KR102339670B1 - 등각 탄소막들을 형성하는 방법, 등각 탄소막을 포함하는 구조체들과 디바이스들, 및 그것을 형성하는 시스템 - Google Patents
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Abstract
탄소막들을 형성하는 방법, 탄소막들을 포함하는 구조체들과 디바이스들, 및 탄소막들을 형성하기 위한 시스템들이 개시된다. 방법은 원자층 증착 (ALD) 을 이용하여 금속 탄화물막을 증착하는 단계를 포함한다. 금속 탄화물막으로부터 금속이 제거되어 금속 탄화물막으로부터 탄소막을 형성한다. 막들이 ALD 를 이용하여 형성되기 때문에, 막들은 기판의 표면에 대해 비교적 등각이고 비교적 균일한 두께를 가질 수 있다.
Description
본 개시물은 일반적으로 탄소막들을 형성하는 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 좀더 특히, 본 개시물은 등각 탄소막들을 형성하기에 적합한 방법들, 탄소막들을 포함하는 구조체들과 디바이스들, 및 막들을 형성하기 위한 시스템들에 관한 것이다.
탄소막들은 다양한 바람직한 특성들을 보일 수 있고, 따라서 다양한 응용들에 이용될 수 있다. 예를 들어, 탄소막들은, 마이크로전자공학 응용들 (예를 들어, 논리 디바이스들, 커패시터들, 또는 하드 마스크들) 에 있어서, 그리고 탄소 나노튜브 및 나노크리스털 응용들에 있어서, 코팅들을 위해, 배터리 컴포넌트들로서 (예를 들어, 리튬-이온 전지에서 양극 재료로서), 촉매 재료나 촉매 지원체로서, 전기적 에너지 저장, 메탄 저장, 수소 저장에 이용될 수 있다.
탄소막들은 통상적으로 화학적 기상 증착 (chemical vapor deposition; CVD) 기법 또는 물리적 기상 증착 (physical vapor deposition; PVD) 기법을 이용하여 형성된다. 그러한 기법들은 일부 응용들에서 비교적 잘 작동할 수 있으나, 증착되는 층들의 구조, 형태, 및 두께를 제어하는 것이 비교적 어려울 수 있다. 또한, 탄소를 증착하기 위한 통상적인 기법들은 고 종횡비 피쳐들 위에 등각막들을 형성하기에 적합하지 않다.
최근에, CVD 기법 또는 PVD 기법을 이용하여 금속 탄화물층을 증착하고 그 다음에 금속 탄화물막으로부터 금속을 제거하기 위해 염소 또는 다른 반응물에 금속 탄화물층을 노출시킴으로써 탄소막들을 형성하는 기법들이 개발되어 왔다. 그러한 기법들은 일반적으로 초기의 금속 탄화물막의 원래의 형상 또는 형태를 따르는 탄소막들을 생성한다. 금속 탄화물막들을 형성하는데 이용되는 CVD 방법 및 PVD 방법은 일반적으로 탄소막들을 증착하는데 이용되는 통상적인 방법들의 동일한 결점들을 겪는데, 즉, 증착되는 막들의 두께가 제어하기에 비교적 어렵고, 그러한 기법들은, 특히 고 종횡비 피쳐들 위에 놓여 형성되는 경우, 등각막들의 형성을 제공하지 않는다. 이에 따라, 등각 탄소층들과 구조체들을 형성하는 개선된 방법들과 시스템들 및 그 층들을 포함하는 디바이스들이 요구된다.
본 개시물의 다양한 실시형태들은 탄소막들을 형성하는 방법들, 탄소막들을 포함하는 구조체들과 디바이스들, 및 탄소막들을 형성하기 위한 시스템들에 관한 것이다. 본 개시물의 다양한 실시형태들이 탄소막들을 형성하는 것에 대한 선행 기술들의 단점들을 다루는 방식이 하기에서 보다 상세히 논의되나, 일반적으로, 본 개시물은, 기판의 표면 위의 엄격한 막 두께의 제어를 갖는 - 예를 들어, 기판 상의 큰 종횡비 피쳐 (feature) 들 위에 - 등각 탄소막들을 형성하는 방법들을 제공한다.
