KR101169538B1 - Method for manufacturing graphene semiconductor device, graphene semiconductor device manufactured by the same, graphene transistor comprising the graphene semiconductor device - Google Patents
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Abstract
레이저를 이용한 그래핀 반도체 소자 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 반도체 소자, 이를 포함하는 그래핀 트랜지스터가 제공된다.
본 발명에 따른 그래핀 반도체 소자 제조방법은 산소 분위기 하에서 기판 상에 형성된 그래핀에 레이저 빔을 조사하여, 상기 그래핀을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 그래핀 반도체 소자 제조방법은 레이저 빔를 이용하여, 밴드 갭을 그래핀에 형성시켜, 그래핀 반도체 소자의 제조가 가능하다. 더 나아가, 그래핀의 성장과 반도체 소자를 위한 패터닝이 모두 동일한 레이저 빔 조사 방식이므로, 경제성이 우수하다. 또한, 이러한 그래핀 반도체 소자를 이용, 그래핀 트랜지스터를 경제적으로 제조할 수 있다. A graphene semiconductor device manufacturing method using a laser, a graphene semiconductor device manufactured thereby, and a graphene transistor including the same are provided.
Graphene semiconductor device manufacturing method according to the invention is characterized in that it comprises the step of patterning the graphene, by irradiating a laser beam on the graphene formed on the substrate in an oxygen atmosphere, the graphene semiconductor device according to the present invention In the manufacturing method, a band gap is formed in graphene using a laser beam, and thus a graphene semiconductor device can be manufactured. Furthermore, since both the growth of graphene and the patterning for the semiconductor device are the same laser beam irradiation method, the economic efficiency is excellent. In addition, graphene transistors can be economically manufactured using such graphene semiconductor devices.
Description
본 발명은 레이저를 이용한 그래핀 반도체 소자 및 트랜지스터 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 반도체 소자 및 그래핀 반도체 소자를 포함하는 그래핀 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게 기판에서 제조된 그래핀의 특성을 레이저를 조사하는 방식으로 향상, 변경시킬 수 있는, 레이저를 이용한 그래핀 반도체 소자 및 트랜지스터 제조방법, 이에 의하여 제조된 그래핀 반도체 소자 및 그래핀 반도체 소자를 포함하는 그래핀 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene semiconductor device and a method for manufacturing a transistor using a laser, and a graphene transistor comprising a graphene semiconductor device and a graphene semiconductor device manufactured by the above, in more detail the characteristics of the graphene manufactured on a substrate The present invention relates to a graphene semiconductor device and a transistor manufacturing method using a laser, which can be improved and changed by irradiating a laser, and a graphene transistor including a graphene semiconductor device and a graphene semiconductor device manufactured thereby.
그래핀(graphene)은 탄소원자가 2차원(2D) 격자 내로 채워진 평면 단일층 구조를 의미하며, 이것은 모든 다른 차원구조의 흑연(graphite) 물질의 기본 구조를 이룬다. 즉, 상기 그래핀은 0차원 구조인 풀러린(fullerene), 1차원 구조인 나노튜브 또는 3차원 구조로 적층된 흑연의 기본 구조가 될 수 있다. 2004년 Novoselev 등은 SiO2/Si 기판의 상부 상에서 프리-스탠딩 그래핀 단일층을 수득하였다고 보고하였으며, 이것은 기계적인 미세 분할법에 의하여 실험적으로 발견되었다. Graphene refers to a planar monolayer structure in which carbon atoms are filled into a two-dimensional (2D) lattice, which forms the basis for all other dimensional graphite materials. That is, the graphene may be a basic structure of graphite stacked in a fullerene, a one-dimensional nanotube, or a three-dimensional structure. In 2004, Novoselev et al reported that a free-standing graphene monolayer was obtained on top of a SiO 2 / Si substrate, which was found experimentally by mechanical microfractionation.
