KR20050006634A - 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법및 나노 전자소자 - Google Patents

실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법및 나노 전자소자 Download PDF

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Abstract

개시된 본 발명은 반도체 나노선이나 탄소나노튜브, 유기튜브를 이용하여 실린더(cylinder)형 게이트를 형성시키고, 동작 속도의 증가 및 채널의 길이를 조절할 수 있는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자에 관한 것으로서, 본 발명은 실리콘(Si) 기판 상부에 복수의 전극을 형성시키는 과정; 상기 복수의 전극이 상호 연결될 수 있도록 그 상부에 반도체 나노선이 위치되도록 하는 과정; 상기 반도체 나노선 상부에 원자층 증착방법을 사용하여 균일하게 산화물을 코팅하여 실린더 형태의 게이트 물질을 형성하는 과정; 및 상기 산화물이 코팅된 반도체 나노선 상부에 금속을 증착시켜 게이트를 형성하는 과정; 으로 이루어진 것을 특징으로 하며, 실린더 형태의 게이트를 가지므로, 기존의 싱글(single) 게이트나 더블(double) 게이트에 비해 전자의 이동시 표면 산란을 현저히 줄여 줌으로써 소자의 동작 속도를 증가시킬 수 있으며, 전극 사이의 길이와 채널의 길이를 조절할 수 있다.

