KR20100025603A - 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법 - Google Patents

나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100025603A
KR20100025603A KR1020080084201A KR20080084201A KR20100025603A KR 20100025603 A KR20100025603 A KR 20100025603A KR 1020080084201 A KR1020080084201 A KR 1020080084201A KR 20080084201 A KR20080084201 A KR 20080084201A KR 20100025603 A KR20100025603 A KR 20100025603A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanowire
nanowire array
photoresist
manufacturing
nanomaterial
Prior art date
Application number
KR1020080084201A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100992834B1 (ko
Inventor
변영태
김선호
이석
우덕하
김수현
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020080084201A priority Critical patent/KR100992834B1/ko
Publication of KR20100025603A publication Critical patent/KR20100025603A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100992834B1 publication Critical patent/KR100992834B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/822—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using silicon technology
    • H01L21/8232—Field-effect technology
    • H01L21/8234—MIS technology, i.e. integration processes of field effect transistors of the conductor-insulator-semiconductor type
    • H01L21/823437—MIS technology, i.e. integration processes of field effect transistors of the conductor-insulator-semiconductor type with a particular manufacturing method of the gate conductors, e.g. particular materials, shapes
    • H01L21/823456—MIS technology, i.e. integration processes of field effect transistors of the conductor-insulator-semiconductor type with a particular manufacturing method of the gate conductors, e.g. particular materials, shapes gate conductors with different shapes, lengths or dimensions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02603—Nanowires

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

본 발명은 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 나노구조 물질(나노튜브, 나노와이어)를 이용한 FET 소자 및 이를 이용한 화학센서와 바이오센서에서 전류운반능력과 전하(전자 또는 정공) 이동도를 향상시킬 수 있도록 한 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계; 상기 나노선 배열에 용액공정을 통해 나노물질을 자기조립하는 단계; 및 상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법을 제공한다.
탄소나노튜브, 다중채널, 나노선 배열, 레이저 간섭 리소그라피, 용액공정

