KR20020037409A - 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브의 길이를 조절할 수 있고, 탄소 나노튜브와 기판 간의 밀착성을 강화시킬 수 있으며 탄소 나노튜브 형성 이후의 공정을 용이하게 진행할 수 있는 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 수직으로 형성된 금속촉매 측벽에 기판과 평행한 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 공정과, 탄소 나노튜브를 보호절연막으로 덮어 고정시키며 탄소 나노튜브 영역 상부를 평탄하게 함으로써 이후의 반도체공정을 자유롭게 적용시킬 수 있도록 하는데 그 특징이 있다. 이와 같이 기판에 평행하게 형성된 탄소 나노튜브와 기판의 밀착성이 유지된 상태에서는 이후의 반도체공정을 자유롭게 적용시킬 수 있고, 이를 통해 균일한 특성의 소자를 가공할 수 있게 되어 집적회로 칩의 제조가 가능하다.

Description

수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자 및 그 제조 방법{Electronic devices having horizontal carbon nanotubes and method for forming the same}

본 발명은 탄소 나노튜브를 이용한 전자소자에 관한 것으로, 특히 기판에 수평한 탄소나노튜브 형성 방법 및 그를 이용한 전자소자 및 집적소자 제조 방법에 관한 것이다.

현재까지 시도되고 있는 탄소나노튜브를 이용한 소자 제조 방법은, 탄소 나노튜브를 아크방전을 이용해 성장시킨 후 정제하고 개개의 미소한 튜브를 취급하여 소자화하거나, 촉매금속을 모재에 증착시킨 후 이로부터 튜브를 모재에 수직한 방향으로 성장시켜 소자에 집적하는 방법이 이용된다. 후자의 경우 반도체 제조 공정을 이용한 소자 제조가 가능하나 원천적으로 무작위로 성장되는 탄소나노튜브는 길이가 불균일하여 균일한 소자의 제조가 어렵다.

도 1은 종래기술에 따라 기판(10)을 덮는 전도성 고분자층(11) 상에 수직 방향으로 성장된 탄소 나노튜브(12)를 구비하여 수직 방향으로 전자를 방출하는 전계방출 디스플레이 소자의 단면도이다. 도 1과 같이 길이가 일정하지 않은 탄소 나노튜브(12)를 구비하는 전계방출 소자는 균일한 전자의 전계방출이 어렵고, 따라서 집적회로 제조시 소자간 특성이 균일하지 않을 가능성이 있다. 도 1에서 미설명 도면부호 '13'은 스페이서, '14'는 그리드, '15'는 형광체, '16'은 상부전극을 각각나타낸다.

한편, 3차원 소자 구조에서 튜브의 접착 안정성이 문제가 되며, 기판 상에 수직하게 형성된 튜브 사이에 공간이 있어 추후의 반도체 공정을 진행하기 어렵다. 즉, 소자 특성이 단일 소자 내에서뿐만 아니라 소자간에도 불균일하여 집적소자 제조가 어렵고, 성장된 튜브에 상에 기존의 평면적 반도체공정을 적용하기 위해서는 공정이 복잡해질 수 있고, 구현하는 소자 구조에 제약이 따르게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 탄소 나노튜브의 길이를 조절할 수 있고, 탄소 나노튜브와 기판 간의 밀착성을 강화시킬 수 있으며 탄소 나노튜브 형성 이후의 공정을 용이하게 진행할 수 있는, 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따라 수직 방향으로 성장된 탄소 나노튜브를 구비하는 전계방출 디스플레이 소자의 단면도,

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자 제조 공정 단면도,

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따라 수평 탄소 나노튜브의 다발을 둥글게 형성한 것을 보이는 평면도,

도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 따라 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자의 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20, 40, 50: 기판 21, 41, 51: 절연막

22, 42, 52: 촉매 금속막 패턴 23, 43, 53: 탄소 나노튜브

24: 보호 절연막 25: 전극

44, 54: 소오스 전극(source electrode)