Description

실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법 및 나노 전자소자{Manufacturing Method of anoelectronic Device with Cylindrical Gate And Nanoelectronic Device}
본 발명은 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조방법 및 나노 전자소자에 관한 것이다.
보다 상세하게는 반도체 나노선이나 탄소나노튜브, 유기튜브를 이용하여 실린더(cylinder)형 게이트를 형성시키고, 동작 속도의 증가 및 채널의 길이를 조절할 수 있는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조방법 및 나노 전자소자에 관한 것이다.
나노기술(NT)은 아직 미래의 기술임과 동시에 아직까지는 확실하게 정립이 되지 않은 기술이다. 그러한 근본적인 이유는 기존의 ㎛ 스케일을 갖는 벌크와 비교하여 저차원 나노물질은 높은 부피당 표면적 비와 양자 구속효과로 인해서 벌크와는 다른 전기적, 광학적, 화학적, 열적 특성을 보이고 있기 때문이다.
이러한 특성들은 1991년 일본의 Iijima에 의해서 탄소나노튜브(CNT)가 전자소자로서 응용이 가능함을 보인 후에 급속도로 연구가 진행되고 있는데, 그 이후에 나노선에 관한 연구는 탄소나노튜브(CNT)에 편중되었다. 탄소나노튜브(CNT)를 소자에 적용하려는 많은 노력은 1998년 Martel등에 의해 1.6nm직경의 단일벽과 다중벽 탄소나노튜브를 이용한 실험에서 나노튜브가 일종의 FET(field effect transistor)에서의 채널처럼 동작하는 것이 보고됨에 따라 나노소자에 관한 연구가 본격적으로 이루어졌다고 볼 수 있다. 그 이후에 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 소자는 전세계적으로 많은 관심을 불러 일으켰음에도 불구하고 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 소자 개발은 아직은 미미할 정도로 특성에 많은 한계를 보이기 시작했다.
2000년도 초에는 탄소나노튜브(CNT) 외에도 다른 종류의 반도체 나노선에서도 뛰어난 물리적 현상들을 발견하게 되어서 2000년대 이후에는 여러 가지 종류의 반도체 나노선에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다. 반도체 나노선은 합성시 뛰어난 결정성을 보이며, 나노선 그 자체로서 채널역할을 할 수 있고, 탄소나노튜브(CNT)에서는 할 수 없었던 도핑에 의한 전기전도도와 밴드갭 조절이 가능할 뿐만 아나라, 반도체 나노선을 이용하면 Top-Down 방식에서는 쉽게 할 수 없었던 이종접합 (heterojunction) 나노구조를 손쉽고 값싸게 합성할 수 있다.
또한 반도체 나노선을 이용한 지금까지 제작된 전자소자는 대체로 소오스(Source), 드레인(Drain), 게이트(gate)의 3단자 소자가 여러 가지 방법으로 제작이 되고 있다. 그러나, 대부분의 소자들은 기존의 벌크의 전자소자와 마찬가지로 싱글 게이트(single gate)를 이용한 소자이다.
상기와 같은 싱글 게이트(single gate)를 사용하는 나노소자는 이미 벌크 스케일의 소자에서 나타난 것처럼 전자가 채널을 통하여 이동할 때 전자의 표면 산란에 의해서 전자 이동도가 현저하게 감소하기 때문에 좋은 특성을 얻을 수가 없었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 게이트(gate)의 형태가 채널을 모두 감싸고 있는 형태인 실린더 형태가 되어야 되는데, 지금까지는 나노선을 이용하여 실린더 게이트를 갖는 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)구조를 형성시키는데 어려움을 겪고 있다.
본 발명은 종래 기술의 어려움을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 나노선이나 탄소나노튜브, 유기튜브를 이용하여 실린더(cylinder)형 게이트를 형성시켜, 동작 속도의 증가 및 채널의 길이를 조절할 수 있도록 하기 위한 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조방법 및 나노 전자소자를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 반도체 나노선이나 탄소나노튜브, 유기튜브를 두 전극 위에 놓고, 원자층 증착방법(ALD)으로 알루미나를 증착시켜 실린더(cylinder)형태의 게이트 박막을 형성하고, 게이트 전극을 제조할 수 있도록 하기 위한 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자 제조방법 및 나노 전자소자를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 자기조립방식으로 성장하여 극미세 크기의 결정성이 좋은 반도체 나노선를 이용하고, 나노 리소그라피 등의 공정 방법을 통해 원하는 크기와 위치에 전극을 형성하여 전자의 이동도를 획기적으로 향상시켜 소자의 동작속도를 높일 수 있는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조방법 및 나노 전자소자를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 반도체 나노선에 원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 방법으로 산화물을 코팅한 반도체 나노튜브를 이용하여 간단한 제조공정에 따라 산화물층이 실린더 형태로 형성된 MOS 구조의 전자소자인 나노 전자소자의 제조방법 및 나노 전자소자를 제공함에 있다.
도 1a 내지 1d는 반도체 나노튜브를 이용한 전자소자의 제조 방법을 공정 단계별로 보여주는 평면도이다.
도 2는 도1d의 수직 단면도이다.
도 3은 산화막이 균일하게 코팅된 ZnO 나노선의 SEM 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : Si 기판 20 :　소스 전극
21 :　드레인 전극 22 : 게이트 전극
30 :　산화막이 코팅된 나노튜브 31 : 반도체 나노선
32 :　실린더 형태의 게이트 산화막
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 실리콘(Si) 기판 상부에 복수의 전극을 형성시키는 과정; 상기 복수의 전극이 상호 연결될 수 있도록 그 상부에 반도체 나노선이 위치되도록 하는 과정; 상기 반도체 나노선 상부에 원자층 증착방법을 사용하여 균일하게 산화물을 코팅하여 실린더 형태의 게이트 물질을 형성하는 과정; 및 상기 산화물이 코팅된 반도체 나노선 상부에 금속을 증착시켜 게이트를 형성하는 과정; 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