본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따르면, 탄소막을 형성하는 방법은 기판을 제공하는 단계, 원자층 증착 (atomic layer deposition; ALD) 을 이용하여, 기판 상에 금속 탄화물 (metal carbide) 의 층을 증착하는 단계, 및 기판 상에 탄소의 층을 형성하기 위해 금속 탄화물의 층으로부터 금속을 제거하는 단계를 포함한다. 예시적인 방법들은 금속 탄화물을 증착하기 위해 ALD 증착 기법들을 이용하기 때문에, 탄소막들이 고 종횡비 피쳐들 위에 형성될지라도, 증착돤 금속 탄화물들 및 그에 따른 결과적인 탄소막의 단분자층 (monolayer) 두께 제어가 달성될 수 있다. 본 실시형태들의 다양한 양상들에 따르면, 증착된 막들은 10, 15, 또는 20 이상의 종횡비를 갖는 피쳐들 위에 증착되는 경우 적어도 80, 90, 또는 95 퍼센트 등각이고, 이러한 종횡비들을 갖는 피쳐들 위의 하나의 단분자층들 내에서 등각일 수도 있다. 본 실시형태들의 추가적인 양상들에 따르면, 금속 탄화물의 층으로부터 금속을 제거하는 단계는 염소, 브롬, 및 요오드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 가스와 같은, 탄소를 식각하지 않는 할로겐 가스에 금속 탄화물을 노출시키는 단계를 포함한다. 할로겐 가스는, 예를 들어, 여기된 종의 염소, 브롬, 및/또는 요오드를 형성하도록, 직접적인 플라즈마나 간접적인 플라즈마에, 또는 열적 여기 (excitation) 에 노출될 수도 있다. 본 실시형태들의 또 다른 양상들에 따르면, 금속 탄화물의 층으로부터 금속을 제거하는 단계는 증착하는 단계의 모든 증착 사이클 후에, 미리 결정된 횟수의 증착 사이클들 후에, 미리 결정된 시간 후에, 또는 미리 결정된 두께의 금속 탄화물층이 증착된 후에 수행될 수 있다. 금속을 제거하는 단계는 - 예를 들어, 기판이 증착하는 단계와 제거하는 단계 사이에서 진공 파괴 (vacuum break) 에 노출되지 않도록 - 금속 탄화물의 층을 증착하는데 이용되는 것과 동일한 반응기 챔버에서 인-시츄 (in-situ) 로 수행될 수 있다. 본 실시형태들의 또 다른 추가적인 양상들에 따르면, 금속 탄화물의 층으로부터 금속을 제거하는 단계의 기간은 반응기 챔버 내의 식각 산물들을 모니터링하고/하거나 프로세스 단계에 대한 종단점을 결정함으로써 결정된다. 이러한 예시적인 방법들의 다양한 예들이 탄소의 박막들 (예를 들어, 10 개 이하 단분자층, 5 개 이하 단분자층, 2 개 단분자층, 또는 1 개 단분자층) 을 형성하는데 이용될 수 있다. 이러한 실시형태들의 추가적인 양상들에 따르면, 증착하는 단계는 약 350℃ 이하의 온도에서 금속 탄화물층을 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 실시형태들의 일부 예시적인 양상들에 따르면, 기판은 금속 탄화물 증착 단계 후에 제거되는 희생 기판이다. 이러한 경우들에서, 방법은, 예를 들어, 얇은 벽의 탄소 나노튜브들 또는 유사한 구조체들을 형성하는데 이용될 수 있다. 예시적인 방법들은 또한 (예를 들어, 질소, 수소, 및/또는 암모니의 존재 시에) 탄소막의 구조를 변경하거나 변환시키는 어닐링 (annealing) 단계를 포함할 수 있다.
본 개시물의 추가적인 예시적인 실시형태들에 따르면, 일 구조체는, 기판, 및 예를 들어, 기판 상에 금속 탄화물의 층을 증착하기 위해 원자층 증착을 이용하고 그 다음에 금속 탄화물층으로부터 금속을 제거하여 형성된 탄소막을 포함한다. 이러한 실시형태들의 예시적인 양상들에 따르면, 탄소층의 두께는 10 개 이하 단분자층, 5 개 이하 단분자층, 2 개 이하 단분자층, 또는 약 1 개 단분자층이다. 기판은 5 이상, 10 이상, 15 이상, 또는 20 이상의 종횡비를 갖는 피쳐들을 포함할 수 있다. 다양한 예시적인 양상들에 따르면, 탄소층은 기판 상의 피쳐들 위에 놓여 배치되고, 탄소층은 피쳐들을 포함하여, 기판에 대해 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95% 등각이다. 추가적인 양상들에 따르면, 탄소층은 실질적으로 비정질이거나, 탄소 나노크리스털들을 포함하거나, 규칙화된 흑연 구조들을 포함할 수 있다.
