KR20000050788A - 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자의 제작 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자의 제작에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 방법을 사용하여 미세 구멍에 수직으로 성장시키는 방법과 기존의 실리콘 반도체 제조 방법을 이용하여 고밀도 및 고집적화가 가능한 전기적으로 스위칭 특성을 갖는 극미세 스위칭소자의 제작에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자는 실리콘 기판에 전하 공급원인 소오스 영역으로 작동하는 전하 축적 기능을 갖는 커패시터를 제작한 후, 상기 커패시터의 상부에 탄소나노튜브를 화학기상층착법으로 미세 구멍내에 수직으로 세워서 성장시켜 연결한 후, 상기 탄소나노튜브의 상부에 게이트 전극과 전하 배출 기능을 갖는 드레인 영역을 형성시킴으로써 스위칭 특성을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 수직형 스위칭소자를 제작하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자의 제조방법에 있어서, 실리콘 기판위에 실리콘 산화막을 성장시킨 후, 상기 실리콘 산화막위에 불순물이 도핑된 다결정 실리콘막과 고유전체 박막과 불순물이 도핑된 다결정 실리콘막과 촉매금속막을 순차적으로 형성시킨 후, 상기 촉매금속막의 상부에 있는 절연막에 미세 구멍을 형성시키고 나서, 화학기상증착법으로 상기 미세구멍내의 상기 촉매금속막위에서만 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨 다음, 상기 미세구멍에 액상의 절연물질을 주입시킨 후 경화시킨다. 이어서 전면에 얇은 절연막을 형성시킨 후, 상기 얇은 절연막위에 전도성 물질을 부착시킨 다음, 패턴을 만들어 전극을 형성시키고, 상기 얇은 절연박막을 습식식각으로 제거시킨 후, 얇은 절연박막을 다시 전면에 형성시킨 후, 전도성 물질을 상기 얇은 절연박막위에 증착한 후 패턴을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 의하면 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용함으로써, 미세 구멍에 탄소나노튜브를 세워서 집어넣는 어려운 공정을 쉽게 해결할 수 있는 장점이 있고, 또한 극미세 스위칭소자를 기존의 실리콘 제조기술을 사용하여 간단한 제조공정으로 제작이 가능하며, 대면적 공정이 가능하기 때문에 재현성과 수율이 높은 단위 면적당 고밀도의 극미세 스위칭소자를 만들 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자의 제작에 관한 것으로서, 특히 촉매금속막에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용하여 극미세 스위칭소자를 간단한 방법으로 고밀도로 집적화시키는 것이 가능하고 아울러 기존의 실리콘 제조기술을 사용하여 제조 공정이 간단하면서도 단위 면적당 매우 높은 밀도를 갖는 재현성과 수율이 높은 극미세 스위칭소자의 제작에 관한 것이다.
종래의 실리콘 기판을 이용하여 제작하는 스위칭소자는 기본적으로 불순물 확산영역과 소자 분리영역과 채널이 수평적으로 연결된 구조를 가지고 있고 또한 이러한 스위칭소자를 여러개로 집적화시킨 집적회로도 개개의 스위칭소자를 수평적으로 배열하여 집적화시키는 회로구조를 가지고 있을 뿐만아니라 실리콘 기판에 앞서 언급한 불순물 확산영역이나 소자 분리영역을 형성시킬 경우 공정상의 복잡성으로 인하여 미세화 및 집적화에 한계를 가지고 있었다. 기존의 미세한 스위칭소자로서 가장 일반적으로 사용되고 있는 MOSFET(Metal oxide semiconductor field effect transistor)의 경우, 실제로 최소 패턴크기가 0.25㎛인 256M DRAM에서 소자의 크기는 약 0.72㎛2이고, 최소 패턴크기가 0.18㎛인 1G DRAM에서 소자의 크기는 약 0.32㎛2이며, 최소 패턴크기가 0.13㎛인 4G DRAM에서 소자의 크기는 대략 0.18㎛2이고, 최소 패턴크기가 0.1㎛인 16G DRAM에서 소자의 크기는 약 O.1㎛2정도이다. 