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KR100847467B1 - 탄소 나노튜브 선별 방법 및 소자 형성 방법 - Google Patents

탄소 나노튜브 선별 방법 및 소자 형성 방법 Download PDF

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KR100847467B1
KR100847467B1 KR1020067007969A KR20067007969A KR100847467B1 KR 100847467 B1 KR100847467 B1 KR 100847467B1 KR 1020067007969 A KR1020067007969 A KR 1020067007969A KR 20067007969 A KR20067007969 A KR 20067007969A KR 100847467 B1 KR100847467 B1 KR 100847467B1
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Abstract

선택적 나노튜브 종류에 기초하여 나노튜브를 선별하고 소자를 형성하는 방법을 제공한다. 전계 효과 트랜지스터, 다이오드 및 저항기를 형성하는 데 유용한 반도체성 나노튜브를 선별하는 방법을 기술한다. 또한, 상호접속용 소자를 형성하는 데에 유용한 금속성 나노튜브를 선별하는 방법을 기술한다. 제공된 방법은 나노튜브의 선택적 공핍과, 다른것을 통한 고전류의 인가, 나노튜브의 캐소딕 보호 및 산성 용액의 인가를 포함한다.

Description

탄소 나노튜브 선별 방법 및 소자 형성 방법{METHOD OF SORTING CARBON NANOTUBES}
본 발명은 나노튜브에 관한 것으로, 특히 예를 들어 탄소로 만들어진 나노튜브를 선별하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
단일벽 탄소 나노튜브(SW-CNT)는 원통형 껍질 모양의 탄소 원자 단일 원자층에 의해 형성된 나노미터 규모의 튜브이다. 초미세 와이어를 형성하기 위해 나노튜브는 수 나노미터(nm)의 직경과 100 마이크로미터(um)에 이르는 길이를 가진다. SW-CNT의 원자 구조는 일정한 방향을 따라 흑연면의 단일 원자층의 스트립을 감쌈으로써 형성될 수 있다. 이 방향은 나노튜브의 직경과 손대칭성(chirality)을 결정한다.
실험적이고 이론적인 연구를 통해 그 반지름 또는 손대칭성에 의존하는, 금속성 또는 반도체성이 될 수 있는 새로운 전자특성을 갖는 나노미터 크기의 CNT로부터 흥미로운 특성을 증명해왔다.
제조 과정에서, SW-CNT는 금속성이고 반도체성의 나노튜브 결합체를 포함하 게 되므로 다루기가 어렵다. 그러므로 나노튜브는 트랜지스터, 다이오드 등을 준비하는 동안에 무작위로 흩어져왔다. 전자공학에서 나노튜브를 응용하는 경우는 선택된 종류의 나노튜브를 사용하고자 하는데, 예를 들어 온칩 상호결합(on-chip interconnect)을 위한 도전체로서 SW-CNT를 사용하는 것은 금속성 SW-CNT를 필요로 하는 반면 트랜지스터 채널로서 SW-CNT를 사용하는 경우는 반도체성 SW-CNT를 필요로 한다. 이에 나노튜브를 신뢰할 수 있도록 배치하고 선별하는 제어된 방법이 요구된다.
도 1은 반도체성 나노튜브를 선별하는 것과 금속성 나노튜브를 제거하는 것을 보여주는 도면,
도 2는 금속성 나노튜브를 선별하고 반도체성 나노튜브를 제거하는 유용한 방법 및 장치를 나타내는 도면.
탄소, 붕소 질화물 및 금속 디칼코겐(dichalcogenid) 기반 나노튜브를 포함하는 단일벽 나노튜브를 선택 또는 선별하는 방법을 기술한다. 단일벽 탄소 나노튜브(SW-CNT)는 다른 물질로 형성될 수 있다. 일반적인 물질 종류는 일반적으로 금속성 또는 반도체성 물질을 포함한다. 한 물질 종류의 나노튜브를 제거하는 반면 다른 종류의 나노튜브를 유지시키는 방법을 기술한다. 다른 종류의 나노튜브에서 한 종류의 나노튜브를 선택하는 과정이 트랜지스터, 저항 및 다이오드를 생성하는 데 사용된다.
