KR20160095909A - 보론 나이트라이드(bn) 층의 연속적인 형성 방법, 이를 이용한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 전계 효과 트랜지스터 - Google Patents
보론 나이트라이드(bn) 층의 연속적인 형성 방법, 이를 이용한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 전계 효과 트랜지스터 Download PDFInfo
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Abstract
화학기상증착(CVD) 방법을 이용하여 하나의 가열로 내에서 탄소층을 형성한 후, 이를 연속적으로 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환함으로써 간편하고 효율적으로 보론 나이트라이드(BN) 층을 형성할 수 있는 방법, 이를 이용한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 전계 효과 트랜지스터가 개시된다. 본원 발명의 일 측면에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법에 따르면, 무기물 기판 또는 금속 기판 위에 일반적인 반도체 대량 제조 공정에서 일상적으로 사용되는 화학기상증착 공정을 이용하여 가열로 내에서 탄소층을 형성하고 동일한 가열로 내에서 연속적으로 상기 탄소층을 일정한 조건하에서 고온 가열 처리함으로써 보론 나이트라이드(BN)층으로 간편하고 용이하게 전환할 수 있다.
Description
본 발명은 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법, 이를 이용한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 전계 효과 트랜지스터에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD) 방법을 이용하여 하나의 가열로에서 탄소층을 형성하고 이를 연속적으로 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법, 이를 이용한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 전계 효과 트랜지스터에 관한 것이다.
최근, 보론 나이트라이드(BN) 박막은 전자소자, 광소자, 에너지 소자 등 다양한 분야에서 많이 사용되고 있다. 특히, 보론 나이트라이드(BN)는 전기적으로 절연체 특성을 갖기 때문에 전자소자인 전계 효과 트랜지스터에서 게이트 절연체(gate dielectric)로서 널리 사용되는 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 질화물(Si3N4) 등을 대체할 수 있는 물질로서 많은 연구가 되고 있다. 보론 나이트라이드(BN)는 또한 열적으로 매우 높은 열전도도를 나타내기 때문에 광소자 또는 에너지소자에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있는 방열 경로 또는 방열 시트로서 응용가능성이 매우 큰 물질이다.
최근, 보론 나이트라이드(BN) 박막을 전계 효과 트랜지스터에서 게이트 절연체 물질로서 이용하기 위하여 그래핀 전사 방법과 유사하게 테이프, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 스탬프, 또는 폴리디메틸실란(PDMS) 스탬프 등을 이용하는 전사 방법을 이용하여 실리콘 웨이퍼 등의 기판 위로 보론 나이트라이드(BN) 박막을 전사시킨다. 전사 공정 후 전계 효과 트랜지스터를 제작하여 보론 나이트라이드(BN) 박막을 게이트 절연체 물질로서 사용하게 된다. 이에 대하여는 Seok Ju Kang et al., Organic Field Effect Transistors Based on Graphene and Hexagonal Boron Nitride Heterostructures, Advanced Functional Materials, 2014, 24, 5157-5163에 상세하게 기재되어 있다.
그러나, 위에서 언급한 전사 방법으로 보론 나이트라이드(BN)를 게이트 절연체 물질로 이용할 경우, 형성 공정이 복잡하고, 원하는 위치에 원하는 패턴의 보론 나이트라이드(BN) 박막을 위치시키기 매우 어려운 단점을 갖는다. 또한, 이와 같은 전사 방법을 이용하는 경우 보론 나이트라이드(BN) 박막의 크기와 두께를 제어하는 것이 어렵다. 또한, 이러한 전사방법은 대량생산에 적합하지 않다.
따라서, 보론 나이트라이드(BN) 박막의 크기와 두께 조절이 용이하며, 원하는 위치에 원하는 패턴의 보론 나이트라이드(BN) 박막을 용이하게 형성할 수 있는 공정을 개발할 필요성이 매우 크다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 보론 나이트라이드(BN) 박막의 크기와 두께 조절이 용이하며, 원하는 위치에 원하는 패턴의 보론 나이트라이드(BN) 박막을 용이하게 형성할 수 있는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기한 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기한 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법에 의하여 얻어진 전계 효과 트랜지스터를 제공하는 것이다.