예시적인 구조체들은 프로세싱 동안에 제거되거나 상당히 제거되는 희생 기판을 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 경우들에서, 기판 및 탄소막은 초기에 상술된 속성들 중 임의의 속성을 가질 수 있다. 희생 기판을 이용하여 형성된 구조체들은 탄소 나노튜브들 등을 포함할 수 있다.
본 개시물의 또 다른 예시적인 실시형태들에 따르면, 일 디바이스는 본원에서 설명되는 바와 같은 구조체를 포함한다. 예시적인 디바이스들은, 탄소막들, 반도체 디바이스들에서 낮은 유전 상수 막들로서, 탄소 하드 마스크들로서, 내마모 층들 등으로서, 에너지를 저장하는데 이용될 수 있는, 예를 들어, 본원에서 설명되는 바와 같이 형성되는 탄소막들을 포함할 수 있다.
본 개시물의 또 다른 실시형태들에 따르면, 일 시스템은 원자층 증착 반응기를 포함한다.
다음의 예시적인 도면들과 연계하여 고려될 경우에, 상세한 설명 및 청구항들을 참조함으로써, 본 개시물의 실시형태들의 보다 완벽한 이해가 도출될 수 있다.
도 1 은 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 탄소막을 형성하는 방법을 도시한다.
도 2 는 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 탄소막을 형성하기 위한 시스템을 도시한다.
도 3 은 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 탄소막을 포함하는 구조체를 도시한다.
도 4 내지 도 6 은 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 희생 기판 위에 탄소층을 형성하는 단계들을 도시한다.
도 7 은 본 개시물의 추가적인 예시적인 실시형태들에 따른 탄소 나노튜브를 도시한다.
도 8 내지 도 11 은 본 개시물의 다른 추가적인 예시적인 실시형태들에 따른 기판 상의 피쳐 위에 놓이는 등각 탄소층을 형성하는 방법을 도시한다.
도면에서의 요소들은 간결함과 명료함을 위해 예시되고 반드시 스케일로 이어질 필요는 없다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 도면들에서의 요소들 중 일부 요소의 치수들은 본 개시물의 예시된 실시형태들의 이해를 향상시키는 것을 돕기 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수도 있다.
도 1 은 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 탄소막을 형성하는 방법을 도시한다.
도 2 는 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 탄소막을 형성하기 위한 시스템을 도시한다.
도 3 은 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 탄소막을 포함하는 구조체를 도시한다.
도 4 내지 도 6 은 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 희생 기판 위에 탄소층을 형성하는 단계들을 도시한다.
도 7 은 본 개시물의 추가적인 예시적인 실시형태들에 따른 탄소 나노튜브를 도시한다.
도 8 내지 도 11 은 본 개시물의 다른 추가적인 예시적인 실시형태들에 따른 기판 상의 피쳐 위에 놓이는 등각 탄소층을 형성하는 방법을 도시한다.
도면에서의 요소들은 간결함과 명료함을 위해 예시되고 반드시 스케일로 이어질 필요는 없다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 도면들에서의 요소들 중 일부 요소의 치수들은 본 개시물의 예시된 실시형태들의 이해를 향상시키는 것을 돕기 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수도 있다.
하기에서 제공되는 방법들, 구조체들, 디바이스들, 및 시스템들의 예시적인 실시형태들의 설명은 단지 예일 뿐이고 오직 예시용이고자 하며; 다음의 설명은 본 개시물 또는 본 청구항들의 범위를 제한하고자 하지 않는다. 또한, 언급된 피쳐들을 갖는 다수의 실시형태들의 인용은 추가적인 피쳐들을 갖는 다른 실시형태들 또는 언급된 피쳐들의 상이한 조합들을 포함하는 다른 실시형태들을 배제하고자 하는 것은 아니다.
본 개시물은 일반적으로 탄소막들을 형성하는 방법들, 탄소막들을 포함하는 구조체들과 디바이스들, 및 탄소막들을 형성하기 위한 시스템들에 관한 것이다. 하기에서 보다 상세히 제시된 바와 같이, 본 개시물의 실시형태들에 따라 형성된 탄소막들은, 내마모막들로서, 하드 마크스들 등으로서, 마이크로전자 디바이스들에서, 에너지 저장 디바이스들에서, 탄소 나노튜브 응용들에의 유전 또는 커패시터 플레이트층들을 포함하여, 다양한 응용들에 이용될 수 있다.
