KR101402989B1 - 기판과의 결합력이 향상된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자 - Google Patents
기판과의 결합력이 향상된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 기판과의 결합력이 향상된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자에 관한 것이다. 본 발명은 기판 위에 산화막을 형성하는 단계, 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 포토레지스트 패턴을 포함하는 시료 전체 표면에 금속막을 형성하는 단계, 포토레지스트를 제거하는 lift-off단계, 포토레지스트를 제거한 기판에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계, 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리하는 단계, 및 금속막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 기판과 탄소나노튜브 간의 접착력이 향상되기 때문에 전계효과트랜지스터 소자의 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다. 전계효과트랜지스터 소자를 액체 센서 등에 응용하는 경우 센서의 수명이 연장시킬 수 있고, 센서를 이용하여 측정한 결과에 대한 신뢰도가 향상될 수 있다.
Description
본 발명은 기판과의 결합력이 향상된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터(field effect transistor) 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 과정을 도입함으로써 기판과의 결합력이 향상된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자에 관한 것이다.
탄소 6개가 육각형 모양으로 서로 연결되어 관 형상을 이루고 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 전류밀도가 구리선의 1000 배이고 운반자 이동도(carrier mobility)가 실리콘의 10 배이기때문에 고감도/고속 전자 소자의 재료로 많이 이용되고 있다. 구체적으로는 전계방출 소자, 평면표시소자, 전기화학 및 에너지 저장 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.
특히, 탄소나노튜브를 센서로 사용하는 경우 상온에서 감도가 매우 뛰어난 장점이 있다. 하지만 탄소나노튜브가 균일하게 흡착되기 어렵고 이력(hysteresis)이 발생한다는 단점이 있다. 탄소나노튜브 전계효과트랜지스터 (field effect transistor) 센서의 이력을 없애기 위해서는 탄소나노튜브와 기판사이의 물분자를 제거할필요가 있다. 물분자가 존재하면 이력이 생기고 탄소나노튜브와 기판과의 결합력이 약해지는데, 이는 센서의 수명을 저하시킬 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 열처리 공정을 도입하였다. 도 1에는 열처리 공정을 도입한 탄소나노튜브 센서 제조공정을 개략적으로 나타내었다. 도 2에는 도 1의 공정에 따라 제조된 센서의 전압-전류 특성을 나타내었다.
도 1을 참조하면, 탄소나노튜브(CNT) 용액에 포토레지스트(PR)가 패턴된 시료를 침지(dipping)하면 SiO2 표면과 포토레지스트(PR) 표면에 CNT가 모두 흡착된다. 포토레지스트(PR) 표면이 SiO2 표면보다 친수성이 약하기 때문에 탄소나노튜브가(CNT)가 덜 흡착된다. 탄소나노튜브(CNT)가 시료 전면에 흡착된 시료를 아세톤 용액에 담그어 포토레지스트(PR) 패턴을 녹여내면 포토레지스트(PR) 표면에 흡착된 탄소나노튜브(CNT)도 함께 제거된다. 반면에 SiO2 표면에 흡착된 탄소나노튜브(CNT)는 반데르발스 힘에 의해 표면에 남아있다. 이후 포토레지스트(PR)가 제거된 시료를 메탄올, 이소프로판올, DI 증류수의 순으로 세척 공정을 거친 후 고순도 질소로 표면의 수분을 제거하는데, 이 과정에서 표면에 약하게 흡착된 탄소나노튜브(CNT) 및 일부만 흡착된 탄소나노튜브는 떨어져 나가게 된다. 따라서 상기 세척 공정을 거친후에열처리를 하여 기판과 탄소나노튜브(CNT) 사이의 결합력을 향상시키고자 하는 것은 바람직하지 않다.
이 문제를 해결하기 위해서는 SiO2와 포토레지스트(PR) 표면에 탄소나노튜브(CNT)가 흡착된직후 바로 열처리를 할 필요가 있다. 그러나 포토레지스트(PR)는 120℃ 이상에서 열처리를 하는 경우 고분자사이의 cross-linking이 발생하여 추후 아세톤으로는 제거되지 않는다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 새로운 공정개발이 필요하다.
