KR20060029547A - ｎ형 탄소 나노튜브를 구비한 ｎ형 탄소나노튜브 전계효과트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 n형 탄소나노튜브를 구비한 n형 CNT FET는, 기판 상에 서로 이격되게 형성된 전극과, 상기 기판 상에서 상기 전극에 전기적으로 연결되게 형성된 탄소나노튜브와, 상기 탄소나노튜브 상에 형성된 게이트 산화층과, 상기 게이트 산화층 상에 형성된 게이트 전극을 구비한다. 상기 게이트 산화층은, 상기 탄소나노튜브에 전자를 제공하는 전자도너원자를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 전자도너원자에 의해서 n형 도핑된다.
Description
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 n형 CNT FET의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 n형 CNT FET의 단면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 BTSO 증착전 및 증착후의 CNT-FET의 I-V 특성곡선을 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제3실시예에 따른 n형 CNT FET의 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제4실시예에 따른 n형 CNT FET의 제조방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
본 발명은 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 나노튜브에 전자를 주는 원자(전자 도너 원자)(electron donor atom)를 흡착시켜서 제조한 n형 탄소나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소 나노튜브(carbon nanotube)는 기계적, 화학적 특성이 좋으며, 수 나노미터 또는 수십 나노미터의 직경에서 마이크로미터 단위로 길게 형성시킬 수 있으며, 전기적 도전성이 우수하여 전자 소자로서의 응용성이 매우 뛰어나다. 탄소 나노튜브를 다양한 소자에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행중이며, 현재 전계 방출 소자, 광통신 분야의 광스위치 또는 바이오 소자에도 적용되고 있다.
탄소 나노튜브는 아크 방전법, 레이저 용발법, 촉매를 이용한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition), 스크린 프린팅, 스핀 코팅 방법에 의해 제조되고 있으며, 현재 탄소 나노튜브의 제조법은 널리 알려져 있다.
탄소 나노튜브를 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 트랜지스터와 같은 반도체 소자에 적용하기 위해서는 p-타입 및 n-타입 MOS 트랜지스터가 필요하다. 일반적으로 탄소나노튜브는 홀 도핑(hole-doping : p-타입 도핑)이 되기 쉽다.
한편, 미국공개특허 2003-122,133호에는 산소 또는 포타슘 이온을 도핑하여 n형 나노튜브를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 산소는 원소로 분리하기가 용이하지 않고, 포타슘 이온은 취급하기가 용이하지 않다.
미국특허 제 6,723,624호에는 포타슘 이온 또는 산소 도핑이 어려운 점을 고려하여 다른 n형 도핑방법을 개시하고 있다. 즉, n-타입(electron-doping : 전자 도핑) 탄소 나노튜브를 제조하기 위해서 탄소나노튜브 상에 실리콘 나이트라이드(SiNx)를 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor-phased deposition)로 증착하고, 가열을 하였다.
본 발명에서는 채널영역인 탄소나노튜브 상에 전자 도너 원자를 포함하는 게이트 산화층을 형성함으로써 n형 탄소나노튜브를 형성한 n형 CNT FET 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 n형 탄소나노튜브를 구비한 n형 CNT FET는,
기판;
상기 기판 상에 서로 이격되게 형성된 전극;
상기 기판 상에서 상기 전극에 전기적으로 연결되게 형성된 탄소나노튜브;
상기 탄소나노튜브 상에 형성된 게이트 산화층; 및
상기 게이트 산화층 상에 형성된 게이트 전극;을 구비하며,
상기 게이트 산화층은, 상기 탄소나노튜브에 전자를 제공하는 전자도너원자를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 전자도너원자에 의해서 n형 도핑된 것을 특징으로 한다.
상기 게이트 산화층은 5족 원소를 포함하는 산화물 또는 질화물을 ALD 증착한 것이 바람직하다.
또한, 상기 5족 원소는 비스무스 원소인 것이 바람직하다.