최근 많은 연구그룹들이 그래핀이 갖는 허니콤(벌집) 형태의 결정 구조, 두 개의 상호침투하는 삼각 형태의 하위 격자 구조, 및 하나의 원자 크기에 해당하는 두께 등에 의하여 그래핀이 특이한 물리적 특성(예를 들면 제로 밴드갭)을 보이는 점에 주목한다. 또한 그래핀은 특이한 전하 운송 특성을 갖는데, 이로 인하여 그래핀은 종래에는 관찰되지 않았던 독특한 현상을 보여준다. 예를 들면, 반정수 양자 홀 효과 및 바이폴라 초전류 트랜지스터 효과 등이 그 예이며, 이 또한 상기 설명한 그래핀의 특유한 구조에 기인하는 것으로 여겨진다. In recent years, many research groups have identified graphene's unique physical properties due to its honeycomb crystal structure, two interpenetrating triangular sub lattice structures, and the thickness of one atomic size. Note that for example a zero bandgap is shown. In addition, graphene has unique charge transport characteristics, which causes graphene to exhibit a unique phenomenon that has not been observed in the past. For example, the semi-integer quantum Hall effect, the bipolar supercurrent transistor effect, and the like are examples, and this is also considered to be due to the unique structure of the graphene described above.
이와 같은 우수한 특성의 그래핀을 단층으로 성장시키며, 이를 선택적으로 도핑, 물성을 제어할 수 있다면, 그래핀은 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 반도체 소자로 활용될 수 있다. 즉, 그래핀의 밴드 갭을 제어함으로써, 그래핀에 반도체 특성을 부여하려는 시도가 있었다. If graphene having such excellent properties is grown in a single layer and can selectively control doping and physical properties, graphene can be used as a next-generation semiconductor device that can replace silicon. That is, attempts have been made to impart semiconductor characteristics to graphene by controlling the band gap of graphene.
이 중 하나는 나노리본 형태로 그래핀을 제조하여, 그래핀의 밴드 갭이 열리는 기술이다(nature nanotechnology. 5, 321, 2010, 이하 종래기술 1). 종래기술 1에 따르면, 나노리본 형태의 그래핀 시트를 통하여 소스, 게이트, 드레인 전극을 연결하고, 게이트 전극의 인가에 따라 나노리본 형태의 그래핀으로 전자가 흐르는 방식의 트랜지스터 소자가 가능하다. 하지만, 상기 기술은 나노 사이즈의 리본 형태 그래핀이 기판 위에서 정밀히 제조되어야 하는 점에서, 기술적 한계가 있다. 또한, 그래핀의 밴드 갭의 정밀한 제어가 사실상 불가능하다는 문제가 있다. One of them is a technique for preparing graphene in the form of nanoribbons, and opening a band gap of graphene (nature nanotechnology. 5, 321, 2010, hereinafter, referred to as Prior Art 1). According to the prior art 1, a transistor device having a method of connecting a source, a gate and a drain electrode through a nanoribbon-type graphene sheet and flowing electrons to the nanoribbon-type graphene according to the application of the gate electrode is possible. However, the technique has technical limitations in that nano-size ribbon-like graphene must be manufactured precisely on a substrate. In addition, there is a problem that precise control of the band gap of graphene is virtually impossible.
또 다른 종래기술로서, 그래핀 성장할 때 B2H6 또는 NH3 가스를 흘려서 붕소와 질소를 도핑하는 기술이 있다(Adv. Mater. 21, 4726-4730, 2009, 이하 종래기술 2). 하지만 종래기술 2는 도핑 과정에서 그래핀의 고유 구조가 깨어지며, 이로써 그래핀의 물성 저하가 발생하는 문제가 있다. 이와 같이 그래핀에 반도체 특성을 부여하기 위한 다양한 시도가 있어왔으나, 아직까지 그래핀의 밴드 갭을 완벽히 조절하는 기술은 개시되지 못한 상황이다.As another conventional technique, there is a technique of doping boron and nitrogen by flowing B 2 H 6 or NH 3 gas when graphene is grown (Adv. Mater. 21, 4726-4730, 2009, hereinafter, prior art 2). However, in the prior art 2, the intrinsic structure of the graphene is broken during the doping process, thereby causing a problem in that physical properties of the graphene are degraded. As described above, various attempts have been made to impart semiconductor characteristics to graphene, but a technique for completely adjusting the band gap of graphene has not been disclosed.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 밴드 갭을 형성시켜, 반도체 특성을 가지는 그래핀 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a graphene semiconductor device having semiconductor characteristics by forming a band gap.
