专利名称：形成纳米级导电结构的方法及由此形成的半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种形成纳米级导电结构的方法及由此形成的半导体器件。更具体，本发明的实施例涉及一种使用催化剂形成纳米级结构的方法。
背景技术：
纳米级导电结构如碳纳米管、硅纳米线等等可以显示出优异的电、热和强度特性，由此可以适用于各种电子器件。为了实现这种纳米级导电结构，必须仅仅在希望的区域上有选择地形成纳米级导电结构。但是，这种选择性形成可能是复杂的，以及可能需要被执行的大量工序。由此，需要一种简化的方法形成纳米级导电结构。
发明内容
因此本发明涉及一种形成纳米级导电结构的方法及由此形成的半导体器件，该半导体器件基本上克服由于相关技术的限制和缺点的一个或多个问题。
因此本发明的实施例的特点是提供一种在衬底上的开口中有选择地形成催化剂的方法。
因此本发明的实施例的特点是提供一种在层中的开口中有选择地形成催化剂的方法，该方法包括改进该层的表面性能。
因此本发明的实施例的另一特点是提供一种半导体器件，包括在衬底上的开口中有选择地纳米级导电结构。
通过提供一种形成纳米级结构的方法，可以实现本发明的以上及其他特点和优点的至少一个，该方法包括提供一衬底，在其上具有第一层，第一层具有露出衬底区域的开口，以及将衬底与催化材料接触，其中衬底的露出区域具有吸引催化材料的第一性能，以及第一层具有排斥催化材料的第二性能。
该方法还可以包括，在将衬底与催化材料接触之前，处理第一层，以便使第一层具有第二性能。处理第一层可以包括在第一层上形成疏水性保护层。形成疏水性保护层可以包括将表面调节剂与第一层接触，以便表面调节剂的官能团键合到第一层。表面调节剂的官能团可以包括NH2、COOH、CONH2、SH、SiCl3、SiOC2H5或SiOCH3的一种或多种。该第一层可以是氧化层。
催化材料可以包括在其中具有催化剂颗粒的亲水性溶剂。该催化材料可以包括在其中具有催化前体的亲水性溶剂。该催化前体可以是有机金属前体。该方法还可以包括，在将衬底与催化材料接触之后，热处理衬底，以便将催化前体转变为催化剂。
该衬底的露出区域可以是亲水性的，该第一层可以是疏水性的，以及该催化材料可以是亲水性的。该催化材料可以包括在其中具有催化剂颗粒的亲水性溶剂。该亲水性溶剂可以是水。该亲水性溶剂可以是聚合物。该聚合物可以包括聚乙烯醇、吡咯烷酮-基聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物的一种或多种。
该衬底的露出区域可以是导电的，以及该第一层可以是绝缘层。该方法还可以包括，在将衬底与催化材料接触之后，由衬底的露出区域生长纳米级结构，其中该纳米级结构可以是导电结构。该纳米级结构可以是碳纳米管。该方法还可以包括，在将衬底与催化材料接触之后，由衬底的露出区域生长纳米级结构，其中该纳米级结构可以是碳纳米管。该方法还可以包括，在将衬底与催化材料接触之后，由衬底的露出区域生长纳米级结构，以及形成电连接到纳米级结构的互连。
对所属领域的普通技术人员来说通过参考附图详细描述其优选示例性实施例，将使本发明的上述及其他特点和优点变得更明显，其中图1至5图示了根据本发明的实施例形成碳纳米管的方法中的载物台的剖面图；以及图6A至7B图示了根据本发明的实施例形成的碳纳米管的SEM显微照片。
具体实施例方式
在此将2006年4月25日在韩国知识产权局申请的、名称为″Methodof Selectively Forming Catalyst for Nanoscale Conductive Structure andMethod of Forming the Nanoscale Conductive Structure″的韩国专利申请号2006-37315全部引入供参考。
现在参考附图更完全地描述本发明，在附图中图示了本发明的示例性实施例。但是，本发明可以以多种不同的形式体现，不应该认为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了本公开是彻底的和完全的，并将本发明的范围完全传递给所属领域的技术人员。
如在此使用的表达式“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是半开放的表达式，在工作中两者都是连着的和非连着的。例如，表达式“A、B和C的至少一个”、“A、B或C的至少一个”、“A、B和C的一个或多个”、“A、B或C的一个或多个”以及“A、B和/或C”包括以下含义A单独；B单独；C单独；A和B在一起；A和C在一起；B和C在一起；以及A、B和C三个都在一起。此外，这些表达式是开放式的，除非它们与术语“由...构成”结合，被相反指明。例如，表达式“A、B和C的至少一个”同时可以包括第四成分，而表达式“选自由A、B和C构成的组的至少一个”不包括第四成分。
如在此使用的表达式“或”不是“排斥或”，除非它与措词“任何一个”结合使用。例如，表达式“A、B或C”包括A单独；B单独；C单独；A和B在一起；A和C在一起；B和C在一起；A、B和C三个都在一起，而表达式“A、B或C的任何一个”意味着A单独、B单独和C单独，以及没有A和B在一起；A和C在一起；B和C在一起；以及A、B和C三个都在一起的任意一种情况。
可以图中，为了例示的清楚可以放大层和区域的尺寸。还应该理解当一个层或元件被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或可也以存在插入层。此外，应当理解当一个层称为在另一层“下面”时，它可以直接在“下面”，也可以存在一个或多个插入层。另外，还应当理解当一个层称为在两个层之间时，它可以是两个层之间唯一的层，或也可以存在一个或多个插入层。相同的标记始终指相同的元件。
本发明的示例性实施例涉及纳米技术，具体涉及形成诸如纳米管、纳米线等等的纳米级导电结构的方法。如在此描述，本发明的实施例可以用来形成纳米级导电结构。现在将使用碳纳米管作为示例性纳米级导电结构描述本发明的实施例。具体，在第一示例性实施例中，将描述使用催化剂，在衬底的预定区域上有选择地形成碳纳米管的方法。在第二示例性实施例中，将描述使用碳纳米管作为多级互连，形成电连接的上下互连的方法。但是，应当理解本发明的实施例不限于此。
在各种纳米技术当中，碳纳米管技术已经被广泛地研究。碳纳米管可以形成在诸如单壁结构、多壁结构、捆扎结构等的各种结构中。此外，碳纳米管可以显示出特定的量子效应，因为碳纳米管根据缠绕形状，可以具有导电或半导电性能，根据其直径可以具有不同的能量，以及准一维的结构。由于碳纳米管的独特结构和物理性能，它们可以被有利地应用于诸如平板显示器件(FPD)、场致发射显示器件(FED)、二次电池和超级电容器、氢存储材料、化学传感器、高强度/超亮合成物、静电放电(ESD)合成物、电磁屏蔽(EMS)材料等器件的元件。
图1至5图示了根据本发明的实施例形成碳纳米管的方法中的载物台的剖面图。参考图1，在衬底11上可以形成第一导电层13。该衬底11可以包括例如，基于任意半导体的结构、陶瓷衬底、氧化铝衬底、蓝宝石衬底、硅石衬底、玻璃衬底等。衬底11可以包括绝缘体上的硅(SOI)、蓝宝石上的硅(SOS)、硅-锗、掺杂或未掺杂的硅、通过外延生长技术形成的一个或多个外延层、其他半导体结构等。此外，衬底11可以包括在其上形成的一个或多个层例如，导电层、绝缘层等。
第一导电层13可以是例如，衬底11上形成的金属布线、涂敷衬底11的表面的薄膜等。第一导电层13可以包括例如，氮化钛(TiN)、金、银、钯、铜、铝、钨、钽、钛、钼、钴、镍、铂、锰、金属合金、诸如氮化钽(TaN)或氮化钨(WN)的金属氮化物、诸如铟-锡-氧化物(ITO)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)或氧化镁(MgO)的金属氧化物、金属硫化物、金属硼化物等的一种或多种。
在第一导电层13上可以形成绝缘层15。绝缘层15可以具有露出第一导电层13的预定区域18(下面，称为催化剂形成区18)的开口17。绝缘层15可以是例如，氧化层，以及可以包括例如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。
参考图2，绝缘层15的表面可以被改进，以便在催化剂形成区18上可以有选择地形成催化剂，该催化剂可以用来生长碳纳米管。绝缘层15的表面改进可以防止在改进表面上形成催化剂。在一个实施方式中，绝缘层15的表面改进可以包括使绝缘层15的表面疏水。例如，可以通过将表面调节剂与衬底11接触，形成覆盖绝缘层15的表面的疏水性保护层19。该疏水性保护层19可以通过例如，在其上形成绝缘层15的衬底11上旋-涂、喷射、或滴落表面调节剂来形成，通过将其上形成绝缘层15的衬底11浸渍到表面调节剂中等来形成。
该表面调节剂可以包括诸如-NH2、-COOH、-CONH2、-SH、-SiCl3、-SiOC2H5、-SiOCH3等的官能团。这种官能团的代表性例子，即，非限制例子，包括下列情况，这些官能团可以单独使用或结合使用。作为具有NH2的官能团的表面调节剂，有十八胺、十二烷胺等。作为具有COOH的官能团的表面调节剂，有十八烷酸、辛酸等。作为具有SH的官能团的表面调节剂，有十八烷基硫醇、十二烷基硫醇等。作为具有SiCl3的官能团的表面调节剂，有十八烷基三氯硅烷(OTS)等。作为具有SiOC2H5的官能团的表面调节剂，有甲氧基硅烷、聚硅氧烷等。作为具有SiOCH3的官能团的表面调节剂，有乙氧基硅烷、聚硅氧烷等。
作为特定的例子，其上形成绝缘层15的衬底11可以被浸入包括OTS的表面调节剂中，约一小时，在约70℃至约80℃的温度范围内，这可以制造仅仅在绝缘层15的表面上形成的OTS的自组装单层的疏水性保护层19。
现在将描述用于表面调节剂与氧化硅绝缘层15交互作用的提出机制。但是，应当理解本发明的实施例不局限于任意特定的机制。在表面调节剂与氧化硅绝缘层15接触的过程中，通过表面调节剂的官能团与绝缘层15的硅烷醇(Si-O-H)的氧键合，可以形成疏水性保护层19，例如，通过范德华键合或共价键合。例如，在OTS具有SiCl3的官能团的情况下，通过与绝缘层15中的硅烷醇羟基(OH)的氢(H)结合，可以以HCl的形式消除SiCl3基团的氯(Cl)，以及SiCl3基团的硅(Si)可以键合到羟基的氧(O)，以形成具有-Si-O-Si-键的疏水性保护层19。
表面调节剂可以使用纯的(净的)，可以溶入适当的溶剂等。用于表面调节剂的溶剂可以包括例如，甲苯、乙醇、四氢呋喃、石油醚、乙腈等。
在一种实施方式中，在形成疏水性保护层19之后，可以使用例如甲苯、乙醇、四氢呋喃、石油醚、乙腈等等清洗衬底11，以便除去可能残留在催化剂形成区18上的任意未反应的表面调节剂。
参考图3，在催化剂形成区18上可以有选择地形成催化剂纳米颗粒21。绝缘层15的表面通过疏水性保护层19制成疏水性，催化剂纳米颗粒21可以被分散在亲水性溶液中，以免在疏水性保护层19上浸湿。在另一实施方式(未示出)中，绝缘层的表面通过亲水性保护层制成亲水性，催化剂纳米颗粒可以被分散在疏水性溶液中，以免在亲水性保护层上被浸湿。在绝缘层15的表面上不可以形成催化剂纳米颗粒21，而是通过自组装，可以在开口17的底部的催化剂形成区18上有选择地形成，即，由于包含用于催化剂形成区18的催化剂纳米颗粒21的溶液的亲合力。
催化剂纳米颗粒21可以包括适合于促进碳纳米管生长的一种或多种材料。例如，金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒可以被分散在诸如水或聚合物的溶剂中作为亲水性溶液。该聚合物可以包括，例如，聚乙烯醇、吡咯烷酮-基聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物等。其中纳米颗粒被分散的亲水性溶液可以通过预定技术与衬底11接触，由此形成催化剂纳米颗粒21。在具有疏水性保护层19的衬底11上，使用例如，旋-涂、喷射、滴落具有在其中分散的纳米颗粒的亲水性溶液、将衬底11浸渍到其中分散了纳米颗粒的亲水性溶液中等，执行其中分散了纳米颗粒的亲水性溶液与衬底11的接触。
用于催化剂纳米颗粒21的金属纳米颗粒可以包括例如，铁、钴、镍、铬、钒、铂、钯等。金属氧化物纳米颗粒可以包括例如，这些金属的氧化物。这种催化剂纳米颗粒可以通过公知技术来形成，以及将不重复其细节。
参考图4，可以使用公知的技术，由催化剂纳米颗粒21生长碳纳米管23。例如，碳纳米管23可以使用化学气相淀积(CVD)工艺和使用诸如碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳等的碳源，由催化剂纳米颗粒21生长。用作碳源的碳氢化合物可以是例如，甲烷、乙烷、乙炔等。此外，氢气和/或惰性气体可以与碳源一起使用。
参考图5，第二导电层25可以形成为它被电连接到碳纳米管23。第二导电层25可以包括例如，钯、铝、钛、钽、氮化钛、其组合物等。在一种实施方式中，第二导电层25可以由与用于形成第一导电层13的相同导电材料形成。在上面结合图1至5描述的方法中，代替使用其中分散了成型的催化剂纳米颗粒21的亲水性溶液，可以使用其中分散了诸如有机金属前体的纳米颗粒前体的亲水性溶液。例如，在其中分散了催化剂纳米颗粒前体的亲水性溶液与具有疏水性保护层19的衬底11接触之后，可以执行热处理工序，以将催化剂纳米颗粒前体转变为催化剂纳米颗粒21。该热处理可以包括例如，在约400℃至约600℃下，加热约三分钟至约一小时。催化剂纳米颗粒前体可以包括，例如，五羰基铁、醋酸铁、乙酰丙酮铁、氯化铁等。至于用于催化剂纳米颗粒前体的溶剂，可以使用水、聚合物等等。该聚合物可以包括例如，聚乙烯醇、吡咯烷酮-基聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物等。
图6A至7B图示了根据本发明的实施例形成的碳纳米管的SEM显微照片。参考图6A和6B，可以看到，在由开口限定的衬底的预定区中有选择地形成碳纳米管。
在一种实施方式中，根据本发明的实施例有选择地形成纳米级导电结构的方法可以被应用于诸如陶瓷、氧化铝、蓝宝石、硅石、石英等等的绝缘衬底，或应用于诸如硅、硅-锗、锗等的半导体衬底。根据本发明的实施例有选择地形成纳米级导电结构的方法可以被用来形成例如场致发射显示器件的碳纳米管。例如，在绝缘层中可以形成开口阵列，以及在开口中可以有选择地形成碳纳米管，以提供碳纳米管阵列，其中该阵列的每个元件可以提供用于平板显示器件的单元像素的场致发射。
如上所述，本发明的实施例可以提供简单方法，由此可以在衬底的预定区上有选择地形成纳米级导电结构。此外，由于可以由在绝缘层的开口中有选择地形成的催化剂纳米颗粒生长碳纳米管，因此可以精确地控制碳纳米管的生长。此外，可以精确地控制碳纳米管的尺寸和形状，以及形成具有所希望性能的碳纳米管。
在此已经公开了本发明的示例性实施例，尽管使用了具体的术语，但是它们被一般性使用和解释以及仅仅描述而不是为了限制。由此，所属领域的普通技术人员应当明白，在不脱离下列权利要求所阐述的本发明的精神和范围的条件下，可以在形式上和细节上进行各种改变。
权利要求
1.一种形成纳米级结构的方法，包括提供一衬底，在其上具有第一层，该第一层具有露出衬底区域的开口；以及将衬底与催化材料接触，其中衬底的露出区域具有吸引催化材料的第一性能，以及该第一层具有排斥催化材料的第二性能。
2.如权利要求1所述的方法，还包括，在将衬底与催化材料接触之前，处理第一层，以便使第一层具有第二性能。
3.如权利要求2所述的方法，其中处理第一层包括在第一层上形成疏水性保护层。
4.如权利要求3所述的方法，其中形成疏水性保护层包括将表面调节剂与第一层接触，以便该表面调节剂的官能团键合到第一层。
5.如权利要求4所述的方法，其中该表面调节剂的官能团包括NH2、COOH、CONH2、SH、SiCl3、SiOC2H5、SiOCH3的一种或多种。
6.如权利要求4所述的方法，其中该第一层包括氧化层。
7.如权利要求3所述的方法，其中该催化材料包括在其中具有催化剂颗粒的亲水性溶剂。
8.如权利要求3所述的方法，其中该催化材料包括在其中具有催化前体的亲水性溶剂。
9.如权利要求8所述的方法，其中该催化前体包括有机金属前体。
10.如权利要求1所述的方法，其中该衬底的露出区域是亲水性的，该第一层是疏水性的，以及该催化材料是亲水性的。
11.如权利要求10所述的方法，其中该催化材料包括在其中具有催化剂颗粒的亲水性溶剂。
12.如权利要求11所述的方法，其中该亲水性溶剂包括水。
13.如权利要求11所述的方法，其中该亲水性溶剂包括聚合物。
14.如权利要求13所述的方法，其中该聚合物包括聚乙烯醇、吡咯烷酮-基聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚物的一种或多种。
15.如权利要求1所述的方法，其中该衬底的露出区域是导电的，以及该第一层是绝缘层。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在衬底与催化材料接触之后，从衬底的露出区域生长纳米级结构，其中该纳米级结构是导电结构。
17.如权利要求16所述的方法，其中该纳米级结构包括碳纳米管。
18.如权利要求1所述的方法，还包括，在衬底与催化材料接触之后，从衬底的露出区域生长纳米级结构；以及形成电连接到纳米级结构的互连。
19.一种半导体器件，包括衬底；具有开口的绝缘层，该开口露出部分衬底；绝缘层的侧壁和顶表面上的疏水层；以及在衬底的露出部分上的纳米级导电结构。
20.如权利要求19所述的半导体器件，其中该衬底的露出部分包括硅、锗、硅-锗、氮化钛(TiN)、金、银、钯、铜、铝、钨、钽、钛、钼、钴、镍、铂、锰、金属合金、金属氮化物、金属氧化物、金属硫化物或金属硼化物。
21.如权利要求20所述的半导体器件，其中该纳米级导电结构包括衬底的露出部分上的催化剂和在催化剂上生长的碳纳米管。
22.如权利要求21所述的半导体器件，其中该催化剂包括金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒。
23.如权利要求19所述的半导体器件，其中通过将表面调节剂与绝缘层接触，以便表面调节剂的官能团键合到绝缘层，从而形成疏水层。
24.如权利要求23所述的半导体器件，其中表面调节剂的官能团包括NH2、COOH、CONH2、SH、SiCl3、SiOC2H5、SiOCH3的一种或多种。
25.如权利要求19所述的半导体器件，其中该纳米级导电结构包括衬底的露出部分上的催化剂和在催化剂上生长的碳纳米管。
26.如权利要求25所述的半导体器件，其中该催化剂包括。
全文摘要
一种形成纳米级结构的方法，包括提供一衬底，在其上具有第一层，该第一层具有露出衬底区域的开口，以及将衬底与催化材料接触，其中该衬底的露出区域具有吸引催化材料的第一性能，以及该第一层具有排斥催化材料的第二性能。
文档编号H01L21/28GK101064241SQ20071010190
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者苏布拉马尼安·马亚·科拉克, 李善雨, 吕寅硕 申请人:三星电子株式会社