상기 산화물은 BTSO(Bismuth titanium silicon oxide)일 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 n형 탄소나노튜브를 구비한 n형 CNT FET는,
도전성 기판;
상기 기판 상에 형성된 게이트 산화층;
상기 게이트 산화층 상에 서로 이격되게 형성된 전극; 및
상기 게이트 산화층 상에서 상기 전극에 전기적으로 연결되게 형성된 탄소나노튜브;를 구비하며,
상기 게이트 산화층은, 상기 탄소나노튜브에 전자를 제공하는 전자 도너 원자를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 전자도너원자에 의해서 n형 도핑된 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 n형 탄소나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 제조방법은,
도전성 기판 상에 전자 도너 원자가 포함된 산화물 또는 질화물을 증착하여 게이트 산화층을 형성하는 단계;
기판 상에 각각 서로 이격된 전극을 형성하는 단계;
상기 기판 상에서 상기 전극과 전기적으로 연결되게 탄소나노튜브를 형성하는 단계;
상기 탄소나노튜브 상에 전자 도너 원자가 포함된 산화물 또는 질화물을 증착하여 게이트 산화층을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 산화층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 전자도너원자는 상기 탄소나노튜브를 n형 도핑하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 n형 탄소나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 제조방법은,
도전성 기판 상에 전자 도너 원자가 포함된 산화물 또는 질화물을 증착하여 게이트 산화층을 형성하는 단계;
상기 게이트 산화층 상에 각각 서로 이격된 전극을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 산화층 상에 상기 전극과 전기적으로 연결되게 탄소나노튜브를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 전자도너원자는 상기 탄소나노튜브를 n형 도핑하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 및 그 제조방법에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 n형 CNT FET의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 절연층(11)이 형성되어 있다. 절연층(11) 상에는 탄소나노튜브(12)가 형성되어 있으며, 탄소나노튜브(12)의 양단에는 각각 전극(13,14)이 형성되어 있다. 이 전극(13,14)은 각각 드레인 영역 및 소스 영역으로 작용하며, 상기 탄소나노튜브(12)는 채널영역으로 작용한다.
상기 절연층(11) 상에는 상기 탄소나노튜브(12)를 덮는 게이트 산화층(15)이 형성되어 있으며, 상기 게이트 산화층(15) 상에는 상기 전극(13,14)들 사이에 대응 되는 위치에 게이트 전극(16)이 형성되어 있다.
상기 게이트 산화층(15)은 산화물층 또는 질화물층으로서 전자 도너 층(electron donor layer)이 될 수 있다. 게이트 산화층(15)은 5족원소인 N, P, As, Sb, Bi를 포함하며, 바람직하게는 ALD(atomic layer deposition) 공정으로 형성된 BSTO(Bismuth-Tellurium-Strontium Oxide) 층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 BSTO 층은 상기 탄소나노튜브(12) 상에 증착되면서, 상기 비스므스 원자가 탄소나노튜브(12)에 전자를 주어서 탄소나노튜브(12) 표면을 n 도핑시킨다. 따라서, 상기 탄소나노튜브(12)는 n형으로 도핑되며, 따라서, 도 1의 전자소자는 톱 게이트 형(top gate type) n형 CNT FET로 된다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 n형 CNT FET의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도전성 기판(20), 예컨대 고농도로 도핑된 실리콘 웨이퍼 상에 게이트 산화층(21)이 형성되어 있다. 게이트 산화층(21) 상에는 탄소나노튜브(22)가 형성되어 있으며, 탄소나노튜브(22)의 양단에는 각각 전극(23,24)이 형성되어 있다. 이 전극(23,24)은 각각 드레인 영역 및 소스 영역으로 작용하며, 상기 탄소나노튜브(22)는 채널영역으로 작용한다. 또한, 상기 도전성 기판(20)은 게이트 전극으로 작용한다.
상기 게이트 산화층(25)은 산화물층 또는 질화물층으로서 전자 도너 층(electron donor layer)이 될 수 있다. 게이트 산화층(25)은 5족원소인 N, P, As, Sb, Bi를 포함하며, 바람직하게는 ALD(atomic layer deposition) 공정으로 형성된 BSTO(Bismuth-Tellurium-Strontium Oxide) 층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상 기 BSTO 층은 상기 탄소나노튜브(22) 상에 증착되면서, 상기 비스므스 원자가 탄소나노튜브(22)에 전자를 주어서 탄소나노튜브(22) 표면을 n 도핑시킨다. 따라서, 상기 탄소나노튜브(22)는 n형으로 도핑되며, 따라서, 도 2의 전자소자는 바텀 게이트형(bottom gate type) n형 CNT FET로 된다.