도 2(a)를 참조하면, Annealing 되지 않은 샘플의 경우,게이트 전압(VG)에 따른 소오스-드레인 전류(ISD)의 변화를 보면 (1) 검지전에 p-type의 전류-전압 특성을 보여준다. (2) 1차 검지 후 증류수로 세정을 하고 측정한 결과는 검지 전보다 더 많은 전류가 흐른다. 이 결과는 세정하는 과정에서 다른 전계효과트랜지스터 채널에서 떨어져 나온 탄소나노튜브 덩어리(bundle)가 공교롭게도 시험 중인 전계효과트랜지스터 채널에 붙어서 생긴 결과로 이해된다. (3) 2차 검지 후 DI 증류수로 세정을 하고 측정한 결과는 전류가 흐르지 않는다. 이 결과는 DI 증류수로 세정하는 과정에서 전계효과트랜지스터 채널에 흡착되었던 탄소나노튜브가 떨어져 나간 것으로 해석된다. 결론적으로 액체센서를 세정해서 반복적으로 사용하기 위해서는 탄소나노튜브와 기판의 결합력을 향상시키는 기술이 필요하다.
도 2(b)를 참조하면, Annealing된 샘플의 경우, 게이트 전압(VG)에 따른 소오스-드레인 전류(ISD)의 변화를 보면 p-type 반도체 특성을 보여준다. (1)검지 전과 (2) 1차 검지 후 증류수로 세정한 결과와 (3) 2차검지후 증류수로 세정한 결과는 모두 P-type 전류-전압특성을 보여준다. 그러나 세정 횟수가 증가함에 따라 전류의 크기가 줄어드는 것을 알 수 있다. 결론적으로 액체센서를 세정해서 반복적으로 사용하기 위해서는 탄소나노튜브와 기판의 결합력을 향상시키는 기술이 필요하다.
본 발명은 기판과의 결합력이 우수한 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반전계효과트랜지스터 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태는 기판 위에 산화막을 형성하는 단계, 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계,포토레지스트 패턴을 포함하는 시료 전체 표면에 금속막을 형성하는 단계, 포토레지스트를 제거하는 lift-off 단계, 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계, 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리하는 단계, 및 금속막을 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법일 수 있다.
기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하고, 산화막은 SiO2를 포함할 수 있다.
포토레지스트 패터닝은 포토리소그래피 공정에 의하여 수행될 수 있다.
금속막은 티타늄을 포함할 수 있다.
금속막은 열증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착(atomic layer deposition)의 방법에 의하여 형성될 수 있다.
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브를 흡착하는 단계는, 탄소나노튜브가 분산된 용액에 포토레지스트가 제거된 기판을 침지하여 수행될 수 있다.
분산용액은 dichlorobenzene (DCB), ortho-dichlorobenzene (o-DCB), N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), hexamethylphosphoramide (HMPA), monochlorobenzene(MCB), N,N-dimethylformamide (DMF), dichloroethane DCE), isopropyl alcohol(IPA), ethanol, chloroform, toluen으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.
열처리는 상기 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 수행될 수 있다.
금속막을 제거하는 단계는, 에칭 공정에 의하여 금속막을 제거하는 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 기판 상에 산화막을 형성하는 단계, 산화막 상에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계, 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리하는 단계, 열처리된 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 포토레지스트 패턴을 가지는 기판 상에 산소 플라즈마 처리를 하는 단계, 및 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법일 수 있다.
기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하고, 산화막은 SiO2를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브 흡착 단계는 탄소나노튜브가 분산된 용액을 산화막 상에 흡착 또는 도포하여 수행될 수 있다.
탄소나노튜브가 분산된 용액의 도포는 스핀 코팅에 의하여 수행될 수 있다.
분산용액은 dichlorobenzene(DCB), ortho-dichlorobenzene(o-DCB), N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), hexamethylphosphoramide (HMPA), monochlorobenzene (MCB), N,N-dimethylformamide (DMF), dichloroethane(DCE), isopropyl alcohol(IPA), ethanol, chloroform, toluene, 으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.
열처리는 상기 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 수행될 수 있다.
포토레지스트 패터닝은 포토리소그래피 공정에 의하여 수행될 수 있다.
산소 플라즈마 처리는 산소 분압 300 mTorr, 100 와트에서 50초 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 앞의 실시형태에 따라 제조된 탄소나노튜브 기반전계효과트랜지스터 소자일 수 있다.
본 발명에 의하면, 기판과 탄소나노튜브 간의 접착력이 향상되기 때문에 전계효과트랜지스터 소자의 안정성 및 신뢰성이 향상될 수 있다. 전계효과트랜지스터 소자를 액체 센서 등에 응용하는 경우 센서의 수명을 연장시킬 수 있고, 센서를 이용하여 측정한 결과에 대한 신뢰도가 향상될 수 있다.
