JP2004103802A

JP2004103802A - 電界効果型トランジスタおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2004103802A
Application number: JP2002263143A
Authority: JP
Inventors: Ryuta Iijima; 飯島　竜太
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】高密度に集積化が可能であり、かつ、特性のばらつきの少ない電荷効果型トランジスタおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】電界効果型トランジスタ１０１は、第１の電極７が設けられた基板２と、基板上に設けられた絶縁層６と、絶縁層６の表面から基板２側へ延び、少なくとも一部が第１の電極７に達するように設けられたナノホール８と、第１の電極７と電気的に接続するよう、ナノホール８内に設けられており、半導体特性を有するカーボンナノチューブ１４と、ナノホール内に設けられたゲート電極９と、ナノホール内においてカーボンナノチューブ１４とゲート電極９とに挟まれたゲート絶縁層１２とを備える。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブ（「ＣＮＴ」と略す場合がある）は、六角の網目状に配列された炭素原子４１からなるグラファイトシートを円筒状に丸めた構造を備えている。一層のグラファイトシートからなる単層カーボンナノチューブおよび複数のグラファイトシートからなる多層カーボンナノチューが知られている。単層カーボンナノチューブは一般に１〜２ｎｍの直径を備え、多層カーボンナノチューブは数ｎｍから数十ｎｍの直径を備える。種々の長さのカーボンナノチューブが合成されており、数μｍの長さを有するものも作製されている。
【０００３】
カーボンナノチューブの電気的特性は、直径や六角網目状構造の螺旋の巻き方（カイラリティ）によって変化する。これまでに、金属と等しい電気的特性を有するものや、さまざまな大きさのバンドギャップを持ち、半導体特性を備えたものが合成されている。また、熱伝導性に優れるため、電子デバイスにカーボンナノチューブを用いた場合、安定な動作を示すことが期待されている。
【０００４】
このようなカーボンナノチューブを用いて、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を作製した結果が、例えば非特許文献２に報告されている。図２３にこのトランジスタの構造を示す。この報告によれば、図２３に示すように、絶縁層４３が形成されたゲート電極基板４２上にソース電極４４およびドレイン電極４５を設け、この上にカーボンナノチューブの束を広げて、偶然ソース電極４４およびドレイン電極４５にまたがったカーボンナノチューブ４６がある部分をトランジスタとしている。
【０００５】
しかしながら、この方法では、トランジスタの位置を制御することが不可能であり、このようなトランジスタを量産することは難しい。また、トランジスタの集積度を高めることも困難である。
【０００６】
このような問題を克服する方法として、非特許文献３には、陽極酸化によるポーラスアルミナ４８中のカーボンナノチューブ５０を用いた電界効果型トランジスタが報告されている。非特許文献２によるトランジスタは、図２４および図２５に示すように、ナノホール４９を有するアルミナ（酸化アルミニウム）４８内に設けられたカーボンナノチューブ５０を備える。カーボンナノチューブ５０の一端はソース電極５３に接続される。カーボンナノチューブ５０の他端は、アルミナ４８上に酸化シリコン膜５１を介して形成されたドレイン電極５２と接続される。ドレイン電極５２上には、ゲート絶縁膜５４を介してゲート電極５５が形成される。このトランジスタは、ゲート電極５５に印加する電圧によってカーボンナノチューブ５０を介してソース電極５３からドレイン電極５２へ流れる電流を制御することができる。
【０００７】
この方法によれば、アルミナ４８のナノホール４９内にカーボンナノチューブ５０が形成されるため、ナノホール４９の位置を制御することによって、カーボンナノチューブを用いたトランジスタの位置を調節することができる。また、トランジスタを高度に集積することも可能である。
【０００８】
ナノホール４９を有するアルミナ４８は、非特許文献４において報告されているように、酸性電解質中でアルミニウムを陽極酸化することによって作製することができる。ナノホールの直径は数ｎｍから数百ｎｍであり、隣接するナノホールとの間隔は、数ｎｍから数百ｎｍである。このナノホールは、従来のリソグラフィー技術を用いることなく、自己組織化的に配列してアルミナ中に形成される。陽極酸化の条件を最適化することによって、ハニカム構造のアルミナを形成するもできる。
【０００９】