Description

나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법{Manufacturing method for nanowire multichannel FET devices}
본 발명은 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 나노구조 물질(나노튜브, 나노와이어)를 이용한 FET 소자 및 이를 이용한 화학센서와 바이오센서에서 전류운반능력과 전하(전자 또는 정공) 이동도를 향상시킬 수 있도록 한 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 관한 것이다.
용액 공정을 할 수 있는 1차원 반도체 물질을 기반으로 하는 전자소자들과 그들의 배열(array)들은 저비용 제조, 대면적 범위, 그리고 유연성 기판 위에 저온 공정을 필요로 하는 응용분야를 위해서 매우 중요한 관심을 불러일으키고 있다[문헌 1].
반도체 단일벽 탄소 나노튜브(single-wall carbon nanotube; SWNT)는 고기능의 박막 트랜지스터(thin-film transistor; TFT)를 제조하기 위해 활용이 기대되는 물질이다.
그 이유는 SWNT가 잠재적으로 높은 전하 이동도와 큰 전류운반 능력을 갖고 있기 때문이다[문헌 2]. 그러나 개개의 SWNT에서 전류 운반 능력이 제한되기 때문에 SWNT의 무작위 네트워크(random network)나 평행한 정렬(parallel array)이 소자의 필요한 전류밀도를 줄 수 있을 것이다.
CNT (carbon nanotube) TFT의 성능은 표면밀도를 증가시키고 CNT를 균일하게 정렬함으로서 향상될 수 있다. 용액 기반의 기법들을 이용하여 CNT를 정렬시키기 위해서 많은 접근 방법들이 연구되었다[문헌 3]. 그러나 대부분의 방법은 형성된 CNT 배열의 표면 밀도가 낮기 때문에 응용 가능성이 제한된다.
한편 다른 용액 기반의 접근방법들이 매우 조밀한 CNT를 만들기 위해 시도되어 왔지만, 그 결과 CNT 층은 임의의 방향으로 배열되었다[문헌 4]. 비록 겹쳐진 많은 나노튜브에서 나노튜브 사이의 접촉저항 때문에 고유의 높은 전하 이동도가 제한되지만, 매우 조밀하고 임의 방향을 향한 CNT들은 최근에 TFT를 위한 효율적인 반도체로서 사용되어 왔다[문헌 5].
최근에 정렬된 나노구조 물질(nanotube 와 nanowire) 패턴을 대면적으로 만들기 위해 포토리소그라피 공정과 탄소나노 튜브의 자기조립 방법을 이용하여 선폭이 3-4 μm인 나노물질의 조립패턴이 보고되었다[문헌 6]. 그러나 용액 공정에서 사용되는 탄소나노튜브는 직경이 수 nm이고 길이가 1-2 μm이기 때문에 단일 나노튜브로 배열된 패턴을 제조하는 것이 현실적으로 불가능하다.
따라서 단일채널 FET 소자보다 큰 전류 운반능력과 무작위 네트워크(random network) FET 소자보다 큰 전하 이동도를 얻기 위해서는 나노물질이 조립되는 선폭이 서브마이크론(submicron) 이하로 더 작아져야 한다.
과학적인 탐구와 공학적인 응용들이 나노미터 크기까지 탐구해가기 때문에 규칙성이 좋을 뿐만 아니라, 패턴, 크기, 모양이 모두 잘 조절될 수 있는 나노구조를 제작할 필요성이 급증하고 있다.
많은 응용에서 나노구조들이 상당히 큰 면적을 차지하지 않고 제조비용이 수용할 수 있는 범위에 있지 않으면 나노구조들은 유용하지 않다. 포토리소그라피용 광마스크의 선폭은 500 nm까지 가능하지만 대면적으로 500 nm 선폭의 배열을 제조하는 것은 용이하지 않을 뿐만 아니라, 서브마이크론 선폭의 광마스크 제작비용이 비싼 단점이 있다. 또한 500 nm 이하의 선폭을 갖는 배열을 만들 수 없다.
서브마이크로미터(Sub-μm) 패턴을 만들 수 있는 다른 방법은 전자빔 리소그라피(electron-beam lithography; EBL)인데, EBL은 직렬방법(serial method)이기 때문에 공정이 느리고 비싼 단점을 갖고 있다. 또한 전형적으로 1 ㎟ 이하의 소면적(small area)만이 제작될 수 있다.
한편, 병렬 x-선 리소그라피는 대면적 패턴을 만들 수 있지만 너무 고가이다.
최근에 많은 연구가 집중되는 나노임프린팅은 병렬 방식으로 패턴을 복제하지만, 마스터 몰드(master mould)가 전자빔이나 x-선 리소그라피에 의해 만들어 지는 단점이 있다.
현재 레이저 간섭 리소그라피는 패턴의 규칙성을 잘 조절하면서 대면적위에 서브마이크론 크기의 주기적인 패턴을 만들 수 있는 가장 효과적인 방법으로 생각된다[문헌 7]. 그것은 간단하고 상당히 저렴한 광학을 사용해서 선(line)이나 점(dot)과 같은 규칙적인 간섭패턴을 어떤 광마스크도 없이 기판위에 만든다.
따라서 간섭 리소그라피는 본질적으로 무한한 전계 깊이(depth-of-field), 대면적, 서브마이크로미터 패턴을 만들 수 있는 기술을 제공한다. 간섭 리소그라피의 주기적인 특성 때문에 광 회절격자[문헌 8]와 장 방출기 배열(field emmiter array)과 같은 많은 유용한 패턴과 구조들이 제작되어 왔다[문헌 9].
