KR20100110853A - 에지-접촉된 수직형 탄소 나노튜브 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
탄소 나노튜브 기재 전계 효과 트랜지스터에 대한 수직형 디바이스의 기하학적 구조는 트렌치 내에 형성된 하나 또는 다수의 탄소 나노튜브를 갖는다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2007년 12월 31일자 출원된 61/018,426호의 이익을 주장하며, 이는 본 출원에서 인용되는 다른 모든 참고문헌과 함께 참조로 통합된다.
본 발명은 반도체 디바이스 및 이의 제조방법, 및 더욱 구체적으로 탄소 나노튜브 트랜지스터 기술에 관한 것이다.
트랜지스터 및 전자 회로의 개발, 및 집적 회로 기술을 통한 이들의 소형화(miniaturization)에 의해 정보 및 전자 상거래 시대가 가능하게 되었다. 집적 회로는 때로는 "칩(chip)"으로서 일컫어 진다. 많은 트랜지스터가 전자 디바이스 및 집적 회로를 형성하는데 사용된다. 현재 마이크로프로세서 직접 회로는 5천만 개가 넘는 트랜지스터를 가지며, 앞으로는 10억 개가 넘는 트랜지스터를 가질 것이다.
몇몇 타입의 회로는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor: DSP), 증폭기, 동적 램(dynamic random access memory: DRAM), 정적 램(static random access memory: SRAM), 이피롬(erasable programmable read only memory: EPROM), 이이피롬(electrically erasable programmable read only memory: EEPROM), 플래시 메모리(Flash memory), 마이크로프로세서, 응용 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit: ASIC), 및 프로그램가능 로직( programmable logic)을 포함한다. 그 밖의 회로는 증폭기, 연산 증폭기(operational amplifier), 트랜스시버(transceiver), 전력 증폭기(power amplifier), 아날로그 스위치 및 멀티플렉서(multiplexer), 발진기(oscillator), 시계, 필터, 전력 공급 및 배터리 관리, 열 관리, 기준 전압, 비교기(comparator) 및 센서를 포함한다.
전자 회로는 광범위하게 채택되고 있으며, 몇몇을 말하자면, 컴퓨터, 및 그 밖의 프로그래밍된 기계, 소비자 가전, 전기통신 및 네트워킹(networking) 장비, 무선 네트워킹 및 통신, 산업 자동화, 및 의료 기구 분야의 많은 제품에 사용된다. 전자 회로 및 집적 회로는 컴퓨터, 인터넷, 보이스 오버 IP(voice over IP: VoIP), 주문형 비디오(video on demand: VOD), 월드 와이드 웹(World Wide Web: WWW)을 포함하는 온-라인 기술의 기초가 된다.
사용이 용이하고, 보다 다수의 사용자에게 접근할 수 있으며, 더욱 많은 특징을 제공하고, 일반적으로 소비자 및 고객의 요구를 다루는 전자 제품에 대한 요구가 지속되고 있다. 집적 회로 기술은 빠르게 진보한다. 기술에서의 새로운 진보로 인해, 보다 많은 이러한 요구들이 다루어진다. 추가로, 새로운 진보는 또한 기술에서의 본질적인 변화를 초래하여 미래 제품에 크게 영향을 주고, 크게 개선시킬 수 있다.
전자 장치에서의 빌딩 블록은 전기 및 전자 소자이다. 이러한 소자는 트랜지스터, 다이오드, 레지스터 및 커패시터를 포함한다. 단일 집적 회로 상에는 다수의 이러한 소자들이 존재한다. 이러한 소자에서의 개선 및 새롭고 개선된 소자의 개발이 집적 회로의 성능, 기능성 및 크기를 향상시킬 것이다.
전자 장치내 중요한 빌딩 블록은 트랜지스터이다. 사실상, 거의 모든 집적 회로의 작동은 트랜지스터에 의존한다. 트랜지스터는 많은 회로의 실행예에 사용된다. 트랜지스터의 특징 및 제조 기술의 향상은 전자장치 및 집적 회로를 크게 개선시킬 것이다.
현재, 실리콘 기재 금속-옥사이드-반도체 전계 효과 트랜지스터(silicon-based metal-oxide-semiconductor field-effect transistor: MOSFET)는 전자 시스템 및 전력 전자 시스템의 사역마(workhorse)이다. 그러나, 성능 요건의 증가에 대한 요구는 실리콘 물질의 한계를 압박하고 있다. 개선된 특징을 갖는 트랜지스터, 특히 보다 높은 전류 밀도, 보다 높은 열 전도도, 및 보다 높은 변환 주기(switching frequency)를 갖는 트랜지스터를 갖는 것이 요망된다.
그러므로, 개선된 트랜지스터 기술을 제공할 필요가 있다.
본 발명은 탄소-나노튜브-기재 전계 효과 트랜지스터(carbon-nanotube-based field effect transistor: CNTFET)를 위한 수직형 디바이스의 기하학적 구조를 제공한다. 본 발명의 일 구체예에서, 소스(source) 및 드레인(drain) 전극이 절연 필름에 의해 분리되고, 트랜치(trench)(또는 홀)로 패턴화된 수직으로 층 형성된 필름 스택에 혼입되어 소스 및 드레인 필름 에지를 노출시킨다. 트렌치 저부에서의 촉매 층은 트렌치의 측벽을 따라 성장된 탄소 나노튜브(CNT)를 응집시켜서 하나 또는 그 초과의 나노튜브가 S 및 D 전극 둘 모두의 노출된 에지와 접촉하도록 하는 역할을 한다. 얇은 게이트 절연체가 탄소 나노튜브 상에 증착된 후, 상부 게이트(top gate) 전극의 증착 및 패턴화가 수행된다. 이러한 수직 구조(기판에 수직)는 CNTFET가 파워 트랜지스터 적용(power transistor application)을 위해 전력 밀도를 최소화하도록 치밀하게 패키징될 수 있도록 한다. 또한, 상기 기하학적 구조는 소스 및 드레인 전극이 고가의 고해상도 전사 없이도 긴밀하게 이격되도록 함으로써, 탄소 나노튜브의 성능이 크게 개선될 수 있다.
디바이스의 기하학적 구조는 전기적으로 병렬인 어레이에서 거의 수직에 가까운 탄소 나노튜브의 고밀도를 제공하기 위해, 선형 트렌치 또는 원형 또는 타원형 홀 어레이, 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다. 본 발명의 경우, 통상적인 수평 구조(기판에 대해 평면으로)에 의해 가능한 것보다 훨씬 더 작은 영역에서 많은 수의 탄소 나노튜브를 제조할 수 있다. 이것은 설정된 전력에 대해 디바이스 크기를 감소시킬 뿐만 아니라 전력 밀도를 상당히 개선시킨다. 또한, 층 형성된 수직형 디바이스 구조는 고비용의 고해상도 전사로의 복원 없이 조밀하게 이격된 소스 및 드레인 전극을 얻기 위한 단순하고, 저가의 수단을 제공한다. 전도(electronic transport)는 나노튜브에서 탄도성이기 때문이기 때문에, CNTFET는 동등한 실리콘 디바이스보다 훨씬 낮은 온-저항(on-resistance)을 가질 것이다(20배 개선되는 것을 추정됨). 또한, 탄소 나노튜브의 매우 높은 열전도도는 디바이스에서 소멸되는 열을 제거하기 위한 매우 효율적인 열 싱크(thermal sink)를 제공한다. 끝으로, 탄소 나노튜브는 실리콘 또는 임의의 공지된 물질보다 훨씬 더 큰 인장 강도를 가져 기계적으로 강건하다.
일 실행예에서, 본 발명의 방법은 기판을 제공하고; 기판 상에 제 1 전극 층을 형성시키고; 제 1 전극 층 상에 제 2 전극 층을 형성시키고; 제 1 전극 층과 제 2 전극 층 사이에 제 1 절연체 층을 형성시키고; 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 절연체 층으로 연장되는 트렌치를 형성시키고; 제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 1 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며, 제 1 탄소 나노튜브는 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉한다.
이 방법은 트렌치 내 제 1 탄소 나노튜브 상에 게이트 절연체를 형성시키고, 게이트 절연체 상에 게이트 전극을 형성시키는 것을 포함한다. 이 방법은 드레인 전극 층과 기판 사이에 제 2 절연체 층을 형성시키는 것을 포함한다. 드레인 전극 층과 기판 사이에는 촉매 층이 있을 수 있다.
제 1 탄소 나노튜브를 형성시키기 전에, 촉매는 트렌치의 저부에 증착될 수 있다. 이 방법은 소스 전극 층과 드레인 전극 층 사이에 측면 게이트 전극 층을 형성시키는 것을 포함한다. 이 방법은 트렌치 내 나노튜브 상에 상부 게이트 절연체를 형성시키고; 상부 게이트 절연체 상에 상부 게이트 전극을 형성시키는 것을 포함한다.
제 1 탄소 나노튜브는 트렌치의 제 1 측면 상에서 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층과 접촉하도록 배치되고, 이 방법은 추가로, 트렌치의 제 2 측면 상에 제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 2 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며, 제 1 탄소 나노튜브는 상기 제 2 측면 상에서 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉한다.
추가로, 또 다른 실행예에서, 제 1 탄소 나노튜브는 트렌치의 제 1 측면 상에서 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층과 접촉하도록 배치되고, 이 방법은 추가로 트렌치의 제 1 측면 상에 제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 2 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며, 제 1 탄소 나노튜브는 제 1 측면 상에서 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉한다. 이 방법은 트렌치의 제 2 측면 상에서 제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 3 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며, 여기서 제 3 탄소 나노튜브는 제 2 측면 상에서 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉한다.
상기 방법은 트렌치 내 제 1 탄소 나노튜브 및 제 2 탄소 나노튜브 상에 게이트 절연체를 형성시키고, 게이트 절연체 상에 제 1 탄소 나노튜브 및 제 2 탄소 나노튜브에 대한 제 1 게이트 전극을 형성시키는 것을 포함한다. 게이트 전극은 제 1 탄소 나노튜브 및 제 2 탄소 나노튜브를 피복하고, 트렌치의 제 1 측면에서 제 2 측면으로 연속적으로 연장되어 있다. 특정 실행예에 있어서, 기판의 표면에 대한, 트렌치의 제 1 측면의 경사는 약 38도 내지 약 60도이다.
상기 방법은 소스 전극 층과 드레인 전극 층 사이에 제 2 게이트 전극 층을 형성시키는 것을 포함한다. 이 방법은 제 2 전극 층 상에 제 3 전극 층을 형성시키는 것을 포함하며, 제 3 전극 층은 제 1 탄소 나노튜브에 전기적으로 접속된다.
일 실행예에서, 디바이스는 제 1 측벽 및 제 2 측벽을 포함하는 트렌치를 포함한다. 제 1 측벽은 제 1 전극 층; 상기 제 1 전극 층 상의 제 2 전극 층; 및 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층을 분리시키는 제 1 절연체를 포함한다. 제 2 측벽은 제 3 전극 층; 제 3 전극 층 상의 제 4 전극 층; 및 제 3 전극 층과 제 4 전극 층을 분리시키는 제 2 절연체를 포함한다.