ナノホールを有するアルミナを用いてカーボンナノチューブを配列し、トランジスタを形成する技術は、非特許文献５にも開示されている。また、非特許文献６は、ナノホールの底部に触媒金属を堆積することによりカーボンナノチューブを低温で形成することができると報告している。図２４および図２５に示すトランジスタもこの方法により作製されている。具体的には、以下の方法により、作製される。
【００１０】
まず、アルミニウム板を酸性電解溶液（シュウ酸溶液）中で陽極酸化することにより、複数のナノホール４９を有する酸化アルミナ４８を形成する。ナノホール４９の底部にのみ電解めっきにより触媒金属（コバルト）を堆積した後、一酸化炭素中で熱処理して触媒金属を活性化させる。次に、炭化水素ガス（アセチレン）を用いてナノホール４９内にカーボンナノチューブ５０を作製する。この時、選択的にカーボンナノチューブ５０をナノホール４９ａ内に形成するため、カーボンナノチューブ５０を形成すべき部分以外は、酸化シリコン膜なのでマスクしておく。その後、ソース電極５３、ドレイン電極５２、ゲート絶縁膜５４およびゲート電極５５を形成するために、それぞれの電極材料や絶縁膜を堆積し、パターニングを行う。
【００１１】
【非特許文献１】
「ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）」１９９１年、３５４巻、５６頁
【非特許文献２】
「ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）」１９９８年、３９３巻、４９頁
【非特許文献３】
「アプライドフィジクスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）」２００１年、７９巻、３６９６頁
【非特許文献４】
「ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）」１９８９年、３３７巻、１４９頁
【非特許文献５】
「ケミカル・マテリアル（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌ）」１９９６年、８巻、２１９０頁
【非特許文献６】
「アプライドフィジクスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）」１９９９年、７５巻、３６７頁
【非特許文献７】
「材料化学」２００１年、３８巻、２６２頁
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２４および図２５に示すトランジスタでは、カーボンナノチューブの長さにばらつきが生じ易い。このため、ドレイン電極とカーボンナノチューブとの電気的接続を確実かつ均一に行うことができず、再現性および信頼性にかける。その結果、複数のトランジスタを集積化した場合、特性にばらつきが発生したり、正しく動作しないトランジスタが含まれるといった問題が生じる。
【００１３】
また、カーボンナノチューブを形成するために、ナノホールの側面に広く触媒金属が堆積すると、触媒金属が導電層となり、ソース−ドレイン間が導通してしまう。このため、ナノホールの底部にのみ触媒金属が堆積するよう、ナノホールの直径はある程度大きく（たとえば２０〜３０ｎｍ）しなければならない。このことは、トランジスタの集積密度を高める上で妨げとなる。
【００１４】
さらに、アルミニウム基板のみをカーボンナノチューブを配設するための鋳型として用いているため、プロセス上ハンドリングが可能な程度の厚みをアルミニウム基板は備えている必要がある。アルミニウム基板の厚さは、ナノホールの深さとなり、カーボンナノチューブの長さに対応するため、カーボンナノチューブの長さを十分短くすることができないという問題が生じる。
【００１５】
本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決し、高密度に集積化が可能であり、かつ、特性のばらつきの少ない電荷効果型トランジスタおよびその製造方法を提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電界効果型トランジスタは、第１の電極が設けられた基板と、前記基板上に設けられた絶縁層と、前記絶縁層の表面から前記基板側へ延び、少なくとも一部が前記第１の電極に達するように設けられたナノホールと、前記第１の電極と電気的に接続するよう、前記ナノホール内に設けられており、半導体特性を有するカーボンナノチューブと、前記ナノホール内に設けられたゲート電極と、前記ナノホール内において前記カーボンナノチューブと前記ゲート電極とに挟まれたゲート絶縁層とを備えている。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記ナノホールは、前記第１の電極上において前記基板と垂直に形成されている。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記電界効果型トランジスタは、前記絶縁層の表面に支持されており前記カーボンナノチューブと電気的に接続された第２の電極を更に備える。