygen atmosphere, and the graphene 103 is patterned to a level capable of obtaining a sufficient band gap, thereby forming the graphene semiconductor 104 on the boron nitride layer 102 (third laser beam irradiation). , FIGS. 25, 26).

도 26에서는 아령형의 그래핀 소자가 질화붕소층(102) 상에 형성되며, 이러한 구조의 그래핀은 반도체 특성의 밴드갭을 갖는다. In FIG. 26, a dumbbell-type graphene device is formed on the boron nitride layer 102, and graphene having such a structure has a band gap of semiconductor characteristics.

이후 아령형 또는 리본형의 그래핀 반도체(104) 소자의 양 끝 부분의 그래핀층(103)에 붕소를 도핑하는데, 도 27, 28에서는 B2H6 와 CH4 가스를 흘리면서 레이저 빔을 조사하여(제 4 레이저 빔 조사), 좌측 2개 열의 그래핀 반도체(104)과 연결된 그래핀층(103)의 양 끝에 도핑 영역(붕소 도핑 영역, 105)을 형성시킨다. Then, doping boron in the graphene layer 103 at both ends of the dumbbell-shaped or graphene semiconductor device 104, in Figure 27, 28 irradiating a laser beam while flowing B 2 H 6 and CH 4 gas (Fourth laser beam irradiation), doped regions (boron doped regions 105) are formed at both ends of the graphene layer 103 connected to the graphene semiconductor 104 in the two left columns.

또한 도 29, 30에서는 NH3 와 CH4 가스를 공급하면서 레이저 빔을 선택적으로 조사하여, 상기 레이저 빔이 조사된 영역에 질소가 도핑된 도핑 영역(106)을 형성시킨다. 이때 질소 도핑 영역(106)은 우측 열의 단위 그래핀 반도체(104)의 양 끝에 연결되며, 이는 소스-게이트-드레인으로 이루어지는 트랜지스터 중 소스, 드레인 영역을 형성시키기 위함이다.29 and 30, NH 3 And selectively irradiate the laser beam while supplying the CH 4 gas to form a doped region 106 doped with nitrogen in the region irradiated with the laser beam. In this case, the nitrogen doped region 106 is connected to both ends of the unit graphene semiconductor 104 in the right column, so as to form source and drain regions of a transistor including a source-gate-drain.

도 31, 32를 참조하면, 상기 소스, 드레인 영역인 붕소 또는 질소 도핑 영역(105, 106) 사이의 그래핀 반도체(104)의 중간영역, 즉 미도핑영역에 게이트 절연층(104)을 적층한다. 본 발명의 일 실시예에서는 HfO2층을 게이트 절연층(104)으로 사용하였으나, 실리콘산화물 등의 산화물층도 상기 게이트 절연층(104)으로 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. Referring to FIGS. 31 and 32, a gate insulating layer 104 is stacked in an intermediate region of the graphene semiconductor 104, that is, an undoped region, between the source and drain regions of boron or nitrogen doped regions 105 and 106. . In an embodiment of the present invention, the HfO 2 layer is used as the gate insulating layer 104, but an oxide layer such as silicon oxide may also be used as the gate insulating layer 104, which is also within the scope of the present invention.

이후 통상적인 트랜지스터 제조공정에 따라 트랜지스터가 제조된다. 즉, 금속층(Metal)을 적층하여, 소스, 드레인 전극 및 게이트 전극을 형성시키며, 이는 종래의 일반적인 방식을 따르므로 이하 생략한다. After that, the transistor is manufactured according to a conventional transistor manufacturing process. That is, a metal layer (Metal) is stacked to form a source, a drain electrode and a gate electrode, which is omitted below since it follows a conventional general scheme.

도 33은 상술한 그래핀 반도체 구조로부터 유도할 수 있는 다양한 방식의 그래핀 트랜지스터 단면도이다.33 is a cross-sectional view of graphene transistors in various ways that can be derived from the graphene semiconductor structure described above.