이때, 상기 반도체 나노선은, Si, Ge, GaN, InP, GaAs, GaP, Si3N4, SiO2, SiC, ZnO 및 Ga2O3중 어느 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는, 실리콘(Si) 기판 상부에 복수의 전극을 형성시키는 과정; 상기 복수의 전극이 상호 연결될 수 있도록 그 상부에 탄소나노튜브(CNT)가 위치되도록 하는 과정; 상기 탄소나노튜브(CNT) 상부에 원자층 증착방법을 사용하여 균일하게 산화물을 코팅하여 실린더 형태의 게이트 물질을 형성하는 과정; 및 상기 산화물이 코팅된 탄소나노튜브(CNT) 상부에 금속을 증착시켜 게이트를 형성하는 과정; 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예는, 실리콘(Si) 기판 상부에 복수의 전극을 형성시키는 과정; 상기 복수의 전극이 상호 연결될 수 있도록 그 상부에 유기튜브가 위치되도록 하는 과정; 상기 유기튜브 상부에 원자층 증착방법을 사용하여 균일하게 산화물을 코팅하여 실린더 형태의 게이트 물질을 형성하는 과정; 및 상기 산화물이 코팅된 유기튜브 상부에 금속을 증착시켜 게이트를 형성하는 과정; 으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
이때, 상기 산화막은, Al2O3, TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Ta2O3중 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법으로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예는, 실리콘(Si) 기판 상부에 형성된 복수의 전극과, 원자층 증착방법에 의해 산화물이 상부에 균일하게 코팅되어 실린더 형태를 이루며, 상기 복수의 전극을 상호 연결시키는 반도체 나노선과, 상기 산화물이 코팅된 반도체 나노선 상부에 금속을 증착시켜 형성된 게이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자로서, 상술한 과제를 해결한다.
이때, 상기 반도체 나노선은, Si, Ge, GaN, InP, GaAs, GaP, Si3N4, SiO2, SiC, ZnO 및 Ga2O3중 어느 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예는, 실리콘(Si) 기판 상부에 형성된 복수의 전극과, 원자층 증착방법에 의해 산화물이 상부에 균일하게 코팅되어 실린더 형태를 이루며, 상기 복수의 전극을 상호 연결시키는 탄소나노튜브(CNT)와, 상기 산화물이 코팅된 탄소나노튜브(CNT) 상부에 금속을 증착시켜 형성된 게이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자로서, 상술한 과제를 해결한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시 예는, 실리콘(Si) 기판 상부에 형성된 복수의 전극과, 원자층 증착방법에 의해 산화물이 상부에 균일하게 코팅되어 실린더 형태를 이루며, 상기 복수의 전극을 상호 연결시키는 유기튜브와, 상기 산화물이 코팅된 유기튜브 상부에 금속을 증착시켜 형성된 게이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자로서, 상술한 과제를 해결한다.
이때, 상기 산화막은, Al2O3, TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Ta2O3중 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자로서, 상술한 과제를 해결한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 내지 1d는 반도체 나노튜브를 이용한 전자소자의 제조 방법을 공정 단계별로 보여주는 평면도이고, 도 2는 도1d의 수직 단면도이며, 도 3은 산화막이 균일하게 코팅된 ZnO 나노선의 SEM 사진이다.
먼저, 첨부 도면 도 1a에 도시된 바와 같이 실리콘(Si) 기판(10) 상부에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성시킨 후 광식각 또는 전자빔 식각방법을 이용하여 수um에서 수십㎚ 정도의 폭을 형성시킨다. 그리고, 현상공정을 수행한 후 시료위에 금(Au)을 증착하고, 상기 포토레지스트(PR) 패턴을 제거하면 2개의 전극(20)(21)이 형성하게 된다. 이때 좌측전극(20)은 소오스(source), 우측전극(21)은 드레인(drain)이다. 그리고, 상기와 같이 형성된 전극(20)(21)들 사이에 반도체 나노선(31)을 올려놓고, 산화막을 코팅하게 된다.
여기서, 반도체 나노선(31)을 산화막으로 균일하게 코팅하기 위한 방법은 다음과 같다. 전기로나 CVD 방법 등을 이용하여 합성된 ZnO, GaN, Si 등의 반도체 나노선(31)에 원자층 증착(ALD)방법을 이용하여 알루미나(Al2O3)를 코팅시켜 실린더 형태의 게이트 산화막(32)이 형성되도록 한다.
이때, 알루미나(Al)와 산소(O)의 전구체로써 TMA(Trimethylaluminum)와 H2O를 이용하고, 300??에서 100~200cycle 동안 코팅과정이 이루어지도록 하면, 반도체 나노선 상부에 알루미나 박막이 10~40nm 정도의 두께로 균일하게 증착된다. 즉, 반도체 나노선(31)은 원자층 증착(ALD)방법의 자기제어 메카니즘에 의해서 균일하게 코팅된다. 그리고, 균일하고 등방성을 갖도록 산화물이 코팅된 반도체 나노선 상부에 금속을 스퍼터링(Sputtering) 등과 같은 증착공정을 통해 증착시켜 게이트 전극(22)이 형성되도록 한다.
즉, 반도체 나노선(31) 양 바깥쪽 부분과 중간부분에 금속이 증착이 되어 한 개의 반도체 나노선(31)에 소오스 전극(20)과 드레인 전극(21)이 연결되어 있고 게이트(22) 전극은 실린더(cylindrical) 형태로 반도체 나노선(31)을 감싸게 형성됨으로써, 나노 cylindrical/surrounding gate MOSFET구조를 형성하게 된다.
따라서, 본 발명은 반도체 나노선 주위에 실린더 형태로 산화물을 균일하게 코팅하여 반도체 나노선 자체의 화학적, 물리적 안정성을 개선할 수 있도록 하는 효과를 달성한다.
또한, 본 발명은 소자 구현시 간단한 공정을 통해 반도체 나노선에 MOS 구조를 형성하여 실린더 형태의 게이트를 제작할 수 있도록 지원함으로써, 전자의 표면 산란을 현저히 줄여 소자의 동작 속도를 증가시켜 소자의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 달성한다.