그러나 아직까지 간섭 리소그라피를 이용하여 나노선 배열을 만들고, 나노선 배열을 구성하는 단위 나노선의 선폭을 조절하여 나노선의 폭 방향으로 한 개의 나노물질이 정렬된 나노선 배열이 제조되는 수단이 제공되지 않았다.
더욱이 상기 나노선 배열을 이용하여 다중채널 FET 소자를 제조함으로서 기존의 문제점인 낮은 전류 운반 능력과 낮은 전하 이동도를 동시에 극복할 수 있는 수단도 제공되지 않았다.
특히, 기존의 실험실 수준에서 지적 호기심을 충족하기 위해 개발되어온 나노구조 물질(nanotube, nanowire)을 이용하는 FET 소자, 및 이를 이용한 화학센서와 바이오 센서에서 나타나는 문제점을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 소스-드레인 전극을 이어주는 채널이 단 한 개인 SWNT나 나노와이어를 이용하여 제조된 단일채널 FET 소자는 전하의 이동도가 큰 반면에 전류 운반 능력이 낮은 단점을 갖고 있다.
둘째, 낮은 전류 운반 능력을 개선하기 위해 제안된 무작위 네트워크를 채 널로 이용한 FET 소자는 단일채널 FET에 비해 전하 이동도가 크게 떨어지는 단점이 있고 전류운반 능력이 크게 개선되지 못하고 있다.
셋째, 포토리소 그라피와 용액공정을 이용하여 선폭이 3-4 μm인 단일패턴을 채널로 이용한 FET 소자는 무작위 네트워크 FET (채널폭=35 μm) 소자보다 채널 폭이 약 1/10으로 줄어들었지만, 채널내에 많은 나노물질들이 임의방향으로 분포하고 있다.
따라서 반도체 공정을 이용하여 대면적 제조가 가능한 장점이 있지만, 전하이동도와 전류밀도의 향상이 미흡한 단점이 있다.
[문헌 1] D. B. Mitzi, “Solution-processed inorganic semiconductors,” J. Mater. Chem., Vol.14, p.2355 (2004).
[문헌 2] T. Durkop, S. A. Getty, E. Cobas, and M. S. Fuhrer, "Extraordinary Mobility in Semiconducting Carbon Nanotubes," Nano Lett., Vol.4, p. 35 (2004).
[문헌 3] R. S. Mclean, X. Huang, C. Khripin, A. Jagota, and M. Zheng, "Controlled Two-Dimensional Pattern of Spontaneously Aligned Carbon Nanotubes," Nano Lett., Vol.6, p.55 (2006).
[문헌 4] J.-U. Park, M. A. Meitl, S.-H. Hur, M. L. Usrey, M. S. Strano, P. J. A. Kenis, J. A. Rogers, "In Situ Deposition and Patterning of Single-Walled Carbon Nanotubes by Laminar Flow and Controlled Flocculation in Microfluidic Channels," Angew. Chem., Int. Ed., Vol.45, p.581(2006).
[문헌 5] E. S. Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell, and D. Park, "Random networks of carbon nanotubes as an electronic material," Appl. Phys. Lett., Vol.82, p.2145 (2003).
[문헌 6] M. Lee, J. Im, B. Y. Lee, S. Myung, J. Kang, L. Huang, Y.-K. Kwon & S. Hong, “Linker-free directed assembly of high-performance integrated devices based on nanotubes and nanowires” Nanotechnology, Vol.1, p.66 (2006).
[문헌 7] B. H. Sohn, X. M. Yang, and P. Nealey, “Exposure of 38 nm period grating patterns with extreme ultraviolet interferometric lithography,” Appl. Phys. Lett., Vol.75, p.2328 (1999).
[문헌 8] Saleem H. Zaidi, An-Shyang Chu, and S. R. J. Brueck, “Optical properties of nanoscale, one-dimensional silicon grating structures,” J. Appl. Phys., Vol.80, p.6997 (1996).