또한, 포토리소그래피 공정은 반도체 공정과 호환성이 있기 때문에 비용이 절감되고 대량생산이 가능하다. 용액 공정을 채용하였기 때문에 특별한 고가의 장비가 필요하지 않고 대면적의 공정을 진행할 수 있기 때문에 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 열처리 공정을 도입한 탄소나노튜브 기반 센서의 제조공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 도 1의 공정에 따라 열처리하여 제조된 센서(b)와 열처리 공정이 생략되어 열처리를 하지 않은 센서(a)의 세정 후의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 공정의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 공정의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 공정에 따라 열처리하여 제조된 센서(b)와 열처리 공정이 생략되어 열처리를 하지 않은 센서(a)의 세정 후의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 공정의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 공정의 흐름을 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 공정의 흐름을 나타내는 개략도이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 공정의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태는 기판 위에 산화막을 형성하는 단계, 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계,포토레지스트 패턴을 포함하는 시료 전체 표면에 금속막을 형성하는 단계, 포토레지스트를 제거하는 lift-off 단계, 포토레지스트가 제거된 SiO2영역에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계, 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리하는 단계, 및 금속막을 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법일 수 있다.
먼저, 기판 위에 산화막을 형성할 수 있다.기판은 Si, GaAs, InP, InGaAs 등의 III-V 화합물반도체, 유리, 산화막 박막, 유전체 박막, 금속 박막을 포함할 수 있다. 특히 기판으로는 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으며, 실리콘 웨이퍼의 표면에는 SiO2 산화막이 형성될 수 있다. 산화막은 열 산화법, 증착법, 스핀코팅법 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 열 산화법의 경우 열 확산로를 이용하여 1000℃ 이상의 온도로 가열하여 열 산화막을 형성시킬 수 있다. 증착법의 경우 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 또는 LPCVD(Low-pressure chemical vapor deposition)를 이용하여 SiO2 박막을 형성시킬 수 있다. 스핀코팅법의 경우 SOG(Silica-On-Glass)를 이용하여 실리콘 웨이퍼 상에 SiO2 박막을 형성할 수 있다. 산화막의 두께는 120~300㎚ 일 수 있다.
다음으로, 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 포토레지스트 패턴은 추후 탄소나노튜브를 흡착시키고자 하는 영역에 형성할 수 있다. 포토레지스트 패터닝은 포토리소그래피 공정에 의하여 수행될 수 있다. 즉 산화막 전체면에포토레지스트를 도포하고 노광(exposure) 및 현상(development) 공정을 거쳐 추후 탄소나노튜브를 흡착시키고자 하는 영역에만 포토레지스트를 남기고 나머지 영역의 포토레지스트는 아세톤이나 포토레지스트 제거 용액(PR remover)를 사용하여 제거할 수 있다.
다음으로, 포토레지스트 패턴과 산화막 영역을 포함하는 시료 전면에 금속막을 형성할 수 있다. 금속막은 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스템(W), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 인듐(In) 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 시료 상에 금속막을 형성시키는 방법에는 열증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 원자층증착(atomic layer deposition)방법 등이 있다. 본 공정을 거치면 산화막은 포토레지스트 패턴과 금속막으로 덮혀 있는 상태가 될 수 있다.
다음으로, lift-off 공정에 의하여 포토레지스트를 제거할 수 있으며, 구체적으로는 아세톤이나 포토레지스트 제거 용액(PR remover)를 사용하여 포토레지스트를 제거할 수 있다. 포토레지스트가 제거된 영역에서는 산화막(SiO2)이 외부로 노출될 수 있다.