본 발명이 해결하려는 밴드 갭을 형성시켜, 반도체 특성을 가지는 그래핀 반도체 소자를 제공하는 것이다.The present invention provides a graphene semiconductor device having semiconductor characteristics by forming a band gap to be solved by the present invention.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 상기 반도체 소자를 포함하는 그래핀 트랜지스터 제조방법 및 이에 의하여 제조된 트랜지스터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a graphene transistor manufacturing method including the semiconductor device and a transistor manufactured thereby.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그래핀 반도체 소자 제조방법으로, 상기 방법은 산소 분위기 하에서 기판 상에 형성된 그래핀에 레이저 빔을 조사하여, 상기 그래핀을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 반도체 소자 제조방법을 제공하며, 상기 패터닝된 그래핀은 나노리본 형태를 갖는다. 이때 상기 나노리본의 폭은 10nm이하이다. In order to solve the above problems, the present invention is a graphene semiconductor device manufacturing method, the method comprises the step of patterning the graphene by irradiating a laser beam on the graphene formed on the substrate under an oxygen atmosphere. To provide a method for manufacturing a graphene semiconductor device, the patterned graphene has a nanoribbon form. At this time, the width of the nanoribbons is less than 10nm.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 기판은 SiC 기판이며, 상기 레이저 빔의 조사에 의하여 SiC 기판의 탄소가 증발한다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 기판은 실리콘 산화물층 또는 촉매금속층을 상부층으로 포함하며, 메탄을 포함하는 반응가스와 접촉하는 기판을 레이저 빔으로 조사하여 그래핀을 형성시킨다.In another embodiment of the present invention, the substrate is an SiC substrate, and carbon of the SiC substrate is evaporated by the irradiation of the laser beam. In another embodiment of the present invention, the substrate includes a silicon oxide layer or a catalyst metal layer as an upper layer, and forms graphene by irradiating a substrate in contact with a reaction gas containing methane with a laser beam.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 방법은 기판과 접촉하는 탄소 포함 반응가스에 레이저 빔을 제 1 조사하여, 기판 상에 그래핀을 형성시키는 단계; 및 산소 분위기 하에서 상기 형성된 그래핀에 레이저 빔을 제 2 조사하여, 상기 형성된 그래핀을 패터닝하는 단계를 포함한다. In another embodiment of the present invention, the method comprises the steps of first irradiating a laser beam to the carbon-containing reaction gas in contact with the substrate to form a graphene on the substrate; And patterning the formed graphene by irradiating a second laser beam to the formed graphene under an oxygen atmosphere.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 불순물이 도핑된 영역을 포함하는 그래핀 반도체 소자 제조방법으로, 상기 방법은, 불순물 함유 물질과 접촉하는 그래핀 영역에 레이저 빔을 조사하여, 상기 그래핀 영역에 불순물을 도핑시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 반도체 소자 제조방법을 제공하며, 본 발명의 일 실시예에서 불순물 함유 물질은 불순물 함유 기체이다. In order to solve the above problems, the present invention is a graphene semiconductor device manufacturing method comprising a region doped with impurities, the method, the graphene region by irradiating a laser beam to the graphene region in contact with the impurity-containing material It provides a method for manufacturing a graphene semiconductor device comprising the step of doping the impurity in the impurity-containing material, in one embodiment of the present invention is an impurity-containing gas.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 불순물을 도핑시키는 단계 전, 산소 분위기 하에서 상기 그래핀에 레이저 빔을 조사하여 상기 그래핀을 패터닝하며, 레이저 빔이 조사된 그래핀 영역에서만 불순물이 그래핀으로 도핑된다. In addition, in an embodiment of the present invention, before the doping the impurity, the graphene is patterned by irradiating a laser beam to the graphene under an oxygen atmosphere, and the impurity is reduced to graphene only in the graphene region to which the laser beam is irradiated. Doped.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 SiC 기판에 레이저 빔을 제 1 조사하여 그래핀을 형성하는 단계; 산소 분위기 하에서 레이저 빔을 제 2 조사하여 상기 그래핀을 패터닝하여, 그래핀 반도체 소자를 제조하는 단계; 불순물을 포함하는 가스 분위기 하에서 레이저 빔을 상기 반도체 소자의 양 끝 영역으로 제 3 조사함으로써, 상기 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계; 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 반도체 소자 영역에 절연막을 적층하는 단계; 및 상기 소스 및 드레인 영역, 그리고 절연막상에 금속층을 적층한 후, 패터닝하여 소스, 드레인 및 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 트랜지스터 제조방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention comprises the steps of forming a graphene by first irradiating a laser beam on a SiC substrate; Manufacturing a graphene semiconductor device by patterning the graphene by irradiating a second laser beam under an oxygen atmosphere; Forming a source and a drain region doped with the impurity by thirdly irradiating a laser beam to both end regions of the semiconductor device under a gas atmosphere containing impurities; Stacking an insulating film on the semiconductor device region between the source and drain regions; And depositing a metal layer on the source and drain regions and the insulating layer, and then patterning to form a source, a drain, and a gate electrode.