상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 측면은,
(a) 챔버 내의 제1 영역에 기판을 위치시키고 제2 영역에 보론 함유 화합물을 위치시키는 단계;
(b) 상기 챔버 내에 탄소 함유 가스 또는 증기를 공급하면서 이를 전구체로 사용하여 상기 기판의 적어도 일 표면상에 탄소층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 탄소 함유 가스 또는 증기의 공급을 중단하고, 또한 상기 제2 영역에 위치하는 상기 보론 함유 화합물을 상기 제1 영역으로 이동시키고 상기 챔버 내에 질소를 포함하는 가스를 공급하면서 상기 탄소층을 가열 처리하여 상기 탄소층을 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 단계를 포함하며,
상기 가열 처리는 상기 제1 영역의 온도가 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도와 같거나 이보다 높은 온도가 되도록 하며,
상기 제2 영역의 온도는 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도보다 낮은 상태로 유지되는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법을 제공한다.
상기 탄소층은 화학 기상 증착(CVD)을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 기판은 무기물 기판일 수 있다.
상기 기판의 두께는 10 내지 1,000 ㎛이고, 상기 보론 나이트라이드(BN) 층의 두께는 5 내지 500 ㎛일 수 있다.
상기 탄소층의 탄소는 그래파이트(graphite), 그래핀 산화물(graphene oxide), 활성탄, 무정형 탄소(amorphous carbon) 및 카본 블랙으로부터 선택된 형태일 수 있다.
상기 가열 처리는 1000 ~ 2000 ℃의 온도, 1×101 ~ 1.013×105 Pa의 압력, 0.5 ~ 10 L/min의 질소를 포함하는 가스 유량, 및 1 ~ 10 hr의 지속 시간의 조건하에서 실시될 수 있다.
상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 다른 측면은,
전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법으로서,
게이트 전극으로 기능할 금속 기판 위에 보론 나이트라이드(BN) 층으로 이루어진 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층의 일부 영역 위에 반도체층 또는 반도체 구조체를 형성하여 채널 영역을 한정하는 단계; 및
상기 보론 나이트라이드(BN) 층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계로서, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 채널 영역의 양단에 접촉하도록 형성되는 단계를 포함하며,
상기 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층을 형성하는 단계가
(a) 챔버 내의 제1 영역에 금속 기판을 위치시키고 제2 영역에 보론 함유 화합물을 위치시키는 단계;
(b) 상기 챔버 내에 탄소 함유 가스 또는 증기를 공급하면서 이를 전구체로 사용하여 상기 금속 기판의 적어도 일 표면상에 탄소층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 탄소 함유 가스 또는 증기의 공급을 중단하고, 또한 상기 제2 영역에 위치하는 상기 보론 함유 화합물을 상기 제1 영역으로 이동시키고 상기 챔버 내에 질소를 포함하는 가스를 공급하면서 상기 탄소층을 가열 처리하여 상기 탄소층을 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 단계를 포함하며,
상기 가열 처리는 상기 제1 영역의 온도가 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도와 같거나 이보다 높은 온도가 되도록 하며,
상기 제2 영역의 온도는 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도보다 낮은 상태로 유지되도록 하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면은,
전계 효과 트랜지스터 소자로서,
금속 기판으로 이루어진 게이트 전극;
상기 게이트 전극 위에 형성된 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층의 일부 영역 위에 형성된 채널층, 소스 전극 및 드레인 전극으로서, 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 채널 영역의 양단부에 접촉하도록 형성되어 있는 채널층, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하며,
상기 게이트 절연층이 보론 나이트라이드(BN) 층으로 이루어지고,
상기 채널층은 그래핀 층으로 이루어진 전계 효과 트랜지스터 소자를 제공한다.
상기 금속 기판의 두께는 10 내지 1,000 ㎛이고, 상기 보론 나이트라이드(BN) 층의 두께는 5 내지 500 ㎛일 수 있다.
상기 금속 기판은 상기 가열 처리에 의하여 용융되지 않는 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 기판은 예를 들면 텅스텐, 티타늄, 철, 구리, 니켈, 은, 아연, 몰리브덴 및 이들의 적어도 1종을 포함하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다.