다음으로, 탄소나노튜브를 흡착시킬 수 있다. 탄소나노튜브 흡착은 탄소나노튜브가 분산된 용액에 포토레지스트가 제거된 기판을 침지하여 수행될 수 있다. 분산용액은 dichlorobenzene(DCB), ortho-dichlorobenzene(o-DCB), N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), hexamethylphosphoramide(HMPA),monochlorobenzene(MCB), N,N-dimethylformamide(DMF), dichloroethane(DCE), isopropyl alcohol(IPA), ethanol, chloroform, toluene 으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브는 육각형 벌집 구조의 흑연판이 빨대 모양으로 말린 것인데, 단일벽, 이중벽, 또는 다중벽을 가질 수 있다. 탄소나노튜브는 말리는 방향에 따라 전기적으로 도체 또는 반도체 특성을 가질 수 있다. 탄소나노튜브 중 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube)를 사용하는 것이 바람직하다. 단일벽 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브보다 감도 및 반응속도 등의 측면에서 우수한 성능을 발휘하기 때문이다. 본 실시형태에서는 탄소나노튜브에 대하여만 기술하고 있지만, 그 이외에도 그래핀, 그래파이트 등의 탄소나노구조체도 사용할 수 있다. 탄소나노구조체는 폴리다이메틸실록세인을 이용하여 폴리머 기판 상에 다차원의 탄소구조체, 즉 1차원의 다중벽 탄소나노튜브, 2차원의 단일막 그래핀, 2.5 차원의 그래핀 나노플레이트, 3차원의 그래파이트 구조체의 형태로 제조할 수 있다.
탄소나노튜브를 흡착시키는 방법은 침지법(dipping method)에 의하여 수행할 수 있다. 즉, 탄소나노튜브가 분산된 용액에 열처리된 기판을 침지하여 수행할 수 있으며, 이 경우 자기조립(self-assembly) 방식에 의하여 탄소나노튜브가 기판 표면에 흡착될 수 있다.
탄소나노튜브가 분산된 용액 중 탄소나노튜브의 농도는 0.01~0.50 ㎎/㎖ 일 수 있다. 농도가 0.01 ㎎/㎖ 보다 낮은 경우에는 흡착되는 탄소나노튜브의 양이 너무 적어 센서로서의 기능을 제대로 발휘할 수 없고, 농도가 0.50 ㎎/㎖ 보다 높은 경우에는 탄소나노튜브를 분산시키는데 시간이 오래 걸리며 센서의 감도가 저하되고 탄소나노튜브가 필요 이상으로 소모하게 되어 제조원가 상승의 요인이 될 수 있다.
1회 침지시 5~10초 동안 분산 용액에 담글 수 있으며, 이를 5~15 회 반복할 수 있다. 침지 시간이 짧거나 침지 회수가 적은 경우에는 흡착되는 탄소나노튜브의 양이 너무 적어 센서로서의 기능을 제대로 발휘할 수 없고, 침지 시간이 길거나 침지 회수가 많은 경우에는 공정시간이 길어져 생산성이 저하될 수 있다. 침지 시간과 침지 회수를 적절히 조절하여 최적의 조건을 확보할 수 있다.
본 공정에 의하여 산화막 및 금속막 상에 탄소나노튜브가 흡착된다. 다만, 산화막 및 금속막의 경우 표면 성질이 다르기 때문에 탄소나노튜브가 흡착된 양이 상이할 수 있다.
다음으로, 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리할 수 있다. 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리함으로써 기판과 탄소나노튜브 간의 접착력을 향상시킬 수 있다. 탄소나노튜브가 흡착된 기판이 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 열처리 되면 기판과 탄소나노튜브 사이에 있던 미량의 용매가 제거되면서 탄소나노튜브와 기판의 결합력이 향상되고 열처리 후 탄소나노튜브의 결정화로 인해 기판과의 접착력이 증가한다.
열처리는 탄소나노튜브가 분산된 용액에 사용된 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 수행될 수 있다. 끓는점보다 낮은 경우에는 탄소나노튜브와 기판 간의 접착력 향상이 미미할 수 있다. 참고로 탄소나노튜브 분산 용매로 사용하는 디클로로벤젠의 끓는점은 179℃ 이다. 열처리는 대기 분위기 하에서 수행할 수 있다.
본 실시형태는 포토레지스트 대신 금속막을 형성한 후 탄소나노튜브가 흡착된 상태에서 고온 열처리를 수행할 수 있다는 점을 특징으로 한다. 종래 포토레지스트가 존재하는 상태에서 열처리를 행하는 경우에는 추후 아세톤 등을 사용하더라도 포토레지스트를 제거할 수 없다는 문제가 있다. 하지만 본 발명의 경우 포토레지스트가 존재하지 않는 상태에서 열처리를 할 수 있기 때문에 종래 기술이 가지는 문제는 전혀 발생하지 않으면서도 탄소나노튜브와 기판 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속막을 제거한 후 열처리하는 경우와 비교할 때 금속막이 있는 상태에서 열처리를 하면 더 많은 양의 탄소나노튜브가 흡착된 상태로 남을 수 있다.금속막을 제거하는 공정 중에 탄소나노튜브가 이탈할 수 밖에 없는데, 이러한 공정을 거치기 전에 열처리를 통하여 기판과의 접착력을 향상시킴으로써 상대적으로 더 많은 양의 탄소나노튜브가 흡착될 수 있도록 하는 것이다.