도 1 은 본 개시물의 예시적인 실시형태들에 따른 탄소막을 형성하는 방법 (100) 을 도시한다. 방법 (100) 은 기판을 제공하는 단계 (단계 (102)), 기판 상에 금속 탄화물의 층을 증착하는 단계 (단계 (104)), 금속 탄화물로부터 금속을 제거하는 단계 (단계 (106)), 및 선택적으로 탄소막을 어닐링하는 단계 (단계 (108)) 를 포함한다. 단계 (100) 는 특히 기판 위에 놓이는 등각 탄소막들을 형성하는데 매우 적합하다.
단계 (102) 동안에, 하기에서 보다 상세히 설명되는, 반응 챔버 (204) 와 같은, 반응기의 반응 챔버 내에 하나 이상의 기판들이 제공된다. 본원에서 이용되는 바와 같이, "기판" 은 그 위에 탄소막이 배치될 수 있는 표면을 갖는 임의의 재료를 지칭한다. 기판은 실리콘 (예를 들어, 단결정 실리콘) 과 같은 벌크 재료, 세라믹이나 고분자와 같은 희생 기판을 포함할 수도 있고, 벌크 재료 위에 놓이는 하나 이상의 층들을 포함할 수도 있다. 또한, 기판은 기판의 적어도 일부분 내에 또는 기판의 적어도 일부분 상에 형성되는 다양한 피쳐들, 예컨대, 트렌치들, 비아들, 라인들 등을 포함할 수도 있다. 피쳐들은, 예를 들어, 5 이상, 10 이상, 15 이상, 또는 20 이상인, 피쳐의 폭으로 피쳐의 높이를 나눔으로써 정의되는 종횡비를 가질 수 있다. 사전 증착 바응기 조건들, 예컨대, 기판 온도, 반응 챔버 압력 등이 단계 (102) 에서 설정될 수 있다.
단계 (104) 에서, 원자층 증착을 이용하여 기판 상에 금속 탄화물층이 증착된다. 원자층 증착의 이용은 금속 탄화물층들을 형성하기 위한 프로세스를 비교적 느리게 할 수도 있으나, 금속 탄화물을 증착하기 위한 원자층 증착을 이용하는 것을 탄소막들을 형성하기 위한 선행 기법들에 비해 여러 이점들을 갖는다. 예를 들어, 원자층 증착은 위에서 언급된 종횡비들을 갖는 피쳐들 위에 금속 탄화물층의 비교적 등각의 증착을 허용하고, 반응 온도들 (예를 들어, 기판 온도들) 은 상대적으로 낮을 수 있다 - 예를 들어, 500℃ 미만 또는 350℃ 미만. 예시적인 탄화물층들은 피쳐들에 대해 80 퍼센트 이상 등각이거나, 85 퍼센트 이상이거나, 90 퍼센트 이상이거나, 95 퍼센트 이상이거나, 10, 15, 및 20 이상인 종횡비를 갖는 피쳐들에 대해 99 퍼센트 이상 등각이다.
단계 (104) 동안에 증착된 금속 탄화물층의 두께는 응용에 따라 달라질 수도 있다. 예들로서, 10 개 이하, 5 개 이하, 2 개 이하, 또는 1 개 단분자층이 단계 (104) 동안에 증착될 수 있다. 그러나, 본 개시물은, 달리 언급되지 않는 한, 그러한 갯수의 층들 또는 층 두께들로 제한되지 않는다.
다양한 금속 탄화물들이 단계 (104) 동안에 증착될 수 있다. 예들로서, 금속 탄화물막은 TiAlC, NbC, VC, HfC, ZrC, TaC, MoC, WC, BaC, SrC, SiC, AlC, FeC, 및 3원 혼합물들 중 하나 이상 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
단계 (104) 동안의 프로세스 조건들은 기판 상에 증착된 금속 탄화물층에 의존하여 달라질 수도 있다. 예들로서, 단계 (104) 동안의 온도는 약 100°C 에서 약 500°C, 또는 위에서 언급된 바와 같이, 500°C 미만이나 350°C 미만에 이를 수 있고, 압력은 약 50 mTorr 에서 약 600 Torr 에 이를 수 있다.
금속 탄화물층이 단계 (104) 동안에 기판 상에 증착된 후에, 금속 탄화물층으로부터 금속이 단계 (106) 동안에 제거된다. 단계 (106) 는, 예를 들어, 단계들 사이에 진공 파괴 없이, 단게 (104) 와 동일한 반응 챔버에서 수행될 수 있거나, 단계 (106) 는, 예를 들어, 단계 (104) 에 대해 이용되는 반응 챔버와 동일한 클러스터 툴의 일부일 수 있는 별도의 반응 챔버에서 수행될 수 있다. 단계들 (104 및 106) 이 동일한 반응 챔버에서 수행되는 경우, 단계들 (104 및 106) 은 동일하거나 실질적으로 동일한 동작 압력 및 동작 온도에서 동작할 수 있다.