본 발명의 일 실시예에서 상기 패터닝된 그래핀 반도체 소자는 나노리본 형태를 가지며, 상기 나노리본의 폭은 10nm이하이다. In one embodiment of the present invention, the patterned graphene semiconductor device has a nanoribbon shape, the width of the nanoribbons is less than 10nm.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 산화물층 또는 촉매금속층을 상부층으로 포함하는 기판에 메탄을 포함하는 반응가스를 접촉시키는 단계; 상기 기판에 레이저 빔을 제 1 조사하여 그래핀을 형성하는 단계; 산소 분위기 하에서 레이저 빔을 제 2 조사하여 상기 그래핀을 패터닝하여, 그래핀 반도체 소자를 제조하는 단계; 불순물을 포함하는 가스 분위기 하에서 레이저 빔을 상기 반도체 소자의 양 끝 영역으로 제 3 조사함으로써, 상기 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계; 상기 소스 및 드레인 영역 사이의 반도체 소자 영역에 절연막을 적층하는 단계; 및 상기 소스 및 드레인 영역, 그리고 절연막상에 금속층을 적층한 후, 패터닝하여 소스, 드레인 및 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 트랜지스터 제조방법을 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention comprises the steps of contacting a reaction gas containing methane to a substrate comprising a silicon oxide layer or a catalyst metal layer as an upper layer; Irradiating a laser beam on the substrate to form graphene; Manufacturing a graphene semiconductor device by patterning the graphene by irradiating a second laser beam under an oxygen atmosphere; Forming a source and a drain region doped with the impurity by thirdly irradiating a laser beam to both end regions of the semiconductor device under a gas atmosphere containing impurities; Stacking an insulating film on the semiconductor device region between the source and drain regions; And depositing a metal layer on the source and drain regions and the insulating layer, and then patterning to form a source, a drain, and a gate electrode.
본 발명의 일 실시예에서 상기 패터닝된 그래핀 반도체 소자는 나노리본 형태를 가지며, 상기 나노리본의 폭은 10nm이하이다. 또한 상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the patterned graphene semiconductor device has a nanoribbon shape, the width of the nanoribbons is less than 10nm. The reaction gas also includes methane and hydrogen.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 그래핀 트랜지스터를 제공한다.
In order to solve the above another problem, the present invention provides a graphene transistor manufactured by the above-described method.
본 발명에 따른 그래핀 반도체 소자 제조방법은 레이저 빔를 이용하여, 밴드 갭을 그래핀에 형성시켜, 그래핀 반도체 소자의 제조가 가능하다. 더 나아가, 그래핀의 성장과 반도체 소자를 위한 패터닝이 모두 동일한 레이저 빔 조사 방식이므로, 경제성이 우수하다. 또한, 이러한 그래핀 반도체 소자를 이용, 그래핀 트랜지스터를 경제적으로 제조할 수 있다.
In the graphene semiconductor device manufacturing method according to the present invention, the graphene semiconductor device may be manufactured by forming a band gap on graphene using a laser beam. Furthermore, since both the growth of graphene and the patterning for the semiconductor device are the same laser beam irradiation method, the economic efficiency is excellent. In addition, graphene transistors can be economically manufactured using such graphene semiconductor devices.
도 1 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 트랜지스터 제조방법의 단계별 도면이다.
도 17 내지 27은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 트랜지스터 제조방법을 나타내는 단계별 도면이다.1 to 16 are step-by-step views of a graphene transistor manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
17 to 27 are step-by-step views showing a graphene transistor manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 표시되는 약어는 본 명세서 내에서 별도의 다른 지칭이 없다면 당업계에서 통용되어, 이해되는 수준으로 해석되어야 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout. In addition, abbreviations displayed throughout this specification should be interpreted to the extent that they are known and used in the art unless otherwise indicated herein.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 그래핀 반도체 소자 제조방법은 그래핀을 선택적으로 제거하면서, nm 크기의 반도체 특성을 갖는 그래핀의 제조를 가능하게 한다. 즉, 본 발명은 레이저 빔을 이용하여 그래핀 패터닝과 불순물 도핑을 진행하는 반도체 소자 제조방법을 제공한다. As described above, the graphene semiconductor device manufacturing method according to the present invention enables the production of graphene having a semiconductor characteristic of nm size while selectively removing graphene. That is, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device in which graphene patterning and impurity doping are performed using a laser beam.