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記第２の電極はグラファイトからなる。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記ゲート電極が前記ナノホールの側面に接するように設けられている。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記カーボンナノチューブが前記ナノホールの側面に接するように設けられている。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記絶縁層および前記ナノホールは、アルミニウムを主成分とする金属を陽極酸化することによって得られるナノホールを備えたアルミナである。
【００２３】
また、本発明のトランジスタアレイは、前記電界効果型トランジスタを複数備え、前記複数の電界効果型トランジスタのナノホールは第１の方向および第２の方向に沿って二次元に配置されている。
【００２４】
また、本発明の電界効果型トランジスタの製造方法は、（ａ）基板上に第１の電極を形成する工程と、（ｂ）複数のナノホールを有する絶縁層を、前記複数のナノホールの少なくとも１つが前記第１の電極上に位置するよう、前記基板上に形成する工程と、（ｃ）半導体特性を有し、前記第１の電極と電気的に接続されたカーボンナノチューブと、ゲート電極と、前記カーボンナノチューブおよび前記ゲート電極に挟まれたゲート絶縁層とを前記少なくともひとつのナノホール内部に形成する工程とを包含する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、（ｂ１）前記基板上にアルミニウム層を形成する工程と、（ｂ２）前記アルミニウム層を陽極酸化することにより、前記絶縁層を形成する工程とを含む。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、（ａ１）前記第１の電極の表面が凹部となるよう、前記第１の電極の周りに前記第１の電極よりも厚い絶縁層を形成する工程を更に含む。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記絶縁層に形成された複数のナノホールは、規則的に配列されている。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記第１の電極を形成する工程において、前記第１の電極は、前記基板上において互いに平行に延びるよう複数設けられ、前記複数の第１の電極の間隔と、前記複数のナノホールの配列間隔と一致するような条件で前記（ｂ２）工程を行う。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、（ｃ１）前記ナノホール内にゲート電極を形成する工程と、（ｃ２）前記ゲート電極の一部および前記ナノホールの底部にある前記絶縁層を除去し、前記第１の電極の一部を前記ナノホール内において露出する工程と、（ｃ３）前記ナノホール内において、前記第１の電極の一部が前記ナノホール内において露出するよう、前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、（ｃ４）前記ナノホール内において、前記第１の電極と電気的に接続するよう、前記ゲート絶縁層上にカーボンナノチューブを形成する工程とを含む。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｃ４）は、前記カーボンナノチューブに電気的に接続され、前記絶縁層に支持されたグラファイト層を形成し、前記グラファイト層をパターニングして第２の電極形成する工程を含む。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、（ｃ１１）前記ナノホールの底部にある前記絶縁層を除去し、前記第１の電極の一部を前記ナノホール内において露出する工程と、（ｃ１２）前記ナノホール内において、前記第１の電極と電気的に接続するよう、カーボンナノチューブを形成する工程と、（ｃ１３）前記ナノホール内において、前記カーボンナノチューブ上にゲート絶縁層を形成する工程と、（ｃ１４）前記ナノホール内において、前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程とを含む。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｃ１２）は、前記カーボンナノチューブに電気的に接続され、前記絶縁層に支持されたグラファイト層を形成し、前記グラファイト層をパターニングして第２の電極形成する工程を含む。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の電界効果型トランジスタおよびトランジスタアレイの第１の実施形態を説明する。
【００３４】