하지만, 본 발명의 범위는 상기 구조에 제한되지 않으며, 질화붕소층 상에 레이저 빔을 이용하여 제조된 반도체 특성의 그래핀을 포함하는 임의의 모든 트랜지스터가 본 발명에 속하며, 상술한 그래핀 반도체 제조방법은 상술한 바와 같다. 즉, 질화붕소층 상에 형성된 그래핀을 또 레이저 빔으로 패터닝하여 밴드갭을 조절하여, 트랜지스터를 제조하는 이상, 이는 모두 본 발명의 범위에 속하며, 이는 본 발명에 따른 반도체 소자의 기본 구조로 모두 포함됨은 당업자에게 자명하다. However, the scope of the present invention is not limited to the above structure, and any transistor including graphene of semiconductor properties manufactured by using a laser beam on the boron nitride layer belongs to the present invention, the above-described graphene semiconductor manufacturing The method is as described above. That is, as long as the graphene formed on the boron nitride layer is patterned with a laser beam to adjust the band gap to manufacture a transistor, all of them fall within the scope of the present invention, which is a basic structure of the semiconductor device according to the present invention. Inclusion is apparent to those skilled in the art.

도 34는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버(13)의 모식도이다. 34 is a schematic diagram of a chamber 13 according to an embodiment of the present invention.

도 34를 참조하면, 본 발명 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조장치의 챔버(13)는 외부와 차단된 진공 챔버 형태로서, 챔버(13) 외부의 진공라인(미도시)가 연결되는 제 1 홀(15) 및 기판(w)이 놓이는 플레이트(17)을 포함한다. 상기 플레이트(17)에는 기판의 온도를 상승시킬 수 있는 가열수단(미도시)이 더 구비될 수 있으며, 이로써 레이저 빔에 의한 조사만으로 대상층(질화붕소층 또는 그래핀)을 성장시키는 경우에 비하여 온도상승에 따라 그래핀 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 챔버(13)의 외벽에는 내부에 반응가스를 공급하기 위한 또 다른 제 2 홀(19)이 더 구비된다. Referring to FIG. 34, the chamber 13 of the semiconductor device manufacturing apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention is in the form of a vacuum chamber that is blocked from the outside, and includes a first hole to which a vacuum line (not shown) outside the chamber 13 is connected. 15 and the plate 17 on which the substrate w is placed. The plate 17 may further include a heating means (not shown) for raising the temperature of the substrate, thereby increasing the temperature of the target layer (boron nitride layer or graphene) only by irradiation with a laser beam. As it rises, graphene properties can be improved. In addition, the outer wall of the chamber 13 is further provided with another second hole 19 for supplying a reaction gas therein.

도 35는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조장치의 전체 모식도이다. 35 is an overall schematic diagram of a semiconductor device manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.

도 35를 참조하면, 레이저 빔 발생부(21)로부터 생성된 레이저 빔은 광학시스템(23) 및 마스크 스테이지(25)를 거친 후, 대상 기판이 내부에 적치된 챔버(27)로 조사된다. 상기 챔버(27)는 도 15 및 16에서 설명한 챔버(13)에 대응하는 것으로, 별도의 반응가스 공급 시스템이 연결될 수 있다. 본 발명에 따른 반도체 소자 제조장치는 대면적으로의 질화붕소층 또는 그래핀 성장을 위하여, 기판 자체를 이동시키는 수단 또는 레이저 빔을 이동시키는 수단을 더 포함할 수 있다. 이로써 원하는 영역에서의 선택적인 소자층 성장이 가능하다. 즉, 연속적으로 레이저 빔의 조사 영역을 순차적으로 이동시킴으로써, 대면적 기판에서 연속적인 대상층 성장을 유도할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조장치에 따라 조사시간과 조사영역의 이동속도를 조절하여, 균일한 높이의 질화붕소층 또는 그래핀의 소자층이2차원적으로 연속 성장할 수 있다. 상기 레이저 빔 이동수단 또는 기판 수단은 당업계에 사용되는 임의의 모든 수단일 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. 이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Referring to FIG. 35, the laser beam generated from the laser beam generator 21 passes through the optical system 23 and the mask stage 25 and is then irradiated into the chamber 27 in which the target substrate is placed. The chamber 27 corresponds to the chamber 13 described with reference to FIGS. 15 and 16, and a separate reaction gas supply system may be connected. The semiconductor device manufacturing apparatus according to the present invention may further include a means for moving the substrate itself or a means for moving the laser beam for the large-area boron nitride layer or graphene growth. This allows for selective device layer growth in the desired area. That is, by sequentially moving the irradiation region of the laser beam sequentially, it is possible to induce continuous object layer growth on a large area substrate. That is, according to the semiconductor device manufacturing apparatus according to the present invention by adjusting the irradiation time and the moving speed of the irradiation area, the boron nitride layer or graphene device layer of uniform height can be continuously grown in two dimensions. The laser beam moving means or substrate means can be any means used in the art, all of which are within the scope of the present invention. Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand.