상기 탄소층은 화학 기상 증착을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 탄소층의 탄소는 그래파이트(graphite), 그래핀 산화물(graphene oxide), 활성탄, 무정형 탄소 및 카본 블랙으로부터 선택된 형태일 수 있다.
상기 가열 처리는 1000 ~ 2000 ℃의 온도, 1×101 ~ 1.013×105 Pa의 압력, 0.5 ~ 10 L/min의 질소 가스 유량, 및 1 ~ 10 hr의 지속 시간의 조건으로 실시될 수 있다.
상기한 본원 발명의 일 측면에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법에 따르면, 무기물 기판 또는 금속 기판 위에 일반적인 반도체 대량 제조 공정에서 일상적으로 사용되는 화학기상증착 공정을 이용하여 가열로 내에서 탄소층을 형성하고 동일한 가열로 내에서 연속적으로 상기 탄소층을 일정한 조건하에서 고온 가열 처리함으로써 보론 나이트라이드(BN) 층으로 간편하고 용이하게 전환할 수 있다. 따라서 상기한 본원 발명의 일 측면에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법에 따르면, 가열로 내에서 기판 언로딩/로딩의 공정 단계를 생략할 수 있음으로써 고품질의 보론 나이트라이드(BN) 층을 간편하게 얻을 수 있다.
상기 방법으로 제조된 보론 나이트라이드(BN) 층은 통상적으로 전자소자에서 절연체 예를 들면 전계 효과 트랜지스터에서 게이트 절연체층으로 사용할 수 있으며, 열전도도가 크기 때문에 광소자, 에너지 소자에서 생성된 열을 외부로 방출할 수 있는 방열 경로 또는 방열층으로도 유용하게 기능할 수 있다.
한편, 상기한 본원 발명의 다른 측면에 따른 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법에 따르면, 상기한 본 발명의 일 측면에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법을 응용함으로써 전사 방법을 이용하지 않고 용이하고 간편하게 원하는 위치에 원하는 크기, 두께 및 패턴의 보론 나이트라이드(BN) 층으로 이루어진 게이트 절연체층을 형성할 수 있다. 따라서 상기한 본원 발명의 다른 측면에 따른 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법에 따르면, 용이하고 간편하게 전계 효과 트랜지스터 소자를 대량생산할 수 있다.
도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법의 각 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 여러 측면들에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 제조 방법, 이를 이용한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 전계 효과 트랜지스터에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법은 (a) 챔버 내의 제1 영역에 기판을 위치시키고 제2 영역에 보론 함유 화합물을 위치시키는 단계; (b) 상기 챔버 내에 탄소 함유 가스 또는 증기를 공급하면서 이를 전구체로 사용하여 상기 기판의 적어도 일 표면상에 탄소층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 탄소 함유 가스 또는 증기의 공급을 중단하고, 또한 상기 제2 영역에 위치하는 상기 보론 함유 화합물을 상기 제1 영역으로 이동시키고 상기 챔버 내에 질소를 포함하는 가스를 공급하면서 상기 탄소층을 가열 처리하여 상기 탄소층을 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 단계를 포함한다.
상기 가열 처리는 상기 제1 영역의 온도가 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도와 같거나 이보다 높은 온도가 되도록 하며, 상기 제2 영역의 온도는 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도보다 낮은 상태로 유지되도록 조절된다.
도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법의 각 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
첨부 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 가열로의 챔버(1) 내의 제1 영역에 위치하는 기판 지지대(7) 위에 기판(9)을 정치하고, 제2 영역에 보론 함유 화합물을 함유하는 그래파이트 홀더(11)를 위치시킨다.
기판 지지대(7)는 그래파이트 재질로 이루어질 수 있다. 보론 함유 화합물은 보론 옥사이드(B2O3)일 수 있다. 기판(9)은 1000 ~ 2000 ℃의 온도의 가열 처리에서 형태 변화를 일으키지 않는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판(9)은 융점이 적어도 1000 ℃인 무기물 재료로 이루어진 무기물 기판일 수 있다. 기판(9)이 무기물 기판인 경우, 이는 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 및 탄소 재료로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다. 상기 금속은 텅스텐, 티타늄, 철, 구리, 니켈, 은, 아연, 몰리브덴 및 이들의 적어도 1종을 포함하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것일 수 있다. 상기 금속 산화물은 인듐 산화물, 아연 산화물, 아연 인듐 산화물, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 및 지르코늄 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것일 수 있다. 상기 금속 질화물은 붕소 질화물, 알루미늄 질화물, 및 실리콘 질화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것일 수 있다. 상기 금속 탄화물은 실리콘 탄화물, 붕소 탄화물, 알루미늄 탄화물, 마그네슘 탄화물, 베릴륨 탄화물, 티타늄 탄화물, 텅스텐 탄화물, 바나듐 탄화물, 니오븀 탄화물, 크롬 탄화물 및 몰리브덴 탄화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것일 수 있다. 상기 탄소 재료는 그래파이트, 및 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것일 수 있다.