[문헌 9] X. Chen, S. H. Zaidi, S. R. J. Brueck, and D. J. Devine “Interferometric lithography of sub-micrometer sparse hole arrays for field-emission display applications,” J. Vacuum Sci. & Techno. B, Vol.14, p.3339 (1996).
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 레이저 간섭 리소그라피를 이용하여 채널의 폭방향으로 서브마이크론 크기의 주기적인 패턴을 갖는 나노선 배열을 만들고, 용액공정 방법을 이용하여 나노물질을 나노선 배열에 단위채널당 한개씩 정렬시킴으로써, 전류운반능력과 전하이동도를 향상시킬 수 있도록 한 대면적/저비용의 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적은 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 있어서,
레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계; 상기 나노선 배열에 용액공정을 통해 나노물질을 자기조립하는 단계; 및 상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 의해 달성된다.
상기 레이저 간섭 리소그라피 공정은 레이저 빔이 가간섭성이 되도록 핀홀을 통과하면서 확장되고 공간적으로 여과되는 단계; 상기 가간섭성 레이저 빔이 콜리메이터에 의해 평행광이 되는 단계; 상기 가간섭성 레이저 빔이 서로 수직인 로이 드 미러와 시료홀더를 향해 정렬되는 단계; 및 상기 정렬된 가간섭성 레이저 빔이 포토레지스트가 코팅된 기판 위에 간섭광 세기의 주기적인 선 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계에서 포토레지스트 박막의 두께를 500~1000
Figure 112008061279243-PAT00001
로 만들기 위해 포토레지스트의 양보다 상대적으로 많은 양의 시너(Thinner)를 혼합하여 기판 위에 스핀 코팅하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계에서 노광되는 레이저 광출력이 0.2mW 이하인 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 0.2mW 이하의 광출력으로 제조할 때 포토레지스트가 있는 선폭과 포토레지스트가 없는 선폭이 일정한 비율로 이루어지도록 노광시간을 일정하게 조절한다.
또한, 상기 레이저 간섭 리소그라피 공정으로 나노선 배열을 제조하는 단계에서 식
Figure 112008061279243-PAT00002
에 의해 시료홀더의 회전각(δ)에 따라 나노선 배열의 주기(d)를 조절하고, 상기 λ는 레이저 빔의 파장이다.
여기서, 포토레지스트 패턴의 나노선 배열이 제조되는 기판은 반도체, 유리, 산화막 박막, 유전체 박막 및 금속박막 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진다.
상기 포토레지스트 패턴의 나노선 배열은 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 기판에 식각된다.
상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질을 자기조립하는 단계는 상기 레이저 간섭 리소그라피로 제조된 나노선 배열을 갖는 시료에서 포토레지스트가 없는 영역에 OTS가 증착되는 단계; 상기 시료에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계; 및 상기 포토레지스트가 제거된 영역에 작용기가 없는 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질을 자기조립하는 단계는 상기 레이저 간섭 리소그라피로 제조된 나노선 배열을 갖는 시료에서 포토레지스트가 없는 영역에 OTS가 증착되는 단계; 상기 시료에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계; 상기 포토레지스트가 제거된 영역에 APTES를 증착하는 단계; 및 상기 APTES 패턴 위에 음의 작용기가 있는 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질이 조립되는 단계는 기판 위에 포토레지스트를 식각 마스크로 사용하여 식각된 나노선 배열에 나노물질이 조립되는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 단위채널 당 하나의 나노물질만이 정렬되도록 나노선의 폭을 조절하여 나노선 배열을 제조하는 단계; 및 상기 제조된 나노선 배열에 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계는 폭방향으로 단위채널 당 하나씩의 나노물질이 정렬된 나노선 배열 위에 포토리소그라피를 이용하여 소스와 드레인 전극 패턴 을 형성하는 단계; 상기 전극 패턴에 Ti/Au를 증착한 후 리프트 오프 방법으로 드레인 전극과 소스 전극을 제조하는 단계를 포함한다.