45, 55: 드레인 전극 (drain electrode) 56: 발광층

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수평 탄소나노 튜브를 구비하는 소자 제조 방법에 있어서, 기판 상에 절연막 패턴을 형성하는 제1 단계; 상기 절연막 패턴의 일측면에 촉매 금속막 패턴을 형성하는 제2 단계; 상기 기판과 평행한 탄소 나노튜브를 상기 촉매 금속막 패턴으로부터 성장시키는 제3 단계; 및 절연막을 형성하여 상기 탄소 나노튜브를 덮는 제4 단계를 포함하는 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 소자 제조 방법을 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 절연막 패턴; 상기 절연막 패턴의 측면에 형성된 촉매 금속막 패턴; 상기 촉매 금속막 패턴으로부터 성장되어 상기 기판과 평행한 탄소 나노튜브; 상기 탄소 나노튜브에 전기적 신호를 공급하는 소스 전극; 상기 소스 전극과 마주보며 상기 탄소 나노튜브에서 방출된 전자를 공급받는 드레인 전극; 및 상기 탄소 나노튜브와 평행하게 형성된 게이트 전극을 포함하는 전자소자를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 절연막 패턴; 상기 절연막 패턴의 측면에 형성된 촉매 금속막 패턴; 상기 촉매 금속막 패턴으로부터 성장되어 상기 기판과 평행한 탄소 나노튜브; 상기 탄소 나노튜브에 전기적 신호를 공급하는 소스 전극; 상기 소스 전극과 마주보며 상기 탄소 나노튜브에서 방출된 전자를 공급받는 드레인 전극; 및 상기 드레인 전극과 상기 탄소 나노튜브 사이에 형성된 발광층을 포함하는 발광소자(light emitting device)를 제공한다.

본 발명은 기판 상에 수직으로 형성된 금속촉매 측벽에 기판과 평행한 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 공정과, 탄소 나노튜브를 보호절연막으로 덮어 고정시키며 탄소 나노튜브 영역 상부를 평탄하게 함으로써 이후의 반도체공정을 자유롭게 적용시킬 수 있도록 하는데 그 특징이 있다. 이와 같이 기판에 평행하게 형성된 탄소 나노튜브와 기판의 밀착성이 유지된 상태에서는 이후의 반도체공정을 자유롭게 적용시킬 수 있고, 이를 통해 균일한 특성의 소자를 가공할 수 있게되어 집적회로 칩의 제조가 가능하다.

이하 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자 제조 방법을 설명한다.먼저 도 2a에 도시한 바와 같이 모재 즉 기판(20) 상에 절연막(21) 패턴을 형성하고, 수 나노미터 두께의 금속박막을 증착하고 선택적으로 식각하여 절연막(21) 패턴의 일측면에 촉매 금속막 패턴(22)을 형성한다. 상기 촉매 금속막 패턴(22)으로는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 이들의 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 촉매 금속막 패턴(22)은 적당한 경사각으로 절연막(21) 패턴의 일측면에만 금속박막을 증착하여 형성할 수도 있으며, 촉매 금속막 패턴(22)의 면적은 자가 요구하는 전류의 크기에 따라 자유롭게 제어한다.

다음으로 도 2b에 보이는 바와 같이, 열화학증착법 또는 플라스마 화학증착법을 사용하여 촉매 금속막 패턴(22)에 수직하게 즉, 기판(20)에 평행한 탄소 나노튜브(23)를 성장시킨다. 이때 성장된 탄소 나노튜브(22)의 길이는 불규칙하다. 이는 탄소 나노튜브(23)의 성장에 작용하는 금속촉매 입자가 공간상으로 불균일하게 위치할 수 있기 때문에 입자의 크기와 결정성에 따라 우선적으로 자라는 부분이 상대적으로 길어진다. 탄소나노튜브는 열 또는 플라스마 에너지를 이용해 아세틸렌(C₂H₂)이나 메탄(CH₄) 등의 탄소를 포함하는 전구체(precursor)를 분해하여 성장가능하다.