물질의 물리화학적 특성이 선택적으로 금속성 나노튜브를 제거하고 반도체성 나노튜브를 유지하는 데 사용된다. 예를 들어, 저항력을 높이기 위해 반도체 SW-CNT에 게이트 전압을 공급함으로써 반도체성 나노튜브를 보호하는 반면 금속성 SW-CNT를 연소시키거나 분해하는 데 전류가 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 음극화 보호를 통해 금속성 SW-CNT가 분해되는 것을 막는 한편, 강한 산 또는 강한 산 및 광자 에너지를 이용하여 반도체성 나노튜브를 분해한다. 광자 에너지는 반도체성 SW-CNT에 전자-홀 쌍을 생성하여 금속성 SW-CNT를 분해하지 않고 강한 산에서 반도체성 SW-CNT를 선택적으로 분해한다.
전술한 방법들은 "보호된" 나노튜브(즉, 전류를 전달하지 못하는 나노튜브)는 온전하게 잔류시키는 반면 전류를 전달하는 나노튜브는 선택적으로 분해하는 능력을 이용한다. 한 종류의 물질은 보호하는 한편 또 다른 종류의 물질을 통해 전류를 전달시키는 다양한 방법들은 관련 분야에 알려져 있다.
반도체성 물질의 캐리어를 공핍시킴으로써 반도체성 SW-CNT를 보호할 수 있다. 이는 반도체성 SW-CNT로부터 캐리어를 공핍시키기 위해 게이트 전극에 전압을 인가하고 반도체성 SW-CNT를 소스 전극과 드레인 전극에 연결시킴으로써 달성된다. 그래서 반도체성 SW-CNT는 전류를 전달하지 못하기 때문에 보호되는 반면, 금속성 SW-CNT는 전류를 전달할 수 있다. 이어서 금속성 (즉, 비보호된) 나노튜브를 분해하기 위해 나노튜브에 전류가 인가되고, 금속성 나노튜브로부터 반도체성 나노튜브를 선택/선별한다.
이는 실리콘 기판, 예를 들어 실리콘 웨이퍼의 절연층(SiO2)에서 실행될 수 있다. 소스/드레인 영역에 대응하는 전극/도전체 패턴이 기판 상에 생성된다. 소스 및 드레인 전극에 콘택을 형성하는 것은 에칭된 영역을 형성하기 위한 전사법 및 에칭 기법을 통해 이루어질 수 있으며, 에칭된 영역은 이어서 금속으로 채워진다. 전극/도전체를 형성하는 물질 화합물은 예를 들어 폴리-실리콘, 살리사이드(salicide)(예를 들어, Co, Ni 등), 난융금속(refractory metal)(예를 들어, Ni, Co, Mo, Ta, W, Nb, Zr, Hf, Ir 및 La), 노벨(nobel) 금속(예를 들어, Ru, Rh, Pt 및 Au), 및 그 혼합물을 포함한다. 반도체성 및 금속성 SW-CNT를 포함하는 용액이 기판 상에 분배되어 SW-CNT와 결합되고 e-빔 또는 집속 이온빔 (focused ion beam : FIB) 이용 금속 증착(Pt, Au, Ag 등)과 같은 선택적 금속 증착 기법에 의해 전극/도전체 패턴이 형성된다. 이어서 전압이 기판에 인가되어 반도체성 SW-CNT의 저항력(즉, 캐리어 공핍)을 조절한다. 금속성 SW-CNT가 반도체성 SW-CNT에 비해 낮은 저항력을 가질 것이기 때문에 전류는 인가되어 금속성 SW-CNT를 통과하게 될 것이다. 전류가 금속성 SW-CNT를 통과함에 따라 금속은 뜨거워지고 연소/분해된다.
도 1을 참조하면, 도 1은 기판(200) 상에 형성된 SiO2 층(100)을 보여준다. 전극/도전체 패턴(250a 및 250b)은 SiO2 층(100) 상에 증착된다. 전극/도전체 패턴(250a 및 250b)은 소스 및 드레인 전극을 포함한다. 예를 들어, 패턴(250a)은 드레인 전극을 포함하고 패턴(250b)은 소스 전극을 포함한다. 다수의 SW-CNT가 SiO2 층(100)을 포함하는 기판(200) 상에 증착된다. 다수의 SW-CNT는 예를 들어 반도체성 SW-CNT 및 금속성 SW-CNT를 포함할 것이다. 도 1에 SW-CNT(300 및 400)이 도시되어 있다. 예를 들어, 금속성 SW-CNT(300)와 반도체성 SW-CNT(400)가 SiO2 층(100)을 포함하는 기판(200) 상에 증착된다. 동작하는 동안에, 소스 및 드레인 전극/도전체 패턴(250a 및 250b)이 반도체성 SW-CNT(400)로부터 캐리어를 제거하기 위해 게이트 전극이 인가된다. 금속성 SW-CNT(300)는 여전히 전류를 전달할 수 있다. 인가된 전류는 금속성 SW-CNT(300)가 반도체성 SW-CNT(400)에 비해 더 낮은 저항력을 갖기 때문에 금속성 SW-CNT(300)를 통과한다. 금속성 SW-CNT(300)는 점차적으로 뜨거워져 연소/분해되고 반도체성 SW-CNT(400)만이 남게 된다.
전술한 방법은 전계 효과 트랜지스터(FET), 다이오드 및 저항기를 만드는 데 유용하다. 몇 가지 예에서, 금속성 나노튜브를 기반으로 하여 상호접속용 전도성 패턴을 만드는 데 바람직할 것이다.