図１は本発明の電界効果型トランジスタ１０１の断面を模式的に示している。電界効果型トランジスタ１０１は、第１の電極７が設けられた基板２と、基板２に支持された絶縁層６とを含む。絶縁層６には、その表面６ａから基板２へ向かって伸びるナノホール８が形成されており、ナノホール８の底部に設けられた孔１１によって、ナノホール８の一部が第１の電極７に達している。また、ナノホール８は、基板２に対して実質的に垂直に形成されている。本願明細書において「ナノホール」とは、数ｎｍから数百ｎｍの直径を有する微細穴を意味する。
【００３５】
後述するように、絶縁層６が設けられる下地として、第１の電極７の表面が窪んでいることが好ましい。このため、第１の電極７の周囲に第１の電極７よりも厚い絶縁層４を基板２上に形成している。また、ナノホール８は第１の電極７上において基板２と垂直に伸びるように形成されていることが好ましい。
【００３６】
基板２は、絶縁性を備えていることが好ましく、例えば、ガラス基板、絶縁性シリコン基板などを基板２として用いることができる。第１の電極７は、半導体プロセスにおいてオーミック電極として用いられる種々の金属や、不純物がドープされたシリコンなどを用いて形成される。第１の電極７は単層である必要はなく、例えば、チタン／金からなる２層構造を備えていてもよい。絶縁層４は、酸化シリコンや窒化シリコンなど、半導体プロセスにおいて絶縁性膜として用いられる種々の材料から形成される。
【００３７】
基板２の厚さは、任意に設定し得る。絶縁層６が、プロセス上、ハンドリングが可能な程度な厚さを有していない場合には、基板２の厚さは、例えば、数百μｍであることが好ましい。このような厚さの基板２を用いることによって、電界効果型トランジスタ１０１を作製する際、基板が破損することがなく、また、従来の半導体製造装置を用い、従来の半導体製造プロセスを利用して電界効果型トランジスタ１０１を作製することができる。
【００３８】
基板２として絶縁性のシリコン基板を用いる場合には、シリコン基板に不純物を導入して第１の電極７を形成することができる。また、第１の電極７が形成された領域以外に酸素イオンを注入して絶縁層４を形成することができる。その後、第１の電極７となる不純物の注入された領域と、絶縁層４となる酸素イオンの注入された領域とのエッチング特性の差異を利用して、第１の電極７となる不純物の注入された領域の表面が窪むように、選択的なエッチングを行ってもよい。
【００３９】
ナノホール８の直径は、ナノホール８の内部に設けられるカーボンナノチューブ１４の直径に依存している。絶縁層６に上述した寸法を備えるナノホール８が形成可能である限り、絶縁層６は、半導体装置に用いられる種々の絶縁材料のいずれかを用いて形成することができる。しかし、上述したような微細な直径と、直径に対して比較的深さの大きい穴を形成することは一般に難しい。このため、ナノホール８を有する絶縁層６として、アルミニウム層を陽極酸化することによって得られナノホールを備えたアルミナを用いることが好ましい。アルミニウム層は、アルミニウムを主成分としている限り、アルミニウム以外の添加元素を含んでいてもよい。アルミニウム層はスパッタリング法、真空蒸着法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法などによって形成できる。後述するように、陽極酸化の条件を適切に調節することによって、複数のナノホールが二次元に配列されたアルミナを形成することができ、電界効果型トランジスタ１０１が二次元に配列されたトランジスタアレイを作製することもできる。
【００４０】
ナノホール８の内部には、孔１１を介して第１の電極と電気的に接続されたカーボンナノチューブ１４が設けられている。一方、ナノホール８の側面にはゲート電極９が設けられており、ゲート電極９がカーボンナノチューブ１４と電気的に絶縁されるように、ゲート電極９とカーボンナノチューブ１４との間にはゲート絶縁層１２が設けられている。
【００４１】
絶縁層６の表面６ａにはゲート電極９に接続された配線１０が設けられている。また、配線１０を覆うようにゲート絶縁層１２が絶縁層６の表面６ａにも形成されている。カーボンナノチューブ１４の一端は、絶縁層６の表面６ａ上に支持される第２の電極１５に電気的に接続される。
【００４２】
カーボンナノチューブ１４は、電界効果型トランジスタ１０１の用途に適した半導体特性を備えている。カーボンナノチューブ１４の半導体としての電気的特性は、その直径や六角網目状構造の螺旋の巻き方（カイラリティ）を変化させることのよって調整することができる。カーボンナノチューブの電気的特性とこれらの物理的構造との関係はよく研究されており、公知である。
【００４３】
ゲート電極９およびゲート絶縁層１２は、半導体装置に用いられる種々の導電材料および絶縁材料のいずれかを用いて形成することができる。例えば、ゲート電極９およびゲート絶縁層１２として、不純物が添加された多結晶シリコンおよびシリコン酸化膜を好適に用いることができる。配線１０は、ゲート電極９と同じ材料により、一体的に形成してもよいし、同じ材料あるいは異なる導電性材料を用いてゲート電極９とは別の工程により作製してもよい。
【００４４】