이에 따라 본 발명에 따른 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 의하면, 레이저 간섭 리스그라피 방법을 이용하여 채널의 폭방향으로 서브마이크론 크기의 선폭을 갖는 나노선을 직선 배열하고, 용액공정 방법을 이용하여 나노선 배열에 나노물질을 자기조립함으로써, 대면적/저비용으로 전류운반능력과 전하이동도를 향상시킬 수 있다.
특히 나노채널의 수를 조절함에 따라 소오스-드레인의 전류크기를 임의로 조절하여 외부회로에서 전류 증폭기가 필요없고, 고속과 고출력을 필요로 하는 전자소자, 논리소자, 화학센서 및 바이오센서와 그들을 기반으로 하는 어레이 소자를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
본 발명은 나노선폭의 직선 배열을 대면적 및 저비용으로 제작하기 위해 레이저 간섭 방법으로 나노선 배열(회절격자)을 제조하는 단계와, 상기 제작된 회절격자에 나노물질이 자기조립되는 단계를 제공하고, 이를 이용하여 대면적 나노선 배열의 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 레이저 간섭 리소그라피(laser interference lithography) 공정을 위해서 간단한 로이드 미러(13)(Lloyds mirror) 장치를 사용한다[문헌 10]. 도 1은 레이저 간섭 리소그라피 시스템의 장치 구조도이다.
325 nm 파장에서 동작되는 He-Cd 레이저 빔은 가간섭성(coherent)이 되기 위해서 핀홀을 통과하면서 확장되고 공간적으로 여과된다. 가간섭성 빔은 콜리메이터(18)에 의해 평행광이 된 후 평면각이 90°가 되는 로이드 미러(13)와 시료 홀더(15)를 향해 정렬된다.
정렬된 가간섭성 빔은 포토레지스트(photoresist; PR)가 코팅된 기판(23) 위에 간섭광 세기의 주기적인 선 패턴을 새긴다. 이때, λ가 파장이고, δ가 도 1과 같이 로이드 미러(13)가 수평선과 이루는 각도(시료홀더(15)의 회전각)일 때 회절격자의 주기(d)는 다음식과 같다.
Figure 112008061279243-PAT00003
상기 식에서 시료 스테이지(stage)가 회전되면 δ가 변하기 때문에 회절격자의 주기가 변하게 된다.
도 2는 δ 변화에 따른 회절격자의 주기변화를 보여준다. 한 예로 파장이 325 nm이고 δ=45°이면 회절격자의 주기는 230 nm가 된다. 도 2로부터 δ가 25° ~ 65°범위에서 바뀔 때 회절격자의 주기는 179 ~ 385 nm 범위에 있다.
도 1을 이용하여 230 nm 주기를 갖도록 제작된 나노선 배열 (회절격자)의 SEM 사진이 도 3에 있다. 도 3(a)는 PR 패턴이 있는 선폭과 PR 패턴이 없는 선폭이 1: 1이 되도록 레이저 출력이 0.15 mW에서 2분 동안 노출되어 제작되었다.
한편 도 3(b)는 레이저 출력이 0.15 mW일 때 2분 30초 동안 노출시킴으로써 PR 패턴이 있는 선폭과 없는 선폭이 1: 2가 되었다. 여기서 사용된 PR은 박막두께를 얇게 하기 위해서 시너(thinner)가 3배 더 많이 들어가도록 혼합되었다.
여기서, 광출력이 0.2mW를 초과하는 경우에는 과잉노출(overexposure)로 인해 노광시간이 너무 짧아 시간조절이 어렵기 때문에 0.2mW 이하인 것이 바람직하다. 이때, 노광시간이 2분보다 작을 때 포토레지스트의 선폭이 포토레지스트가 없는 선폭보다 넓게 되고, 노광시간이 2분보다 클 때 포토레지스트의 선폭이 포토레지스트가 없는 선폭보다 좁아지게 된다.
도 3에서 사용된 기판은 Si, GaAs, InP, InGaAs 등의 III-V 화합물 반도체, 유리, 투명전극 유리, 산화막 박막, 유전체 박막 및 금속 박막 기판 등이 모두 사용될 수 있다. 그리고 상기의 기판 재료들은 PR 패턴을 식각 마스크로 이용하여 식각됨으로써 PR 패턴을 기판에 직접 전사시킬 수 있다. RIE(reactive ion etching)와 같은 건식식각을 이용하면 수직방향으로 기판이 식각될 수 있다. 특히 단결정의 결정 방향에 따라 식각속도가 다른 습식 식각용액이 사용되면 기판에 전사된 패턴이 PR 패턴과 다른 모양이 된다.
도 4는 PR을 식각마스크로 사용해서 식각된 나노선 배열(회절격자)이다. 도 4(a)는 식각단면이 삼각형 모양의 회절격자이고 도 4(b)는 선폭이 가늘고 선사이의 간격이 넓은 회절격자이다.
도 3을 이용하여 나노물질(나노튜브, 나노와이어)이 용액공정에 의해 자기조립되면 나노선 배열의 다중채널 FET 전자소자가 제작될 수 있다. 나노물질은 PR로 덮인 영역에 조립될 수 있다.
도 5는 SWNT가 나노선 배열(회절격자)인 PR 패턴에 자기조립되는 공정도이다. 먼저 도 3에서 제작된 PR 패턴을 갖고 있는 회절격자 시료는 표면의 수분을 제거하기 위해 헥산용액에 담구어진 후, 전기적으로 중성인 OTS(octadecyltrichlorosilane) 용액에 담구어져 OTS 박막(19)이 표면에 증착되도록 한다.