이러한 기존의 스위칭소자가 가지는 미세화의 한계를 극복하기 위한 방안으로 탄소나노튜브를 이용한 개별 스위칭소자가 제안되었지만 여전히 기존의 스위칭소자와 유사한 형태의 수평적인 구조를 가지고 있고 더욱이 개개의 탄소나노튜브를 조작하는데 많은 제약이 있기 때문에 이러한 탄소나노튜브를 이용한 개별소자는 고밀도로 집적화시키는 것이 거의 불가능한 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자는 실리콘 기판에 전하 공급원인 소오스 역할을 하는 커패시터를 제작한 후, 상기 커패시터의 상부에 전하 이동통로의 역할을 하는 채널로 작동하는 탄소나노튜브를 수직으로 세워서 연결한 후, 상기 탄소나노튜브의 상부에 얇은 절연박막을 형성시킨 다음, 상기 얇은 절연박막의 윗부분에 게이트 전극과 드레인 역할을 하는 상부전극을 설치함으로써, 게이트 전극에 전압을 인가할 때 터널링에 의해서 전하가 탄소나노튜브로부터 얇은 절연박막을 통하여 상부전극으로 이동하게 함으로써, 실리콘 기판위에 소오스 영역과 채널과 게이트와 드레인 영역을 구비하여 터널링 전류에 의해 스위칭특성을 갖는 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자를 제작하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용하여 간단한 방법으로 극미세 스위칭소자를 고밀도로 집적화시키는 것이 가능하며, 또한 본 발명에 의한 극미세 수직형 스위칭소자는 기존의 실리콘 제조기술을 사용하여 제작이 가능하고 대면적 공정이 가능하며 단위 면적당 매우 높은 밀도를 갖게 되므로 재현성과 수율이 높은 극미세 고집적 스위칭소자를 만들 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자에 대한 구조도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자의 제조방법에 있어서, 실리콘 기판(1)위에 실리콘 산화막(2)을 성장시킨 후 원기둥 형태의 패턴으로 만들고나서, 다시 실리콘 산화막(3)을 상기 실리콘 기판(1)과 상기 실리콘 산화막(2)의 패턴위에 형성시킨다. 이어서 불순물이 주입된 다결정 실리콘막(4)을 상기 실리콘 산화막위(3)에 퇴적시키고 나서 상기 다결정 실리콘막(4)위에 고유전체 박막(5)을 퇴적시킨다. 이어서 상기 고유전체 박막(5)위에 다시 불순물이 도핑된 다결정 실리콘막(6)을 퇴적시킨 후, 상기 다결정 실리콘막(6)위에 촉매금속막(7)을 증착시키고 나서, 상기 다결정 실리콘막(6) 및 상기 촉매금속막(7)을 동시에 식각하여 패턴을 형성시킨다. 그리고 나서 상기 고유전체 박막(5) 및 상기 촉매금속막(7)위에 절연막(8)을 형성시키고나서 평탄화를 실시한 후, 상기 촉매금속막(7)의 상부에 있는 상기 절연막(8)에 미세 구멍(9)을 형성시키고 나서, 상기 미세 구멍(9)내의 상기 촉매금속막(7)위에서만 화학기상증착법을 사용하여 탄소나노튜브(10)를 수직방향으로 선택적으로 성장시킨다. 이어서 상기 미세 구멍(9)에 액상의 절연물질(11)을 주입시킨 후 경화시킨다. 그리고 나서 상기 미세 구멍(9) 및 상기 절연막(8)위에 얇은 절연박막(12)을 형성시킨 후, 상기 얇은 절연박막(12)위에 전도성 물질(13)을 부착시킨 후 패턴을 만들어 전극을 형성시키고, 이어서 상기 전도성 물질(13)의 하부를 제외한 모든 부분에 존재하는 상기 얇은 절연박막(12)을 습식식각으로 제거시킨 후, 얇은 절연박막(14)을 다시 전면에 형성시킨 후, 전도성 물질(15)을 상기 얇은 절연박막(14)위에 증착한 후 패턴을 형성시키는 것을 특징으로 한다. 도 1은 본 발명에 의한 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용하여 제작한 수직형 스위칭소자의 구조도이다.