탄소를 식각하지 않거나 실질적으로 탄소를 식각하지 않는 할로겐 가스, 예컨대, 염소, 브롬, 및 요오드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 가스가 금속 탄화물로부터 금속을 식각하거나 제거하는데 이용될 수 있다. 가스, 예를 들어, 염소, 브롬, 및/또는 요오드는 열적으로 및/또는 플라즈마 (직접적으로 또는 원격으로) 활성화되어 식각 반응물 가스의 활동도를 증가시킬 수 있다. 이러한 경우들에서, 식각 반응물은, 예를 들어, 염소, 브롬, 및/또는 요오드를 포함하는 분자들, 라디칼들, 및/또는 이온들의 조합을 포함할 수 있다. 예들로서, 약 10 초의 기간 동안, 약 500 sccm 의 유동률, 약 1 Torr 의 압력, 및 약 350°C 의 온도에서 염소 가스가 약 50Å 의 두께를 갖는 금속 탄화물층으로부터 금속을 제거하는데 이용될 수 있다.
단계 (106) 는 단계 (104) 동안에 수행되는 다수의 ALD 사이크들 (예를 들어, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 또는 그 이상의 사이클들) 후에, 미리 결정된 두께의 금속 탄화물이 단계 (104) 동안에 증착된 후에, 또는 단계 (104) 에 대한 미리 결정된 시간의 양 후에 수행될 수 있다. 또한, 방법 (100) 은 선택적 단계 (108) 로 진행하거나 완료 전에 원하는 횟수만큼 단계들 (104, 106) 을 반복하는 것을 포함할 수 있다.
선택적 단계 (108) 에서, 금속-공핍 (metal-depleted) 탄소막은, 예를 들어, 탄소막의 구조를 변경하기 위해 어닐 프로세스에 노출된다. 예들로서, 단계 (108) 는, 예를 들어, 질소, 수소, 및/혹은 암모니아 환경, 또는 하이드라진 (hydrazine) 또는 하이드라진 파생물들을 포함하는 임의의 다른 적합한 탈산소 (reducing) 환경에서, 약 150 도씨 내지 약 1200 도씨, 또는 약 200 도씨 내지 약 4000 도씨의 온도에서 수행될 수 있다. 탄소막들은, 예를 들어, 비결정 구조에서 나노결정질 흑연 구조, 또는 규칙화된 흑연 구조로 변환될 수 있다.
이제 도 2 로 넘어가면, 탄소막을 형성하기 위한 시스템 (200) 이 도시된다. 시스템 (200) 은 반응 챔버 (204), 기판 홀더 (206), 및 가스 분배 시스템 (208) 을 포함하는 반응기 (202); 제 1 ALD 반응물 소스 (210); 제 2 ALD 반응물 소스 (212); 캐리어 또는 퍼지 가스 소스 (214); 소스들 (210 내지 214) 을 반응기 (202) 에 연결하는 라인들 (216, 218, 220); 소스들 (210 내지 214) 과 반응기 (202) 사이에 배치된 밸브들 (222, 224, 및 226); 라인 (232) 및 밸브 (234) 를 통해 반응기 (202) 및 가스 분배 시스템 (208) 에 커플링된 식각 반응물 소스 (230); 및 진공 소스 (228) 를 포함한다.
반응기 (202) 는 독립형 반응기 또는 클러스터 툴의 일부분일 수도 있다. 또한, 반응기 (202) 는 금속 탄화물 재료 증착 및 선택적으로 본원에서 설명되는 바와 같은 금속 제거 프로세스들에 전용될 수도 있거나, 반응기 (202) 는 다른 프로세스들 - 예를 들어, 다른 층 증착 및/또는 식각 프로세싱에 이용될 수도 있다. 반응기 (202) 는 ALD 증착에 적합한 반응기이다. 시스템 (200) 에 적합한 예시적인 ALD 반응기는 "Gas Mixer and Manifold Assembly for ALD Reactor" 라는 발명의 명칭으로, 2012 년 4 월 10 일에 발행된, Schmidt 등의 미국 특허 제 8,152,922 호에서 설명되며, 그 내용들은 여기에 참조로서 본원에 포함되며, 그러한 내용들의 정도는 본 개시물과 갈등을 빚지 않는다.