また、第１の電極７と同様、第２の電極１５は、半導体プロセスにおいてオーミック電極として用いられる種々の金属や、不純物がドープされたシリコンなどを用いて形成される。第１の電極７は単層である必要はなく、例えば、チタン／金からなる２層構造を備えていてもよい。また、カーボンナノチューブ１４をナノホール８内に形成する際、ゲート絶縁層１２上に同時に形成されるグラファイトを第２の電極１５として用いてもよい。この場合には、カーボンナノチューブ１４と第２の電極１５とを確実かつ低い接触抵抗で電気的に接続することができるという利点がある。
【００４５】
なお、第１の電極７および第２の電極１５は、ドレイン電極およびソース電極として機能する。本実施形態では、第１の電極７をドレイン電極とし、第２の電極８をソース電極として用いるが、逆の組み合わせを用いてもよい。第１の電極７および第２の電極８はカーボンナノチューブ１４とオーミック接合していることが好ましい。
【００４６】
上述したように、カーボンナノチューブ１４の電気的特性は、カーボンナノチューブ１４の直径に依存している。このため、電界効果型トランジスタ１０１を設計する場合には、まず、カーボンナノチューブ１４に求められる電気的特性を決定し、その特性を実現するために必要なカーボンナノチューブ１４の直径を決定する。非特許文献７に報告されているように、カーボンナノチューブのエネルギーバンドギャップはカーボンナノチューブの直径に反比例することが知られている。カーボンナノチューブの直径は概ね０．７〜３０ｎｍの範囲にあり、対応するバンドギャップは１．８５〜０．０４４ｅＶである。
【００４７】
次に、カーボンナノチューブ１４が挿入されるナノホール８の直径を検討する。一般に、薄膜が１ｎｍ以上の厚さを有している場合、その薄膜には孔がなく、均一な連続膜となることが知られている。このため、ゲート電極９およびゲート絶縁層１２は、１ｎｍ以上の厚さであることが好ましい。ナノホール８の直径は、カーボンナノチューブ１４の直径にゲート電極９およびゲート絶縁層１２の厚さを加えた値になる。
【００４８】
後述するようにナノホール８をアルミニウム層の陽極酸化によって形成し、電界効果型トランジスタ１０１をアレイ状に複数配列する場合、ナノホール８の直径を任意に変化させることができない場合がある。このような場合には、ゲート電極９およびゲート絶縁層１２の厚さを調整することによって、カーボンナノチューブ１４の電気的特性および電界効果型トランジスタ１０１の配置を同時に満足させることができる。
【００４９】
ナノホール８の深さは、電界効果型トランジスタ１０１におけるチャネル幅（ソース−ドレイン間距離）に関係しており、電界効果型トランジスタ１０１に要求される特性に応じて任意の値に調整しうる。ナノホール８をアルミニウム層の陽極酸化によって形成する場合には、アルミニウム層の厚さを変化させることによってナノホール８の深さを調整することができる。
【００５０】
カーボンナノチューブ１４の直径が上述の範囲にあり、電界効果型トランジスタ１０１をスイッチング素子として用いる場合、絶縁層６に形成されるナノホール８の直径は、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍであり、深さは、５０ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００５１】
図２に示すように、本実施形態の電界効果型トランジスタ１０１は、典型的には、二次元に配列されたトランジスタアレイ１１１を構成している。トランジスタアレイ１１１において、各界効果型トランジスタ１０１の第１の電極７は第１の方向に隣接する電界効果型トランジスタ１０１の第１の電極７と接続されており、第１の電極７は第１の方向に伸びる配線を形成している。また、第２の電極１５は、第２の方向に隣接する電界効果型トランジスタ１０１の第２の電極８と接続されており、第２の電極１５は第２の方向に伸びる配線を形成している。また、ゲート電極９に接続された配線１０も第３の方向隣接する電界効果型トランジスタ１０１の配線１０と接続され、配線１０は第３の方向に伸びる配線を形成している。第３の方向は第１の方向と同じであってもよい。図２では、第１の電極７、第２の電極１５および配線１０のいずれもが隣接する電界効果型トランジスタ１０１と接続されている。しかし、例えば、トランジスタアレイ１１１において、各電界効果型トランジスタ１０１の第１の電極７は独立させておき、表示素子や二次元検出素子を駆動するマトリクス基板を構成してもよい。
【００５２】
次に、図１から図１２を参照して、トランジスタアレイ１１１および電界効果型トランジスタ１０１の製造方法を説明する。図３に示すように、例えばガラスからなる基板２上にニオブからなる導電層１を形成し、フォトレジスト３を用いて導電層１をパターニングする。図４に示すように、導電層１をパターニングして第１の電極７を形成した後、フォトレジスト３によって覆われていない基板２の領域に絶縁層４を形成し、フォトレジスト３を除去する。図４において、第１の電極７は紙面の手前から奥に向かって延びている。また、第１の電極７は互いに平行となるよう複数基板２上に配列されている。