이를 위하여, 본 발명은 그래핀 반도체 소자 제조방법으로, 산소 분위기 하에서 기판 상에 형성된 그래핀에 레이저 빔을 조사하여, 상기 그래핀을 패터닝하는 단계를 포함하는 그래핀 반도체 소자 제조방법을 제공한다.To this end, the present invention provides a method for manufacturing a graphene semiconductor device, the graphene semiconductor device manufacturing method comprising the step of patterning the graphene by irradiating a laser beam on the graphene formed on the substrate in an oxygen atmosphere.
이 때, 패터닝된 그래핀은 나노리본 형태로서, 상기 나노리본의 폭은 10nm이하이다. 이는 그래핀에 반도체 특성, 즉, 밴드 갭을 형성시키기 위한 것으로, 리본 형태의 그래핀의 폭이 10nm 이하인 경우, 그래핀에는 밴드 갭이 형성되며, 그 결과 그래핀은 반도체 특성을 갖는다. 하지만, 일반적인 반도체 공정이나 그래핀 제조방법으로는 이와 같이 미세한 크기의 그래핀 제조(패터닝)은 매우 어려우나, 본 발명은 정밀한 제어가 가능한 레이저 빔을 이용하여, 그래핀의 미세 크기 제어를 달성한다. At this time, the patterned graphene is in the form of nanoribbons, the width of the nanoribbons is less than 10nm. This is to form semiconductor characteristics, that is, a band gap in graphene. When the width of the graphene in the form of ribbon is 10 nm or less, a band gap is formed in graphene, and as a result, graphene has semiconductor characteristics. However, in the general semiconductor process or graphene manufacturing method, it is very difficult to produce graphene of such fine size (patterning), but the present invention achieves fine size control of graphene using a laser beam capable of precise control.
기판에 형성된 그래핀은 레이저 빔의 또 다른 조사에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 탄소함유 반응가스(예를 들면 메탄 함유 반응가스) 또는 SiC 기판에 레이저 빔을 조사(제 1 조사)하여, 그래핀을 기판에 형성시키고, 다시 형성된 그래핀에 레이저 빔을 조사하여 그래핀을 패터닝한다(제 2 조사). 이 경우, 사실상 동일한 레이저 빔에 의하여 반도체 소자 제조를 위한 두 가지 공정이 선택적으로 수행될 수 있으므로, 공정 경제적이다. Graphene formed on the substrate may be formed by another irradiation of the laser beam. That is, a graphene is formed on a substrate by irradiating a laser beam (first irradiation) on a carbon-containing reaction gas (for example, a methane-containing reactant gas) or a SiC substrate, and then irradiating a laser beam on the formed graphene to form graphene. Is patterned (second investigation). In this case, two processes for manufacturing a semiconductor device can be selectively performed by virtually the same laser beam, so the process is economical.
본 발명은 더 나아가 반도체 소자인 경우, 붕소 또는 질소와 같은 불순물이 도핑되어야 하는 점에 주목하였고, 이 또한 불순물 함유 물질, 예를 들면 불순물을 함유하는 도핑가스와 접촉하는 그래핀 영역에 레이저 빔을 조사하여, 상기 그래핀 영역에 불순물을 도핑시켰다. 이로써, 그래핀의 선택적 도핑방법을 제공하며, 이를 활용하는 경우, 우수한 특성의 그래핀 기반 트랜지스터가 가능하다. The present invention further noted that in the case of semiconductor devices, impurities such as boron or nitrogen should be doped, and this also applies a laser beam to a region of graphene in contact with an impurity containing material, for example a doping gas containing impurities. Irradiated, the graphene region was doped with impurities. Thus, it provides a selective doping method of graphene, when utilizing this, it is possible to graphene-based transistor of excellent characteristics.
즉, 본 발명은 레이저 빔에 의하여 그래핀 형성-패터닝-도핑 등의 과정을 모두 또는 선택적으로 수행할 수 있으며, 이러한 공정을 통하여, 그래핀 기반 트랜지스터 제조가 가능하다. That is, the present invention can perform all or selectively the process of graphene formation-patterning-doping by a laser beam, and through this process, it is possible to manufacture a graphene-based transistor.
도 1 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 트랜지스터 제조방법의 단계별 도면이다. 도 1 내지 16은 상술한 공정을 모두 조합한 것이나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 레이저 빔에 의한 패터닝, 도핑 공정 각각이 본 발명의 범위에 속한다. 1 to 16 are step-by-step views of a graphene transistor manufacturing method according to an embodiment of the present invention. 1 to 16 combine all of the above-described processes, but the scope of the present invention is not limited thereto, and the patterning and doping processes using a laser beam are within the scope of the present invention.