이하 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 먼저 실리콘 기판(1)위에 습식산화를 통하여 실리콘 산화막(2)을 200㎚ 정도 두께로 성장시킨 후 사진식각공정을 사용하여 상기 실리콘 산화막(2)을 원기둥 형태의 패턴으로 만들고나서, 상기 실리콘 기판(1)과 상기 실리콘 산화막(2)의 패턴위에 건식산화를 통하여 100㎚ 이하의 실리콘 산화막(3)을 형성시킨다. 이어서 상기 실리콘 산화막(3)위에 N형 불순물이 도핑된 다결정 실리콘막(4)을 저압화학기상증착법으로 약 100㎚ 두께로 퇴적시키고 나서 상기 다결정 실리콘막(4)위에 고유전체 박막(5)을 수 ㎚ 이하의 두께로 퇴적시킨다. 이어서 상기 고유전체 박막(5)위에 다시 N형 불순물이 도핑된 다결정 실리콘막(6)을 저압화학기상증착법으로 200㎚ 이하의 두께로 퇴적시킨 후, 상기 다결정 실리콘막(6)위에 촉매금속막(7)을 진공증착법이나 스퍼터링법으로 약 100㎚ 두께로 증착시킨 후, 상기 다결정 실리콘막(6) 및 상기 촉매금속막(7)을 사진식각공정을 사용하여 동시에 패턴을 형성시킨다. 그리고 나서 상기 고유전체 박막(5) 및 상기 촉매금속막(7)위에 절연막(8)을 저온에서 화학기상증착법을 사용하여 퇴적시키고나서 화학적 기계적 연마방법(CMP)이나 에치백(etchback) 방법을 사용하여 평탄화를 실시하여 상기 촉매금속막(7)위에서 상기 절연막(8)의 두께를 약 0.3㎛ - 1.5㎛로 유지시킨 후, 상기 촉매금속막(7)의 상부에 위치한 상기 절연막(8)에 사진식각방법을 사용하여 직경이 500㎚ 이하인 미세 구멍(9)을 형성시키고 나서, 상기 미세 구멍(9)의 내부에 있는 상기 촉매금속막(7)의 위에서만 화학기상증착법을 사용하여 탄소나노튜브(10)를 수직방향으로 세워 선택적으로 성장시킨다. 이때 상기 탄소나노튜브(10)의 길이는 상기 절연막(8)의 두께보다 길이를 짧게 한다. 이어서 상기 미세 구멍(9)에 폴리아미드 또는 SOG(Spin on Glass)와 같은 액상의 절연물질(11)을 스핀코팅법으로 주입시킨 후 확산로 또는 오븐에서 500도 이하의 열처리를 실시하여 경화시킨다. 이어서 상기 미세 구멍(9) 및 상기 절연막(8)위에 저온에서 화학기상증착법을 사용하여 수십 ㎚이하의 얇은 절연박막(12)을 형성시킨 후, 상기 얇은 절연박막(12)위에 진공증착법이나 스퍼터링법을 사용하여 금속등의 전도성 물질(13)을 부착시킨 다음, 상기 전도성 물질(13)을 사진식각방법을 사용하여 패턴을 만들어 전극을 형성시키고, 이어서 상기 전도성 물질(13)의 하부를 제외한 모든 부분에 존재하는 상기 얇은 절연박막(12)을 습식식각으로 제거시킨 후, 저온에서 화학기상증착법으로 두께가 수 ㎚ 이하인 매우 얇은 실리콘 산화막(Silicon oxide film) 또는 실리콘 산화질화막(Silicon oxynitride film) 등의 절연박막(14)을 다시 전면에 형성시킨 후, 상기 얇은 절연박막(14)위에 진공증착법이나 스퍼터링법을 사용하여 금속등의 전도성 물질(15)을 부착시킨 후, 사진식각공정을 사용하여 상기 전도성 물질(15)의 패턴을 만들어 전극을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은 실리콘 기판에 전하 공급원인 소오스 영역으로 작동하는 전하 축적 기능을 갖는 커패시터를 제작한 후, 상기 커패시터의 상부에 탄소나노튜브를 수직으로 성장시켜 연결한 후, 상기 탄소나노튜브의 상부에 게이트 전극과 전하 배출 기능을 갖는 드레인 영역을 형성시킴으로써 스위칭 특성을 갖는 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자를 