【００５３】
絶縁層４を形成したあとの基板２の表面は、第１の電極７の部分において窪んでいるように第１の電極７よりも絶縁層４のほうが厚く形成されていることが好ましい。本実施形態では、厚さ１５０ｎｍの導電層１と厚さ２００ｎｍの絶縁層４を形成することによって、第１の電極７の表面を窪ませている。
【００５４】
シリコン基板を基板２として用いる場合には、たとえば図５に示すように、シリコンからなる基板２上に、第１の電極７となる領域を露出したパターンを有するフォトレジスト３’を形成する。フォトレジスト３’を用いて基板２に不純物を注入することによって、たとえば、ｎ^＋シリコンからなる第１の電極７を基２の表面に形成する。次に図６に示すように、第１の電極７を覆うフォトレジスト３’’を形成し、フォトレジスト３’’をマスクとして基板２に酸素を注入する。あるいは、他の方法によって、基板２の露出した部分を表面酸化させてもよい。このようにして、絶縁層４を形成する。その後、フォトレジスト３’’を除去し、第１の電極７と絶縁層４との化学的性質の差異を利用して、第１の電極７の表面を選択的にエッチングし、第１の電極７の表面を絶縁層４に比べて窪ませる。
【００５５】
図７に示すように、第１の電極７および絶縁層４を覆うように、基板２上に厚さ２００ｎｍのアルミニウム層５を形成する。形成したアルミニウム層５の表面は、下地の形状を反映するので、第１の電極７の部分において、凹部５’が形成される。
【００５６】
次に基板２を酸性溶液に漬浸し、第１の電極７に電圧を印加しながら陽極酸化を行う。この時、アルミニウム層５の凹部５’が形成されている部分は、他の部分に比べて厚みが小さく、高い電圧が印加される。このため、ナノホールは第１の電極７上に選択的に形成される。複数のナノホール８をアレイ状に形成し、トランジスタアレイ１１１を作製する場合には、自己組織化的に形成されるアレイ状のナノホール８のピッチと複数の第１の電極７のピッチとを一致させ、各第１の電極７にナノホール８を形成する必要がある。このため、第１の電極７の間隔と陽極酸化の条件とを調整しておく。第１の電極７の電極間にトランジスタとして利用しないナノホール８が形成されていてもよい。本実施形態の場合、第１の電極７の電極間隔は、たとえば５０ｎｍに設定することができる。
【００５７】
また、この場合、複数の電界効果型トランジスタ１０１を第１の電極７が伸びる方向に沿って形成する必要がある。隣接する複数の電界効果型トランジスタ１０１の間隔を調整するために、例えば、イオン注入などのよって、アルミニウム層５の凹部５’の底部に窪みを設けてもよい。窪みを設けることによって、凹部５’のなかでもさらに電界の高い部分が形成され、陽極酸化時におけるエッチングの開始点となる。
【００５８】
図８に示すように、陽極酸化が進むと、アルミニウム層５が酸化され、アルミナからなる絶縁層６に変化するともに、ナノホール８が形成される。アルミニウム層５が完全に酸化されても、ナノホール８は第１の電極７には到達せずに、アルミナからなるバリア層６ａがナノホール８の底部に形成される。得られたナノホールの直径は約３０ｎｍであり、深さは、約３００ｎｍである。
【００５９】
次に図９に示すように、ナノホール８の内部および絶縁層６上に厚さ１０ｎｍの多結晶シリコンを堆積し、絶縁層６の上に形成された多結晶シリコンをパターニングすることによって、ゲート電極９および配線１０を一体に形成する。その後、図１０に示すようにナノホール８の底部に位置するゲート電極８の一部およびバリア層６ａの一部を除去し、ナノホール８の底部に孔１１を設ける。孔１１によって、ナノホール８の一部は第１の電極７に達するようになり、第１の電極７の一部がナノホール８内において露出している。
【００６０】
図１１に示すように、次に厚さ３ｎｍのゲート絶縁層１２をナノホールの内部および絶縁層６上に形成する。ゲート絶縁層１２としては、たとえば、ＣＶＤ法による酸化シリコン膜を用いることができる。図１１および図１２に示すように、ナノホール８の底部に堆積したゲート絶縁層１２の一部１３を除去して、第１の電極７の一部をナノホール８内において露出させた後、直径４ｎｍのカーボンナノチューブ１４をナノホール８内に形成する。カーボンナノチューブ１４を形成するために、ナノホール８内に触媒金属をあらかじめ堆積しておいてもよいし、触媒金属を堆積しなくてもよい。カーボンナノチューブ１４は、公知の方法により形成される。
【００６１】
カーボンナノチューブ１４を形成する際、形成条件を適切に選ぶことによって、カーボンナノチューブ１４の形成と同時に、ゲート絶縁層１２上にグラファイトを形成することができる。このグラファイトは、カーボンナのチューブ１４と連続して形成されるため、低い接触抵抗で、かつ確実に、カーボンナノチューブ１４と電気的接続される。このため、ゲート絶縁層１２上に形成されるグラファイトをパターニングして第２の電極１４としてもよい。ゲート絶縁層１２上に形成されるグラファイトを利用しない場合には、ゲート絶縁層１２上多結晶シリコンや金属からなる導電膜を形成し、パターニングすることによって、カーボンナノチューブ１４と電気的に接続される第２の電極１４を形成してもよい。このようにして図１に示す電界効果型トランジスタ１０１および図２に示すトランジスタアレイ１１１が形成される。