Claims (19)

반도체 소자 제조방법으로, 상기 방법은
기판상에 붕소 함유 도핑가스 및 질소 함유 도핑 가스를 동시에 흘리면서, 레이저 광원으로부터 발생하는 레이저 빔을 상기 기판에 제 1 조사하여 질화붕소층을 형성시키는 단계;
상기 질화붕소층상에 탄소함유가스, 수소가스 및 불활성가스를 동시에 흘리면서, 상기 레이저 광원으로부터 발생하는 레이저 빔을 제 2 조사하여, 상기 질화붕소층상에 그래핀층을 형성하는 단계;
산소 분위기에서 상기 레이저 광원으로부터 발생하는 레이저 빔을 상기 그래핀층에 제 3 조사하여,중심너비가 10nm 이하인 리본 형태로 상기 그래핀층을 패터닝하여 그래핀 반도체 소자를 제조하는 단계; 및
상기 리본 형태로 패터닝된 그래핀 반도체 소자의 양 끝에 질소 또는 붕소 함유 가스를 선택적으로 흘리면서, 상기 레이저 광원으로부터의 레이저 빔을 제 4 조사하여 상기 그래핀층에 소스 또는 드레인 영역을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법. In the semiconductor device manufacturing method, the method
Simultaneously irradiating a boron-containing doping gas and a nitrogen-containing doping gas on the substrate, and irradiating the substrate with a laser beam generated from a laser light source to form a boron nitride layer;
Simultaneously irradiating a laser beam generated from the laser light source while simultaneously flowing carbon-containing gas, hydrogen gas, and inert gas on the boron nitride layer to form a graphene layer on the boron nitride layer;
Manufacturing a graphene semiconductor device by patterning the graphene layer in the form of a ribbon having a center width of 10 nm or less by irradiating the graphene layer with a laser beam generated from the laser light source in an oxygen atmosphere; And
Irradiating a laser beam from the laser light source to form a source or drain region on the graphene layer by selectively flowing nitrogen or boron-containing gas at both ends of the graphene semiconductor device patterned in the ribbon form; A semiconductor device manufacturing method characterized in that. 제 1항에 있어서, 상기 방법은
상기 소스, 드레인 영역 형성 후 상기 소스, 드레인 영역 사이의 그래핀 상에 절연층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.The method of claim 1,
And forming an insulating layer on the graphene between the source and drain regions after forming the source and drain regions. 제 2항에 있어서, 상기 방법은
상기 소스, 드레인 영역 및 상기 절연층 상에 금속을 적층, 패터닝하여, 소스, 드레인 전극 및 게이트 전극을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.The method of claim 2, wherein the method
And depositing and patterning a metal on the source, drain region, and the insulating layer to form a source, a drain electrode, and a gate electrode. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 반도체 소자.

A semiconductor device manufactured by the method according to any one of claims 1 to 3.

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020110006115A 2010-09-16 2011-01-21 Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same KR101172625B1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110006115A KR101172625B1 (en) 2011-01-21 2011-01-21 Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same
US13/233,553 US20120068161A1 (en) 2010-09-16 2011-09-15 Method for forming graphene using laser beam, graphene semiconductor manufactured by the same, and graphene transistor having graphene semiconductor
PCT/KR2011/006917 WO2012036537A2 (en) 2010-09-17 2011-09-19 Apparatus and method for manufacturing graphene using a flash lamp or laser beam, and graphene manufactured by same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110006115A KR101172625B1 (en) 2011-01-21 2011-01-21 Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120084840A KR20120084840A (en) 2012-07-31
KR101172625B1 true KR101172625B1 (en) 2012-08-08