다음으로, 에칭 공정에 의하여 금속막을 제거할 수 있다.에칭액의 조성, 에칭 온도, 에칭 시간 등에 관한 조건은 금속막을 구성하는 성분에 따라 다를 수 있다. 티타늄을 사용하는 경우에는 에칭액의 조성은 HF:H2O(1:9)이거나 HNO3:HF:H2O(2:1:7)이고, 에칭 온도는 상온이고, 에칭 시간은 금속막의 두께에 따라 다르다.
본 공정을 거치기 전에는 금속막 및 산화막(SiO2) 상에 탄소나노튜브가 흡착되어 있었으나, 본 공정을 거친 후에는 금속막에 흡착된 탄소나노튜브는 금속막이식각됨과 동시에 제거되어, 결국 산화막 상에는 탄소나노튜브 패턴만이 존재할 수 있다.
추가적으로, 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하여 전계효과트랜지스터 소자를 제조할 수 있다. 소스 전극과 드레인 전극, 그리고 게이트 전극을 형성하는 공정은 일반적으로 알려진 기술을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 기판 상에 산화막을 형성하는 단계, 산화막 상에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계, 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리하는 단계, 열처리된 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 포토레지스트 패턴을 가지는 기판 상에 산소 플라즈마 처리를 하는 단계, 및 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법일 수 있다.
먼저, 기판 상에 산화막을 형성할 수 있다. 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하고, 산화막은 SiO2를 포함할 수 있다.
다음으로, 산화막 상에 탄소나노튜브를 흡착이나 도포시킬 수 있다. 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 탄소나노튜브 흡착 단계는 탄소나노튜브가 분산된 용액에 산화막을 포함하고 있는 기판을 침지(dipping)하여 수행될 수 있다. 그리고 탄소나노튜브 도포 단계는 탄소나노튜브가 분산된 용액을 산화막 상에 도포하여 수행될 수 있다. 탄소나노튜브가 분산된 용액의 도포는 스핀 코팅에 의하여 수행될 수 있다. 분산용액은 dichlorobenzene(DCB), ortho-dichlorobenzene(o-DCB), N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), monochlorobenzene(MCB), hexamethylphosphoramide(HMPA), N,N-dimethylformamide(DMF), dichloroethane(DCE), isopropyl alcohol(IPA), ethanol, chloroform, toluene으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다. 본 공정을 거치면 산화막 전체면에 탄소나노튜브가 흡착된 상태가 될 수 있다.
다음으로, 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리할 수 있다. 열처리는 탄소나노튜브의 분산 용액에 사용되는 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 수행될 수 있다. 본 실시형태는 포토레지스트 패턴을 형성하기 전에 열처리를 수행하는 것을 특징으로 한다. 앞의 실시형태와 마찬가지로 포토레지스트가 존재하지 않는 상태에서 열처리를 하여 기판과 탄소나노튜브 간의 접착력을 향상시킨 후에 다른 공정을 진행한다는 점에 특징이 있다. 따라서 탄소나노튜브와 기판 간의 접착력이 향상되지 않은 상태에서 포토레지스트 패턴을 형성하고 산소 플라즈마를 처리하는 경우와 비교하면, 기판에 흡착되어 있는 탄소나노튜브의 양이 더 많을 수 있다. 본 공정을 거치면 산화막 전체면에 흡착된 탄소나노튜브와 산화막(기판) 간의 접착력이 향상될 수 있다.
다음으로, 열처리된 기판 상에 포토리소그래피 공정에 의하여 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 탄소나노튜브가 흡착되어 있는 기판 전체면에 포토레지스트를 도포하고, 노광(exposure) 및 현상(development) 공정에 의하여 추후 탄소나노튜브 채널로 사용하고자 하는 영역만을 남기고 나머지는 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 본 공정을 거치면 산화막(기판) 상에 탄소나노튜브가 흡착되어 있고, 그 일부에 포토레지스트 패턴이 형성된 상태가 될 수 있다.
다음으로, 포토레지스트 패턴을 가지는 기판 상에 산소 플라즈마 처리를 하여 할 수 있다. 산소 플라즈마 표면처리는 산소 분압300 mTorr, 100 와트에서 50초 동안 행할 수 있다. 산소 플라즈마 처리에 의하여 포토레지스트 이외의 영역에 존재하는 탄소나노튜브는 제거될 수 있다. 본 공정을 거치면 산화막(기판) 상의 포토레지스트 패턴이 존재하는 영역에, 산화막과 포토레지스트 층 사이에 흡착된 탄소나노튜브가 존재하는 상태가 될 수 있다.
다음으로, 식각공정에 의하여 포토레지스트를 제거할 수 있다. 아세톤 등을 사용하여 포토레지스트 층을 제거하면, 포토레지스트 층 아래에 존재하는 탄소나노튜브가 노출될 수 있으며, 이것이 탄소나노튜브 채널로 이용될 수 있다.
추가적으로, 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하여 전계효과트랜지스터 소자를 제조할 수 있다. 소스 전극, 드레인 전극 등을 형성하는 공정은 일반적으로 알려진 기술을 사용할 수 있다. 이렇게 제조된 전계효과트랜지스터 소자는 센서, 특히 액상용 센서로 활용할 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
Claims (21)
- 기판 위에 산화막을 형성하는 단계;
상기 산화막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴을 포함하는 시료 전체 표면에 금속막을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트를 제거하는 lift-off 단계;
상기 포토레지스트를 제거한 기판에 탄소나노튜브를 흡착시키는 단계;
상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리하는 단계; 및
상기 금속막을 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하고, 상기 산화막은 SiO2 를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 포토레지스트 패터닝은 포토리소그래피 공정에 의하여 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속막은 티타늄을 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속막은 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착(E-beam evaporation), 열 증착(thermal evaporation), 또는 원자층증착(atomic layer deposition) 방법에 의하여 형성되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브를 흡착하는 단계는, 탄소나노튜브가 분산된 용액에 상기 포토레지스트가 제거된 기판을 침지하여 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 용액은 dichlorobenzene(DCB), ortho-dichlorobenzene(o-DCB), N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), hexamethylphosphoramide (HMPA), monochlorobenzene (MCB), N,N-dimethylformamide (DMF), dichloroethane (DCE), isopropyl alcohol(IPA), ethanol, chloroform, toluene으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 열처리는 상기 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속막을 제거하는 단계는, 에칭 공정에 의하여 금속막을 제거하는 방식으로 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 기판 상에 산화막을 형성하는 단계;
상기 산화막 상에 탄소나노튜브를 흡착 또는 도포시키는 단계;
상기 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 열처리하는 단계;
상기 열처리된 기판 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴을 가지는 기판 상에 산소 플라즈마 처리를 하는 단계; 및
상기 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 웨이퍼를 포함하고, 상기 산화막은 SiO2를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 흡착 단계는 탄소나노튜브가 분산된 용액에 산화막을 포함하고 있는 기판이 침지(dipping)되어 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 도포 단계는 탄소나노튜브가 분산된 용액을 산화막 상에 도포하여 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과 트랜지스터 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서
상기 탄소나노튜브가 분산된 용액의 도포는 스핀 코팅에 의하여 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제14항 또는 제15항에 있어서
상기 용액은 dichlorobenzene(DCB), ortho-dichlorobenzene(o-DCB), N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), hexamethylphosphoramide(HMPA), monochlorobenzene(MCB), N,N-dimethylformamide(DMF), dichloroethane(DCE), isopropyl alcohol(IPA), ethanol, chloroform, toluene으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제17항에 있어서
상기 열처리는 상기 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 포토레지스트 패터닝은 포토리소그래피 공정에 의하여 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 산소 플라즈마 처리는 산소 분압 300 mTorr, 100 와트에서 50초 동안 수행되는 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법. - 제1항 또는 제11항에 따라 제조된 탄소나토튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020130067285A KR101402989B1 (ko) | 2013-06-12 | 2013-06-12 | 기판과의 결합력이 향상된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자 |
| US14/048,197 US8999820B2 (en) | 2013-06-12 | 2013-10-08 | Fabricating method of carbon nanotube-based field effect transistor and carbon nanotube-based field effect transistor fabricated thereby |
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|---|---|---|---|
| KR1020130067285A KR101402989B1 (ko) | 2013-06-12 | 2013-06-12 | 기판과의 결합력이 향상된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 탄소나노튜브 기반 전계효과트랜지스터 소자 |
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