그리고 PR 패턴이 아세톤으로 제거되면 PR(20)이 있던 영역의 기판(23)이 노출된다. 다시 이 시료는 노출된 기판(23) 위에 APTES 박막(21)을 증착하기 위해 APTES 용액 속에 담구어진다.
APTES(3-aminopropyl trimethoxysilane)는 양전하를 띠는 작용기를 가지고 있어 음전하를 띠는 SWNT의 자기조립에 이용될 수 있다. 다음은 APTES와 OTS 패턴이 있는 시료가 SWNT 용액에 담구어지면 SWNT(기판(23))는 APTES 패턴에만 달라 붙기 때문에 SWNT(기판(23))의 자기조립이 완성된다. 도5의 자기조립 공정은 도 4의 회절격자 시료를 이용해서 수행될 수도 있다. 이 경우 기판(23)이 식각된 후 식각마스크로 사용된 PR이 제거되지 않은 상태에서 도 5의 공정이 반복되면 된다.
도 6은 나노물질이 나노선 배열(회절격자)에 자기조립된 개념도(도 6 (a))와 이를 이용하여 제작된 나노선 다중채널 FET 소자의 구조도(도 6 (b))이다. 도 2를 이용하여 PR 나노선의 선폭을 조절하여 나노선 배열을 구성하는 개개 채널에 1 개 씩의 나노튜브나 나노와이어가 폭 방향으로 배열되게 할 수 있다.
그 다음, 폭 방향으로 한 개씩의 나노물질이 정렬된 나노선 배열 위에 포토리소그라피를 이용하여 소스와 드레인 전극 패턴을 형성한 후, 전극 패턴 위에 Ti/Au를 증착한 후 리프트 오프(lift-off)방법으로 드레인 전극(24)과 소스 전극(25)을 제조하여 다중채널 FET 소자를 완성한다. 도 6에서 미설명부호 26은 탄소나노튜브이다.
그 결과 나노선 배열의 다중채널 FET 소자는 단 한 개의 나노튜브로 제작된 단일채널 FET 소자 보다 큰 전류를 운반할 수 있을 뿐만 아니라, SWNT의 무작위 네트워크(random network)를 이용한 FET 소자보다 큰 전하 이동도를 얻을 수 있다. 따라서 기존의 단일채널 FET 소자와 네트워크 FET 소자의 단점들을 모두 해결할 수 있다.
[문헌 10] H. I. Smith, "Low cost nanolithography with nanoaccuracy," Physica E, Vol. 11, pp.104-109(2001).
본 발명은 나노선 배열을 이용한 다중채널 FET 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 대면적/저비용의 레이저 간섭 리소그라피 공정을 이용하여 나노선 다중채널을 만들고, 용액 공정을 이용하여 나노선 배열에 나노구조 물질(nanotube나 nanowire)을 자기조립하는 공정을 제공한다.
레이저 간섭 리소그라피는 나노선 배열이 대면적으로 저렴하게 제조될 수 있는 수단을 제공할 뿐만 아니라, 시료 홀더를 회전시킴에 따라 나노선의 폭이 쉽게 조절될 수 있기 때문에 나노선의 폭 방향으로 단위채널당 한 개의 나노물질만이 배 열될 수 있는 나노선 배열을 만들 수 있도록 한다.
나노선 배열과 레이저 리소그라피는 기존의 실리콘 반도체 산업에서 사용되고 있는 포토리소그라피 공정과 호환성이 있기 때문에 저비용으로 대량생산이 가능한 장점이 있다.
따라서 본 발명은 나노선 다중채널 FET 소자나 FET 소자를 기반으로 하는 나노선 다중채널 FET 어레이(array) 소자 및 상기 소자들과 구동회로가 집적된 SOC (system on chip) 칩을 대량생산 방식으로 제조할 수 있는 수단을 제공하기 때문에 산업상으로 이용가능성이 매우 크다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 간섭 리소그라피 장치의 구성도,
도 2는 파장이 325nm 일 때 δ 각도 변화에 따른 회절격자의 주기변화를 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 포토레지스트 패턴으로 제작된 나노선 배열을 나타내는 사진,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토레지스트를 식각마스크로 사용하여 식각된 나노선 배열구조를 나타내는 사진,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 음전하 작용기가 있는 SWNT가 회절격자 패턴에 자기조립되는 공정을 나타내는 순서도,
도 6은 본 발명에 따라 나노물질이 나노선 배열에 자기조립된 개념도와 이를 이용하여 제작된 나노선 다중채널 FET 소자를 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 레이저 11 : 확장 텔리스코프(Expanding telescope)
12 : 파워 모니터 13 : 로이드 미러
14 : 시료 15 : 시료홀더
16 : 회전 스테이지 17 : 매뉴얼 마이크로미터
18 : 콜리메이터 19 : OTS 박막
20 : PR 21 : APTES 박막
22 : SWNT 23 : 기판