기판(9)의 두께는 10 내지 1,000 ㎛, 예를 들면 30 내지 500 ㎛, 50 내지 500 ㎛, 100 내지 500 ㎛, 또는 150 내지 300 ㎛일 수 있다. 기판(9)은 예를 들면 30 내지 500 ㎛ 두께의 호일 형태일 수 있다.
도 2를 참조하면, 챔버(1) 내에 탄소 함유 가스 또는 증기를 공급하면서 이를 전구체로 사용하여 통상적인 화학 기상 증착(CVD)을 이용하여 기판(9)의 적어도 일 표면상에 탄소층(13)을 형성한다. 탄소 함유 가스 또는 증기의 구체적인 예는 메탄 가스, 아세틸렌 가스, 에틸렌 가스, 프로필렌 가스, 피리딘 증기, 벤젠 증기, 톨루엔 증기, 자일렌 증기 등과 같은 증기(vapor) 등을 포함할 수 있다. 탄소 함유 가스 또는 증기는 수소 가스와 같은 캐리어 가스에 실려서 챔버(1) 내의 유입구(3)를 통하여 공급되며, 챔버(1) 내의 배기 가스는 유출구(5)를 통하여 배출된다.
통상적인 화학 기상 증착(CVD)의 공정 조건하에서 탄소 함유 가스 또는 증기의 탄화에 의하여 형성된 탄소층(13)의 탄소는 그래파이트, 그래핀 산화물(graphene oxide), 활성탄, 무정형 탄소 및 카본 블랙으로부터 선택된 형태일 수 있다. 화학 기상 증착 공정은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 플라즈마 보조 화학기상증착(PECVD), 또는 마이크로파 보조 플라즈마 화학기상증착(MPCVD) 공정을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 탄소 함유 가스 또는 증기의 공급을 중단하고, 또한 제2 영역에 위치하는 보론 함유 화합물을 함유하는 그래파이트 홀더(11)를 기판 지지대(7)가 위치하는 제1 영역으로 이동하여 가열되도록 한다.
도 4를 참조하면, 챔버(1) 내에 질소를 포함하는 가스를 공급하면서 탄소층(13)을 가열 처리하여 탄소층(13)을 보론 나이트라이드(BN) 층(13')으로 전환한다. 상기 가열 처리는 제1 영역의 온도가 탄소층(13)을 보론 나이트라이드(BN) 층(13')으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도와 같거나 이보다 높은 온도가 되도록 실시되며, 제2 영역의 온도는 본 공정의 전체를 통하여 탄소층(13)을 보론 나이트라이드(BN) 층(13')으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도보다 낮은 상태로 유지되도록 조절된다. 예를 들면, 질소를 포함하는 가스의 구체적인 예는 질소 가스, 암모니아 가스, 또는 우레아 가스 등을 포함할 수 있다.
상기 가열 처리는 상기 탄소층을 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환할 수 있다면 특별히 한정되지 않지만, 1000 ~ 2000 ℃의 온도, 1×101 ~ 1.013×105 Pa의 압력, 0.5 ~ 10 L/min의 질소 가스 유량, 및 1 ~ 10 hr의 지속 시간의 조건으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 그래파이트 기판 지지대(7) 상의 기판(9)을 상기 조건하에서 가열 처리하면, 탄소층(13)이 그래파이트 유사 구조로 전환되고, 이 그래파이트 유사 구조를 질소 가스에서 유래하는 질소 원자와 보론 옥사이드(B2O3)와 같은 보론 함유 화합물에서 유래하는 보론 원자가 치환하여 양호한 결정특성을 갖는 BN 층(13')으로 성장시킨다.