디바이스는 추가로, 제 1 전극 층과 제 2 전극 층에 연결된, 트렌치 내의 제 1 나노튜브; 제 3 전극 층과 제 4 전극 층에 연결된, 트렌치 내의 제 2 나노튜브; 제 1 나노튜브 및 제 2 나노튜브를 피복하는 게이트 절연체 층; 및 게이트 절연체 층 및 제 1 나노튜브 및 제 2 나노튜브를 피복하는 게이트 전극 층을 포함한다.
특정 실행예에서, 디바이스가 형성되는 기판의 표면에 대해 트렌치의 제 1 측벽의 경사는 약 38도 내지 약 60도이다. 또 다른 실행예에서, 디바이스가 형성되는 기판의 표면에 대해 트렌치의 제 1 측벽의 경사는 약 80도 내지 약 90도이다.
제 1 나노튜브 및 제 2 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브이다. 트렌치의 두께는 약 500Å 이상이다. 트렌치의 깊이는 약 0.2 마이크론 이상이다.
게이트 전극층은 제 1 측벽을 피복하기 위한 제 1 경사, 제 2 측벽을 피복하기 위한 제 2 경사, 및 트렌치의 저부를 피복하기 위한 제 3 경사를 갖는다. 제 3 경사는 제 1 경사 및 제 2 경사와 다르다. 제 3 경사는 제 1 경사와 실질적으로 수직일 수 있다.
제 1 측벽은 추가로 제 1 전극 층과 제 2 전극 층 사이에 제 1 측면 게이트 전극 층을 추가로 포함할 수 있다. 제 2 측벽은 제 3 전극 층과 제 4 전극 층 사이에 제 2 측면 게이트 전극 층을 추가로 포함할 수 있다. 제 1 측면 게이트 전극 층과 제 1 나노튜브 사이에 제 1 측면 게이트 절연체가 있으며, 제 2 측면 게이트 전극 층과 제 2 나노튜브 사이에 제 2 측면 게이트 절연체가 있다.
일 실행예에서, 디바이스는 제 1 전극; 제 2 전극; 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 있으며, 제 1 절연체에 의해 제 1 전극과 분리되고, 제 2 절연체에 의해 제 2 전극 층과 분리되는 제 1 게이트 전극, 및 제 1 전극 및 제 2 전극에 연결되어 있고, 이로부터 연장되는 나노튜브를 포함하며, 나노튜브는 제 1 게이트 절연체에 의해 제 1 게이트 전극으로부터 분리되어 있다. 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브이다.
상기 디바이스는 나노튜브를 피복하고, 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 연장되는 제 2 게이트 절연체, 및 제 2 게이트 절연체와 나노튜브를 피복하고, 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 연장되는, 제 2 게이트 전극을 포함한다.
특정 실행예에서, 제 1 게이트 전극 및 제 2 전극은 제 1 전극 상에 있으며, 나노튜브는 디바이스가 형성되는 기판에 대해 대략 수직으로 배향된다. 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 1 게이트 전극은 트렌치의 측벽을 따라 존재할 수 있다.
전자 시스템은 본 출원에서 논의된 바와 같이 하나 또는 그 초과의 디바이스(또는 공정을 사용하여 제조된 디바이스)를 포함할 수 있다. 이러한 전자 시스템은 예를 들어, 네트워크 라우터(network router), 서버(server), 데스크탑 컴퓨터(desktop computer), 휴대용 컴퓨터 또는 랩탑(laptop), 자동차, 이동 전화, 이동 전화 기지국, 집적 회로, 배터리 충전기 회로(battery charger circuitry) 또는전력 변환 회로, 및 많은 다른 시스템일 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특징 및 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부되는 도면을 숙고하면 자명하게 될 것이며, 도면에서 유사한 도면 부호는 도면 전반에서 유사한 특징을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 포함된 컴퓨팅 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 포함된 차량 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 포함된 전기통신 시스템을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 포함된 시스템의 블록도를 도시한 것이다.
도 5는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 대한 회로 기호를 도시한 것이다.
도 6은 탄소 나노튜브 트랜지스터를 사용하는 DC-대-AC 인버터(iverter) 회로를 도시한 것이다.
도 7은 탄소 나노튜브 트랜지스터를 사용하는 DC-DC 컨버터(converter) 회로를 도시하 것이다.
도 8a는 탄소 나노튜브 트랜지스터의 실행예의 단면도를 도시한 것이다.
도 8b는 탄소 나노튜브 트랜지스터의 트렌치의 평면도를 도시한 것이다.
도 8c 내지 8i는 여러 상이한 트렌치 구조에 대한 평면 윤곽도이다.
도 8j는 두 측면 상의 나노튜브가 서로 오프셋되는 트렌치를 도시한 것이다.
도 9는 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도이다.
도 10은 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도이다.
도 11은 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도이다.
도 12 내지 26은 탄소 나노튜브 트랜지스터를 제작하기 위한 공정 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 포함된 차량 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 포함된 전기통신 시스템을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 포함된 시스템의 블록도를 도시한 것이다.
도 5는 탄소 나노튜브 트랜지스터에 대한 회로 기호를 도시한 것이다.
도 6은 탄소 나노튜브 트랜지스터를 사용하는 DC-대-AC 인버터(iverter) 회로를 도시한 것이다.
도 7은 탄소 나노튜브 트랜지스터를 사용하는 DC-DC 컨버터(converter) 회로를 도시하 것이다.
도 8a는 탄소 나노튜브 트랜지스터의 실행예의 단면도를 도시한 것이다.
도 8b는 탄소 나노튜브 트랜지스터의 트렌치의 평면도를 도시한 것이다.
도 8c 내지 8i는 여러 상이한 트렌치 구조에 대한 평면 윤곽도이다.
도 8j는 두 측면 상의 나노튜브가 서로 오프셋되는 트렌치를 도시한 것이다.
도 9는 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도이다.
도 10은 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도이다.
도 11은 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도이다.
도 12 내지 26은 탄소 나노튜브 트랜지스터를 제작하기 위한 공정 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명은 탄소 나노튜브, 및 이러한 디바이스, 특히 트랜지스터 디바이스를 제조하기 위한 기술을 제공한다. 특정 구체예에서, 탄소 나노튜브 디바이스는 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT) 트랜지스터이며, 여기서 단일벽 탄소 나노튜브는 트랜지스터의 소자이다. 본 발명의 단일벽 탄소 나노튜브 다바이스의 특정 용도는 표준 트랜지스터와 비교하여 비교적 높은 전력을 제공할 수 있는 타입의 트랜지스터인, 파워 트랜지스터이다. 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터는 단독으로 제조되거나, 디바이스와, 그리고 상이한 기술의 디바이스와 함께 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나 또는 그 초과의 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 정류 디바이스, 또는 이들의 조합을 포함하는 전자 시스템의 일 예이다. 전자 시스템은 많은 상이한 구성 및 크기로 도입된다. 일부 전자 시스템은 휴대용이거나 핸드헬드(handheld)이다. 이러한 휴대용 시스템은 일반적으로 배터리 작동될 수 있다.
배터리는 일반적으로 니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 금속 하이드라이드(NiMH), l리튬 이온(Li-Ion), 리튬 폴리머, 납산(lead acid), 또는 또 다른 재충전가능한 배터리 화학물이다. 시스템은 단일 배터리 충전시 소정 시간 동안 작동할 수 있다. 배터리가 고갈된 후, 재충전되고, 이후 재사용될 수 있다.
특정 구체예에서, 전자 시스템은 휴대용 컴퓨팅 시스템 또는 컴퓨터, 예컨대 랩탑 또는 노트북 컴퓨터이다. 일반적인 컴퓨팅 시스템은 스크린, 엔클로져(enclosure), 및 키보드를 포함한다. 포인팅 디바이스(poining device), 터치패드(touchpad), 또는 1 또는 그 초과의 버튼을 갖는 마우스에 해당하는 디바이스가 있을 수 있다. 엔클로져는 친숙한 컴퓨터 구성요소, 예컨대 프로세서, 메모리, 대용량 저장 디바이스(mass storage device), 배터리, 무선 트랜시버 등이 있으며, 이들 중 일부는 도시되어 있지 않다. 대용량 저장 디바이스는 대용량 디스크 드라이브, 플로피 디스크, 자기 디스크, 고정 디스크, 하드 디스크, CD-ROM 및 CD-RW 드라이브, DVD-ROM 및 DVD-RW 드라이브, 플래시 및 그 밖의 비소멸성 솔리드-스테이트 저장 드라이브(nonvolatile solid-state storage drive), 테이프 저장, 리더, 및 그 박의 유사한 디바이스, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
휴대용 전자 및 배터리 작동 시스템의 또 다른 예는 전자 게임기(예를 들어, Sony PlayStation Portable), DVD 플레이어, 개인휴대정보 단말기(personal digital assistant: PDA), 리모트 컨트롤, 이동 전화, 리모트 컨트롤 로봇 및 장남감, 파워 툴(power tool), 스틸 및 무비 카메라, 의료 디바이스, 라디오 및 무선 트랜시버, 및 다수의 그 밖의 것들을 포함한다. 본 발명의 트랜지스터는 이러한 것들 중 어느 하나, 및 그 밖의 전자 및 배터리 작동 시스템에 사용되어 유사한 이점을 제공한다.
본 발명의 트랜지스터 또는 정류 디바이스, 또는 이들의 조합은 배터리 전지의 신속한 재충전 및 DC-DC 변환을 포함하는 전압 변환을 위한 회로를 포함하는, 전자 시스템의 여러 회로에 사용될 수 있다. 예를 들어, 각각의 랩탑 전력 공급은 일반적으로 8개의 파워 트랜지스터를 갖는다. 본 발명의 트랜지스터는 시스템의 스크린을 구동시키기 위한 회로에 사용될 수 있다. 스크린은 평판 디스플레이, 예컨대 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이, 또는 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이일 수 있다. 본 발명의 트랜지스터는 무선 네트워킹(예를 들어, Wi-Fi, 802.11a, 802.11b, 802.11g, 또는 802.11n) 또는 그 밖의 무선 접속(예를 들어, Bluetooth 또는 WiMAX)을 위한 회로와 같이 시스템의 무선 작동을 위한 회로에 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 초과의 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 정류 디바이스, 또는 이들의 조합을 포함하는 차량의 일례이다. 도면은 예를 들어, 자동차를 도시하고 있으나, 차량은 승용차, 자동차, 트럭, 버스, 모터 바이시클, 스쿠터, 골프 카트, 기차, 비행기, 보트, 배, 잠수함, 휠체어, 개인 운송 디바이스(예를 들어, Segway Human Transporter(HT)) 등일 수 있다. 특정 구체예에서, 차량은 동작 또는 작동이 부분적으로 또는 전체적으로 전기 모터에 의해 제공되는 전기 차이거나, 하이브리드-전기 차이다.