Claims (13)

  1. 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법에 있어서,
    레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계;
    상기 나노선 배열에 용액공정을 통해 나노물질을 자기조립하는 단계; 및
    상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 간섭 리소그라피 공정은 레이저 빔이 가간섭성이 되도록 핀홀을 통과하면서 확장되고 공간적으로 여과되는 단계;
    상기 가간섭성 레이저 빔이 콜리메이터에 의해 평행광이 되는 단계;
    상기 가간섭성 레이저 빔이 서로 수직인 로이드 미러와 시료홀더를 향해 정렬되는 단계; 및
    상기 정렬된 가간섭성 레이저 빔이 포토레지스트가 코팅된 기판 위에 간섭광 세기의 주기적인 선 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계에서 포토레지스트 박막의 두께를 500~1000
    Figure 112008061279243-PAT00004
    로 만들기 위해 포토레지스트의 양보다 상대적으로 많은 양의 시너(Thinner)를 혼합하여 기판 위에 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 제조하는 단계에서 노광되는 레이저 광출력이 0.2mW 이하인 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 레이저 간섭 리소그라피 공정을 통해 나노선 배열을 0.2mW 이하의 광출력으로 제조할 때 포토레지스트가 있는 선폭과 포토레지스트가 없는 선폭이 일정한 비율로 이루어지도록 노광시간을 일정하게 조절하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 간섭 리소그라피 공정으로 나노선 배열을 제조하는 단계에서 식
    Figure 112008061279243-PAT00005
    에 의해 시료홀더의 회전각(δ)에 따라 나노선 배열의 주기(d)를 조절하고, 상기 λ는 레이저 빔의 파장인 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    포토레지스트 패턴의 나노선 배열이 제조되는 기판은 반도체, 유리, 산화막 박막, 유전체 박막 및 금속박막 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 포토레지스트 패턴의 나노선 배열은 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 기판에 식각되는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질을 자기조립하는 단계는
    상기 레이저 간섭 리소그라피로 제조된 나노선 배열을 갖는 시료에서 포토레지스트가 없는 영역에 OTS가 증착되는 단계;
    상기 시료에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계; 및
    상기 포토레지스트가 제거된 영역에 작용기가 없는 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질을 자기조립하는 단계는
    상기 레이저 간섭 리소그라피로 제조된 나노선 배열을 갖는 시료에서 포토레지스트가 없는 영역에 OTS가 증착되는 단계;
    상기 시료에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계;
    상기 포토레지스트가 제거된 영역에 APTES를 증착하는 단계; 및
    상기 APTES 패턴 위에 음의 작용기가 있는 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 용액공정을 통해 나노선 배열에 나노물질이 조립되는 단계는 기판 위에 포토레지스트를 식각 마스크로 사용하여 식각된 나노선 배열에 나노물질이 조립되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  12. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    단위채널 당 하나의 나노물질만이 정렬되도록 나노선의 폭을 조절하여 나노선 배열을 제조하는 단계; 및
    상기 제조된 나노선 배열에 나노물질을 정렬시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노물질이 자기조립된 나노선 배열을 이용하여 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자를 제조하는 단계는
    폭방향으로 단위채널 당 하나씩의 나노물질이 정렬된 나노선 배열 위에 포토 리소그라피를 이용하여 소스와 드레인 전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 전극 패턴에 Ti/Au를 증착한 후 리프트 오프 방법으로 드레인 전극과 소스 전극을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법.
KR1020080084201A 2008-08-28 2008-08-28 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법 KR100992834B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080084201A KR100992834B1 (ko) 2008-08-28 2008-08-28 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080084201A KR100992834B1 (ko) 2008-08-28 2008-08-28 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100025603A true KR20100025603A (ko) 2010-03-10
KR100992834B1 KR100992834B1 (ko) 2010-11-08