보론 나이트라이드(BN) 층(13')의 크기, 두께, 및 패턴은 탄소층(13)의 크기, 두께, 및 패턴을 이용하여 조절할 수 있다. 이때, 탄소층(13)의 크기 및 두께는 도 1에서 설명한 화학기상증착 공정 시간을 변화시켜 조절할 수 있다. 보론 나이트라이드(BN) 층(13')의 패턴은 또한 보론 나이트라이드(BN) 층을 형성한 후 이 층을 포토리소그래피 공정을 통하여 패턴화함으로써 형성할 수도 있다. 보론 나이트라이드(BN) 층(13')의 두께는 구체적으로 한정되지 않지만 예를 들면 5 내지 500 ㎛, 10 내지 300 ㎛, 30 내지 200 ㎛, 또는 50 내지 150 ㎛일 수 있다. 보론 나이트라이드(BN) 층(13')은 육방정계 h-BN 및/또는 입방정계 c-BN를 포함할 수 있다.
이렇게 하여 얻어진 시트(9,13')는 통상적으로 유연한 금속 기판, 필름 또는 호일과 이의 상부 또는 하부 중의 적어도 어느 하나의 기판(9) 위에 형성된 보론 나이트라이드(BN) 층(13')으로 인하여 다양한 전자 소자, 광소자, 에너지 관련 소자 등에 응용가능하다. 예를 들면, 상기 시트(9,13')를 발광 소자의 제조에 이용하는 경우, 열 흡수성 기판으로서 알루미늄 산화물로 이루어진 기판, 예를 들면 사파이어 기판을 이용할 수 있다. 일반적인 발광 소자는 사파이어 기판 위에 갈륨 나이트라이드를 성장시켜 제작을 하는데, 이때 사용되는 사파이어 기판은 방열 효율이 작아서 고출력 발광 소자 동작시 발생하는 열에 의하여 발광 특성이 저하되기 쉽다. 상기 시트(9,13')를 발광 소자의 제조시 기판으로 사용하는 경우 BN 층 위에서는 갈륨 나이트라이드가 잘 성장하지 않는 것을 고려하여 BN 방열 층의 일부를 패터닝하여 제거함으로써 하부의 사파이어 기판을 노출시킨 후 그 위에 갈륨 나이트라이드를 성장시킴으로써 발광 소자를 제조할 수 있다. 이와 같이 하여 제조된 발광 소자는 열전도도가 높은 BN 층(13')이 사파이어 기판과 같은 무기물 기판(9) 위에 형성된 결과물을 사용하기 때문에 열 방출 효율이 높아서 발광 소자가 고출력으로 동작하는 경우에도 발생하는 열을 외부로 잘 방출할 수 있기 때문에 이로 인하여 발광 소자의 발광특성이 향상될 수 있다.
예를 들면, 위와 같이 하여 얻어진 시트(9,13')는 금속 기판(9); 및 상기 금속 기판(9)의 적어도 일 표면상에 형성된 열 방출 층으로서 BN 층(13')을 포함하는 방열 시트일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시형태에서, 상기 시트(9,13')는 텅스텐 또는 몰리브덴 호일 열 흡수성 기판(9); 및 상기 텅스텐 또는 몰리브덴 호일 열 흡수성 기판(9)의 적어도 일 표면상에 형성된 BN 열방출 층(13')을 포함하는 방열 시트일 수 있다.
이하, 본 발명에 따라 형성된 BN 층을 게이트 절연층으로 이용하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법은, 게이트 전극으로 기능할 금속 기판 위에 보론 나이트라이드(BN) 층으로 이루어진 게이트 절연층을 형성하는 단계; 상기 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층의 일부 영역 위에 반도체층 또는 반도체 구조체를 형성하여 채널 영역을 한정하는 단계; 및 상기 보론 나이트라이드(BN) 층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계로서, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 채널 영역의 양단에 접촉하도록 형성되는 단계를 포함한다.