도 1을 참조하면, 그래핀이 형성되는 기판(101)이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 기판(101)은 별도의 반응가스 공급 없이 기판 자체의 탄소에 의하여 그래핀이 표면에 형성되는 SiC 기판이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 메탄, 수소 등을 공급하는 경우, 통상적인 실리콘산화물층 또는 구리, 니켈을 포함하는 촉매금속층을 상부층으로 포함하는 기판, 즉, 하부기판과 구리포일로 이루어진 기판이 도 1에서 개시된 그래핀 성장 기판(101)으로 활용될 수 있다. Referring to FIG. 1, a
도 2를 참조하면, 레이저 빔 조사(제 1 레이저 빔 조사)에 따라 그래핀(102)이 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 SiC 기판을 사용하였으므로, 별도의 반응가스 주입 없이 기판 자체의 실리콘 증발에 의하여 단일층 그래핀(102)이 기판(101) 상부에 형성된다. Referring to FIG. 2,
도 3 및 4를 참조하면, 산소 분위기에서 레이저 빔을 단일층 그래핀(102)의 일 영역에 조사한다. 본 발명에서 산소 분위기라 함은 산소로만 이루어진 기체 분위기 만을 의미할 뿐만 아니라, 산소를 포함하는 기체 분위기를 모두 총칭하며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. 3 and 4, the laser beam is irradiated to one region of the
이로써, 산소 기체 또는 산소를 포함하는 기체가 공급된 상태에서 조사된 레이저 빔에 의하여 레이저 빔이 조사된 그래핀(102)은 제거되며, 이때 상기 제거되는 그래핀 영역은 조사되는 레이저 빔 영역에 대응된다. As a result, the
도 5 및 6을 참조하면, 동일한 산소 분위기에서 레이저 빔이 조사되는 기판 영역을 이동시켜, 불필요한 영역의 그래핀을 제거하고, 이로써 도 7에서 도시한 바와 같이 원하는 패턴(사각 형태)의 그래핀 소자를 얻게 된다. 이때 본 발명은 상기 그래핀 소자의 에너지 밴드 갭을 열어서 반도체를 만들기 위해서는 나노 리본 패턴의 그래핀 단일층이 필요한 점에 주목하였다. 이를 위하여 도 6의 나노리본 형태로서 그래핀 소자의 가로 길이가 10nm 이하가 되도록 그래핀 소자를 패터닝할 필요가 있다. 따라서, 도 7 내지 9를 참조하면, 단위 그래핀 소자들의 외측 영역을 산소분위기하에서 레이저 빔 처리(제 2 레이저 빔 조사)하여 제거하며, 이로써 10nm 이하의 폭을 갖는 그래핀 반도체 소자(103)가 완성된다. 즉, 본 발명은 기판에서 단일층 그래핀의 성장과 성장한 그래핀의 패터닝을 모두 레이저 빔(제 1 레이저 빔 조사, 제 2 레이저 빔 조사)에 의하여 수행하며, 이로써 반도체 특성의 그래핀이 제조될 수 있다.5 and 6, the region of the substrate to which the laser beam is irradiated in the same oxygen atmosphere is removed to remove the unnecessary region of the graphene, thereby forming a graphene element having a desired pattern (square) as shown in FIG. You get At this time, the present invention noted that a graphene monolayer of a nano-ribbon pattern is required to make a semiconductor by opening an energy band gap of the graphene device. To this end, it is necessary to pattern the graphene device such that the graphene device has a horizontal length of 10 nm or less as the nanoribbon form of FIG. 6. Therefore, referring to FIGS. 7 to 9, the outer regions of the unit graphene devices are removed by laser beam treatment (second laser beam irradiation) under an oxygen atmosphere, thereby allowing the
레이저 빔 조사에 따라 반도체 특성을 갖도록 패터닝된 그래핀 소자에는 도핑되어야 하는 불순물 중 하나인 붕소를 포함하는 도핑가스(B2H6, 메탄가스)가 공급되며, 그래핀 소자의 양 끝 영역을 레이저 빔으로 열 처리한다(제 3 레이저 빔 조사). 이로써 리본 형태의 소자 양 끝 부분에는 붕소가 도핑된다(도 10 및 11의 104). 동일한 방식으로 기판에 형성된 복수 개의 단위 그래핀 소자에 대한 질소 도핑을 진행하는데, 이를 위하여 NH3 및 메탄을 포함하는 또 다른 도핑가스를 기판에 흘리면서, 도핑되어야 하는 소자 영역을 레이저 빔 처리한다(도 12 및 13). 이로써 4개의 나노리본 형태의 그래핀 단위 소자에서, 좌측 두 개는 양 끝 영역에 붕소가 도핑되며(104), 우측 두 개는 양 끝 영역에 질소가 도핑된다(105). 