이어서 도 2c에 도시한 바와 같이, SOG(Silicon-on-glass) 등과 같은 보호 절연막(24)을 전체 구조 상에 형성하여 탄소 나노튜브와 모재인 기판(20)의 밀착성을 강화시킨다.

다음으로 도 2d에 보이는 바와 같이, 리소그라피 및 식각 과정을 통하여 보호절연막(24)을 선택적으로 제거하고, 탄소 나노튜브(23)를 선택적으로 식각하여 불균형 성장한 나노튜브 길이를 정형화시킨다. 이때, 보호절연막(24)과 탄소 나노튜브(23)는 식각에 사용되는 개스에 따라 동시에 식각될 수도 있고, 선택적으로 식각할 수 있다. 균일한 전자소자 제조를 위해서는 선택적 식각을 이용하는 것이 바람직하다.

전술한 과정에 의해 탄소 나노튜브(23)와 기판(20)의 밀착성이 강화되고, 탄소 나노튜브(23)의 길이가 일정해짐에 따라, 이후 통상의 반도체공정도 자유롭게 적용할 수 있다. 예컨대 도 2e에 보이는 바와 같이 전극(25)을 제조하면 탄소 나노튜브(23)의 단부와 전극(25) 사이의 간격이 일정해져 전자수송 및 전계방출의 균일도가 향상되어 안정적으로 동작하는 탄소나노튜브 전자소자를 제조할 수 있다.

전술한 바와 같이 탄소 나노튜브를 기판에 평행하게 형성하고, 그 상부에 보호 절연막을 형성함으로써 리소그라피 및 식각을 통해 탄소 나노튜브 패턴을 자유롭게 성형할 수 있다. 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 나노튜브 형성 공정 단면도로서, 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 도 2a 내지 도 2c의 과정과 동일하게 수평 탄소 나노튜브(23) 성장, 보호절연막 형성 공정을 실시한 다음, 보호절연막과 탄소 나노튜브 단부를 선택적으로 식각하여 수평 탄소 나노튜브(23) 다발의 단부(A)를 둥글게 형성한 것을 보이는 평면도이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따라 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자의 단면도로서, 기판(40), 상기 기판 상에 형성된 절연막 패턴(41), 상기 절연막 패턴(41)의 측면에 형성된 촉매 금속막 패턴(42), 상기 촉매 금속막 패턴(42)으로부터 성장되어 기판(40)과 평행한 탄소 나노튜브(43), 상기 탄소 나노튜브(43)에 전기적 신호를 주기 위한 소스 전극(44), 상기 소스 전극(44)과 마주보며 탄소 나노튜브(43)에서 방출된 전자를 공급받는 드레인 전극(45) 및 탄소 나노튜브(43) 아래에 형성된 게이트 전극(46)을 포함하는 전자소자를 보이고 있다. 상기 게이트 전극(46)은 탄소 나노튜브(43) 상부에 형성될 수도 있다. 게이트 전극(46)은 탄소나노튜브에 전자가 원활하게 흐를 수 있는 채널을 형성하는 역할을 한다.

상기와 같은 전자소자는 탄소 나노튜브가 단전자 수송(single electron transport)을 하는 특성을 이용하여 단전자 트랜지스터를 구현할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따라 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자소자의 단면도로서, 기판(50), 상기 기판 상에 형성된 절연막 패턴(51), 상기 절연막 패턴(51)의 측면에 형성된 촉매 금속막 패턴(52), 상기 촉매 금속막 패턴(52)으로부터 성장되어 기판(50)과 평행한 탄소 나노튜브(53), 상기 탄소 나노튜브(53)에 전기적 신호를 주기 위한 소스 전극(54), 상기 소스 전극(54)과 마주보며 탄소 나노튜브(53)에서 방출된 전자를 공급받는 드레인 전극(55) 및 드레인 전극(55)과 탄소 나노튜브(53) 사이에 형성된 발광층(56)을 보이고 있다.