Family

ID=42177042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080084201A KR100992834B1 (ko) 2008-08-28 2008-08-28 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100992834B1 (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101039630B1 (ko) * 2009-02-18 2011-06-08 성균관대학교산학협력단 기판 상에 나노구조체를 선택적으로 위치시키는 방법 및 이에 의해 형성된 나노구조체를 포함하는 나노-분자 소자
CN103872121A (zh) * 2011-04-02 2014-06-18 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管
CN104900728A (zh) * 2015-05-29 2015-09-09 中国科学技术大学先进技术研究院 一种半导体纳米光电探测器及其加工设备、加工方法
KR101720281B1 (ko) * 2016-02-05 2017-04-10 주식회사 아이엠헬스케어 나노 와이어를 감지 채널로 이용하고 멤브레인을 유동 채널로 이용하는 ｆｅｔ 기반 바이오 센서, 및 이를 이용한 검출 방법
US9617146B2 (en) 2013-01-09 2017-04-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus and method for fabricating nano resonator using laser interference lithography
US9917240B2 (en) 2014-07-24 2018-03-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Thermoelectric element, method of manufacturing the same and semiconductor device including the same
WO2018174329A1 (ko) * 2017-03-20 2018-09-27 재단법인 구미전자정보기술원 Dna-기반 전도성 나노선을 이용한 바이오 센서 및 이의 제조방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102491252B (zh) * 2011-11-22 2014-12-17 南京大学 离散纳米材料的选择性排列方法
CN109119332B (zh) * 2018-07-30 2022-07-22 长春理工大学 一种采用退火方法制备图案化有序双金属纳米粒子阵列的方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101039630B1 (ko) * 2009-02-18 2011-06-08 성균관대학교산학협력단 기판 상에 나노구조체를 선택적으로 위치시키는 방법 및 이에 의해 형성된 나노구조체를 포함하는 나노-분자 소자
US8329386B2 (en) 2009-02-18 2012-12-11 Sungkyunkwan University Foundation For Corporate Collaboration Method to assemble nano-structure on a substrate and nano-molecule device comprising nano-structure formed thereby
CN103872121A (zh) * 2011-04-02 2014-06-18 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于沟道阵列结构的异质结场效应晶体管
US9617146B2 (en) 2013-01-09 2017-04-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus and method for fabricating nano resonator using laser interference lithography
US9917240B2 (en) 2014-07-24 2018-03-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Thermoelectric element, method of manufacturing the same and semiconductor device including the same
CN104900728A (zh) * 2015-05-29 2015-09-09 中国科学技术大学先进技术研究院 一种半导体纳米光电探测器及其加工设备、加工方法
CN104900728B (zh) * 2015-05-29 2017-09-15 中国科学技术大学先进技术研究院 一种半导体纳米光电探测器及其加工设备、加工方法
KR101720281B1 (ko) * 2016-02-05 2017-04-10 주식회사 아이엠헬스케어 나노 와이어를 감지 채널로 이용하고 멤브레인을 유동 채널로 이용하는 ｆｅｔ 기반 바이오 센서, 및 이를 이용한 검출 방법
WO2017135505A1 (ko) * 2016-02-05 2017-08-10 주식회사 아이엠헬스케어 나노 와이어를 감지 채널로 이용하고 멤브레인을 유동 채널로 이용하는 ｆｅｔ 기반 바이오 센서, 및 이를 이용한 검출 방법
WO2018174329A1 (ko) * 2017-03-20 2018-09-27 재단법인 구미전자정보기술원 Dna-기반 전도성 나노선을 이용한 바이오 센서 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR100992834B1 (ko) 2010-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100992834B1 (ko) 나노선 다중채널 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법
Koh Strategies for controlled placement of nanoscale building blocks
Yin et al. A soft lithography approach to the fabrication of nanostructures of single crystalline silicon with well‐defined dimensions and shapes
Hutchinson et al. Templated Gold Nanowire Self‐Assembly on Carbon Substrates
US7906775B2 (en) Superlattice nanopatterning of wires and complex patterns
US7223444B2 (en) Particle deposition apparatus and methods for forming nanostructures
US6440637B1 (en) Electron beam lithography method forming nanocrystal shadowmasks and nanometer etch masks
Whang et al. Large-scale hierarchical organization of nanowires for functional nanosystems
US20050253137A1 (en) Nanoscale arrays, robust nanostructures, and related devices
US20090117741A1 (en) Method for fabricating monolithic two-dimensional nanostructures
KR101050142B1 (ko) 나노선 다중채널 ｆｅｔ 소자의 제조방법
Núñez et al. Integration techniques for micro/nanostructure-based large-area electronics
MXPA03001605A (es) Semiconductores alargado impurificados, desarrollo de tales semiconductores, dispositivos que los incluyen y fabricacion de dichos dispositivos.
US7713753B2 (en) Dual-level self-assembled patterning method and apparatus fabricated using the method
Papadopoulos Nanofabrication: principles and applications
Keller et al. Sub-5 nm Anisotropic Pattern Transfer via Colloidal Lithography of a Self-Assembled GdF3 Nanocrystal Monolayer
US9691849B2 (en) Ultra-long silicon nanostructures, and methods of forming and transferring the same
KR101129873B1 (ko) 나노입자 선 제조방법 및 나노입자 네트워크 제조방법과 이를 이용한 나노구조물 제조방법
KR100813113B1 (ko) 금 나노 선 제조방법
KR101045128B1 (ko) 나노구조물들의 교차 구조들의 제조
KR20020093270A (ko) 탄소나노튜브 길이별 제조방법
US20070200187A1 (en) Nanowire device and method of making
JP2020510993A (ja) 化学機械的平坦化なしで製作されたナノ要素プリンティング用のダマシンテンプレート
TW202208273A (zh) 在基板上沉積奈米結構的方法和奈米結構陣列
Rao Wafer-scale directed self-assembly of nanostructures using self-assembled monolayer based controlled-wetting

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131029

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141103

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151102

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171101

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181101

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191028

Year of fee payment: 10