제작하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 실리콘 기판에서 촉매금속막위에서의 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용하여 극미세 스위칭소자를 고밀도로 집적화시키는 것이 가능하고, 특히 미세 구멍에 탄소나노튜브를 수직으로 집어넣는 공정이 불필요하여 공정이 아주 단순해지며, 기존의 실리콘 제조기술을 사용하여 제작이 가능하고, 불순물 확산공정이나 소자분리공정 등과 같은 복잡한 공정을 사용하지 않기 때문에 제조 공정이 간단하면서도 대면적 공정이 가능하므로 결국 단위 면적당 매우 높은 밀도를 가지면서도 재현성과 수율과 경제성이 뛰어난 극미세 스위칭소자를 만들 수 있다. 실제적으로 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자의 경우, 최소 패턴크기가 0.25㎛ 일 때 소자의 크기는 약 0.09㎛2이고, 최소 패턴크기가 0.18㎛ 일 때 소자의 크기는 약 0.04㎛2정도로써, 앞서 언급한 기존의 미세한 스위칭소자로서 가장 일반적으로 사용되고 있는 MOSFET보다 소자의 크기면에서 훨씬 유리한 것을 알 수 있다.
Claims (3)
- 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자의 제작.
- 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자를 사용하여 개별 반도체소자 또는 상기 개별 스위칭소자를 여러개 연결시켜 고집적 반도체회로를 제작하는 방법.
- 제1항에 있어서, 실리콘 기판(1)위에 실리콘 산화막(2)을 성장시킨 후 원기둥 형태의 패턴을 만드는 제1공정과, 실리콘 산화막(3)을 상기 실리콘 기판(1)과 상기 실리콘 산화막(2)의 패턴위에 형성시키는 제2공정과, 불순물이 주입된 다결정 실리콘막(4)을 상기 실리콘 산화막위(3)에 퇴적시키는 제3공정과, 상기 다결정 실리콘막(4)위에 고유전체 박막(5)을 퇴적시키는 제4공정과, 상기 고유전체 박막(5) 위에 다시 불순물이 도핑된 다결정 실리콘막(6)을 퇴적시키는 제5공정과, 상기 다결정 실리콘막(6)위에 촉매금속막(7)을 증착시키는 제6공정과, 상기 다결정 실리콘막(6) 및 상기 촉매금속막(7)을 동시에 패턴을 형성시키는 제7공정과, 상기 고유전체 박막(5) 및 상기 촉매금속막(7)위에 절연막(8)을 형성시키고나서 평탄화시키는 제8공정과, 상기 촉매금속막(7)의 상부에 있는 상기 절연막(8)에 미세 구멍(9)을 형성시키는 제9공정과, 상기 미세 구멍(9)내의 상기 촉매금속막(7)위에서만 화학기상증착법을 사용하여 탄소나노튜브(10)를 수직방향으로 선택적으로 성장시키는 제 10공정과, 상기 미세 구멍(9)에 액상의 절연물질(11)을 주입시킨 후 경화시키는 제11공정과, 상기 미세 구멍(9) 및 상기 절연막(8)위에 얇은 절연박막(12)을 형성시키는 제12공정과, 상기 얇은 절연박막(12)위에 전도성 물질(13)을 부착시킨 후 패턴을 만들어 전극을 형성시키는 제13공정과, 상기 전도성 물질(13)의 하부를 제외한 모든 부분에 존재하는 상기 얇은 절연박막(12)을 습식식각으로 제거시키는 제14공정과, 얇은 절연박막(14)을 다시 전면에 형성시키는 제15공정과, 전도성 물질(15)을 상기 얇은 절연박막(14)위에 증착시키는 제16공정과, 상기 전도성 물질의 패턴을 형성시키는 제17공정을 구비하는 것을 특징으로하는 실리콘 기판에서 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 수직형 스위칭소자를 제조하는 방법.
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