【００６２】
本実施形態によれば、基板２上に設けられた絶縁層６にナノホール８を形成し、ナノホール８内にカーボンナノチューブ１４を配設している。このため、電界効果型トランジスタ１０１のチャネル幅を短くするために、絶縁層６の厚さを小さくすることによって、ナノホール８を浅くし、カーボンナノチューブ１４を短くしても、基板２の厚さを調節することによって、電界効果型トランジスタ１０１を作製する基板全体をプロセス上ハンドリングが可能な程度な厚さにすることができる。その結果、従来の半導体製造技術を用いて、微細な電界効果型トランジスタおよびそれを用いたトランジスタアレイを作製することができる。
【００６３】
また、電界効果型トランジスタ１０１において、ナノホール８は、チャネルとなるカーボンナノチューブ１４の直径およびチャネル幅となるカーボンナノチューブ１４の長さを規定する。このため、所望の寸法を備えたナノホール８を形成すれば、第１の電極７、ゲート電極９、カーボンナノチューブ１４および第２の電極１５はパターニングしなくても、所望の特性を備えた電界効果型トランジスタ１０１を得ることができる。
【００６４】
特に、第２の電極１５として、カーボンナノチューブ１４の形成時に同時に形成されるグラファイト膜を用いれば、カーボンナノチューブ１４と第２の電極１５とを低接触抵抗でかつ確実に接続することができる。このため、電界効果型トランジスタ１０１を用いてトランジスタアレイを作製する場合に、各トランジスタ間の特性のばらつきを小さくすることができる。
【００６５】
さらに、条件を適切に設定してアルミニウム層を陽極酸化することにより、寸法のそろったナノホール８が規則正しく配列した絶縁層６を用意することができる。この絶縁層６を用いることによって、電界効果型トランジスタ１０１が配列されたトランジスタアレイを作製することができる。上述した理由から、トランジスタの特性に影響するトランジスタの各部の寸法はナノホール８によって決定するため、各電界効果型トランジスタ１０１の特性をそろえることができる。また、第１の電極７、ゲート電極９に接続される配線１０および第２の電極１５をストライプ状にパターニングすることによって、容易にトランジスタアレイを作製することができる。
【００６６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の電界効果型トランジスタおよびトランジスタアレイの第２の実施形態を説明する。
【００６７】
図１３は本発明の電界効果型トランジスタ１０１の断面を模式的に示している。電界効果型トランジスタ１０２は、絶縁層６のナノホール８内において、チャネルとなるカーボンナノチューブ１４がゲート電極９およびゲート絶縁層１２の外側に形成されている点で第１の実施形態の電界効果型トランジスタ１０１と異なっている。
【００６８】
具体的には、絶縁層６に設けられたナノホール８は第１の電極７に達しており、ナノホール８内には、ナノホール８の側面と接触し、第１の電極７と電気的に接続されたカーボンナノチューブ１４が設けられている。絶縁層６上には、カーボンナノチューブ１４と電気的に接続された第２の電極１５が設けられている。
【００６９】
ゲート絶縁層１２は、ナノホール８内において、カーボンナノチューブ１４の内側を覆うように形成されている。また、絶縁層６上では、ゲート絶縁層１２は第２の電極１５を覆うように設けられている。更に、ナノホール８内において、ゲート絶縁層１２の内側にゲート電極９が設けられている。ゲート電極９の端部は、絶縁層６上においてゲート絶縁層１２上に形成された配線１０と電気的に接続されている。このように、カーボンナノチューブ１４がナノホール８の側面と接しており、カーボンナノチューブ１４とゲート電極９とによってゲート絶縁層１２が挟まれている。
【００７０】
第１の実施形態と同様、電界効果型トランジスタ１０２は、図１４に示すように、二次元に配列されたトランジスタアレイ１１２を構成している。トランジスタアレイ１１２において、各界効果型トランジスタ１０２の第１の電極７は第１の方向に隣接する界効果型トランジスタ１０２の第１の電極７と接続されており、第１の電極７は第１の方向に伸びる配線を形成している。図１４では、ゲート絶縁層１２に覆われているため図示していないが、第２の電極１５は、第２の方向隣接する電界効果型トランジスタ１０２の第２の電極８と接続されており、第２の電極１５は第２の方向に伸びる配線を形成している。また、ゲート電極９に接続された配線１０も第３の方向に隣接する電界効果型トランジスタ１０２の配線１０と接続されて、配線１０は第３の方向に伸びる配線を形成している。第３の方向は第１の方向と同じであってもよい。
【００７１】