기판 홀더 (206) 는 프로세싱 동안에 배치될 기판 또는 작업편 (230) 을 홀딩하도록 설계된다. 다양한 예시적인 실시형태들에 따르면, 홀더 (206) 는 다이렉트 플라즈마 회로의 일부분을 형성할 수도 있다. 추가적으로 또는 대안으로, 홀더 (206) 는 프로세싱 동안에 가열되거나, 냉각되거나, 또는 주위 프로세스 온도에 있을 수도 있다.
가스 분배 시스템 (208) 이 블록 형태로 도시되었지만, 가스 분배 시스템 (208) 은 상대적으로 복잡하고, 가스 혼합물을 반응기 (202) 의 나머지 부분에 분배하기 전에, 소스들 (210, 212, 및/또는 214) 로부터의 증기 (가스) 와 가스 소스 (214) 와 같은 하나 이상의 소스들로부터의 캐리어/퍼지 가스를 혼합하도록 설계될 수도 있다. 또한, 시스템 (208) 은 반응 챔버 (204) 로의 가스들의 (도시된 바와 같은) 수직 또는 수평 유동을 제공하도록 구성될 수 있다. 예시적인 가스 분배 시스템이 미국 특허 제 8,152,922 호에서 설명된다.
제 1 반응물 소스 (210) 는, ALD 를 이용하여, 금속 탄화물을 증착하는데 이용되는 임의의 소스를 포함할 수 있다. 예들로서, 소스 (210) 는 트리메틸알루미늄 (trimethylaluminum; TMA), 트리에틸알루미늄 (triethylaluminum; TEA), 또는 임의의 다른 적합한 금속 탄화물, 전이 금속 탄화물, 또는 다른 적합한 소스를 포함할 수 있다.
유사하게, 제 2 반응물 소스 (212) 는 ALD 를 이용하여 금속 탄화물 재료를 증착하는데 이용되는 제 2 반응물을 포함할 수 있다. 예들로서, 소스 (212) 는 염화 타이타늄 (예를 들어, TiCl4) 또는 임의의 다른 적합한 소스를 포함할 수 있다.
캐리어 또는 불활성 소스 (214) 는, 반응기 (202) 에서 비교적 반응을 일으키지 않는, 하나 이상의 가스들, 또는 가스로 되는 재료들을 포함한다. 예시적인 캐리어 및 불활성 가스들은 질소, 아르곤, 헬륨, 및 이들의 임의의 조합들을 포함한다.
식각 반응물 소스 (230) 는 하나 이상의 가스들, 또는 가스로 되는 재료들을 포함한다. 소스 (230) 는, 예를 들어, 염소, 브롬, 요오드, 또는 염소, 브롬, 및/또는 요오드를 포함하는 분자들을 포함하는 하나 이상의 가스들과 같은, 탄소를 식각하지 않는 임의의 할로겐화물을 포함할 수 있다. 소스 (230) 로부터의 가스는 열적 및/또는 원격 플라즈마 및/또는 직접적인 플라즈마 소스에 노출되어, 염소, 브롬, 및 요오드 중 하나 이상을 포함하는 이온들 및/또는 라디칼들과 같은, 활성화된 종들 (species) 을 형성할 수도 있다.
도 3 은, 예를 들어, 방법 (100) 및/또는 시스템 (200) 을 이용하여 형성될 수 있는 구조체 (300) 를 도시한다. 구조체 (300) 는 기판 (302), 및 금속 탄화물층을 등각으로 증착하도록 ALD 를 이용하고 금속 탄화물층으로부터 금속을 제거함으로써 형성되는 탄소층 (304) 을 포함한다. 어닐 프로세스 전에, 층 (304) 은 비정질 탄소 재료를 포함할 수 있다. 어닐 프로세스 후에, 층은 나노결정질 흑연, 규칙화된 흑연, 다이아몬드형 구조체들, 풀러렌 (fulleren) 들 등을 변환시키고 포함시킬 수 있다. 또한, 층 (304) 의 광학적 특성 및/또는 전기적 특성이 어닐 프로세스 동안에 변환되어 층 (304) 에 대한 원하는 특성들을 획득할 수 있다. 예를 들어, 층 (304) 이 흑연을 포함하는 경우, 층은 도전성이고, 마이크로전자 디바이스들에서 커패시터 플레이트들을 형성하는데 이용될 수 있다. 흑연 (그라핀 (graphene)) 의 단분자층이 마이크로전자 로직 및 커패시터 응용에 이용될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본원에서 설명된 예시적인 기법들은 희생 기판을 위에 놓는 탄소층을 형성해, 예를 들어, 도 7 에서 도시된 나노튜브 (700) 를 형성하는데 이용될 수 있다. 희생 기판 위에 탄소층을 형성하는 방법이 도 4 내지 도 6 에 도시된다. 방법은 희생 기판 (400) 을 제공하는 것으로 시작한다. 예를 들어, 도 1 과 연계하여 단계 (104) 에서 상술된 기법들을 이용하여, 도 5 에 도시된 등각 금속 탄화물의 층 (500) 이 그 다음에 희생 기판 (400) 상에 증착된다.