따라서 반도체성 나노튜브로부터 금속성 나노튜브를 선별/선택하는 방법 또한 기술한다. 금속성 SW-CNT는 음극 전압 보호에 의해 보호될 수 있다. 음극 전압 보호는 금속성 SW-CNT 상의 전체 음전하의 결과이다. 이는 금속성 SW-CNT가 음극과 연결될 때 이루어진다. 그래서 금속성 SW-CNT는 음이온이 금속성 SW-CNT의 전체 음전하로부터 격퇴되기 때문에 나노튜브가 음으로 충전된 산(acid) 음이온(anion)(예를 들어, NO3 -, SO4 - 등)에 의해 접속/분해되지 않아서 보호되는 반면, 반도체성 SW-CNT는 강한 산에 의해 부식된다. 따라서 반도체성(즉, 비보호된) 나노튜브는 분해되고 반도체성 나노튜브로부터 금속성 나노튜브가 선택/선별된다.
상호접속의 전도성 패턴을 형성하기 위해, 반도체성 및 금속성 SW-CNT 혼합물이 전극/도전체 패턴을 포함하는 기판 상에 분배된다. 이어서 Pt, Au 등의 금속을 활용한 e-빔 또는 FIB 이용 금속 기상과 같은 기법을 사용하는 선택적 금속 증착 기법이 SW-CNT에 콘택을 형성하기 위해 사용된다. 이어서 음 전위가 이중 전기층을 통해 금속성 SW-CNT에 인가되고 절연층을 통해 애노드 또는 반도체 기판에 인가된다. 이러한 음 전압은 또한 반도체성 SW-CNT를 공핍시킴으로써 반도체성 SW-CNT의 전도율을 조절한다. 예를 들어 HNO3, H2SO4 등과 같은 강한 산이 SW-CNT를 포함하는 기판에 더해진다. 금속성 SW-CNT가 음 전하(음극화 보호)에 의해 보호되는 반면 강한 산은 반도체성 SW-CNT를 선택적으로 분해할 것이다. 반도체성 SW-CNT는 반도체성 물질 내의 광전위 유도와 산의 결합에 의해 분해될 수도 있다. 반도체성 물질의 공핍 영역에 접촉되는 광자 에너지에 의해 생성된 광전위로 인해 전자-홀 쌍이 형성된다.
여기서 사용된 바와 같이 광자 에너지 소스는 광자 에너지, 예를 들어 집속 광자 에너지 빔(예를 들어 빛)을 방출하거나 집속 광자 에너지 빔을 지향하기 위해 다양한 필터, 미러, 렌즈 및/또는 렌즈의 구경을 사용하여 수정될 수도 있는 임의의 광원일 수 있다. 필터는 광전위를 생성하기 위한 문턱값보다 작거나 같거나 더 큰 값으로 광력(luminous power)을 조절하는 것이 가능하다. 반도체성 물질과 접촉하는 광전자 에너지는 집속 점, 밀리미터 이하의 길이를 갖는 집속 선, 휘어진 "호형(괄호형)"의 기하구조 및 그 유사구조와 같은 원하는 기하형태를 얻기 위해 수정될 수도 있다. 따라서 광자 에너지 소스는 가시광 또는 아주 근적외선 파장 범위의 빛을 방출하는 발광소자 또는 레이저 다이오드를 포함한다.
도 2는 예를 들어 실리콘 웨이퍼로 구성된 기판(500)과, 소자층(600)과, 예를 들어 낮은 k를 갖는 구리가 도핑된 이산화규소로 형성된 층간 절연(ILD)층(700)을 나타낸다. 절연층(700)은 원하는 두께(예를 들어 전형적으로 약 3 마이크론 내지 10 마이크론)를 갖는다. 전형적으로 약 3 보다 낮은 유전율을 갖는 낮은 k(낮은 유전율을 갖는 물질)가 신호 지연시간을 줄이기 위해 사용된다. 종래의 이산화규소가 절연층(700)으로 사용될 수도 있다. ILD층에 사용되기도 하는 다른 예시적인 물질은 스핀 코팅 공정(spin coating process)을 통해 공급되는 낮은 k를 갖는 유기 물질을 포함한다. 전극/도전체 패턴(750a 및 750b)은 절연층(700) 상에 위치한다. 다수의 SW-CNT가 절연층(700) 상에 증착된다. 다수의 SW-CNT는 예를 들어 반도체성 SW-CNT와 금속성 SW-CNT를 포함할 것이다.
도 2는 SW-CNT(300 및 400)를 보여준다. 예를 들어, 금속성 SW-CNT(300)와 반도체성 SW-CNT(400)가 절연층(700) 상에 증착된다. 동작하는 동안에 전극/도전체 패턴(750a 및 750b)이 음 전위를 갖도록 게이트 전압이 인가된다. 금속성 SW-CNT(300)는 음으로 충전되어 음극 전압 보호에 의해 보호된다. 이어서 산이 SW-CNT를 포함하는 절연층(700)과 접촉한다. 음으로 충전되고 음극에 의해 보호되는 금속성 SW-CNT는 강한 산으로부터 보호되기 때문에 산은 반도체성 SW-CNT(400)를 선택적으로 분해한다. 선택적 광전자 소오스(800)가 도 2에 도시된다. 선택적으로 광전자 에너지 소스가 광전위를 생성하여 반도체성 SW-CNT(400)를 더욱 잘 분해하는데 도움을 주기 위해 사용될 수도 있다.