Claims (10)

  1. 실리콘(Si) 기판 상부에 형성된 전극사이에 연결된 나노선 상부에 원자층 증착방법을 사용하여 균일하게 산화물을 코팅하여 실린더 형태의 게이트 물질을 형성하는 과정; 및
    상기 산화물이 코팅된 반도체 나노선 상부에 금속을 증착시켜 게이트를 형성하는 과정;
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 나노선은,
    Si, Ge, GaN, InP, GaAs, GaP, Si3N4, SiO2, SiC, ZnO 및 Ga2O3중 어느 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법.
  3. 실리콘(Si) 기판 상부에 형성된 전극사이에 연결된 탄소나노튜브(CNT) 상부에 원자층 증착방법을 사용하여 균일하게 산화물을 코팅하여 실린더 형태의 게이트 물질을 형성하는 과정; 및
    상기 산화물이 코팅된 탄소나노튜브(CNT) 상부에 금속을 증착시켜 게이트를형성하는 과정;
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법.
  4. 실리콘(Si) 기판 상부에 형성된 전극사이에 연결된 유기튜브 상부에 원자층 증착방법을 사용하여 균일하게 산화물을 코팅하여 실린더 형태의 게이트 물질을 형성하는 과정; 및
    상기 산화물이 코팅된 유기튜브 상부에 금속을 증착시켜 게이트를 형성하는 과정;
    으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 산화막은,
    Al2O3, TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Ta2O3중 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자의 제조 방법.
  6. 원자층 증착방법에 의해 산화물이 상부에 균일하게 코팅되어 실린더 형태를 이루며, 상기 복수의 전극을 상호 연결시키는 반도체 나노선과,
    상기 산화물이 코팅된 반도체 나노선 상부에 금속을 증착시켜 형성된 게이트,
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 나노선은,
    Si, Ge, GaN, InP, GaAs, GaP, Si3N4, SiO2, SiC, ZnO 및 Ga2O3중 어느 하나의 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자.
  8. 원자층 증착방법에 의해 산화물이 상부에 균일하게 코팅되어 실린더 형태를 이루며, 상기 복수의 전극을 상호 연결시키는 탄소나노튜브(CNT)와,
    상기 산화물이 코팅된 탄소나노튜브(CNT) 상부에 금속을 증착시켜 형성된 게이트,
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자.
  9. 원자층 증착방법에 의해 산화물이 상부에 균일하게 코팅되어 실린더 형태를 이루며, 상기 복수의 전극을 상호 연결시키는 유기튜브와,
    상기 산화물이 코팅된 유기튜브 상부에 금속을 증착시켜 형성된 게이트,
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자.
  10. 제 6 항 또는 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 산화막은,
    Al2O3, TiO2, HfO2, ZrO2, ZnO, SiO2, Ta2O3중 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 형태의 게이트를 갖는 나노 전자소자.
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