상술한 바와 같이 상기 도핑된 그래핀 영역은 그래핀 기반 트랜지스터의 소스 및 드레인 영역이 됨은 상술한 바와 같다. Doping gas (B 2 H 6 , methane gas) containing boron, which is one of the impurities to be doped, is supplied to the graphene device patterned to have semiconductor characteristics according to the laser beam irradiation. Heat treatment with the beam (third laser beam irradiation). As a result, boron is doped at both ends of the ribbon element (104 in FIGS. 10 and 11). Nitrogen doping of the plurality of unit graphene devices formed on the substrate is performed in the same manner. For this purpose, another doping gas containing NH 3 and methane is flowed onto the substrate, and the laser beam treatment is performed on the device region to be doped (Fig. 12 and 13). As a result, in the graphene unit device having four nanoribbons, boron is doped at both ends (104) and nitrogen is doped at both ends (105). As described above, the doped graphene region becomes the source and drain region of the graphene-based transistor as described above.
트랜지스터 소자를 만들기 위하여, 도핑 영역(104, 105) 사이의 그래핀 위로 HfO2 등의 절연막(106)이 적층된다(도 15). 상기 절연막(106)은 게이트 절연층으로 기능한다. 절연막(106) 적층 후 단위 그래핀 소자의 도핑영역(소스, 드레인 영역)과 게이트 절연층인 절연막(106) 위로 금속층(107)이 적층되고, 패터닝된다. 이로써 소스, 드레인 전극(도핑 영역(104, 105)과 연결된 금속층)과 게이트 전극(도핑 영역 사이의 절연막과 연결된 금속층)으로 구성된 그래핀 기반 트랜지스터가 제조된다(도 16). In order to make the transistor device, an insulating
본 발명의 또 다른 일 실시예는 SiC 기판이 아닌, 실리콘산화물층 또는 촉매금속층에 탄소함유 반응가스를 흘리면서, 기판에 레이저 빔을 조사하는 방식으로 성장된 그래핀에 기반한 트랜지스터를 제공한다. Yet another embodiment of the present invention provides a graphene-based transistor grown by irradiating a laser beam to a substrate while flowing a carbon-containing reaction gas into a silicon oxide layer or a catalyst metal layer, not a SiC substrate.
도 17 내지 27은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 그래핀 트랜지스터 제조방법을 나타내는 단계별 도면이다.17 to 27 are step-by-step views showing a graphene transistor manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
도 17을 참조하면, 그래핀이 성장하는 기판(201)이 개시된다. 상기 기판(201)은 SiC가 아닌 기판으로, 실리콘산화물층 또는 촉매층을 상부층으로 포함하는 기판이다. Referring to FIG. 17, a
도 18을 참조하면, 메탄과 수소를 공급함에 따라 상기 기판의 상부층(예를 들면, 실리콘 산화물층 또는 촉매금속층)은 메탄/수소 혼합가스와 접촉하게 된다. 이후, 메탄/수소 혼합가스와 접촉하는 기판의 일 영역에 대하여 레이저 빔을 조사한다. 특히 본 발명은 펨토초 수준의 분해속도를 갖는 메탄에 나노초 이상의 펄스 주기를 가지는 레이저 빔을 조사하는 경우, 메탄은 손쉽게 분해되어, 기판에 그래핀 성장을 위한 탄소를 제공하는 점에 주목하였다. Referring to FIG. 18, as the methane and hydrogen are supplied, the upper layer (eg, silicon oxide layer or catalyst metal layer) of the substrate comes into contact with the methane / hydrogen mixed gas. Thereafter, a laser beam is irradiated to one region of the substrate in contact with the methane / hydrogen mixed gas. In particular, in the present invention, when irradiating a laser beam having a pulse period of more than nanoseconds to methane having a decomposition rate of femtosecond level, it was noted that methane is easily decomposed to provide carbon for graphene growth on the substrate.