도 3 및 도 4는 각각 BTSO 증착전 및 증착후의 CNT-FET의 I-V 특성곡선을 나타낸 것이다.
먼저, 도 3을 참조하면, BTSO 증착전 탄소나노튜브는 적게 p형 도핑(slightly p-doped) 되어 있다. 드레인 전극 및 소스 전극에 전압(Vds)을 인가하고, 게이트 바이어스 전압(Vg)을 마이너스 방향으로 인가했을 때 트랜지스터가 턴온(turn-on)되었다. 이는 p형 특성을 보여주고 있다.
도 4를 참조하면, BTSO 증착후 탄소나노튜브는 n형 도핑되어 있다. 드레인 전극 및 소스 전극에 전압(Vds)을 인가하고, 게이트 바이어스 전압(Vg)을 플러스 방향으로 인가했을 때 트랜지스터가 턴온(turn-on)되었다. 이는 n형 특성을 보여주고 있다. 따라서, BTSO 증착으로 탄소나노튜브가 n형 도핑된 것을 보여준다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제3실시예에 따른 n형 CNT FET의 제조방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
먼저 도 5a를 참조하면, 기판(30) 위에 절연층(31), 예컨대 산화물층을 형성한다. 상기 기판(30)이 부도전체인 경우에는 절연층(31)을 생략할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 절연층(31) 상에 도전층을 형성한 다음, 상기 도전층을 패터닝하여 서로 이격된 드레인 전극(33) 및 소스 전극(34)을 형성한다.
도 5c를 참조하면, 절연층(31) 상에 전극(33,34)과 연결되게 탄소나노튜브(32)를 성장시키거나, 또는 스크린 프린팅, 스핀 코팅 등의 잘 알려진 방법을 사용하여 절연층(31) 상에 탄소나노튜브(32)를 형성한다. 이러한 탄소나노튜브(32)는 p형 성질을 가진다.
도 5d를 참조하면, 탄소나노튜브(32) 상에서 전극(33,34)을 덮는 게이트 산화층(35)을 증착한다. 상기 게이트 산화층(35)은 300℃에서 BTSO(Bismuth titanium silicon oxide)를 ALD(atomic layer deposition) 공정으로 증착할 수 있다. 산소 소스로는 수증기를 사용할 수 있다. 이렇게 비스무스층을 증착하면, 비스무스층의 전자가 탄소나노튜브(32)의 표면에 흡착되면서 탄소나노튜브(32)를 n형 으로 도핑시킨다. 이와 같이 게이트 산화층(35)을 전자도너층으로도 이용하므로, n형 도핑공정이 단순화되며, 용이해진다.
한편, 게이트 산화층(35)으로서 산화물층을 형성하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 게이트 산화층(35)은 5족원소인 N, P, As, Sb, Bi 중 어느 하나의 원자층을 포함하는 층으로 형성될 수 있다.
도 5e를 참조하면, 드레인 전극(33) 및 소스 전극(34) 사이의 게이트 옥사이드층 상에 게이트 전극(36)을 형성한다. 게이트 전극(36)은 패터닝 공정으로 형성될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제4실시예에 따른 n형 CNT FET의 제조방법을 단계별로 설명하는 도면이다.
먼저 도 6a를 참조하면, 도전성 기판(40), 예컨대 고농도로 도핑된 실리콘 기판 위에 게이트 산화층(41)을 증착한다. 상기 게이트 산화층(41)은 300℃에서 BTSO(Bismuth titanium silicon oxide)를 ALD(atomic layer deposition) 공정으로 증착할 수 있다. 산소 소스로는 수증기를 사용할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 게이트 산화층(41) 상에 도전층을 형성한 다음, 상기 도전층을 패터닝하여 서로 이격된 드레인 전극(43) 및 소스 전극(44)을 형성한다.
도 6c를 참조하면, 게이트 산화층(41) 상에 탄소나노튜브(42)를 성장시키거나, 또는 스크린 프린팅, 스핀 코팅 등의 잘 알려진 방법을 사용하여 게이트 산화층(41) 상에 탄소나노튜브(42)를 형성한다. p형 탄소나노튜브(42)는 게이트 산화층(41)의 비스무스층의 전자가 표면에 흡착되면서 탄소나노튜브(42)는 n형 으로 도핑된다.