여기서, 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층을 형성하는 단계는 (a) 챔버 내의 제1 영역에 금속 기판을 위치시키고 제2 영역에 보론 함유 화합물을 위치시키는 단계; (b) 상기 챔버 내에 탄소 함유 가스 또는 증기를 공급하면서 이를 전구체로 사용하여 상기 금속 기판의 적어도 일 표면상에 탄소층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 탄소 함유 가스 또는 증기의 공급을 중단하고, 또한 상기 제2 영역에 위치하는 상기 보론 함유 화합물을 상기 제1 영역으로 이동시키고 상기 챔버 내에 질소를 포함하는 가스를 공급하면서 상기 탄소층을 가열 처리하여 상기 탄소층을 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 가열 처리는 상기 제1 영역의 온도가 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도와 같거나 이보다 높은 온도가 되도록 하며, 상기 제2 영역의 온도는 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도보다 낮은 상태로 유지되도록 조절된다.
도 5 내지 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법의 각 단계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 게이트 전극으로 기능할 금속 기판(30) 위에 도 1 내지 3에서 상세하게 설명한 장치 및 절차에 따라 화학적 기상 증착 공정에 의하여 탄소층(32)을 형성한다.
금속 기판(30)은 융점이 적어도 1000 ℃인 금속 재료로 이루어질 수 있다. 금속 기판(30)은 텅스텐, 티타늄, 철, 구리, 니켈, 은, 아연, 몰리브덴 및 이들의 적어도 1종을 포함하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것일 수 있다. 금속 기판(30)의 두께는 10 내지 1,000 ㎛, 예를 들면 30 내지 500 ㎛, 50 내지 500 ㎛, 100 내지 500 ㎛, 또는 150 내지 300 ㎛일 수 있다. 금속 기판(30)은 예를 들면 30 내지 500 ㎛ 두께의 플렉서블한 호일 형태일 수 있다. 이러한 플렉서블한 호일 형태의 금속 기판(30)을 이용하면, 최종적으로 플렉서블한 전계 효과 트랜지스터 소자를 얻을 수 있다.
도 6을 참조하면, 금속 기판(30) 위의 탄소층(32)을 게이트 절연층으로 기능할 보론 나이트라이드(BN) 층(32')으로 전환한다. 보론 나이트라이드(BN) 층(32')의 두께는 구체적으로 한정되지 않지만 예를 들면 5 내지 500 ㎛, 10 내지 300 ㎛, 30 내지 200 ㎛, 또는 50 내지 150 ㎛일 수 있다. 보론 나이트라이드(BN) 층(32')은 육방정계 h-BN 및/또는 입방정계 c-BN를 포함할 수 있다. 이 단계는 도 4에서 상세하게 설명한 장치, 조건 및 절차에 따른 가열 공정에 의하여 진행될 수 있으므로 이 단계에 대한 상세한 설명은 도 4에서의 설명으로 갈음한다.
도 7을 참조하면, BN 게이트 절연층(32')의 일부 영역 위에 반도체층 또는 반도체 구조체(34)를 형성하여 채널 영역을 한정한다. 이를 위하여, 공지의 건식 또는 습식 전사 공정에 따라 BN 게이트 절연층(32')의 일부 영역 위에 반도체층 또는 반도체 구조체를 형성한다. 예를 들면 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 탄소 나노선, MoS2 등의 반도체 재료를 이용하여 반도체층 또는 반도체 구조체를 형성할 수 있다. 구체적인 일 예를 들면, 그래핀으로 이루어진 또는 그래핀을 포함하는 채널 영역을 형성하는 경우, BN 게이트 절연층(32')의 일부 영역 위에 그래핀 층(34)을 전사한다. 구체적인 그래핀 전사방법의 일 예를 설명하면 아래와 같다.
베이스층 상에 그래핀을 합성하여 그래핀층을 형성한다. 여기서, 베이스층은 구리 호일일 수 있다. 베이스층 상에 그래핀을 합성하는 방법의 일 예로, 화학기상증착(CVD) 공정이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같이, 구리 호일을 배치한 상태에서 구리 포일 상에 화학기상 증착 공정으로 그래핀층을 형성할 수 있다. 이어서, 패턴화된 PDMS 몰드를 이용하여 그래핀층을 BN 게이트 절연층(32')의 소정 영역 위에 전사한다. 이 결과물을 진공중에서 약 80℃에서 가열함으로써 층간의 콘택을 충분하게 한다.