이러한 경우에, 금속 탄화물층의 두께는 약 1 개와 10 개 단분자층 사이이거나 약 1 과 5 단분자층 사이일 수 있다. 금속 탄화물층이 희생 기판 (400) 상에 증착되기 때문에, 희생 기판 상에 금속 탄화물을 증착하는 단계 동안의 증착 온도는 바람직하게는 비교적 낮을 수 있다 - 예를 들어, 500℃ 미만, 400℃ 미만, 350℃ 미만, 또는 약 100℃ 내지 약 500℃.
희생 기판 (400) 의 재료는 결과적인 탄소막에 대한 원하는 구조에 따라 달라질 수 있다. 예들로서, 희생 기판 재료는 고분자들 또는 알루미늄 산화물 (예를 들어, 양극 알루미늄 산화물) 을 포함할 수 있다. 유리하게는, 고분자 기판 재료를 사용하는 것은 본 개시물의 다양한 예들에 따라 250 도씨 아래의 프로세스 온도들에 따라 쉽게 달성될 수 있다.
금속 탄화물층 (500) 이 희생 기판 (400) 위에 놓여 형성된 후에, 금속이 층 (500) 으로부터 제거되어, 도 6 에 도시된 금속-공핍 탄소층 (600) 을 형성한다. 층 (500) 으로부터 금속을 제거하기 위한 방법은, 도 1 과 연계하여 상술된 단계 (106) 와 동일하거나 유사할 수 있다.
금속 탄화물층 (500) 이 희생 기판 (400) 상에 증착된 후에, 기판 (400) 은 제거될 수 있다 - 예를 들어, 식각되거나 용해될 수 있다. 제거하는 단계는, 도 6 및 도 7 에서 도시된 바와 같이, 금속 제거 단계 동안에 일어날 수 있거나, 금속 제거 단계에 후속하여 일어나, 나노튜브 (700) 를 형성할 수 있다. 덮히거나 폐쇄된 단부들 (702, 704) 로 도시되었으나, 본 개시물에 따른 나노튜브 구조들은 하나 이상의 개방된 단부들을 가질 수 있다.
이제 도 8 내지 도 11 로 넘어가면, 고 종횡비 피쳐 위에 놓이는 탄소층을 포함하는 구조를 형성하는 방법이 도시된다. 방법은, 도 8 에 도시된 바와 같이, 높은 종횡비를 갖는 피쳐 (804) 를 구비한 기판 (802) 을 제공하는 것으로 시작한다. 기판 (802) 은 본원에서 설명된 기판 재료들 중 임의의 기판 재료를 포함할 수 있다. 피쳐 (804) 의 종횡비는, 예를 들어, 5 이상, 10 이상, 15 이상, 또는 20 이상일 수 있다. 트렌치 또는 비아로서 도시되지만, 기판 (802) 은 추가적으로 또는 대안으로 동일하거나 유사한 종횡비들을 갖는 라인들 또는 다른 돌출부들을 포함할 수 있다.
도 9 에 도시된 기판 (900) 은, 예를 들어, 단계 (104) 와 연계하여 상술된 방법을 이용하여, 기판 (802) 위에 금속 탄화물막 (902) 을 증착함으로써 형성된다. 위에서 언급된 바와 같이, 20 이상의 종횡비를 가질지라도, 층 (902) 은, 예시적인 실시형태들에 따라, 피쳐 (804) 내에서를 포함하여, 기판 (802) 의 표면에 대해, 80 퍼센트, 85 퍼센트, 90 퍼센트, 95 퍼센트, 99 퍼센트, 또는 그 이상의 등각이다. 예들로서, 층 (902) 은 금속 탄화물 재료의 2 모노층 내에서 또는 1 모노층 내에서 등각일 수 있다.
구조체 (1000) 는 그 다음에 도 10 에 도시된 층 (1002) 를 형성하도록 금속 탄화물층 (902) 으로부터 금속을 제거함으로써 형성된다. 금속은, 단계 (106) 와 연계하여 설명된 것과 같은, 본원에서 설명된 기법들을 이용하여 제거될 수 있다.