본 발명에 의한 n형 CNT FET 제조방법은 게이트 산화층의 전자도너층에 의하여 탄소나노튜브가 n형 도핑되므로, 제조공정이 단순화되며, 또한 용이하다.
또한, 통상의 p형 탄소나노튜브를 n형 탄소나노튜브로 변환함으로써 p형 및 n형 소자를 포함하는 논리소자 등에 유용하게 이용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
Claims (16)
- 기판;상기 기판 상에 서로 이격되게 형성된 전극;상기 기판 상에서 상기 전극에 전기적으로 연결되게 형성된 탄소나노튜브;상기 탄소나노튜브 상에 형성된 게이트 산화층; 및상기 게이트 산화층 상에 형성된 게이트 전극;을 구비하며,상기 게이트 산화층은, 상기 탄소나노튜브에 전자를 제공하는 전자도너원자를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 전자도너원자에 의해서 n형 도핑된 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET.
- 제 1 항에 있어서,상기 게이트 산화층은 5족 원소를 포함하는 산화물 또는 질화물을 ALD 증착한 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET.
- 제 2 항에 있어서,상기 5족 원소는 비스무스 원소인 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET.
- 제 3 항에 있어서,상기 산화물은 BTSO(Bismuth-Tellurium-Strontium Oxide)인 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET.
- 도전성 기판;상기 기판 상에 형성된 게이트 산화층;상기 게이트 산화층 상에 서로 이격되게 형성된 전극; 및상기 게이트 산화층 상에서 상기 전극에 전기적으로 연결되게 형성된 탄소나노튜브;를 구비하며,상기 게이트 산화층은, 상기 탄소나노튜브에 전자를 제공하는 전자 도너 원자를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 전자도너원자에 의해서 n형 도핑된 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET.
- 제 5 항에 있어서,상기 게이트 산화층은 5족 원소를 포함하는 산화물 또는 질화물을 ALD 증착한 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET.
- 제 6 항에 있어서,상기 5족 원소는 비스무스 원소인 것을 특징으로 하는 n형 CNT FET.
- 제 7 항에 있어서,상기 산화물은 BTSO(Bismuth titanium silicon oxide)인 것을 특징으로 하는 n형 CNT FET.
- 기판 상에 각각 서로 이격된 전극을 형성하는 단계;상기 기판 상에서 상기 전극과 전기적으로 연결되게 탄소나노튜브를 형성하는 단계;상기 탄소나노튜브 상에 전자 도너 원자가 포함된 산화물 또는 질화물을 증착하여 게이트 산화층을 형성하는 단계; 및상기 게이트 산화층 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함하며,상기 전자도너원자는 상기 탄소나노튜브를 n형 도핑하는 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 제조방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 게이트 산화층은 5족 원소를 포함하는 산화물 또는 질화물을 ALD 증착하는 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 5족 원소는 비스무스 원소인 것을 특징으로 하는 n형 CNT FET.
- 제 11 항에 있어서,상기 산화물은 BTSO(Bismuth titanium silicon oxide)인 것을 특징으로 하는 n형 CNT FET 제조방법.
- 도전성 기판 상에 전자 도너 원자가 포함된 산화물 또는 질화물을 증착하여 게이트 산화층을 형성하는 단계;상기 게이트 산화층 상에 각각 서로 이격된 전극을 형성하는 단계; 및상기 게이트 산화층 상에 상기 전극과 전기적으로 연결되게 탄소나노튜브를 형성하는 단계;를 포함하며,상기 전자도너원자는 상기 탄소나노튜브를 n형 도핑하는 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 제조방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 게이트 산화층은 5족 원소를 포함하는 산화물 또는 질화물을 ALD 증착하는 것을 특징으로 하는 n형 CNT FET 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 5족 원소는 비스무스 원소인 것을 특징으로 하는 n형 탄소 나노튜브를 구비한 n형 CNT FET 제조방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 산화물은 BTSO(Bismuth titanium silicon oxide)인 것을 특징으로 하는 n형 CNT FET 제조방법.
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