도 8을 참조하면, BN 게이트 절연층(32') 위에 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)을 형성한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)은 채널 영역(34)의 양단에 접촉하도록 형성된다.
소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)은 메탈로 이루어질 수 있다. 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)은 오믹 접촉(ohmic contact)으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)은 Ti/Al 구조로 형성될 수 있으며, 열처리하여 사용할 수도 있고 열처리 없이 사용할 수도 있다. 일 예로, 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)은 Ti/Al/Ti/Au이 각각 30/100/20/200nm의 두께로 전자 빔 증착기를 이용하여 증착하여 리프트 오프(lift-off) 공정으로 패턴을 형성할 수 있다.
이로써, 금속 기판으로 이루어진 게이트 전극(30); 게이트 전극(30) 위에 형성된 게이트 절연층(32'); 및 게이트 절연층(32')의 일부 영역 위에 형성된 채널층(34), 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)으로서, 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)이 채널층(34)의 양단부에 접촉하도록 형성되어 있는 채널층(34), 소스 전극(36) 및 드레인 전극(38)을 포함하며, 게이트 절연층(32')이 보론 나이트라이드(BN) 층(32')으로 이루어지고, 채널층(34)은 그래핀 층으로 이루어진 하부 게이트형 전계 효과 트랜지스터 소자를 얻을 수 있다.
1: 챔버
3: 가스 유입구
5: 가스 유출구
7: 기판 지지대
9: 기판
11: 보론 함유 화합물을 함유하는 그래파이트 홀더
13, 32: 탄소층
13': 보론 나이트라이드(BN) 층
30: 게이트 전극으로 기능하는 금속 기판
32': 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층
34: 그래핀 채널 영역 또는 채널층
36: 소스 전극
38: 드레인 전극
3: 가스 유입구
5: 가스 유출구
7: 기판 지지대
9: 기판
11: 보론 함유 화합물을 함유하는 그래파이트 홀더
13, 32: 탄소층
13': 보론 나이트라이드(BN) 층
30: 게이트 전극으로 기능하는 금속 기판
32': 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층
34: 그래핀 채널 영역 또는 채널층
36: 소스 전극
38: 드레인 전극
Claims (15)
- (a) 챔버 내의 제1 영역에 기판을 위치시키고 제2 영역에 보론 함유 화합물을 위치시키는 단계;
(b) 상기 챔버 내에 탄소 함유 가스 또는 증기를 공급하면서 이를 전구체로 사용하여 상기 기판의 적어도 일 표면상에 탄소층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 탄소 함유 가스 또는 증기의 공급을 중단하고, 또한 상기 제2 영역에 위치하는 상기 보론 함유 화합물을 상기 제1 영역으로 이동시키고 상기 챔버 내에 질소를 포함하는 가스를 공급하면서 상기 탄소층을 가열 처리하여 상기 탄소층을 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 단계를 포함하며,
상기 가열 처리는 상기 제1 영역의 온도가 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도와 같거나 이보다 높은 온도가 되도록 하며,
상기 제2 영역의 온도는 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도보다 낮은 상태로 유지되는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법. - 제1항에 있어서, 상기 탄소층은 화학 기상 증착(CVD)을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 무기물 기판인 것을 특징으로 하는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판의 두께는 10 내지 1,000 ㎛이고, 상기 보론 나이트라이드(BN) 층의 두께는 5 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소층의 탄소는 그래파이트(graphite), 그래핀 산화물(graphene oxide), 활성탄, 무정형 탄소 및 카본 블랙으로부터 선택된 형태인 것을 특징으로 하는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가열 처리는 1000 ~ 2000 ℃의 온도, 1×101 ~ 1.013×105 Pa의 압력, 0.5 ~ 10 L/min의 질소를 포함하는 가스 유량, 및 1 ~ 10 hr의 지속 시간의 조건하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 보론 나이트라이드(BN) 층의 형성 방법.