그 다음에, 구조체 (1100) 는 도 11 에 도시된 재구성된 탄소층 (1102) 을 형성하도록 층 (1002) 을 어닐링함으로써 형성된다. 층 (1102) 은 그라핀, 나노결정질 흑연, 또는 규칙화된 흑연을 포함할 수 있다.
마이크로전자 디바이스들과 같은 디바이스들은 본원에서 설명된 바와 같은 구조체 - 예를 들어, 구조체 (300, 700, 또는 1100) 를 포함할 수 있다. 특정 예들로서, 마이크로전자 디바이스는 구조체 (1100) 를 포함하며, 여기서 층 (1102) 은 커패시터 플레이트 또는 유전층을 형성할 수 있다. 대안으로, 에너지 저장 디바이스는 본원에서 설명된 바와 같은 예시적인 구조체를 포함한다.
본 개시물의 예시적인 실시형태들이 본원에서 제시되지만, 본 개시물은 그로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 시스템 및 방법이 다양한 특정한 화학적 성질들과 연계하여 설명되지만, 본 개시물은 반드시 이러한 예들로 제한되지는 않는다. 또한, 방법들이 특정 시퀀스로 도시되나, 본원에서 반대로 나타내어지지 않는 한, 방법은 그러한 단계들의 스퀀스로 제한되지 않는다. 본원에서 제시된 시스템 및 방법들의 다양한 수정들, 변형들, 및 향상들은 본 개시물의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수도 있다.
본 개시물의 주제는 다양한 프로세스들, 시스템들, 및 구성들의 모든 신규하고 자명하지 않은 결합들 및 서브결합들, 및 본원에 개시된 다른 특징들, 기능들, 작동들, 및/또는 속성들, 뿐만 아니라 이들의 임의의 그리고 모든 등가물들을 포함한다.
Claims (18)
- 기판을 제공하는 단계;
원자층 증착을 이용하여, 상기 기판 상에 금속 탄화물의 제 1 층을 증착하는 단계; 및
상기 기판 상에 탄소의 층을 형성하기 위해 상기 금속 탄화물의 제 1 층으로부터 금속을 제거하는 단계로서, 상기 금속을 제거하는 단계는,
미리 결정된 횟수의 원자층 증착 사이클들, 및
미리 결정된 두께의 상기 금속 탄화물의 제 1 층 증착
중 하나 이상 후에 수행되는, 상기 금속을 제거하는 단계, 및
원자층 증착을 이용하여, 상기 탄소의 층 상에 금속 탄화물의 제 2 층을 증착하는 단계를 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판을 제공하는 단계는 10 이상의 종횡비를 갖는 피쳐들을 포함하는 기판을 제공하는 단계를 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 종횡비는 15 이상인, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판을 제공하는 단계는 희생 기판을 제공하는 단계를 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속을 제거하는 단계는 염소, 브롬, 및 요오드로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 할로겐 가스들에 상기 금속 탄화물을 노출시키는 단계를 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속을 제거하는 단계는 플라즈마-여기 (plasma-excited) 염소, 플라즈마-여기 브롬, 및 플라즈마-여기 요오드 중 하나 이상을 포함하는 플라즈마 여기 종들에 상기 금속 탄화물을 노출시키는 단계를 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속을 제거하는 단계는 50 mTorr 내지 600 Torr 의 범위의 압력 및 500°C 미만의 온도에서 수행되는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속을 제거하는 단계는 미리 결정된 두께의 금속 탄화물이 증착된 후에 수행되는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증착하는 단계 및 상기 금속을 제거하는 단계는 상기 단계들 사이에서 진공을 파괴하지 않으면서 동일한 반응 챔버에서 수행되는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속을 제거하는 것에 대한 종단점을 결정하는 단계를 더 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 결정하는 단계는 상기 금속을 제거하는 단계 동안에 식각 산물을 모니터링하는 단계를 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증착하는 단계는 상기 금속 탄화물의 제 1 층의 10 개 이하의 단분자층들을 증착하는 단계를 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
어닐 프로세스에 상기 탄소의 층을 노출시키는 단계를 더 포함하는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 어닐 프로세스는 질소, 수소, 및 암모니아로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 가스들을 포함하는 환경에서 수행되는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 탄소의 층의 구조는 상기 어닐 프로세스 동안에 변환되는, 탄소막을 형성하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 형성되는 구조체.
- 제 16 항에 있어서,
상기 구조체는 탄소 나노튜브인, 구조체. - 제 16 항에 기재된 구조체를 포함하는 디바이스.
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