도 19를 참조하면, 트랜지스터를 제조하고자 하는 기판(201) 영역에 그래핀(202)이 성장한다. 도 19에서는 4 개의 그래핀 소자가 제조되었다. Referring to FIG. 19,
도 20 및 21을 참조하면, 반도체 특성의 그래핀을 제조하기 위해서, 그래핀 패턴의 가로길이(폭)이 10nm 수준이 되도록 산소 분위기에서 레이저 빔을 조사한다. 이로써 레이저 빔이 조사된 그래핀은 제거된다. 이로써 반도체 특성의 크기를 갖는, 나노리본 형태의 그래핀 반도체 소자(203)가 기판(201)에 제조된다. Referring to FIGS. 20 and 21, in order to manufacture graphene having semiconductor characteristics, a laser beam is irradiated in an oxygen atmosphere so that the width (width) of the graphene pattern is about 10 nm. This removes the graphene irradiated with the laser beam. As a result, a
도 22 내지 25를 참조하면, 불순물인 붕소 또는 질소를 함유하는 도핑가스를 주입하면서, 나노리본 형태의 그래핀(203) 소자 양 끝 부분을 레이저 빔 처리하여, 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역을 형성시킨다. 도 22 및 23은 B2H6와 메탄 가스를 공급하여 나노리본 소자의 양 끝 영역(204)에 붕소를 도핑하는 과정을 나타내며, 도 24 및 25는 NH3 및 메탄을 공급하면서, 레이저 빔이 조사된 영역(205)에 질소를 도핑하는 과정을 나타낸다. Referring to FIGS. 22 to 25, while injecting a doping gas containing boron or nitrogen as an impurity, laser beam treatment is performed on both ends of the
도 26 및 27을 참조하면, N 또는 B가 도핑된 나노리본 소자영역 사이의 영역에 절연층(206, HfO2)이 적층됨으로써, 게이트 절연층이 형성되고, 상기 도핑된 소스, 드레인 영역과 게이트 절연층 위로 금속층(207)이 적층되고, 패터닝됨으로써 소스, 게이트, 드레인 전극을 포함하는 트랜지스터 소자가 제조된다. Referring to FIGS. 26 and 27, an insulating layer 206 (HfO 2 ) is stacked in a region between N or B doped nanoribbon device regions to form a gate insulating layer, and the doped source, drain region, and gate The
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand.
Claims (19)
상기 기판에 레이저 빔을 제 1 조사하여 그래핀을 형성하는 단계;
산소 분위기 하에서 레이저 빔을 제 2 조사하여 상기 그래핀을 패터닝하여, 그래핀 반도체 소자를 제조하는 단계;
불순물을 포함하는 가스 분위기 하에서 레이저 빔을 상기 반도체 소자의 양 끝 영역으로 제 3 조사함으로써, 상기 불순물이 도핑된 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계;
상기 소스 및 드레인 영역 사이의 반도체 소자 영역에 절연막을 적층하는 단계; 및
상기 소스 및 드레인 영역, 그리고 절연막상에 금속층을 적층한 후, 패터닝하여 소스, 드레인 및 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 트랜지스터 제조방법.Contacting a reaction gas including methane to a substrate including a silicon oxide layer or a catalyst metal layer as an upper layer;
Irradiating a laser beam on the substrate to form graphene;
Manufacturing a graphene semiconductor device by patterning the graphene by irradiating a second laser beam under an oxygen atmosphere;
Forming a source and a drain region doped with the impurity by thirdly irradiating a laser beam to both end regions of the semiconductor device under a gas atmosphere containing impurities;
Stacking an insulating film on the semiconductor device region between the source and drain regions; And
And depositing a metal layer on the source and drain regions and the insulating layer and patterning the source and drain regions to form a source, a drain, and a gate electrode.
상기 패터닝된 그래핀 반도체 소자는 나노리본 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 그래핀 트랜지스터 제조방법.16. The method of claim 15,
The patterned graphene semiconductor device is a graphene transistor manufacturing method characterized in that it has a nanoribbon form.
상기 나노리본의 폭은 10nm이하인 것을 특징으로 하는 그래핀 트랜지스터 제조방법.17. The method of claim 16,
Graphene transistor manufacturing method characterized in that the width of the nanoribbon is less than 10nm.
상기 반응가스는 메탄 및 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 트랜지스터 제조방법.16. The method of claim 15,
The reaction gas is a graphene transistor manufacturing method comprising a methane and hydrogen.
Graphene transistor prepared by the method according to any one of claims 15 to 18.
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 논문(2010.08.24) |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20120029664A (en) | 2012-03-27 |
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