Claims (30)

  1. 금속성 나노튜브를 선택하는 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판과 접촉하는 다수의 반도체성 및 금속성 나노튜브를 제공하는 단계와,
    강한 산성 용액에서의 음극화 보호에 의해 상기 금속성 나노튜브를 선택적으로 보호하고 상기 반도체성 나노튜브는 비보호된 상태로 남겨두는 단계와,
    보호된 나노튜브만을 남기기 위해 상기 비보호된 반도체성 나노튜브를 분해하는 단계를 포함하는
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 반도체 기판을 포함하는
    방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는
    방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체성 나노튜브는 상기 강한 산성 용액에 의해 선택적으로 제거되는
    방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    전자-홀 쌍을 생성하기 위해 상기 반도체성 나노튜브에 전자기 방사선을 조사하하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  9. 금속성 나노튜브를 선택하는 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판과 접촉하는 다수의 반도체성 및 금속성 나노튜브를 제공하는 단계와,
    음극화 보호를 통해 산의 부식으로부터 상기 금속성 나노튜브를 선택적으로 보호하되, 상기 기판을 사용하여 상기 금속성 나노튜브를 바이어싱하는 단계와,
    비보호된 나노튜브를 선택적으로 제거하기 위해 상기 다수의 반도체성 및 금속성 나노튜브를 산에 접촉시키는 단계를 포함하는
    방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판은 층간 절연층(ILD)을 포함하는
    방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체성 나노튜브는 강한 산성 용액에 의해 선택적으로 제거되는
    방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    전자-홀 쌍을 생성하기 위해 상기 반도체성 나노튜브에 전자기 방사선을 조사하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 상호접속을 포함하는 소자를 형성하는 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계와,
    상기 기판과 접촉하는 다수의 반도체성 및 금속성 나노튜브를 제공하는 단계와,
    음극화 보호를 통해 산의 부식으로부터 상기 금속성 나노튜브를 선택적으로 보호하되, 상기 기판을 사용하여 상기 금속성 나노튜브를 바이어싱하는 단계와,
    비보호된 반도체성 나노튜브를 선택적으로 제거하기 위해 상기 다수의 반도체성 및 금속성 산에 접촉시키는 단계를 포함하는
    방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 기판은 층간 절연층(ILD)을 포함하는
    방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 반도체성 나노튜브는 강한 산성 용액에 의해 선택적으로 제거되는
    방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    전자-홀 쌍을 생성하기 위해 상기 반도체성 나노튜브에 전자기 방사선을 조사하는 단계를 더 포함하는
    방법.
  27. 반도체성 나노튜브를 선택적으로 공핍시키는 방법으로서,
    반도체성 나토튜브와 금속성 나노튜브의 혼합물을 적어도 2개의 전기 콘택 사이에 위치시키는 단계와,
    상기 전기 콘택을 사용하여, 음의 전하를 상기 혼합물 내의 상기 금속성 나노튜브에 인가하는 단계와,
    상기 혼합물을 산에 노출시켜, 상기 혼합물로부터 상기 반도체성 나노튜브를 공핍시키는 단계를 포함하되,
    상기 반도체성 나노튜브의 공핍은 상기 금속성 나노튜브에 인가된 상기 음의 전하가 상기 금속성 나노튜브를 상기 산으로부터 보호한 결과인
    방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 혼합물을 상기 산에 노출시키는 단계는 상기 혼합물을 강한 산성 용액에 두는 단계를 포함하는
    방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 반도체성 나노튜브와 금속성 나노튜브의 혼합물은 단일벽 반도체성 나노튜브와 단일벽 금속성 나노튜브의 혼합물을 포함하는
    방법.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 반도체성 나노튜브 내의 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 전자기 방사선으로 상기 혼합물을 조사하는 단계를 더 포함하는
    방법.
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