- 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법으로서,
게이트 전극으로 기능할 금속 기판 위에 보론 나이트라이드(BN) 층으로 이루어진 게이트 절연층을 형성하는 단계;
상기 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층의 일부 영역 위에 반도체층 또는 반도체 구조체를 형성하여 채널 영역을 한정하는 단계; 및
상기 보론 나이트라이드(BN) 층 위에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계로서, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 채널 영역의 양단에 접촉하도록 형성되는 단계를 포함하며,
상기 보론 나이트라이드(BN) 게이트 절연층을 형성하는 단계가
(a) 챔버 내의 제1 영역에 금속 기판을 위치시키고 제2 영역에 보론 함유 화합물을 위치시키는 단계;
(b) 상기 챔버 내에 탄소 함유 가스 또는 증기를 공급하면서 이를 전구체로 사용하여 상기 금속 기판의 적어도 일 표면상에 탄소층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 탄소 함유 가스 또는 증기의 공급을 중단하고, 또한 상기 제2 영역에 위치하는 상기 보론 함유 화합물을 상기 제1 영역으로 이동시키고 상기 챔버 내에 질소를 포함하는 가스를 공급하면서 상기 탄소층을 가열 처리하여 상기 탄소층을 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 단계를 포함하며,
상기 가열 처리는 상기 제1 영역의 온도가 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도와 같거나 이보다 높은 온도가 되도록 하며,
상기 제2 영역의 온도는 상기 탄소층을 상기 보론 나이트라이드(BN) 층으로 전환하는 반응을 개시할 수 있는 온도보다 낮은 상태로 유지되도록 하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법. - 제7항에 있어서, 상기 금속 기판의 두께는 10 내지 1,000 ㎛이고, 상기 보론 나이트라이드(BN) 층의 두께는 5 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 금속 기판은 상기 가열 처리에 의하여 용융되지 않는 금속으로 이루어지며,
텅스텐, 티타늄, 철, 구리, 니켈, 은, 아연, 몰리브덴 및 이들의 적어도 1종을 포함하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법. - 제7항에 있어서, 상기 탄소층은 화학 기상 증착을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 탄소층의 탄소는 그래파이트(graphite), 그래핀 산화물(graphene oxide), 활성탄, 무정형 탄소 및 카본 블랙으로부터 선택된 형태인 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 가열 처리는 1000 ~ 2000 ℃의 온도, 1×101 ~ 1.013×105 Pa의 압력, 0.5 ~ 10 L/min의 질소 가스 유량, 및 1 ~ 10 hr의 지속 시간의 조건으로 실시되는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터 소자의 제조 방법.
- 전계 효과 트랜지스터 소자로서,
금속 기판으로 이루어진 게이트 전극;
상기 게이트 전극 위에 형성된 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층의 일부 영역 위에 형성된 채널층, 소스 전극 및 드레인 전극으로서, 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 채널층의 양단부에 접촉하도록 형성되어 있는 채널층, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하며,
상기 게이트 절연층이 보론 나이트라이드(BN) 층으로 이루어지고,
상기 채널층은 반도체층 또는 반도체 구조체로 이루어진 전계 효과 트랜지스터 소자. - 제13항에 있어서, 상기 금속 기판의 두께는 10 내지 1,000 ㎛이고, 상기 보론 나이트라이드(BN) 층의 두께는 5 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터 소자.
- 제13항에 있어서, 상기 금속 기판은 텅스텐, 티타늄, 철, 구리, 니켈, 은, 아연, 몰리브덴 및 이들의 적어도 1종을 포함하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터 소자.
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| CN108648992A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-10-12 | 东南大学 | 一种氧化锌石墨烯场效应管的制备方法 |
| KR20220089321A (ko) * | 2020-12-21 | 2022-06-28 | 한국세라믹기술원 | 칼코지나이드 나노선 메모리 소자 및 그의 제조방법 |
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| JP2010040883A (ja) * | 2008-08-07 | 2010-02-18 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 放熱シート、放熱装置、及び放熱シートの製造方法 |
| KR20120118566A (ko) * | 2011-04-19 | 2012-10-29 | 성균관대학교산학협력단 | 박막 트랜지스터 |
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| CN108648992B (zh) * | 2018-04-26 | 2021-03-19 | 东南大学 | 一种氧化锌石墨烯场效应管的制备方法 |
| KR20220089321A (ko) * | 2020-12-21 | 2022-06-28 | 한국세라믹기술원 | 칼코지나이드 나노선 메모리 소자 및 그의 제조방법 |
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