전기 차에 있어서, 일반적으로 납산인 재충전가능한 배터리가 전기 모터를 구동시킨다. 이러한 전기 또는 하이브리드-전기 차는 특히 배터리를 재충전하기 위해 사용되는 재충전 회로에서 본 발명의 트랜지스터 또는 디바이스를 포함한다. 하이브리드-전기 차에 있어서, 배터리는 차의 동작에 의해 재충전된다. 완전 전기 차에 있어서, 배터리는 외부 소스, 예컨대 파워 그리드(power grid) 또는 전력 생생 소스(power generator source)로의 AC 라인 또는 또 다른 접속을 통해 충전된다. 차량 시스템은 온-보드 전자장치 및 전기 시스템을 작동시키기 위해 본 발명의 트랜지스터에 의한 회로를 포함한다.
도 3은 본 발명의 하나 또는 그 초과의 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 정류 디바이스, 또는 이들의 조합을 포함하는 전기통신 시스템의 일례를 도시한 것이다. 전기통신 시스템은 하나 또는 그 초과의 이동 전화 및 하나 또는 그 초과의 이동 전화 통신망 기지국을 갖는다. 휴대용 전자 디바이스에 대해 상기 언급된 바와 같이, 각각의 이동 전화는 일반적으로 본 발명의 트랜지스터 또는 디바이스에 의한 회로를 사용하여 충전될 수 있는 재충전가능한 배터리를 갖는다. 또한, 이동 전화 또는 그 밖의 무선 디바이스에 있어서, 본 발명의 트랜지스터를 사용하여 실행되는 트랜시버 또는 무선 방송 회로가 있을 수 있다. 그리고, 이동 전화 통신망 기지국은 본 발명의 트랜지스터 또는 디바이스에 의한 트랜시버 또는 방송(boradcasting) 회로를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명을 포함하는 대표적인 시스템의 더욱 구체화된 블록도를 나타낸다. 이는 상기 논의된 바와 같은 본 발명을 포함하는 전자 디바이스, 노트북 컴퓨터, 차, 전기통신 통신망, 또는 그 밖의 시스템을 나타내는 예시적인 시스템이다. 이 시스템은 전력을 수용하는 구성요소인 중앙 블록(401)을 갖는다. 중앙 블록은 중앙 처리 유닛, 마이크로프로세서, 메모리, 증폭기, 전기 모터, 디스플레이 등일 수 있다.
DC 파워는 재충전가능한 배터리(411)로부터 중앙 블록에 공급된다. 이 배터리는 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 디바이스를 포함하는 회로 블록(A)을 사용하여 AC 파워 소스(403)로부터 충전된다. 회로 블록(A)는 AC 파워를 DC 파워로 변환시키기 위한 회로를 포함할 수 있으며, 이러한 회로는 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 정류 디바이스를 포함할 수 있다. 단일 회로 블록(A)는 도식을 단순화하기 위해 도시된 것이지만, 회로는 두개 이상의 회로 블록, 즉, AC-대-DC 변환을 위한 하나의 블록 및 재충전 회로를 위한 또 다른 블록으로 나뉠 수 있다.
중앙 블록은 AC 선 또는 배터리로부터 전력이 공급될 수 있는 디바이스일 수 있다. 이러한 구체예에서, AC 파워, 커넥션(405), 회로 블록(B) 및 커넥션(408)으로부터 스위치(415)로의 통로가 있을 수 있다. 배터리는 또한 스위치(415)에 접속된다. 스위치는 전력이 배터리 또는 AC 파워 선(회로 블록(B)을 통해)으로부터 중앙 블록에 공급될 것인지를 선택한다. 회로 블록(B)는 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 디바이스를 사용하여 실행되는 AC-대-DC 변환 회로를 포함할 수 있다. 추가로, 본 발명의 실행예에 있어서, 스위치(415)는 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 디바이스를 포함한다.
회로 블록(B)는 중앙 블록을 위한 전력 공급원에 포함될 수 있다. 이러한 전력 공급원은 스위칭 또는 선형 전력 공급원일 수 있다. 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터의 경우, 전력 공급원은 일반적인 트랜지스터를 사용하는 것보다 더욱 압축형 인자로 보다 많은 전력을 공급할 수 있다. 본 발명의 전력 공급원은 또한 열을 덜 생성시키고, 이에 따라 에너지가 덜 사용되며, 과열 또는 화재 가능성이 덜하다. 또한, 전력 공급원용 팬이 필요하지 않을 수 있어서, 본 발명의 나노튜브 트랜지스터를 갖는 전력 공급원을 포함하는 시스템은 보다 조용할 수 있다.
회로 블록(B)을 통한 AC 파워로부터의 경로는 선택적이다. 이 경로는 전력을 AC 라인으로부터 중앙 블록으로 공급하기 위한 옵션이 없을 경우에는 필요하지 않다. 이러한 경우, 스위치(415) 또한 사용되지 않을 것이며, 배터리(411)는 회로 블록(C)와 직접 접속될 것이다. 인지할 수 있는 바와 같이, 도면 시스템의 회로가 어떻게 접속되는 냐에 따라 많은 변경이 있을 수 있으며, 이러한 변경은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 것이다.
회로 블록(C)는 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터 또는 디바이스를 포함하는 DC-대-DC 전력 컨버터 또는 전압 조절기와 같은 회로이다. 이러한 회로는 특정 전압의 DC 전력을 취하여 이를 상이한 전압 수준의 DC 전압으로 변환시킨다. 예를 들어, 회로 블록(B)의 배터리 또는 출력은 약 7.2 볼트의 출력 전압일 수 있으나, 중앙 블록은 3 볼트를 사용한다. 회로 블록(C)은 7.2 볼트를 3볼트로 변환시킨다. 이는 보다 높은 수준의 전압이 보다 낮은 수준으로 변환되는 것이기 때문에 스텝-다운 컨버터이다.
중앙 블록(401)이 무선 부품을 갖는 경우, 회로 블록(D) 및 안테나(426)는 무선 신호를 송신 및 수신하는데 사용될 것이다. 회로 블록은 신호 전송 또는 수신을 수행하기 위해 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터를 포함한다. 예를 들어, 탄소 나노튜브 트랜지스터는 무선 신호를 생성하는 증폭기 내의 출력 디바이스로서 사용될 수 있다. 무선 부품이 없는 본 발명의 실행예에서는 회로 블록(D) 및 안테나는 존재하지 않는다.
도 5는 본 발명의 탄소 나노튜브 트랜지스터의 기호를 나타낸 것이다. 본 발명에 따르면, 트랜지스터는 탄소 나노튜브(CNT)를 사용하여 제조된다. 더욱 구체적으로 전계 효과 트랜지스터(FET)는 단일벽 탄소 나노튜브를 사용하여 제조된다. 이 트랜지스터는 게이트 노드(G), 드레인 노드(D) 및 소스 노드(S)를 갖는다. 본 발명의 이러한 탄소 나노튜브 트랜지스터는 집적 회로의 일반적인 MOS 트랜지스터와 마찬가지로 벌크 기판 또는 벌크 웰 노드(bulk well node)를 갖지 않는다. 본 발명의 다른 구체예에서, 탄소 나노튜브 트랜지스터는 벌크 노드를 가질 수 있다.
충분한 전압이 게이트 노드에 인가되면, 전하 운반 밀도가 증가되어 NT로 표시된 탄소 나노튜브를 따라 전도성 채널을 형성할 수 있다. 전류는 드레인으로부터 소스로 흐를 수 있다. 본 발명의 단일벽 탄소 나노튜브 트랜지스터의 작동은 금속 옥사이드 반도체(MOS) 트랜지스터와 유사하다.
단일벽 탄소 나노튜브는 비교적 최근에 발견된 물질이다. 단일벽 탄소 나노튜브는 개념적으로, 직경이 일반적으로 약 1 나노미터이지만, 약 0.4 내지 약 5나노미터의 범위일 수 있는 이음새없는 실린더형 롤로 형성되는, 단일 시트의 그라파이트(또한 그라펜(graphene)으로 일컫어짐)로서 기술될 수 있다. 실린더는 한층 두께의 층일 수 있다. 예를 들어, 나노튜브는 0.5, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.6, 2, 2.5, 2.7, 3, 3.2, 3.6, 3.8, 4.0, 4.2, 4.3, 4.5, 4.6, 4.7, 또는 4.9 나노미터일 수 있다. 공정 기술에 의거하여, 단일벽 탄소 나노튜브의 직경은 0.7나노미터 미만 또는 5 나노미터 초과일 수 있다.
단일벽 탄소 나노튜브 이외, 또 다른 유형의 탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)이다. 다중벽 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브와 다르다. 단일 탄소 나노튜브 실린더 대신에, 다중벽 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브의 동심의 실린더를 갖는다. 결과적으로, 다중벽 탄소 나노튜브는 보다 더 두꺼우며, 일반적으로 직경이 약 5나노미터 및 그 초과이다. 예를 들어, 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 6, 7, 8, 10, 11, 15, 20, 30, 32, 36, 50, 56, 62, 74, 78, 86, 90, 96, 또는 100나노미터, 또는 그 초과일 수 있다.
단일벽 탄소 나노튜브는 특이한 전기적, 열적 및 기계적 특성을 갖는다. 전기적으로, 단일벽 탄소 나노튜브는 키랄성 또는 나선성(helicity)에 기초하여 금속성 또는 반도체성일 수 있으며, 이것은 (n, m) 표시에 의해 결정되며, 이것은 그라파이트 시트가 실린더로 어떻게 롤링되느냐에 따른 것으로서 여겨질 수 있다. 일반적으로, 개개의 단일벽 탄소 나노튜브는 손상 없이 20마이크로앰프(microamp) 및 그 초과의 전류를 처리할 수 있다. 다중벽 탄소 나노튜브와 비교하면, 단일벽 탄소 나노튜브는 일반적으로 매우 낮은 밀도의 구조적 결함을 가지며, 이는 전자장치 적용에 대해 중요하다.
단일벽 탄소 나노튜브 물질은 믿기 어려운 물성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 스틸보다 약 150배 강력한, 공지된 가장 강한 물질이다. 공지된 최고의 열전도도를 갖는다(약 60watt/m/K°). 반도체성 단일벽 탄소 나노튜브의 특성이 사실상 유망하다. 이들은 전계 효과 트랜지스터(FET), 비휘발성 메모리, 로직 회로, 및 그 밖의 용도로 사용될 수 있다.
트랜지스터 용도와 관련하여, 단일벽 나노튜브 디바이스는 실리콘의 "온" 저항 및 스위칭 저항보다 상당히 낮은 "온" 저항 및 스위칭 저항을 갖는다. 단일벽 탄소 나노튜브 기술을 기반으로 한 트랜지스터는 종래의 실리콘 디바이스와 같이 고온이 되지 않으면서 상당히 더 높은 전류 부하를 취급할 수 있다. 이러한 중요한 이점은 두가지 인자에 기초한다. 첫째, 보다 낮은 "온" 저항 및 보다 효율적인 스위칭은 훨씬 더 낮은 열 생성을 초래하고, 이는 보다 낮은 에너지 소실에 상응한다. 둘째, 단일벽 탄소 나노튜브는 높은 열전도도를 가지며, 이는 열이 형성되지 않도록 한다.
탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터(CNTFET) 설계 및 제조에서 중요한 고려사항은 3가지이다. 첫번째 고려 사항은 요망되는 직경, 길이, 및 키랄성을 갖는 고품질의 단일벽 탄소 나노튜브의 제어되고 재현가능한 성장이다. 두번째 고려사항은 나노튜브의 전자 구조로의 효율적인 집적화이다. 그리고, 세번째 고려사항은확장, 축소 가능하고, 경제적인 제조로 처리할 수 있도록 크게 개선될 필요가 있는 현 나노튜브 성장 및 디바이스 제조 공정이다.
도 6은 본 발명의 두개의 탄소 나노튜브 트랜지스터인 M601, 및 M603을 사용한, AC-대-DC 컨버터 회로를 도시한 것이다. 회로는 변압기(T1)에서 제공되는, AC 입력 전압, 예컨대 120볼트를 취하며, 도면에서 도시된 12볼트와 같은 DC 출력 전압을 제공한다. 컨버터는 입력 전압으로서 임의의 AC 전압을 취하도록 설계될 수 있으나, 120볼트가 미국에서 표준 AC 라인 전압이기 때문에 120볼트가 선택되었다. 회로는 회로 부품을 다르게 함으로써 12볼트 미만 또는 그 초과의 임의의 요망되는 DC 볼트, 예컨대, 2볼트, 3볼트, 5볼트, 6볼트, 16볼트, 18볼트 또는 20볼트로 설계될 수 있다. 예를 들어, 저항 R1, R2, R3, 및 R4은 달라질 수 있다.
단일벽 탄소 나노튜브 트랜지스터(M601)는 노드(406)와 접지면 사이에 접속된다. M601의 게이트 노드는 노드(608)와 접속된다. 커패시터(C2)는 604와 614 사이에 접속되고, 614는 단일벽 탄소 나노튜브 트랜지스터(M603)의 게이트에 접속된다. M603은 노드(619)와 접지면 사이에 접속된다. 커패시터(C1)는 608과 619 사이에 접속된다. 레지스터(R3)는 DC 출력인 VOUT와 614 사이에 접속된다. 레지스터(R4)는 VOUT와 608 사이에 접속된다. VOUT와 604 사이에는 다이오드(D1)과 레지스터(R2)가 존재한다. VOUT와 619 사이에는 다이오드(D2)와 레지스터(R1)이 존재한다. 노드(604) 및 (619)는 변압기(T1)의 와인딩에 접속된다.
AC-대-DC 컨버터는 비교적 큰 전력을 필요로 하는 회로에 대해 전력을 제공하기 때문에 상당한 전류를 출력할 수 있다. 그러므로, 이러한 경우, 탄소 나노튜브 트랜지스터(M601 및 M603)은 상대적으로 많은 전류를 제공할 것이다. 또한, 전류(M601 및 M603)를 증가시킴으로써 배터리 재충전 배터리 용도에 있어서, 디바이스를 과열 또는 손상시키지 않고, 제공할 수 있으며, 이는 배터리가 재충전될 수 있는 속도를 상승시킬 것이다.
도 7은 본 발명의 두개의 탄소 나노튜브 트랜지스터인 M701 및 M705을 사용하는 DC-대 DC 컨버터를 도시한 것이다. 회로는 DC 입력 전압, VIN을 취하고, 상이한 DC 전압, VO를 출력한다. 예를 들어, VIN은 7.2볼트 또는 12볼트일 수 있으며, VO는 5볼트 또는 3볼트일 수 있다. 전압 변환은 휴대용 전자장치와 같은 많은 용도로 사용되는데, 그 이유는 배터리가 요망되는 전압 수준으로 또는 전자장치와 호환가능한 전압으로 출력을 제공할 수 없기 때문이다.
상기 회로는 DC 인버터 회로의 일부일 수 있으며, 이러한 경우, 입력 전압에 대한 반대 극성의 출력 전압이 제공된다. 예를 들어, 입력 전압이 포지티브인 경우, 인버터의 출력 전압은 네거티브일 것이다. 또는, 입력 전압이 네거티브인 경우, 인버터의 출력 전압은 포지티브일 것이다.
단일벽 탄소 나노튜브 트랜지스터(M701)는 VIN+과 노드(712) 사이에 접속된다. 단일벽 탄소 나노튜브 트랜지스터(M705)는 노드(712)와 VIN-(또는 접지면) 사이에 접속된다. 인덕터(L)는 712과 716 사이에 접속된다. 커패시터 및 레지스터는 716과 VIN 사이에 접속된다. 출력(VO)가 노드(716)와 접지면 사이에서 취해진다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 트렌지스터(M701)의 드레인과 소스 사이에 접속된 제 1 다이오드, 및 트랜지스터(M705)의 드레인과 소스 사이에 접속된 제 2 다이오드가 존재할 수 있다. 제 1 다이오드는 전류가 노드(712)로부터 VIN+의 방향으로 흐르게 허용되도록 접속될 수 있다. 제 2 다이오드는 접지면으로부터 노드(712)의 방향으로 흐르게 허용되도록 접속될 수 있다.
이들 다이오드는 트랜지스터의 게이트 및 드레인이 함께 접속되어 있는, 다이오드 접속된 트랜지스터, 또는 그 밖의 트랜지스터 기술을 사용하는 것을 포함하는 다이오드 특성을 갖는 디바이스를 얻는데 사용되는 임의의 기술을 사용하여 설계되거나 제조될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 다이오드는 본원에 참고로 통합되는 2005년 9월 14일자 출원된 미국 특허 출원 제11/162,548호에서 논의된 바와 같이, 단일벽 탄소 나노튜브 및 나노와이어 접합 또는 그 밖의 접합을 사용하여 나노튜브 트랜지스터와 합체될 수 있다.
작동시, 컨버터 회로는 VIN 전압을 VO 또는 VOUT 전압으로 변환시킨다. 제 1 신호는 트랜지스터(M701)의 게이트에 접속되고, 제 2 신호는 트랜지스터(M705)의 게이트에 접속된다. 제 1 및 제 2 신호는 클록(clock) 신호, 또는 사각 파형(square wave), 펄스 열(pulse train), 톱니 신호(sawtooth signal) 등을 포함하는 진동 신호일 수 있다. 제 1 및 제 2 신호는 컨버터 회로에 대한 제어기에 의해 생성될 수 있다.
파워 트랜지스터는 일반적으로 고전류 및 고전력을 보유하는 전자장치에서 고전력 출력 스테이지이다. 파워 트랜지스터는 전력 증폭기에서의 요소이고, 소정 로드에 대해 충분히 요구되는 양의 전류 및 전력을 전달하는데 사용된다. 용도는 집적 회로, 퍼스널 컴퓨터, 휴대폰, 무선 기지국, 및 여러 전기 디바이스 내에서 디바이스로의 전력 전달을 포함한다. 파워 트랜지스터는 또한 고전류 스위칭 및 모터로의 전력 공급을 위해 사용된다.
현재, 파워 트랜지스터는 실리콘 기술을 기반으로 하는, 양극성 접합형 트랜지스터(bipolar junction transistor: BJT) 또는 금속 옥사이드 반도체 전계-효과 트랜지스터(MOSFET)이다. 이들 실리콘 기반 디바이스 이외에, 갈륨 아르세나이드 및 갈륨 니트라이드와 같은 다른 물질이 사용된다. 그러나, 실리콘 양극성 접합형 트랜지스터 및 실리콘 금속 옥사이드 반도체 전계 효과 트랜지스터, 구체적으로, LDMOS(laterally diffused metal oxide semiconductor)는 전계를 지배한다. 전체 파워 트랜지스터 디바이스는 총 전류 및 전력을 분배하기 위해 다수의 연결된 개별 트랜지스터를 포함한다. 파워 트랜지스터에서 관련 파라미터로는 전류 운반 및 전력 성능(power capability), 전류 이득(current gain), 효율 및 열저항을 포함한다.
탄소 나노튜브 트랜지스터의 상업화, 및 금속성 탄소 나노튜브의 키랄성 제어 또는 제거, 대규모에서의 단일벽 탄소 나노튜브의 정위 및 배향 제어, 크기 및 길이 제어, 및 전반적인 품질 제어를 포함하는 현재의 반도체 기술의 대체에는 많은 문제가 있다. 이러한 문제들이 본 발명에 의해 해결된다.
본 발명은 탄소 나노튜브 기재 전계 효과 트랜지스터(CNTFET)를 위한 수직 디바이스의 기하학적 구조를 제공한다. 일 구체예에서, 트랜지스터는 단일벽 탄소 나노튜브를 갖는다. 본 특허는 하나 또는 다수의 탄소 나노튜브를 갖는 트랜지스터 부분에 대한 단면도를 기술하고, 이를 제공한다. 특정 실행예에서, 파워 트랜지스터 또는 다수의 탄소 나노튜브를 포함하는 비교적 크기가 큰 트랜지스터 디바이스는, 기술된 다수의 트랜지스터 부분을 사용함으로써 형성된다. 전극은 함께 평행하게 또는 연속적으로 함께 전기적으로 접속되거나, 다르게는 서로 단락되어(shorted) 트랜지스터 부분이 단일 트랜지스터로서 작용한다.
도 8a는 에지 접촉된 수직형 탄소 나노튜브 트랜지스터의 실행예의 단면도를 도시한 것이다. 소스(822) 및 드레인(826) 전극은 절연 필름에 의해 분리된 수직으로 층 형성된 필름 스택에 포함된다. 저부에서 상부까지의 층은 기판층(830), 드레인 전극층(826), 절연체층(828), 소스 전극 층(822), 및 절연체 층(832)을 포함한다.
상기 도면의 실행예에서, 드레인 전극층은 기판층 상에 직접 형성된다. 그러나, 다른 실행예에서는, 사이에 절연층이 있을 수 있다. 소스층 및 드레인층의 두께는 약 0.1마이크론 내지 약 0.5마이크론일 수 있다. 소스층 및 드레인층을 분리시키는 절연체층은 두께가 약 0.1마이크론 내지 약 1 마이크론일 수 있다.
소스층 및 드레인층을 분리시키는 절연체층은 두께가 균일하지 않을 수 있다. 일 실행예에서, 절연체층은 트렌치에서, 그리고 보다 인접하여 더 얇고, 더욱 멀리서 더욱 두껍다. 이는 매우 짧고, 고성능의 탄소 나노튜브를 생산할 수 있게 하면서, 디바이스의 나머지 부분에서의 우수한 단리와 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)를 감소시킨다.
소스 층 및 드레인 층은 서로 교환될 수 있다. 소스 영역 및 드레인 영역은 확산 영역 또는 확산층으로서 언급될 수 있다.
기판 및 베이스 금속은 솔리드(solid)이거나 다공성일 수 있다. 다수의 적합한 기판 물질이 존재한다. 몇몇 공정에서, 기판 및 드레인 전극 층은 동일한 물질이거나 동일한 층이거나, 상이할 수 있다. 몇몇 기판 물질은 알루미늄 옥사이드, 실리콘, 실리콘 게르마늄, 갈륨 니트라이드, 게르마늄, 갈륨 아르세나이드, 플라스틱, 폴리머(예를 들어, 폴리카르보네이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트), 유리, 사파이어, 또는 석영 등, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 추가로, 탄소 나노튜브 트랜지스터의 다수층은 서로의 상부에 어느 하나가 형성될 수 있다. 탄소 나노튜브 디바이스의 각각의 층은 본 특허에서 논의된 바와 같이 유사한 형태로 형성된다.
전극 층은 원자층 증착(atomic layer deposition: ALD), 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착(e-beam deposition), 또는 그 밖의 방법과 같은 기술을 사용하여 기판 또는 다른 층 상에서 형성된다. 전극 층은 실리콘 또는 폴리실리콘일 수 있다. 층은 또한 금(Au), 티탄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 또는 그 밖의 금속과 같은 물질일 수 있다.
특정 구체예에서, 내화성 금속의 비교적 높은 융점으로 인해, 내화성 금속이 전극층을 형성하는데 사용된다. 몇몇 내화성 금속으로는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈룸(Ta), 니오븀(Nb), 티탄 니트라이드(TiN), 탄탈 니트라이드(TaN), 니오븀 니트라이드(NbN), 크롬, 바나듐 및 레늄이 포함된다. 전극층으로 상기 논의된 어떠한 물질도 다른 물질과 조합될 수 있다. 예를 들어, 폴리실리콘은 전극 층을 위한 백금과 조합될 수 있다. 텅스텐은 금과 조합될 수 있다. 몰리브덴은 팔라듐 및 실리콘과 조합될 수 있다.
도 8a는 두개의 전극 층을 도시하고 있으나, 제 1 전극 층 상에 형성되는 임의의 수의 전극 층이 있을 수 있다. 예를 들어, 2, 3, 4, 5, 6개 또는 그 초과의 전극이 있을 수 있다. 나노튜브는, 전극들 사이에 독립된 트랜지스터가 존재할 수 있도록 분할될 수 있다. 또는, 나노튜브는 연속적일 수 있으며, 이에 따라 함께 접속된 전극은 병행하게 또는 연속적으로 접속되는 트랜지스터이다.
트렌치(836)(또는 홀, 슬롯, 또는 개구)는 소스 및 드레인 필름 에지를 노출시키기 위해 패턴화된다. 트렌치의 폭은 약 500Å 내지 약 4 마이크론일 수 있다. 트렌치의 깊이는 약 0.2 마이크론 내지 약 0.5 마이크론일 수 있거나, 1 마이크론 또는 그 초과일 수 있다. 트렌치는 임의의 홀, 슬롯 또는 임의의 모양을 갖는 개구일 수 있다. 트렌치 또는 개구의 모양은 예를 들어, 실린더형, 계란형, 직사각형, 사각형, 정육면체형, V자형-그루브(하기 및 도 9 참조), 노치형 또는 그 밖의 모양일 수 있다. 이 실행예에서, 트렌치는 세개의 측면, 즉, 저부, 및 두개의 측벽을 갖는다.
상기 형태에 따라, 트렌치는 임의의 수의 벽, 즉, 1, 2개 또는 그 초과의 벽을 가질 수 있다. 도 8c 내지 8i를 참조하고, 하기에서 보다 상세히 논의된다. 예를 들어, 트렌치는 별모양 형태로 존재하고, 다수의 벽을 가질 수 있다.
트렌치 측벽의 경사는 임의의 각도를 가질 수 있다. 예를 들어, 이 각은 약 0 내지 약 90도, 약 45도 내지 약 90도, 약 60도 내지 약 90도, 75도 내지 약 90도, 약 80도 내지 약 90도일 수 있다. 트렌치는 기판 구조의 수평 표면에 대해 대략 수직 또는 약 90도(예를 들어, 80도 내지 90도, 85도 내지 90도, 또는 88도 내지 90도)인 똑바른 측벽을 가질 수 있다. 특정 실행예에서, 상기 각도는 90도 초과일 수 있다. 추가로, 측벽은 완전히 매끄럽거나 똑바를 수 있거나, 그렇지 않을 수 있다.
촉매 층(842)은 트렌치의 저부에 위치하고, 트렌치의 측벽을 따라 성장하는 탄소 나노튜브를 응집시키는 역할을 한다. 일 실행예에서, 나노튜브가 형성되기 전에, 촉매 스택이 드레인 또는 기판, 또는 이둘 모두에 증착되며, 촉매 스택은 (a) 촉매 단독; (b) 확산 배리어가 드레인 만을 피복하는 확산 배리어의 상부 상의 촉매; 또는 (c) 확산 배리어가 드레인 및 트렌치의 다른 영영만을 피복하는 확산 배리어의 상부 상의 촉매이다. 대안적인 실행예에서, 트렌치의 저부 대신에, 촉매는 트렌치의 상부, 측면 또는 다른 부분에 위치한다.
일 실행예에서, 탄소 나노튜브를 형성시키기 전에, 촉매는 저부 전극 및 상부 전극 사이의 절연층을 제외하고, 임의의 또는 모든 노출된 표면 상에서 증착된다.
촉매는 원자층 증착, 스퍼터링, 전자빔 증착 또는 그 밖의 방법과 같은 기술에 의해 형성될 수 있다. 일 구체예에서, 촉매는 드레인 아래에 증착되어 형성되는 연속 층이다. 하나 또는 그 초과의 탄소 나노튜브는 소스 및 드레인 전극 둘 모두의 노출된 에지와 접촉하도록 성장한다.
촉매는 박막이거나 나노입자일 수 있다. 몇몇 공정에서, 촉매 층은 선택적이고, 존재하지 않는다. 탄소 나노튜브(845)를 형성하는데 사용된 촉매는 철, 니켈 또는 코발트, 또는 이들 금속의 임의의 조합, 또는 이들 중 하나 또는 그 초과와 다른 금속의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 촉매는 적합한 크기, 일반적으로 직경이 1 나노미터 내지 4 나노미터인 나노입자의 형태로 존재한다. 다른 실행예에서, 촉매는 4 나노미터 초과일 수 있다. 이러한 나노입자는 금속 증발기, 금속의 전기화학적 증착, 또는 금속 촉매 나노입자 또는 입자가 보다 큰 무기 지지체 또는 유기 쉘, 예컨대 페리틴(ferritin) 단백질에 의해 지지될 수 있는 촉매의 습식 증착과 같은 금속 증착을 통해 수득될 수 있다.
나노튜브는 촉매 상에서 성장할 수 있다. 다르게는 또는 추가로, 용액 중에 현탁된 나노튜브는 드롭 캐스팅, 스핀 코팅, 또는 전기영동 증착, 또는 이들의 조합과 같은 방법에 의해 디바이스 구조 상에 증착된다. 탄소 나노튜브는 전기영동 또는 유체적 배열, 또는 이들의 조합과 같은 힘을 통해 배열될 수 있다. 탄소 나노튜브는 전기장 배열 또는 에지 방향 성장과 같은 방법을 통해 성장 동안에 배열될 수 있다.
일 실행예에서, 나노튜브와의 전기적 접촉은 소스 전극 및 드레인 전극에서 팔라듐 또는 다른 금속의 증착에 의해 형성되거나 개선된다. 이러한 증착은 전기증착, 증발, 스퍼터링, 원자층 증착 또는 CVD, 또는 이들의 조합과 같은 방법에 의해 수행될 수 있다.
탄소 나노튜브의 길이는 드레인 전극 층으로부터 적어도 소스 전극 층까지 연장된다. 드레인 전극 및 소스 전극은 두개의 상이한 접촉점으로 나노튜브와 접촉한다. 특정 실행예에서, 소스 전극과 드레인 전극 간의 거리는 약 0.1 마이크론 내지 약 1 마이크론이다. 이 거리는 1 마이크론을 초과할 수 있다.
나노튜브에 대한 높은 품위의 소스 전극 및 드레인 전극의 접촉이 될 수 있도록 하기 위해, 박층의 팔라듐 또는 다른 금속(미도시됨)이 노출된 전극 상에 전기증착될 수 있다. 논의된 바와 같이, 트렌치의 한 측면 상의 드레인 전극은 트렌치의 다른 측면 상의 드레인 전극에 전기적으로 접속될 수 있다. 유사하게, 트렌치의 한 측면 상의 소스 전극은 트렌치의 다른 측면 상의 소스 전극에 전기적으로 접속될 수 있다.
일 실행예에서, 활성 소자는 단일벽 반도체성 탄소 나노튜브이다. 다른 반도체성 나노물질이 또한 대신에 또는 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 나노물질의 몇몇 예로는 그라펜(graphene), 이중벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 및 그 밖의 나노와이어, 예컨대, 붕소- 및 탄소 기재 나노튜브가 포함된다. 미국 특허 출원 제 11/462,497호는 이종구조 나노튜브 디바이스(나노와이어 포함)를 논의하고 있으며, 이러한 기술은 본 출원의 구조에 적용가능하며, 참조로 통합된다.
얇은 게이트 절연체 또는 게이트 옥사이드(847)(예를 들어, 실리콘 옥사이드)는 탄소 나노튜브 상에 증착된 후, 상부 게이트 전극(849)가 증착되고 패턴화된다. 게이트 절연체는 탄소 나노튜브 상의 트렌치의 상부, 저부 및 측벽 상에 형성된다. 여러 실행예에서, 게이트 옥사이드 두께는 약 2 나노미터 내지 약 100 나노미터의 범위일 수 있다. 게이트 옥사이드 두께는 약 10 나노미터 내지 약 100 나노미터일 수 있다.
게이트 전극은 게이트 절연체 상에서 형성된다. 이 게이트 전극은 제 1 및 제 2 탄소 나노튜브에 대한 것이며, 양 나노튜브에 대해 연속된다. 게이트 전극은 원자층 증착, 스퍼터링, 전자빔 증착 또는 그 밖의 방법과 같은 기술에 의해 형성될 수 있다. 게이트 전극은 금속(예를 들어, 알루미늄), 폴리실리콘, 폴리실리사이드, 또는 또 다른 전도성 물질을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 실행예에서, 게이트 전극은 각각의 나노튜브가 그 자체 게이트를 갖도록 두개로 분리될 수 있다(또는 전기적으로 단절될 수 있다).
추가의 실행예(예를 들어, 도 10 및 11)에서, 게이트 전극층은 인접하는 절연체 층들 사이에 끼어있을 수 있으며, 이들 층들은 소스 전극 층과 드레인 전극 층 사이에 있다. 또한, 게이트 절연체는 끼어있거나 측면 게이트 전극 상에 형성된다. 추가의 논의에 대해서는 하기를 참조하다.
도 8b는 트렌치(836) 부분의 평면도이다. 트렌치는 트랜지스터가 형성되고 있는 기판 표면을 가로질러 수평 방향으로 연장될 수 있다. 트렌치는 어떠한 요망되는 길이에 대해 임의의 형태, 다각형, 또는 형태로 연장될 수 있다. 트렌치는, 핑거, 파상 체인, 나선, 또는 그 밖의 형태로서 연장될 수 있다.
탄소 나노튜브는 제공된 트렌치의 길이의 측벽 또는 에지를 따라 형성된다. 예를 들어, 트렌치(836)에서, 나노튜브(845A-845E)가 제 1 측벽(862)을 따라서 형성된다(평행하게). 나노튜브(845F-845J)는 트렌치의 제 2 측벽(865)을 따라서 형성된다(평행하게). 트렌츠의 측벽에 대해 마이크론당 약 5개의 나노튜브 내지 마이크론당 약 10개의 나노튜브가 있을 수 있다.
도 8c 내지 8i는 여러가지 상이한 트렌치 형태 또는 배치(layout)(나노튜브는 미도시됨)에 대한 평면 외형도를 도시한 것이다. 도 8c는 1회 회전, 90도 회전을 갖는 트렌치를 나타낸다. 회전은 30, 45, 60, 75, 또는 90, 및 임의의 조합과 같은 임의의 각도일 수 있다. 트렌치 배치에 있어서 우측 및 좌측 회전의 임의의 수 및 조합이 존재할 수 있다.
도 8d는 역방향 C 모양을 형성하는 두개의 회전을 갖는 트렌치의 왹형도이다. 도 8e는 역방향 E 모양을 형성하는, 중심 스핀으로부터 연장되는 세개의 아암을 갖는 중심 스핀을 도시한 것이다. 도 8f는 도 8e와 유사하지만, 아암이 중심 스핀으로부터 떨어져 양 방향으로 연장된다.
도 8g는 서로 맞물려 있는 아암을 갖는 도 8e의 트렌치를 도시한 것이다. 임의의 수의 트렌치가, 배치를 간결하게 하는 이러한 형태로 함께 서로 맞물려 있을 수 있으며, 보다 많은 트랜지스터가 주어진 배치에 대해 형성될 수 있다. 도 8h는 다수의 서로 맞물려 있는 트렌치의 예를 도시한 것이다.
도 8i는 동심의 사각형 고리로 배열된 트렌치를 도시한 것이다. 동심 형태에 있어서, 임의의 다각형 또는 모양(예를 들어, 삼각형, 사각형, 원형 또는 직사각형)이 사용될 수 있으며, 임의의 수, 즉, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개 또는 그 초과의 수의 동심 고리가 있을 수 있다. 외측 고리는 어느 한 모양일 수 있고, 내측 고리는 다른 모양일 수 있다. 추가로, 각 고리의 측면은 도 8f에서와 같은 형태일 수 있으며, 각각의 내측 고리의 측면은 역시 인접하는 내측 고리 및 외측 고리의 측면과 서로 맞물려 있을 수 있다.
도 8a 및 8b는 서로 바로 옆의 트렌치 내 나노튜브를 도시한 것이다. 그러나, 다른 실행예에서, 탄소 나노튜브는 스태거링되거나 다르게는 오프셋되어 서로 바로 옆에 있지 않는다. 도 8j는 두개의 대립되는 측면 상의 나노튜브가 서로 오프셋되는 트렌치의 예를 도시한 것이다.
도 8a는 소 및 드레인이 에지 접촉을 사용한 나노튜브에 전기적으로 접속되는 구조를 도시한 것이다. 그러나, 이들 전기적 접촉은 트렌치의 저부 또는 상부, 또는 이들 모두에서 있을 수 있다. 예를 들어, 상부 접촉에 있어서, 소스 전극 물질은 구조의 상부에 증착되거나 형성되고, 나노튜브에 전기적으로 접속된다. 나노튜브의 하부에 대한 측면 또는 에지 접촉 및 나노튜브의 상부에 대한 상부 접촉이 있을 수 있다.
또한, 디바이스 내 대부분의 또는 모든 나노튜브가 금속성(또는 전도성) 나노튜브라기 보다는 반도체성이 되도록 하는 것이 중요하다. 이는 반도체성 탄소 나노튜브를 우선적으로 성장시키는 기술을 사용하거나, 금속성 및 그 밖의 바람직하지 않는 나노튜브를 제거하는 성장후 플라즈마 에칭 또는 그 밖의 기술을 사용함으로써이루어질 수 있다. 금속성 단일벽 탄소 나노튜브(또는 그 밖의 바람직하지 않은 탄소 나노튜브)는 플라즈마, 전기적 연소(electrical burn off), 화학적 방법, 또는 그 밖의 방법, 또는 이들의 조합과 같은 기술을 사용하여 감소되거나 제거될 수 있다. 바람직하지 않은 탄소 나노튜브는 다중벽 또는 금속성 탄소 나노튜브, 또는 이 둘 모두를 포함할 수 있다.
단일벽 탄소 나노튜브의 형성 및 연소(또는 선택적 제거) 기술에 대한 기재는 미국 특허 출원 제11/162,548호에서 발견된다. 바람직하지 않는 튜브를 선택적으로 제거하는 기술은 미국 특허 출원 제61/091,041호에 논의되어 있으며, 이는 본 특허 출원에서 논의된 구조체에 적용가능하다. 예를 들어, 어떠한 기술은 반도체성 나노튜브를 게이팅(gating)하면서 금속성 나노튜브를 통해 많은 전류를 통과시켜 금속성 나노튜브를 연소시킴으로써 금속성 나노튜브를 제거하는 것을 포함한다. 미국 특허 출원 제61/091,041에서 논의된 바와 같이, 금속성 나노튜브를 제거하는 기술은 이러한 나노튜브 상에서의 선택적 금속 증착 후에 금속성 나노튜브의 금속-촉매작용에 의한 연소를 포함한다.
도 9는 에지 접촉된 수직형 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도를 도시한 것이다. 이 실행예는 도 8a의 실행예와 유사하나, V자형-그루브 트렌치(936)가 도 8a의 트렌치 대신에 사용된다. V자형-그루브 트렌치는 도 8a의 측면이 세개인 트렌치보다 경사가 덜한 두개의 측면을 갖는다. 이 단면도는 또한 절연체층(948) 및 기판(954)와 드레인 층(956) 사이의 연속되는 촉매 층(950)을 도시하고 있다.
예를 들어, V자형-그루브 트렌치의 상기 측면의 경사는 기판 표면에 대해 약 30도 내지 약 75일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 각도는 약 38도 내지 약 60도일 수 있다. 다양한 실행예에서, 경사는 약 30도, 38도, 45도, 50도, 56도, 60도, 63.5도, 및 67도이다.
도 10은 에지 접촉된 수직형 탄소 나노튜브 트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도를 도시한 것이다. 이 실행예는 도 8a의 실행예와 유사하지만, 소스 층(1068)과 드레인 층(1070) 사이에 게이트 전극 층(1066)을 갖는다. 탄소 나노튜브(1074)로부터 게이트 전극 층(1066)을 분리시키는 게이트 절연체(1072)가 존재한다.
상기 디바이스 기하학적 구조는 하기와 같은 수직형 필름 스택으로 반도체성 또는 금속성 게이트 층을 포함한다: 기판, 드레인층, 절연체, 게이트 층, 절연체, 및 소스 층. 여기서 끼어 있는 측면 게이트는 모든 전극이 탄소 나노튜브 성장 전에 패턴화될 수 있도록 하여 나노튜브 공정 오염화 가능성을 최소화한다. 층형성된 물질은 고온 탄소 나노튜브 성장과 양립될 수 있어야 하고, 얇은 게이트 절연체는 노출된 게이트 전극 에지 상에 증착되거나 성장되어야 한다. 이러한 형태는 또한 나노튜브 내에서 캐리어 도핑 뿐만 아니라 소스 및 드레인 쇼트키(Shottky) 배리어를 제어하도록 제 2 상부 게이트 구조(하기 참조)를 부가하도록 한다.
도 11은 에지 접촉된 수직형 탄소 나노튜브트랜지스터의 또 다른 실행예의 단면도를 도시한 것이다. 이 실행예는 도 10의 실행예와 유사하지만, 하부 게이트 전극 층(1115) 이외에 상부 게이트 전극(1113)을 갖는다. 탄소 나노튜브(1122)로부터 상부 게이트를 분리시키는 상부 게이트 절연체(1117)가 존재한다. 탄소 나노튜브로부터 하부 게이트를 분리시키는 하부 게이트 절연체(1125)가 존재한다.
도 8-11은 단일 층 트랜지스터 구조를 도시한 것이지만, 본 발명의 구조 및 기술은 다층 또는 적층된 트랜지스터 구조에 적용될 수 있다. 도 8 내지 11에서 도시된 것과 같은 구조에서 어느 한 층은 층 들 사이에 절연층과 함께 서로의 상부에 형성될 수 있다. 미국 특허 출원 제11/761,009호는 적층된 나노튜브 트랜지스터 구조를 논의하고 있으며, 참조로 통합된다.
다수의 트랜지스터를 갖는 집적 회로는 본 출원에서 기술된 구조를 사용하여 형성될 수 있다. 본원에 참조로 통합되는 미국 특허 출원 제11/466,893에서 기술된 나노튜브 트랜지스터 집적 회로 및 배치는 본 출원의 구조에 적용가능하다.
도 12 내지 26은 에지 접촉된 수직형 탄소 나노튜브 트랜지스터 디바이스를 제조하기 위한 공정 흐름도를 도시한 것이다. 이 흐름도는 도 8a에 도시된 것과 같은 구조를 형성하기 위해 기술되어 있지만, 이러한 흐름도의 변형이 본 출원의 도 9 내지 11의 구조를 형성하는데 사용될 수 있다.
제시된 제조 공정은 표준 반도체 산업 출발 물질인, 실리콘 웨이퍼, 실리콘 디옥사이드, 다결정성 실리콘, 실리콘 디옥사이드 스택(OSOS)에 근거한 것이다. 이 공정의 이점은 구입가능한 저렴한 출발 물질이라는 점이며, 이 공정은 표준 반도체 제조 라인과 호환가능하다. 그러나, OSOS 출발 웨이퍼는 요구되지 않으며, 소스 필름 및 드레인 필름은 예를 들어 팔라듐과 같은 금속성 층일 수 있다. 유사하게, 절연 층은 고온 탄소 나노튜브 성장 조건과 양립할 수 있는 임의의 절연 물질일 수 있다. 공정에서 다른 가능한 변형으로는 촉매의 증착 또는 패턴화(예를 들어, 리프트 오프(lift off)를 통해 트렌치의 저부에 증착된 철 또는 전기증착), 및 다른 파라미터 중에서 트렌치 측벽 프로파일의 제어가 포함된다.
본 특허는 탄소 나노튜브 트랜지스터를 제조하기 위한 몇몇 특정 흐름도를 기술하고 있지만, 본 발명이 제시된 특정 흐름도 및 단계로 제한되지 않아야 하는 것으로 이해해야 한다. 본 발명의 흐름도는 추가적 단계(본 출원에 반드시 기재되어야 하는 것은 아님), 제기된 단계 중 일부를 대체한 상이한 단계, 또는 몇몇 단계 및 제시된 단계의 서브셋, 제시된 것과 다른 순서의 단계, 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 추가로, 본 발명의 또 다른 실행예에서의 단계는 제시된 단계와 정확히 동일하지 않을 수 있고, 특정 적용을 위해 적합하게 또는 데이타에 근거하여 변형 또는 변경될 수 있다.
도 12에서, 출발 재료는 실리콘 웨이퍼 기판(1202)이다. 약 0.1 내지 0.5 마이크론의 열 옥사이드(thermal oxide)(1206)가 성장하거나, 다르게는 기판 상에 형성된다. 약 0.1 내지 0.5 마이크론의 폴리실리콘 층(1209)이 상기 옥사이드 상에 형성된다. 약 0.4 내지 약 1 마이크론의 옥사이드(1211)는 폴리실리콘 상에 형성되고, 이러한 옥사이드는 상부 옥사이드로서 언급될 수 있으며, 화학적 증기 증착(CVD)에 의해 형성될 수 있다.
실리콘 기판은 트랜지스터의 드레인일 것이다. 폴리실리콘은 트랜지스터의 소스일 것이다. 임의로, 몰리브덴(Mo) 또는 팔라듐(Pd)를 포함하는, 다른 전극(미도시됨) 물질이 탄소 나노튜브와의 개선된 전기적 접촉을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 13에서, 비아(1305 및 1307)는 소스 폴리실리콘 층과의 접촉이 가능하도록 에칭된다. 이는 제 1 마스크를 사용하여 수행될 수 있으며, 이는 폴리-비아 마스크(poly-via mask)로 불리울 수 있다. 플라즈마 에칭 또는 그 밖의 에칭 기술이 옥사이드 윈도우를 형성하여 폴리실리콘 소스 층을 노출시키는데 사용된다. 이 공정 단계는 소스 상의 팔라듐 전기증착 및 궁극적으로 소스 패드 접촉을 가능하게 한다.
도 14는 옥사이드(1211)가 에칭되었음을 보여주는 구조의 평면도이다. 에칭된 옥사이드 영역(1403)은 일반적으로 에칭된 옥사이드 세그먼트(1410)에 의해 접속된, 두개 또는 그 초과의 평행한 아암부(1305 및 1307)을 갖는 U자형 또는 다중-아암 구조의 모양이다.
도 15는 에칭 슬롯(1501)(또는 홀, 웰, 또는 트렌치)을 도시한 것이다. 이는 포토레지스트(1585) 및 제 2 마스크를 사용하여 포토리소그래피를 통해 수행될 수 있으며, 이는 슬롯 마스크로 불리울 수 있다. 각각의 층, 즉 상부 옥사이드, 폴리실리콘, 저부 옥사이드 및 웨이퍼 상부에 대해 플라즈마 에칭(또는 습식 에칭)이 요구된다. 탄소 나노튜브 성장을 위한 개시 배열 에지를 제공하도록 실리콘 웨이퍼 내로 약 0.05 내지 0.5 마이크론 에칭된다. 패턴은 평행한 다수의 슬롯을 포함할 수 있다.
도 16에서는, 포토레지스트 층(1585) 또는, 웰(1501)의 저부에 리프트 오프(또는 전기증착) 촉매(1621)인 재패턴화된 포토레지스트 층을 사용한다. 일반적으로 실리콘 기판과의 촉매 반응을 방지하기 위해 촉매와 기판 사이에 얇은 알루미늄(약 3-나노미터 두께) 또는 티탄 니트라이드(TiN) 배리어 층을 형성한다.
촉매는 두께가 약 0.1 내지 0.5 나노미터인 철(Fe) 층일 수 있다. 그 밖의 촉매, 예컨대 니켈(Ni), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 또는 이들의 조합이 전기증착, 스퍼터링, 증발에 의해, 그리고, 금속 나노입자, 예컨대 안정화된 계면활성제 또는 페리틴의 형태로 사용될 수 있다.
도 17은 에칭된 옥사이드 영역(1403) 및 슬롯(1501)을 지닌 평면도를 도시한 것이다. 슬롯의 일부 또는 전부는 에칭된 옥사이드 아암(1305)과 아암(1307) 사이에 존재한다. 다수의 서로 맞물려 있는 (1501) 및(1403) 패턴이 있을 수 있다.
도 18에서, 단일벽 탄소 나노튜브(1849)는 웰 내에서 형성되거나 배치된다. 나노튜브는 양 측면 상에서 슬롯(1501)의 전체 길이를 따라 배치될 수 있다. 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)는 화학적 증기 증착을 통해 성장할 수 있다. 다르게는, 단일벽 탄소 나노튜브는 용액으로부터 정제된 나노튜브를 증착시키기 위해 유전영동을 사용하여 배치될 수 있다.
공정의 일부로서, 소정의 금속성 탄소 나노튜브가 형성될 수 있다. 형성되는 임의의 금속성 튜브는 이들 튜브의 메탄 플라즈마 에칭을 통해 제거될 수 있다. 임의의 금속성 튜브를 제거하기 위해 다른 처리가 사용될 수 있다. 바람직하지 않은 튜브를 선택적으로 제거하는 기술은 참조로 통합되는 미국 특허 출원 제 61/091,041호에 논의되어 있으며, 본 특허 출원에 논의된 구조에 적용가능하다.
실리콘 전극 상의 전기증착 팔라듐(Pd)는 나노튜브에 저항 접촉(ohmic contact)을 제공한다. 이는 소스 및 드레인에 대해 독립적으로 수행될 수 있다. 팔라듐으로부터 실리콘 층으로의 우수한 저항 접촉을 달성하기 위해, 실리콘은 심하게 도핑될 수 있다. 또한, 실리콘 표면은 불화수소산(HF 또는 피라나(piranha))를 사용하여 세정될 수 있다.
반응을 억제하기 위해 팔라듐과 실리콘 사이에 티탄 실리사이드(TiSi2) 또는 티탄 니트라이드 배리어 층을 포함하는 것은 선택사항이다.
도 19에서, 원자층 증착(ALD)에 의해, 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 또는 하프늄 옥사이드(HfO2)와 같은 절연체(1965)를 증착한다. 이는 표면을 깨끗하게 유지하기 위한 튜브의 임의의 추가 처리 전에 수행된다. 먼저, 일반적으로 약 10 내지 20 나노미터 두께로 적합한 절연체 베이스 층을 원자층 증착에 의해 증착한다. 이후, 임의의 코팅되지 않는 튜브를 파괴하거나 제거하기 위한 산소 플라즈마 에칭하고, 이로써 가능한 게이트 단락을 방지한다. 이후, 일반적으로 약 10 내지 20 나노미터 두께의 추가 절연체를 원자층 증착을 사용하여 증착한다.
도 20에서, 게이트 금속(2009)을 증착한다. 이 게이트 금속은 원자층 증착, 전자빔 증착, 또는 적합한 금속 또는 전도체, 예컨대, 백금(Pt), 티탄 금(Ti/Au) 이중층, 알루미늄, 폴리실리사이드, 폴리실리콘, 및 그 밖의 다수의 금속에 의한 또 다른 타입의 증착을 사용하여 형성될 수 있다. 두께를 증가시키기 위해 초기 증착된 금속 상에 또 다른 금속을 전기증착시킬 수 있다. 대안적인 실행예에서, 게이트 금속으로서 다중벽 또는 금속성 나노튜브를 성장시키고 사용할 수 있다.
도 21에서, 게이트 전극(2009) 및 절연체(1965)를 플라즈마 에칭, 습식 에칭 또는 또 다른 에칭 단계, 및 이들의 조합을 사용하여 패턴화한다. 이는 제 3 마스크를 사용하여 수행될 수 있으며, 이는 게이트-전극 마스크로 불리울 수 있다.
도 22는 패턴화된 게이트 전극(2233)의 평면도를 도시한 것이다. 이 게이트 전극은 슬롯(1501)을 둘러싸며, 도시된 바와 같이 에칭된 옥사이드 영역(1403)과 슬롯(1501) 사이에 있다.
도 23에서는, 게이트 전극 및 소스 패드(2334)를 규정한다. 도 24는 게이트 전극(2473) 및 소스 패드(2334)의 평면도를 도시한 것이다. 이는 제 4 마스크를 사용하여 수행될 수 있으며, 이는 탑 패드 마스크(top pad mask)로 불리울 수 있다.
우수한 저항 접촉을 위해, 불화수소산 예비세정과 함께 티탄-백금-금(Ti/Pt/Au) 리프트오프를 수행한다. 소스 유전체 상에 패드를 위치 또는 정위시켜서 절연체 및 패드가 단락 및 프로브 손상을 피하도록 충분히 두껍게 된다.
도 25에서, 디아이스 영역을 규정한다. 이는 제 5 마스크를 사용하여 수행될 수 있으며, 이는 디바이스-단리 마스크로 불리울 수 있다. 상부 옥사이드 및 폴리실리콘 소스 층(2552)을 통해 에칭하여 모든 디바이스를 전기적으로 분리시킨다. 도 26은 디바이스 영역 분리(2661)에 대한 평면도를 도시한 것이다.
상기 기술된 바와 같이, 상기 공정 및 상기 공정의 변형이 본 출원의 임의의 구조를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하부 게이트 전극(도 11)을 형성하기 위해, 추가의 게이트 층이 드레인 전극과 소스 전극 사이에 형성된다. 하부 게이트 전극은 폴리실리콘, 폴리실리사이드, 알루미늄, 금, 티탄, 또는 그 밖의 전도성 물질과 같은 게이트 물질의 층일 수 있다. 하부 게이트 전극과 나노튜브 사이에는 하부 게이트 전극 유전체가 있다.
에지 접촉된 수직형 탄소 나노튜브 트랜지스터 디바이스를 제조하기 위한 또 다른 공정 흐름 실행예는 하기와 같다.
단계 1-8에 대해, 예로서 도 12를 참조하라.
1. 출발 물질 : <1 0 0> 배향 및 0.005 ohm-cm 저항을 갖는 실리콘.
2. 개시 옥사이드: 5000Å.
3. 폴리실리콘 CVD: 5000Å, 약 580 내지 620℃.
4. 폴리실리콘 도핑: 약 10-20ohm/sq(ohms per square).
5. 도펀트 드라이브: 질소 중에서 60분 동안 900℃.
6. CVD 옥사이드: 7000Å, 도핑되지 않음.
7. 옥사이드 치밀화: 질소 중에서 60분 동안 900℃.
8. 배면 그라인딩: (a) 테이프; (b) 약 20 마이크론으로 그라인딩; 및 (c) 테이프 분리.
단계 9 내지 12에 대해, 예로서 도 13 및 14를 참조하라.
9. 제 1 포토리소그래피 단계-(a) 포토 코팅, 배열, 노출 및 현상; (b) 전기증착을 위한 전극 접촉 영역 규정.
10. 옥사이드 플라즈마 에칭.
11. 산소 플라즈마.
12. 레지스트 스트립.
단계 13-20에 대해, 예로서, 도 15 및 17을 참조하라.
13. 제 2 포토리소그래피 단계- 활성 영역; 포토 코팅, 배열, 노출, 현상.
14. 옥사이드 습식(또는 플라즈마) 에칭.
15. 폴리실리콘 플라즈마 에칭.
16. 옥사이드 플라즈마 에칭.
17. 실리콘 플라즈마 에칭(약 0.2 내지 0.5 마이크론); 탈이온수 및 불화수소산 침지(H-패시베이션된 표면) 사용가능.
18. 레지스트가 존재하는 경우, 알루미늄 또는 촉매 증착 단계, 또는 이 둘 모두 이용.
19. 산소 플라즈마(촉매를 스퍼터링하지 않음).
20. 에칭 후 세정.
단계 21 내지 23에 대해, 예로서 도 18을 참조하라.
21. 가능하게는 얇은 알루미늄(리프트오프 또는 산화) 배리어 층과 함께 전기증착. (a) 철 증발 또는 리프트오프. (b) 철 용액 또는 리프트 오프. (c) 리마스크(remask)에 의한 리프트오프, 증발, 및 스트리핑.
22. 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT) 성장.
23. 플라즈마 처리.
단계 24 내지 27에 대해, 예로서 도 19 및 20을 참조하라.
24. 실리콘 전극 상의 팔라듐 전기증착. 소스 및 드레인에 대해 독립적으로 이행가능.
25. 진공 건조 오븐(예를 들어, 약 1torr, 400℃)
26. ALD 절연체 증착.
27. ALD 금속 증착.
단계 28 내지 33에 대해, 예로서 도 21 및 22를 참조하라.
28. 제 3 포토리소그래피 단계 - ALD 금속 및 유전체 코팅, 배열, 노출, 현상.
29. 산소 디스컴(descum)(습식 에칭인 경우).
30. 금속 건식 에칭.
31. ALD 유전체 건식 에칭. 잔류 탄소 나노튜브를 제거하기 위해 상부 옥사이드로 ALD 또는 에칭.
32. 에칭 후 세정.
33. 산소 플라즈마 디스컴
단계 34-39에 대해, 예시로서 도 23 및 24를 참조하라.
34. 제 4 포토리소그래피 단계 - 패드 금속: Ti/Pt/Au를 리프트오프하여 ALD 금속에 대한 접착성 보장. 잔류 탄소 나노튜브에 대한 임의의 금속 단락 처리. 코팅, 배열, 노출 및 현상.
35. 산소 디스컴(레지스트에 대해). ALD 금속으로부터 표면 옥사이드 제거가능.
36. 금속 증발(약 0.5 내지 1.0 마이크론). 금속은 50Å 티탄 및 5000Å 금일 수 있음.
37. 리프트 오프.
38. 에칭후 세정.
39. 산소 플라즈마 디스컴.
단계 40 내지 44에 대해, 예로서 도 25 및 26을 참조하라.
40. 제 5 포토리소그래피 단계 - 디바이스 영역 규정: 코팅, 배열, 노출 및 현상.
41. 옥사이드 플라즈마 에칭
42. 폴리 플라즈마 에칭
43. 산소 디스컴.
44. 레지스트 스트립.
본 발명의 상기 기재는 예시 및 기재의 목적으로 제시된 것이다. 본 발명이 포괄적인 것으로, 또는 기재된 구체적인 형태로 제한하려는 것은 아니며, 많은 변형 및 변경이 상기 교시에 비추어 가능하다. 구체예는 본 발명의 원리 및 실질적인 적용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되어 기재된 것이다. 이러한 기재는 당업자들이 특정 용도에 맞추어 다양한 구체예 및 다양한 변형을 본 발명의 가장 잘 이용하고 실시할 수 있도록 한다. 본 발명의 범위는 하기 특허청구범위에 의해 규정된다.
Claims (31)
- 기판을 제공하고;
기판 상에 제 1 전극 층을 형성시키고;
제 1 전극 층 상에 제 2 전극 층을 형성시키고;
제 1 전극 층과 제 2 전극 층 사이에 제 1 절연체 층을 형성시키고;
제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 절연체 층으로 연장되는 트렌치를 형성시키고;
제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 1 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며,
제 1 탄소 나노튜브는 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는, 방법. - 제 1항에 있어서, 트렌치 내 제 1 탄소 나노튜브 상에 게이트 절연체를 형성시키고, 게이트 절연체 상에 게이트 전극을 형성시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 드레인 전극 층과 기판 사이에 제 2 절연체 층을 형성시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 드레인 전극 층과 기판 사이에 촉매 층이 있는 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 1 탄소 나노튜브를 형성시키기 전에, 트렌치의 저부에 촉매를 증착시키는 방법.
- 제 1항에 있어서, 소스 전극 층과 드레인 전극 층 사이에 측면 게이트 전극 층을 형성시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 6항에 있어서, 트렌치 내 탄소 나노튜브 상에 상부 게이트 절연체를 형성시키고; 상부 게이트 절연체 상에 상부 게이트 전극을 형성시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 1 탄소 나노튜브가 트렌치의 제 1 측면 상에서 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층과 접촉하도록 배치되고, 방법이 추가로,
트렌치의 제 1 측면 상에 제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 2 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며, 제 1 탄소 나노튜브는 제 1 측면 상에서 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 방법. - 제 8항에 있어서, 트렌치의 제 2 측면 상에 제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 3 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며, 제 3 탄소 나노튜브는 제 2 측면 상에서 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 1 탄소 나노튜브가 트렌치의 제 1 측면 상에서 제 1 전극 층 및 제 2 전극 층과 접촉하도록 배치되고, 방법이 추가로
트렌치의 제 1 측면 상에 제 1 전극에서 제 2 전극으로 연장되는 제 2 탄소 나노튜브를 형성시키는 것을 포함하며, 제 2 탄소 나노튜브는 제 2 측면 상에서 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 방법. - 제 10항에 있어서,
트렌치 내 제 1 탄소 나노튜브 및 제 2 탄소 나노튜브 상에 게이트 절연체를 형성시키고,
게이트 절연체 상에 제 1 탄소 나노튜브 및 제 2 탄소 나노튜브에 대한 제 1 게이트 전극을 형성시키는 것을 포함하는 방법. - 제 8항에 있어서, 게이트 전극이 제 1 탄소 나노튜브 및 제 2 탄소 나노튜브를 피복하고, 트렌치의 제 1 측면에서 제 2 측면으로 연속적으로 연장되어 있는 방법.
- 제 1항에 있어서, 기판의 표면에 대한, 트렌치의 제 1 측면의 경사가 약 38도 내지 약 60도인 방법.
- 제 11항에 있어서, 소스 전극 층과 드레인 전극 층 사이에 제 2 게이트 전극 층을 형성시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 제 2 전극 층 상에 제 3 전극 층을 형성시키는 것을 포함하며, 제 3 전극 층은 제 1 탄소 나노튜브에 전기적으로 결합되는 방법.
- 제 1 전극 층;
제 1 전극 층 상의 제 2 전극 층; 및
제 1 전극 층 및 제 2 전극 층을 분리시키는 제 1 절연체를 포함하는 제 1 측벽;
제 3 전극 층;
제 3 전극 층 상의 제 4 전극 층; 및
제 3 전극 층과 제 4 전극 층을 분리시키는 제 2 절연체를 포함하는 제 2 측벽;
제 1 전극 층과 제 2 전극 층에 연결된, 트렌치 내의 제 1 나노튜브;
제 3 전극 층과 제 4 전극 층에 연결된, 트렌치 내의 제 2 나노튜브;
제 1 나노튜브 및 제 2 나노튜브를 피복하는 게이트 절연체 층; 및
게이트 절연체 층 및 제 1 나노튜브 및 제 2 나노튜브를 피복하는 게이트 전극 층을 포함하는 디바이스. - 제 16항에 있어서, 디바이스가 형성되는 기판의 표면에 대해 트렌치의 제 1 측벽의 경사가 약 38도 내지 약 60도인 디바이스.
- 제 16항에 있어서, 디바이스가 형성되는 기판의 표면에 대해 트렌치의 제 1 측벽의 경사는 약 80도 내지 약 90도인 디바이스.
- 제 16항에 있어서, 제 1 나노튜브 및 제 2 나노튜브가 단일벽 탄소 나노튜브인 디바이스.
- 제 16항에 있어서, 트렌치의 두께가 약 500Å 이상인 디바이스.
- 제 16항에 있어서, 트렌치의 깊이가 약 0.2 마이크론 이상인 디바이스.
- 제 16항에 있어서, 게이트 전극층이 제 1 측벽을 피복하기 위한 제 1 경사, 제 2 측벽을 피복하기 위한 제 2 경사, 및 트렌치의 저부를 피복하기 위한 제 3 경사를 가지며, 제 3 경사는 제 1 경사 및 제 2 경사와 다른 디바이스.
- 제 22항에 있어서, 제 3 경사가 제 1 경사와 실질적으로 수직인 디바이스.
- 제 16항에 있어서, 제 1 측벽이 제 1 전극 층과 제 2 전극 층 사이에 제 1 측면 게이트 전극 층을 추가로 포함하고, 제 2 측벽이 제 3 전극 층과 제 4 전극 층 사이에 제 2 측면 게이트 전극 층을 추가로 포함하며, 제 1 측면 게이트 전극 층과 제 1 나노튜브 사이에 제 1 측면 게이트 절연체가 있으며, 제 2 측면 게이트 전극 층과 제 2 나노튜브 사이에 제 2 측면 게이트 절연체가 있는 디바이스.
- 제 16항의 디바이스를 포함하는 전자 시스템.
- 제 1 전극;
제 2 전극;
제 1 전극과 제 2 전극 사이에 있고, 제 1 절연체에 의해 제 1 전극과 분리되고, 제 2 절연체에 의해 제 2 전극 층과 분리되는 제 1 게이트 전극; 및
제 1 전극 및 제 2 전극에 결합되고, 이로부터 연장되는 나노튜브를 포함하며,
나노튜브는 제 1 게이트 절연체에 의해 제 1 게이트 전극으로부터 분리되는 디바이스. - 제 26항에 있어서,
나노튜브를 피복하고, 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 연장되는 제 2 게이트 절연체; 및
제 2 게이트 절연체와 나노튜브를 피복하고, 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 연장되는, 제 2 게이트 전극을 포함하는 디바이스. - 제 26항에 있어서, 제 1 게이트 전극 및 제 2 전극이 제 1 전극 상에 있으며, 나노튜브가 디바이스가 형성되는 기판에 대해 대략 수직으로 배향되는 디바이스.
- 제 26항에 있어서, 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 1 게이트 전극이 트렌치의 측벽을 따라 존재하는 디바이스.
- 제 26항에 있어서, 나노튜브가 단일벽 탄소 나노튜브인 디바이스.
- 제 26항의 디바이스를 포함하는 전자 시스템.
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