이와 같이 본 발명의 제4 실시예에 따른 전자소자는 InGaAsP계열 또는 GaN 계열의 발광층(56)을 구비함으로 전자 펌핑 레이저(electron pumped laser)로서 역할할 수 있다. 이러한 전자 펌핑 레이저는 탄소나노튜브에서 이동한 전자(ballistic electron)가 탄소 나노튜브(53) 내부에서는 저항을 느끼지 않고 고에너지를 가지다가 드레인 전극(55)과 접합되어 있는 InGaAsP계열 또는 GaN 계열의 발광층(56)을 여기시켜 레이저 발진이 가능하게 한다. 물론 레이저로서 동작하기 위해서는 발광물질을 공동형(cavity)으로 형성할 수도 있다.이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 기판에 수평하게 탄소 나노튜브를 성장시키고, 탄소 나노튜브를 보호절연막으로 덮은 다음 이후의 공정을 실시함으로써 기존에 개발된 반도체 평면공정(planar technology)을 이용할 수 있어 관련 공정기술을 별도로 개발할 필요가 없다.

또한 수평 탄소나노튜브의 길이를 조절할 수 있어 특성이 균일한 소자의 제조가 가능하다.

Claims (8)

1. 수평 탄소나노 튜브를 구비하는 소자 제조 방법에 있어서,

   기판 상에 절연막 패턴을 형성하는 제1 단계;

   상기 절연막 패턴의 일측면에 촉매 금속막 패턴을 형성하는 제2 단계;

   상기 기판과 평행한 탄소 나노튜브를 상기 촉매 금속막 패턴으로부터 성장시키는 제3 단계; 및

   절연막을 형성하여 상기 탄소 나노튜브를 덮는 제4 단계

   를 포함하는 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 소자 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제4 단계 후,

   상기 절연막 및 상기 탄소 나노튜브를 선택적으로 식각하여 상기 탄소 나노튜브 길이를 일정하게 하는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 소자 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호막을 SOG로 형성하는 것을 특징으로 하는 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 소자 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 촉매 금속막 패턴은,

   철(Fe), 니켈(Ni) 또는 코발트(Co) 중 어느 하나로 형성하거나 또는 그들의 합금으로 형성하는, 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 소자 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제3 단계에서,

   탄소를 포함하는 전구체(precursor)를 열 또는 플라스마 에너지로 분해하여 상기 탄소 나노튜브를 성장시키는 것을 특징으로 하는, 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 소자 제조 방법.
6. 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 전자 소자에 있어서,

   기판;

   상기 기판 상에 형성된 절연막 패턴;

   상기 절연막 패턴의 측면에 형성된 촉매 금속막 패턴;상기 촉매 금속막 패턴으로부터 성장되어 상기 기판과 평행한 탄소 나노튜브;

   상기 탄소 나노튜브에 전기적 신호를 공급하는 소스 전극;

   상기 소스 전극과 마주보며 상기 탄소 나노튜브에서 방출된 전자를 공급받는 드레인 전극; 및

   상기 탄소 나노튜브와 평행하게 형성된 게이트 전극

   을 포함하는 전자소자.
7. 수평 탄소 나노튜브를 구비하는 발광소자에 있어서,

   기판;

   상기 기판 상에 형성된 절연막 패턴;

   상기 절연막 패턴의 측면에 형성된 촉매 금속막 패턴;

   상기 촉매 금속막 패턴으로부터 성장되어 상기 기판과 평행한 탄소 나노튜브;

   상기 탄소 나노튜브에 전기적 신호를 공급하는 소스 전극;

   상기 소스 전극과 마주보며 상기 탄소 나노튜브에서 방출된 전자를 공급받는 드레인 전극; 및

   상기 드레인 전극과 상기 탄소 나노튜브 사이에 형성된 발광층

   을 포함하는 발광소자.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 발광층은, InGaAsP계열 또는 GaN 계열인 것을 특징으로 하는 발광소자.