Family

ID=46715567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110006115A KR101172625B1 (en) 2010-09-16 2011-01-21 Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101172625B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014137180A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-12 울산대학교 산학협력단 Carbon based electronic device using partial reduction of graphene oxide and method for manufacturing same
US9515143B2 (en) 2013-03-18 2016-12-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Heterogeneous layered structure, method of preparing the heterogeneous layered structure, and electronic device including the heterogeneous layered structure

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2862839B1 (en) 2013-10-17 2016-06-08 University-Industry Foundation, Yonsei University Hydrogen surface-treated graphene, formation method thereof and electronic device comprising the same
KR20160014172A (en) 2014-07-28 2016-02-11 연세대학교 산학협력단 Manufacturing method of three dimensional metal oxide/graphene composite and battery comprising the same
KR102250190B1 (en) 2014-10-31 2021-05-10 삼성전자주식회사 Graphene structure having nanobubbles and method of fabricating the same
ES2940083T3 (en) 2016-05-12 2023-05-03 Globalwafers Co Ltd Direct formation of hexagonal boron nitride on silicon-based dielectrics

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080128397A1 (en) * 2006-11-06 2008-06-05 Unidym, Inc. Laser patterning of nanostructure-films

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080128397A1 (en) * 2006-11-06 2008-06-05 Unidym, Inc. Laser patterning of nanostructure-films

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014137180A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-12 울산대학교 산학협력단 Carbon based electronic device using partial reduction of graphene oxide and method for manufacturing same
US9515143B2 (en) 2013-03-18 2016-12-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Heterogeneous layered structure, method of preparing the heterogeneous layered structure, and electronic device including the heterogeneous layered structure

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120084840A (en) 2012-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20120068161A1 (en) Method for forming graphene using laser beam, graphene semiconductor manufactured by the same, and graphene transistor having graphene semiconductor
KR101172625B1 (en) Method for manufacturing semiconductor device, graphene semiconductor and transistor manufactured by the same
US8354323B2 (en) Doped graphene electronic materials
Yu et al. Synthesis of high quality two-dimensional materials via chemical vapor deposition
US8278643B2 (en) Doped graphene electronic materials
Wei et al. Laser direct synthesis of graphene on quartz
Petridis et al. Post-fabrication, in situ laser reduction of graphene oxide devices
JP5105028B2 (en) Conductive thin film and transparent conductive film containing graphene
US8927969B2 (en) Doped graphene electronic materials
US8426842B2 (en) Doped graphene electronic materials
CN102097297B (en) Method for depositing high k gate dielectrics on atomic layer on graphene surface by adopting electric field induction
CN103718296A (en) Method for producing graphene nanomesh and method for manufacturing semiconductor device
Hussain et al. Fine tuning the band-gap of graphene by atomic and molecular doping: a density functional theory study
JP6052537B2 (en) Graphene structure, semiconductor device using the same, and manufacturing method thereof
Ahmadi et al. Application of lasers in the synthesis and processing of two-dimensional quantum materials
KR101206136B1 (en) Method for improving graphene property, method for manufacturing graphene using the same, graphene manufactured by the same
KR101780441B1 (en) Apparatus and method for fabricating Graphene films using a laser
KR101127742B1 (en) Method for manufacturing graphene, graphene manufactured by the same, manufacturing device for the same
US8455981B2 (en) Doped graphene electronic materials
KR101260606B1 (en) Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and grapheme semiconductor manufactured by the same
WO2012036537A2 (en) Apparatus and method for manufacturing graphene using a flash lamp or laser beam, and graphene manufactured by same
KR101169538B1 (en) Method for manufacturing graphene semiconductor device, graphene semiconductor device manufactured by the same, graphene transistor comprising the graphene semiconductor device
KR101198482B1 (en) Manufacturing apparatus and method for graphene using flash ramp, and graphene manufactured by the same
Sharma et al. Influence of copper foil polycrystalline structure on graphene anisotropic etching
KR101113287B1 (en) Method for manufacturing graphene semiconductor device, graphene semiconductor device manufactured by the same, graphene transistor comprising the graphene semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150729

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee