KR20060132561A - 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
카본나노 튜브를 채널층(5)에 이용한 전계 효과 트랜지스터(6) 등의 전계 효과 반도체 장치를 제조할 때, 상기 카본나노 튜브에 대하여 플라즈마 처리를 행함으로써 상기 카본나노 튜브의 물리적 또는 화학적 상태를 변화시키는 공정을 갖는, 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법이다. 이에 의해, 카본나노 튜브를 균일하게 분산시킨 채널층 등의 전류 통로를 갖고, 또한 카본나노 튜브의 번들화에 의한 디바이스 특성의 저하를 방지할 수 있는 전계 효과 반도체 장치를 용이하게 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
카본나노 튜브, 채널층, 트랜지스터, 전류 통로
Description
본 발명은, 전계 효과 트랜지스터 등의 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
카본나노 튜브는, 1991년에 이이지마(飯島)에 의해 발견된 탄소만으로 이루어지는 통 형상 탄소 분자로서, 이상적으로는 벽면은 탄소 6원환만으로 구성되어 있다. 도 3a에 도시한 바와 같이 단층 카본나노 튜브(42)는, 1매의 직사각형의 그라펜 시트(41)를 통 형상으로 둥글게 말아서, 직사각형의 변을 이음매가 없도록 연결한 것으로 생각되어진다. 다층 카본나노 튜브는, 직경이 상이한 원통 형상의 카본나노 튜브가 몇층이나 상자 형상으로 적층된 것이다.
도 3b에 도시한 바와 같이 카본나노 튜브에서는, 직경의 차이 이외에, 그라펜 시트를 둥글게 마는 방향의 차이, 즉, 원주 방향에 대한 탄소 6원환의 배향의 차이에 의해, 나선도(키라리티)가 상이한 다양한 카본나노 튜브, 예를 들면, 나선형 카본나노 튜브(43), 지그재그형 카본나노 튜브(44), 아암체어형 카본나노 튜브(45) 등이 있다.
한편, 상기한 바와 같은 단층 카본나노 튜브를 화학적 기상 성장법(CVD)에 의해 랜덤하게 소스/드레인 전극 사이에 성장시킴으로써, 채널층이 단층 카본나노 튜브로 이루어지는 전계 효과 트랜지스터를 제작할 수 있다(예를 들면, APPLIED PHYSICS LETTERS 82, E. S. Snow et al, (2003), 2145 참조).
구체적으로는, 촉매로서 니켈로센 등, 탄소원으로서 메탄 가스 등을 이용하여, 50∼80 ℃에서 가열함으로써 나노 튜브를 제작하고, 그것을 채널층에 퇴적시킴으로써 디바이스를 제조하고 있다.
또한, APPLIED PHYSICS LETTERS 82에 따르면, 채널층에서의 단층 카본나노 튜브가 1개/㎛2 정도로까지 소(疎)하면 On/Off 비가 5자릿수, 이동도가 7 ㎛2/Vs라는 양호한 전계 효과 트랜지스터(FET) 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이것은, 단층 카본나노 튜브가 갖는 발리스틱(ballistic) 전도성을 살린 예이다.
그러나, 카본나노 튜브끼리는 그 팬 델 월스 력으로 굵은 번들을 형성하여, 하나하나로 독립시키는 것이 그 강한 팬 델 월스 력 때문에 용이하지 않다. 카본나노 튜브의 번들화에 의해 채널 재료로서의 캐리어 전도 패스가 증가하여, 결과적으로, 디바이스 퍼포먼스(디바이스 특성)를 악화시킨다. 즉, 카본나노 튜브를 균일하게 분산시킨 상태를 만들어 내는 처리가 필요하게 된다.
또한, 소스/드레인 전극 사이에, 카본나노 튜브를 CVD법에 의해 성장시키는 경우에도, 또는 카본나노 튜브를 분산시키는 경우에도, 상기한 나노 튜브의 번들 구조 때문에 원하는 분산도를 얻는 것은 곤란하다.
또한, 전술한 바와 같은 종래예는, 카본나노 튜브를 CVD법에 의해 소스/드레 인 전극 사이에 직접 성장시키고 있을 뿐이므로, 카본나노 튜브의 벽면이 울퉁불퉁 울거나, 탄소 5원환이나 탄소 7원환을 함유하기 때문에, 깔끔한 벽면 구조가 아니다. 이러한 벽면 구조의 카본나노 튜브를 이용하여 제작된 전계 효과 트랜지스터는, 전자가 곧 산란하거나 하여, 이동도가 낮게 된다. 또한, 그 제조 프로세스는 용이하지 않다.
이것을 해결하고 더 높은 고이동도의 전계 효과 트랜지스터를 기대하기 위해서는, 예를 들면, 고온 합성법인 레이저 어블레이션법으로 제작한 카본나노 튜브를 이용하는 편이 바람직하다. 레이저 어블레이션법에 의해 제작된 카본나노 튜브는 보다 결함이 적고 특성이 좋은, 거의 탄소 6원환만으로 이루어지는 벽면 구조를 갖는 것이 전자 현미경 관찰로부터 분명해지고 있다(M. Shiraishi et al., Chem. Phys. Lett. 358 (2002) 213).
그러나, 이 카본나노 튜브는 정제 프로세스가 필요하고, 그 때에 카본나노 튜브끼리 그 팬 델 월스 력으로 굵은 번들을 형성한다. 정제 프로세스로서는, 구체적으로는, 과산화수소수 내에서 100 ℃ 환류 처리를 5 시간 행한 후, NaOH 용액 내에서 초음파 처리를 행한다. 이 정제 프로세스에서의 카본나노 튜브의 번들화에 의해 채널 재료로서의 전도 패스가 증가하여, 결과적으로, 디바이스 퍼포먼스(디바이스 특성)를 악화시킨다. 즉, 카본나노 튜브를 균일하게 분산시켜 번들을 가늘게 하는 처리가 필요하게 된다. (또한, 이러한 소위 유기 반도체 전계 효과 트랜지스터는 코스트의 면이나 플라스틱 기판 등을 이용하였을 때의 성형의 플렉시비리티 등의 면에서 실리콘계 디바이스로 치환하려고 하는 동기부터 연구가 진행되고 있 다.)
<발명의 개시>
본 발명은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, 카본나노 튜브를 균일하게 분산시킨 전류 통로를 갖고, 또한 카본나노 튜브의 번들화에 의한 디바이스 특성의 저하를 방지할 수 있는 전계 효과 반도체 장치를 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것에 있다.
또한 본 발명은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, 벽면 구조의 결함이 보다 적고 특성이 좋은 카본나노 튜브를 이용할 수 있으며, 이 카본나노 튜브를 균일하게 분산시킨 전류 통로를 갖고, 고이동도를 갖는 등의 디바이스 특성이 우수한 전계 효과 반도체 장치를 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것에 있다.
즉, 본 발명은, 카본나노 튜브를 채널층 등의 전류 통로에 이용한 전계 효과 반도체 장치를 제조할 때, 상기 카본나노 튜브에 대하여 플라즈마 처리를 행함으로써 상기 카본나노 튜브의 물리적 또는 화학적 상태를 변화시키는 공정을 포함하는, 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 카본나노 튜브를 채널층 등의 전류 통로에 이용한 전계 효과 반도체 장치를 제조할 때,
카본나노 튜브의 분산액을 조제하는 공정과,
상기 분산액을 소정 패턴으로 부착하는 공정과,
상기 분산액을 건조함으로써, 카본나노 튜브로 이루어지는 상기 전류 통로를 형성하는 공정
을 갖는, 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다(이하, 본 발명의 제1 제조 방법이라고 칭하는 경우가 있음).
또한, 카본나노 튜브를 채널층 등의 전류 통로에 이용한 전계 효과 반도체 장치를 제조할 때,
레이저 어블레이션법에 의해 상기 카본나노 튜브를 제작하는 공정과,
상기 카본나노 튜브의 분산액을 조제하는 공정과,
상기 분산액을 소정 패턴으로 부착하는 공정과,
상기 분산액을 건조함으로써, 카본나노 튜브로 이루어지는 상기 전류 통로를 형성하는 공정
을 갖는, 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다(이하, 본 발명의 제2 제조 방법이라고 칭하는 경우가 있음).
도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터의 Vg-Isd 특성을 비교하여 도시하는 그래프.
도 2a 내지 도 2c는, 동일 전계 효과 트랜지스터의 구조예 및 플라즈마 처리전의 AFM상을 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는, 카본나노 튜브의 분자 구조를 도시한 개략도.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터의 Vg-Isd 특성 그래 프.
도 5는, 동일 전계 효과 트랜지스터의 온도 특성 그래프.
도 6은, 동일 전계 효과 트랜지스터의 온도와 이동도와의 관계를 도시하는 그래프.
도 7은, 동일 전계 효과 트랜지스터의 상이한 온도에 의한 Vg-Isd 특성 그래프.
도 8은, 동일 전계 효과 트랜지스터의 Vsd-Isd 특성 그래프.
도 9는, 동일 전계 효과 트랜지스터의 Vsd-Isd 특성 그래프.
도 10은, 동일 전계 효과 트랜지스터의 온도와 전류와의 관계를 도시하는 그래프.
도 11은, 동일 전계 효과 트랜지스터의 온도와 전류와의 관계를 도시하는 그래프.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
본 발명에서, 상기한 「카본나노 튜브의 물리적 상태를 변화시킨다」란, 예를 들면, 상기 플라즈마 처리에 의해 일부의 상기 카본나노 튜브를 산화·연소시킴으로써 에칭하는 것을 의미한다. 또한, 상기한 「카본나노 튜브의 화학적 상태를 변화시킨다」란, 예를 들면, 상기 플라즈마 처리에 의한 산소 등의 원자에 의해 일부의 상기 카본나노 튜브의 벽면을 종단시킴으로써 비국부적 존재 π 전자를 σ 전자화하여, 전도성을 의도적으로 저하시키는 것을 의미한다. 전자의 케이스에서는, 여분의 나노 튜브를 제거함으로써, 또한 후자의 케이스에서는, 여분의 나노 튜브가 캐리어 전도를 담당하지 않도록 함으로써, 원하는 디바이스 특성을 갖는 전계 효과 반도체 장치의 제작을 행한다.
본 발명은, 상기 카본나노 튜브로 이루어지는 채널층 등의 상기 전류 통로를 형성한 후, 상기 플라즈마 처리를 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상기 채널층의 번들화한 상기 카본나노 튜브에 대하여 상기 플라즈마 처리를 행하고, 소정의 상기 카본나노 튜브를 산화 또는 에칭하여 굵은 번들을 가늘게 하여, 원하는 분산도를 갖는 상기 카본나노 튜브로 이루어지는 상기 전류 통로를 한층 용이하게 형성할 수 있다.
상기 플라즈마로서는 RF 플라즈마를 이용하는 것이 바람직하며, 플라즈마 소스로서는 산소 또는 수소를 이용할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 처리에서의 조건은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 산소 플라즈마의 조건으로서는, 출력은 15 W 이하가 바람직하며, 플라즈마 인가 시간은 3분 이하가 바람직하다.
상기 카본나노 튜브로 이루어지는 채널층 등의 상기 전류 통로를 형성할 때, 화학적 기상 성장법에 의해 상기 전류 통로에 직접 상기 카본나노 튜브를 성장시키는 경우에는, 카본나노 튜브의 벽면이 울퉁불퉁하게 하거나, 탄소 5원환이나 탄소 7원환을 함유하기 때문에, 깔끔한 벽면 구조가 아닌 경우가 있다. 이러한 벽면 구조의 카본나노 튜브를 이용하여 제작된 전계 효과 반도체 장치는, 전자가 곧 산란하기도 하거나, 이동도가 낮게 되기 쉽다.
이것에 대하여, 예를 들면 고온 합성법인 레이저 어블레이션법으로 제작한 카본나노 튜브는, 보다 결함이 적고 특성이 좋은, 거의 탄소 6원환만으로 이루어지는 벽면 구조를 갖는 것이 전자 현미경 관찰로부터 분명해지고 있다(M. Shiraishi et al., Chem. Phys. Lett. 358 (2002) 213.).
따라서, 본 발명은, 상기 카본나노 튜브의 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조함으로써, 카본나노 튜브로 이루어지는 채널층 등의 상기 전류 통로를 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 선별된 양질 카본나노 튜브를 용매에 분산하고, 이 분산액을 소정 패턴으로 적하하고, 건조하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 기초하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법에서, 상기 카본나노 튜브는 레이저 어블레이션법, 화학적 기상 성장법, 아크 방전법에 의해 제작된 것을 이용할 수 있다.
이것에 따르면, 상기 양질 카본나노 튜브의 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조함으로써, 상기 양질 카본나노 튜브로 이루어지는 채널층 등의 상기 전류 통로를 형성할 수 있으므로, 벽면 구조가 보다 결함이 적고 특성이 좋은 카본나노 튜브만을 상기 전류 통로에 균일하게 분산한 전계 효과 반도체 장치를 제조할 수 있다. 또한, 상기 카본나노 튜브의 상기 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조할 뿐이므로, 제작이 용이하다.
또한, 레이저 어블레이션법으로 제작한 상기 카본나노 튜브를 정제하고, 이 정제 후의 양질 카본나노 튜브를 용매에 분산하고, 이 분산액을 소정 패턴으로 적하하고, 건조하는 것이 바람직하다. 고온 합성법인 상기 레이저 어블레이션법으로 제작된 카본나노 튜브는 보다 결함이 적고 특성이 좋은 벽면 구조를 갖고, 이 카본 나노 튜브를 균일하게 분산함으로써, 우수한 성능을 갖는 전계 효과 반도체 장치를 용이하게 제조할 수 있다. 상기 정제 방법으로서는, 예를 들면, 과산화수소수 내에서 100 ℃ 환류 처리를 5 시간 행한 후, NaOH 용액 내에서 초음파 처리를 행한다.
본 발명에서, 채널층 등의 상기 전류 통로에서의 상기 카본나노 튜브의 분산도를 0.1 개/㎛2 이상, 10 개/㎛2 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 분산도가 10 개/㎛2를 초과한 경우, 전계 효과 반도체 장치로서의 동작이 극단적으로 나빠지는 경우가 있다. 이것은, 퍼콜레이션의 이론에 의해, 길이가 0.1 ㎛ 이상, 10 ㎛ 이하인 카본나노 튜브에 대응한다.
또한, 상기 카본나노 튜브로서 단층 카본나노 튜브를 이용하는 것이 바람직하다. 다층 카본나노 튜브도 사용 가능하지만, 상기 단층 카본나노 튜브쪽을 보다 용이하게 제작할 수 있으며, 또한 벽면 완전성이 양호하므로 전자의 발리스틱 전도성이 우수하다.
또한, 상기 용매로서 에탄올 또는 디메틸포름아미드(DMF)를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법은, 도 2a에 도시한 바와 같은 게이트 전극(1)과, 이 게이트 전극(1)에 대하여 게이트 절연막(2)을 개재하여 형성된 소스 전극(3) 및 드레인 전극(4)과, 이들 전극(3, 4) 사이에 형성된 상기 전류 통로로서의 채널층(5)에 의해 구성된 전계 효과 트랜지스터(6)를 제조하는 데 적합에 이용된다. 이 경우, p형 또는/및 n형 동작하는 트랜지스터(6) 등의 트랜지스터를 간편하게 제조할 수 있다. 이것에 따르면, 상기 전류 통로로서의 채널층(5)에서의, 상기 카본나노 튜브의 불필요한 캐리어 전도 패스를 줄일 수 있어, 고 이동도 및 고 On/Off 비의 양립이 가능하여, 디바이스 특성이 양호하다.
본 발명의 제2 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법은, 선별된 양질 카본나노 튜브를 용매에 분산하고, 이 분산액을 소정 패턴으로 적하하고, 건조하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 카본나노 튜브는 레이저 어블레이션법 또는 화학적 기상 성장법에 의해 제작된 것을 이용할 수 있다. 이것에 따르면, 선별된 상기 양질 카본나노 튜브를 균일하게 분산할 수 있으므로, 저온 하(예를 들면 실온 이하)에서 동작할 수 있어, 높은 이동도를 갖는 등의 우수한 성능을 갖는 전계 효과 반도체 장치를 간편하게 제조할 수 있다.
본 발명의 제3 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법은, 상기 레이저 어블레이션법으로 제작한 상기 카본나노 튜브를 정제하고, 이 정제 후의 양질 카본나노 튜브를 용매에 분산하고, 이 분산액을 소정 패턴으로 적하하고, 건조하는 것이 바람직하다. 고온 합성법인 상기 레이저 어블레이션법으로 제작된 카본나노 튜브는 결함이 보다 적고 특성이 좋은, 거의 탄소 6원환만으로 이루어지는 벽면 구조를 갖고, 이 카본나노 튜브를 균일하게 분산함으로써, 저온 하(예를 들면 실온 이하)에서 동작할 수 있어, 높은 이동도를 갖는 등의 우수한 성능을 갖는 전계 효과 반도체 장치를 간편하게 제조할 수 있다. 또한, 전계 효과 트랜지스터(6)는, 저활성화 에너지 및 저전류 때문에 저온(예를 들면 실온 이하)에서도 동작할 수 있어, 높은 이동도를 갖는다.
또한, 본 발명의 제2 및 제3 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법은, 전계 효과 트랜지스터(6)는, 저활성화 에너지 및 저전류를 위해 저온(예를 들면 실온 이하)에서도 동작할 수 있어, 높은 이동도를 갖는다.
(실시예)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면 참조 하에 설명한다.
제1 실시예
단층 카본나노 튜브(SWNT)는, Ni/Co를 0.6 at%씩 함유하는 탄소 타깃을 이용하여 레이저 어블레이션법에 의해 제작하였다. 제작 온도는 1200도이었다. 제작 후, 과산화수소수, 염산, NaOH 수용액을 순서대로 이용하여 정제 처리를 행하였다(M. Shiraishi et al. CPL 358 (2002), 213). 정제 후의 순도는 95% 이상인 것을 전자 현미경·EDX에 의한 조성 분석, 라만 분광법 등으로 확인하였다.
상기한 바와 같이 하여 얻어진 SWNT를 디메틸포름아미드(DMF) 용액 내에서 2 시간 초음파에 의한 분산 처리를 실시하고, 또한 원심 분리기(4000 rpm, 15분간)에 의해 표면에 뜨는 것이 잘 분산된 SWNT만을 추출하였다.
그리고, 이 분산액을, 도 2a에 도시한 바와 같은 전계 효과 트랜지스터(FET) 구조의 SiO2/Si 기판(전극 Fe/Au = 10/200 ㎚, 게이트 폭(Lsd) 2 ㎛, 게이트 길이(w) 162.5 ㎛, 산화막 두께(Lox) 100 ㎚)로 적하하고, 건조시켰다. DMF를 건조시킨 후의 SWNT의 AFM상을 도 2b 및 도 2c에 도시한다. 또한, 도 2b는, 도 2a에서의 A 부의 AFM상이며, 도 2c는, SWNT로 이루어지는 채널층(5)의 AFM상이다. 또한, 다층 카본나노 튜브(MWNT)를 이용한 경우에도 제작 방법은 상기한 바와 마찬가지이다.
전형적으로는, SWNT의 길이는 2∼3 ㎛이었다. 이것은 퍼콜레이션의 이론으로부터 SWNT의 밀도가 평균 약 2∼3 개/㎛2인 것을 의미한다. 이것이 10 개/㎛2를 초과하는 경우, 전계 효과 트랜지스터로서의 동작이 극단적으로 나빠지는 것을 알 수 있다.
상기한 방법으로 제작한 SWNT-FET에 대하여, 300 K의 조건 하에서 FET 특성을 측정하였다. 결과를 도 1a에 도시한다. 소스/드레인 전극 사이의 전압(Vsd)은 0.1 V로 하고, 게이트 전압에 대한 소스/드레인 전극 사이의 전류(Isd)의 변화를 측정하였다. 도 1a로부터 분명히 알 수 있듯이, 마이너스 게이트측에서 전류가 흐르는 경향을 알 수 있고, 이것으로부터 SWNT-FET가 p형 동작하고 있는 것을 알았다. 또한, p형 또는 n형의 양극성(ambipolar) 중 어느 하나의 트랜지스터 동작 특성을 갖는 것도 분명하게 되었다.
여기서, 채널 길이(Lsd), 게이트 길이(w), SiO2의 유전률(ε(= 4.0)), SiO2 산화막의 막 두께(Lox) 등을 이용하여, 이동도(μ)를 하기 수학식 1로 표현할 수 있다.
상기 수학식 1로부터 이동도를 구하면, 약 5 ㎤/Vs이었다. 그러나, On/Off 비는 1자릿수 이하이므로 디바이스로서 실용면에서 문제가 있었다.
다음으로, 이 디바이스에 대하여 산소 플라즈마 처리를 행하였다. 여기서, 산소 이외에 에칭성 또는 산화성을 갖고, 카본나노 튜브에 적절한 데미지를 줄 수 있는 가스종, 예를 들면 수소를 이용하여도 효과는 마찬가지이다. 산소 플라즈마 처리의 조건은 출력 15 W, 시간은 3분간으로 하였다. 출력, 시간 등의 조건은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 산소 플라즈마의 경우, 출력은 15 W 이하가 바람직하며, 플라즈마 인가 시간은 3분 이하가 바람직하다.
이 플라즈마 처리 후의 디바이스에 대하여 상기한 바와 마찬가지로 하여 FET 특성을 측정하였다. 결과를 도 1b에 도시한다. 도 1b로부터 분명히 알 수 있듯이, On/Off 비를 3자릿수 이상 취할 수 있게 된 것을 알았다. 이동도는 6 × 10-3 ㎤/Vs로 3자릿수 낮게 되지만, 예를 들면 Alq3을 채널층의 재료로서 이용한 경우보다 2자릿수 높고, 또한 트리페닐 디아민(TPD)을 이용한 경우와 동일 정도의 이동도를 가지므로, 유기 FET 디바이스로서는 충분한 값이다.
이상으로부터 분명히 알 수 있듯이, 본 발명에 기초하는 제조 방법에 따르면, 상기 카본나노 튜브에 대하여 플라즈마 처리를 행함으로써 상기 카본나노 튜브의 물리적 또는 화학적 상태를 변화시켰으므로, 카본나노 튜브의 채널층에서의 불필요한 캐리어 전도 패스를 줄일 수 있어, 고이동도 및 고 On/Off 비의 양립이 가능하여, 디바이스 특성이 양호한 전계 효과 트랜지스터를 용이하게 제조할 수 있었 다.
또한, 레이저 어블레이션법으로 제작한 카본나노 튜브를 정제하고, 이 정제 후의 양질 카본나노 튜브를 용매에 분산하고, 이 분산액을 소정 패턴으로 적하하고, 건조함으로써, 카본나노 튜브로 이루어지는 상기 채널층을 형성하였으므로, 벽면 구조의 결함이 보다 적고 특성이 좋은 카본나노 튜브만을 상기 채널층에 균일하게 분산한 전계 효과 트랜지스터를 제조할 수 있었다. 또한, 상기 카본나노 튜브의 상기 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조할 뿐이므로, 제작이 용이하였다.
제2 실시예
단층 카본나노 튜브(SWNT)는, Ni/Co를 0.6 at% 씩 함유하는 탄소 타깃을 이용하여 레이저 어블레이션법에 의해 제작하였다. 제작 온도는 1200도이었다. 제작 후, 과산화수소수, 염산, NaOH 수용액을 순서대로 이용하여 정제 처리를 행하였다(M. Shiraishi et al. CPL 358 (2002), 213). 정제 후의 순도는 95% 이상인 것을 전자 현미경·EDX에 의한 조성 분석, 라만 분광법 등으로 확인하였다.
상기한 바와 같이 하여 얻어진 SWNT를 디메틸포름아미드(DMF) 용액 내에서 2 시간 초음파에 의한 분산 처리를 실시하고, 또한 원심 분리기(4000 rpm, 15분간)에 의해 표면에 뜨는 것이 잘 분산된 SWNT만을 추출하였다.
그리고, 이 분산액을, 도 2a에 도시한 바와 같은 전계 효과 트랜지스터(FET) 구조의 SiO2/Si 기판(전극 Fe/Au = 10/200 ㎚, 게이트 폭(Lsd)20 ㎛, 게이트 길이(w) 330 ㎛, 산화막 두께(Lox) 100 ㎚)에 적하하고, 건조시켰다. DMF를 건조시킨 후의 SWNT의 AFM상을 도 2b 및 도 2c에 도시한다. 또한, 도 2b는, 도 2a에서의 A 부의 AFM상이며, 도 2c는, SWNT로 이루어지는 채널층(5)의 AFM상이다.
도 4는, 상기한 방법으로 제작한 SWNT-FET의 동작 특성을 도시하는 그래프이다. 소스/드레인 전극 사이의 전압(Vsd)은 0.1 V로 하고, 게이트 전압에 대한 소스/드레인 전극 사이의 전류(Isd)의 변화를 측정하였다. 또한, 실험은 실온에서 행하였다. 도 4로부터 분명히 알 수 있듯이, 마이너스 게이트측에서 전류가 흐르는 경향을 알 수 있으며, 이것으로부터 SWNT-FET가 p형 동작하고 있는 것을 알았다. SWNT의 극성에 관해서는, 지금까지 보고되어 온 것과 일치한다.
여기서, 채널 길이(Lsd), 게이트 길이(w), SiO2의 유전률(ε(= 4.0)), SiO2 산화막의 막 두께(Lox) 등을 이용하여, 이동도(μ)를 상기 수학식 1로 표현할 수 있다.
상기 수학식 1로부터 이동도를 구하면, 약 0.5∼7 ㎤/Vs라는 고이동도의 FET를 얻을 수 있는 것을 알았다. 종래의 유기 FET와 비교한 경우, 실온 영역에서 충분한 이동도를 얻을 수 있었다. 예를 들면, 채널층을 구성하는 재료로서 플라렌 분자(C60)를 이용한 FET의 이동도는 최고가로 0.6 ㎤/Vs, 펜타센 등의 축합 방향족계의 FET에서는 최고가가 2∼5 ㎤/Vs, 그 밖의 재료로서는 10∼2 ㎤/Vs가 고작이며, 본 발명에 따른 FET의 이동도(0.5 ∼ 7 ㎤/Vs)는 폴리실리콘, 아몰퍼스 실리콘의 그것에 필적한다.
다음으로, 디바이스 동작의 온도 특성을 측정함과 함께, 이동도의 온도 특성도 조사하였다. 결과를 도 5 및 도 6에 도시한다. 이동도에 관해서는 실리콘에서 마찬가지의 연구가 이루어지고 있으며, 그 식을 이용하여 피팅을 행했으므로 도 6에 곡선으로 나타낸다.
도 6에 도시한 바와 같이 실리콘의 경우에는 저온측에서 성립하지 않게 되는 양상을 알 수 있다. 결정계에서는 저온에서 캐리어가 프리즈 아웃하는 관계로 이동도가 제로에 한하지 않고 근접하는, 즉 디바이스가 동작하지 않게 된다. 이것에 대하여, 본 발명에 기초하는 제조 방법에 의해 제작된 SWNT-FET는, 도 5 및 도 6로부터 분명히 알 수 있듯이, 저온에서도 실온과 거의 마찬가지의 이동도를 유지하면서 디바이스 동작하는 것이 확인되었다. 즉, 본 발명에 기초하는 제조 방법에 의해 제작한 SWNT-FET는 다른 유기 재료보다도 고이동도를 갖는 데다가, 저온 동작할 수 있다고 하는 Si 등의 결정계 반도체에서는 실현할 수 없는 동작을 보증하고 있다.
도 7은, 전술한 바와 마찬가지의 방법에 의해 샘플 디바이스를 제작하고, 이 디바이스에 대하여 측정 온도를 바꾸어, Isd-Vg 특성을 측정하였을 때의 결과를 도시하는 그래프이다. 소스/드레인 전극 사이의 전압(Vsd)은 10 V로 하였다. 또한, 이 샘플 디바이스는, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같은 SiO2/Si 기판(전극 Fe/Au = 10/200 ㎚, 게이트 폭(Lsd)20 ㎛, 게이트 길이(w)330 ㎛, 산화막 두께(Lox)100 ㎚)의 FET 구조로 하였다. 도 7로부터 분명히 알 수 있듯이, 저온 환경하에서도 실온과 거의 마찬가지의 디바이스 동작이 가능하였다. 또한, p형 또는 n형의 양극성(ambipolar) 중 어느 하나의 트랜지스터 동작 특성을 갖는 것도 분명하게 되었다.
도 8은, 전술한 바와 마찬가지의 방법에 의해 샘플 디바이스를 제작하고, 이 디바이스에 대하여 게이트 전압(Vg) 및 측정 온도를 바꾸어, Isd-Vsd 특성을 측정하였을 때의 결과를 도시하는 그래프이다. 또한, 이 샘플 디바이스는, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같은 SiO2/Si 기판(전극 Fe/Au = 10/200 ㎚, 게이트 폭(Lsd)20 ㎛, 게이트 길이(w)330 ㎛, 산화막 두께(Lox)100 ㎚)의 FET 구조로 하였다. 도 8로부터 분명히 알 수 있듯이, 저온 환경 하에서도 디바이스 동작이 가능하였다.
도 9는, 전술한 바와 마찬가지의 방법에 의해 샘플 디바이스를 제작하고, 이 디바이스에 대하여 게이트 전압(Vg)을 바꾸어, Isd-Vsd 특성을 측정하였을 때의 결과를 도시하는 그래프이다. 측정 온도는 20 K로 하였다. 또한, 이 샘플 디바이스는, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같은 SiO2/Si 기판(전극 Fe/Au = 10/200 ㎚, 게이트 폭(Lsd) 20 ㎛, 게이트 길이(w) 330 ㎛, 산화막 두께(Lox)100 ㎚)의 FET 구조로 하였다. 도 9로부터 분명히 알 수 있듯이, 저온 환경 하에서도 디바이스 동작이 가능하였다.
도 10은, 전술한 바와 마찬가지의 방법에 의해 샘플 디바이스를 제작하고, 이 디바이스에 대하여 측정 온도와 소스/드레인 전극 사이의 전류(Isd)와의 관계를 측정한 그래프이다. 소스/드레인 전극 사이의 전압(Vsd)은 0.1 V로 하고, 또한 게 이트 전압을 0 V로 하였다. 또한, 이 샘플 디바이스는, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같은 SiO2/Si 기판(전극 Fe/Au = 10/200 ㎚, 게이트 폭(Lsd) 20 ㎛, 게이트 길이(w) 330 ㎛, 산화막 두께(Lox) 100 ㎚)의 FET 구조로 하였다. 도 10으로부터 분명히 알 수 있듯이, 환경 온도가 80 K 이상일 때, 활성화 에너지는 3 meV로 매우 작았다. 예를 들면, 이 디바이스의 SWNT 대신에 채널층에 플라렌 분자(C60)를 이용한 경우에는 활성화 에너지는 90 meV, 플라렌 분자(C70)를 이용한 경우에는 110 meV, 펜타센을 이용한 경우에는 16 meV, Cu-PC(구리프탈로시아닌)을 이용한 경우에는 160 meV이다. 이에 의해, SWNT-FET는 저활성화 에너지 및 저전류 때문에 저온 환경 하에서도 동작 가능한 것을 알았다.
도 11은, 전술한 바와 마찬가지의 방법에 의해 샘플 디바이스를 제작하고, 이 디바이스에 대하여 측정 온도와 소스/드레인 전극 사이의 전류(Isd)와의 관계를 측정한 그래프이다. 게이트 전압(Vg)은 0 V, -20 V로 측정하였다. 또한, 이 샘플 디바이스는, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같은 SiO2/Si 기판(전극 Fe/Au = 10/200 ㎚, 게이트 폭(Lsd) 20 ㎛, 게이트 길이(w) 330 ㎛, 산화막 두께(Lox) 100 ㎚)의 FET 구조로 하였다. 이것으로부터, 게이트 전압의 인가에 의해 확실하게 채널층을 형성하는 카본나노 튜브에 전계가 인가되어 있는 것을 알았다.
이상으로부터 분명히 알 수 있듯이, 본 발명에 기초하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법에 의하면, 레이저 어블레이션법으로 제작한 카본나노 튜브를 정 제하고, 이 정제 후의 양질 카본나노 튜브를 용매에 분산하고, 이 분산액을 소정 패턴으로 적하하고, 건조함으로써, 카본나노 튜브로 이루어지는 상기 채널층을 형성하므로, 벽면 구조의 결함이 보다 적고 특성이 좋은 카본나노 튜브만이 상기 채널층에 균일하게 분산된 전계 효과 트랜지스터를 제조할 수 있었다. 또한, 상기 카본나노 튜브의 상기 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조할 뿐이므로, 제작이 용이하였다. 따라서, 이에 따라 얻어지는 전계 효과 트랜지스터는, 예를 들면 저온 하에서도 양호하게 동작하여, 높은 이동도를 갖는 등의 우수한 성능을 갖고 있었다.
이상, 본 발명을 실시 형태 및 실시예에 대하여 설명하였지만, 전술한 예는, 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 다양하게 변형이 가능하다.
본 발명에 따르면, 상기 카본나노 튜브에 대하여 플라즈마 처리를 행함으로써 상기 카본나노 튜브의 물리적 또는 화학적 상태를 변화시키는 공정을 포함하므로, 카본나노 튜브의 전도 패스의 수를 줄일 수 있어, 카본나노 튜브를 균일하게 분산시킨 전류 통로를 가져, 디바이스 퍼포먼스(디바이스 특성)가 양호한 전계 효과 반도체 장치를 용이하게 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 카본나노 튜브의 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조함으로써, 카본나노 튜브로 이루어지는 채널층 등의 상기 전류 통로를 형성하는 공정을 포함하므로, 예를 들면, 상기 분산액을 제작하는 단계에서 카본나노 튜브의 선별을 행하고, 선별된 양질의 카본나노 튜브만을 이용하면, 벽면 구조의 결 함이 보다 적고 특성이 좋은 카본나노 튜브만이 상기 전류 통로에 균일하게 분산되어, 고이동도를 갖는 전계 효과 반도체 장치를 제조할 수 있다. 또한, 상기 카본나노 튜브의 상기 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조할 뿐이므로, 제작이 용이하다. 따라서, 이에 따라 얻어지는 전계 효과 반도체 장치는, 예를 들면 저활성화 에너지 및 저전류 때문에 저온 하에서도 양호하게 동작하는 등의 우수한 성능을 갖는다.
또한, 레이저 어블레이션법에 의해 상기 카본나노 튜브를 제작하는 공정을 행함으로써, 전술한 바와 같은 양질의 카본나노 튜브의 선별을 행하지 않아도, 결함이 보다 적고 특성이 좋은, 거의 탄소 6원환만으로 이루어지는 벽면 구조의 카본나노 튜브를 레이저 어블레이션으로 제작할 수 있어, 공정이 한층 용이하게 된다.
Claims (13)
- 카본나노 튜브를 전류 통로에 이용한 전계 효과 반도체 장치를 제조할 때, 상기 카본나노 튜브에 대하여 플라즈마 처리를 행함으로써 상기 카본나노 튜브의 물리적 또는 화학적 상태를 변화시키는 공정을 포함하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 카본나노 튜브로 이루어지는 상기 전류 통로를 형성한 후, 상기 플라즈마 처리를 행하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 카본나노 튜브로서 단층 카본나노 튜브를 이용하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 플라즈마로서 RF 플라즈마를 이용하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 플라즈마 처리의 플라즈마 소스로서 산소 또는 수소를 이용하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 카본나노 튜브의 분산액을 소정 패턴으로 부착하고, 건조함으로써, 카본나노 튜브로 이루어지는 상기 전류 통로를 형성하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,선별된 양질 카본나노 튜브를 용매에 분산하고, 이 분산액을 소정 패턴으로 적하하고, 건조하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 카본나노 튜브를 레이저 어블레이션법 또는 화학적 기상 성장법에 의해 제작하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 전류 통로에서의 상기 카본나노 튜브의 분산도를 0.1 개/㎛2 이상, 10 개/㎛2 이하로 형성하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,길이가 0.1 ㎛ 이상, 10 ㎛ 이하인 카본나노 튜브를 이용하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 용매로서 에탄올 또는 디메틸포름아미드를 이용하는, 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,게이트 전극과, 상기 게이트 전극에 대하여 게이트 절연막을 개재하여 형성된 소스 전극 및 드레인 전극과, 이들의 전극 사이에 형성된 상기 전류 통로로서의 채널층에 의해 구성된 전계 효과 트랜지스터를 제조하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
- 제1항 또는 제12항에 있어서,p형 또는/및 n형 동작하는 트랜지스터를 제조하는 전계 효과 반도체 장치의 제조 방법.
Applications Claiming Priority (4)
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