図１３に示すように、電界効果型トランジスタ１０２において、カーボンナノチューブ１４は、絶縁層６に設けられたナノホール８の側面と接している。このため、絶縁層６がアルミニウムの陽極酸化によって形成されたアルミナからなる場合、カーボンナノチューブ１４はアルミナ上に形成される。このことは、カーボンナノチューブ１４の形成に有利である。なぜなら、陽極酸化によるアルミナは、炭化水素の分解に対する触媒作用を備えているからである。このため、本実施形態の電界効果型トランジスタ１０２を作製する場合、コバルトなどの触媒金属をナノホール８内にあらためて堆積する必要はなく、カーボンナノチューブ１４が形成される下地を触媒として用いることができる。また、カーボンナノチューブ１４と電気的に接続される第２の電極１５も絶縁層６と接するように形成されるので、カーボンナノチューブ１４と同時に形成される絶縁層６上のグラファイトを第２の電極１５として好適に用いることができる。
【００７２】
上述したように、カーボンナノチューブ１４は、絶縁層６に設けられたナノホール８の側面と接するように設けられる。このため、ナノホール８の直径は、所望の特性を備えたカーボンナノチューブ１４の直径と実質的に一致していることが好ましい。また、カーボンナノチューブ１４の直径が小さすぎる場合、カーボンナノチューブ１４の内側にゲート絶縁層１２およびゲート電極９を形成するのが困難になることもある。したがって、本実施形態では、カーボンナノチューブ１４は、１０ｎｍ以上の直径を備えていることが好ましい。
【００７３】
次に、図１３から図１８を参照して、トランジスタアレイ１１２および電界効果型トランジスタ１０２の製造方法を説明する。トランジスタアレイ１１２および電界効果型トランジスタ１０２は、第１の実施形態と同じ材料を用いて作製する。図１５に示すように、基板２上に導電層１を形成し、フォトレジスト３を用いて導電層１をパターニングする。図１６に示すように、導電層１をパターニングして第１の電極７を形成した後、フォトレジスト３によって覆われていない基板２の領域に絶縁層４を形成し、フォトレジスト３を除去する。図１６において、第１の電極７は紙面の手前から奥に向かって延びている。また、第１の電極７は互いに平行となるよう複数基板２上に配列されている。第１の実施形態と同様、絶縁層４を形成したあとの基板２の表面は、第１の電極７の部分において窪んでいる。第１の実施形態で説明したように、シリコン基板を基板２として用いてもよい。
【００７４】
図１７に示すように、第１の電極７および絶縁層４を覆うように、基板２上にアルミニウム層５を形成する。形成したアルミニウム層５の表面は、下地の形状を反映するので、第１の電極７の部分において、凹部５’が形成される。
【００７５】
次に基板２を酸性溶液に漬浸し、第１の電極７に電圧を印加しながら陽極酸化を行う。この時、アルミニウム層５の凹部５’が形成されている部分は、他の部分に比べて厚みが小さく、高い電圧が印加される。このため、ナノホールは第１の電極７上に選択的に形成される。複数のナノホール８をアレイ状に形成し、トランジスタアレイ１１１を作製する場合には、自己組織化的に形成されるアレイ状のナノホール８のピッチと複数の第１の電極７のピッチとを一致させ、各第１の電極７にナノホール８を形成する必要がある。このため、第１の電極７の間隔と陽極酸化の条件とを調整しておく。また、第１の実施形態で説明したように、陽極酸化時におけるエッチングの開始点を導入するために、イオン注入などのよって、アルミニウム層５の凹部５’の底部に窪みを設けてもよい。
【００７６】
図１８に示すように、陽極酸化が進むと、アルミニウム層５が酸化され、アルミナからなる絶縁層６に変化するともに、ナノホール８が形成される。アルミニウム層５が完全に酸化されても、ナノホール８は第１の電極７には到達せずに、アルミナからなるバリア層６ａがナノホール８の底部に形成される。
【００７７】
次に図１９に示すように、ナノホール８の底部にあるバリア層６ａをエッチングにより除去し、第１の電極７をナノホール８内において露出させる。その後、図２０に示すように、第１の電極７と電気的に接続したカーボンナノチューブ１４をナノホール８内に形成する。上述したように、カーボンナノチューブ１４を形成する際、絶縁層６を構成しているアルミナを触媒として用いることができる。また、カーボンナのチューブ１４を形成する際、カーボンナのチューブ１４の形成と同時に、ゲート絶縁層１２上にグラファイトを形成することができる。このグラファイトをパターニングして第２の電極１４としてもよい。グラファイトを利用しない場合には、絶縁層６上に多結晶シリコンや金属からなる導電膜を形成し、パターニングすることによって、カーボンナノチューブ１４と電気的に接続される第２の電極１４を形成してもよい。第２の電極１５を形成した後の基板２の構造を図２１に示す。
【００７８】
次に図２２に示すように、ナノホール８内および絶縁層６上において、カーボンナノチューブ１４を覆うようにゲート絶縁層１２を堆積する。その後、図１３に示すように、ナノホール８内にゲート電極９を形成する。また、ゲート電極８に電気的に接続された配線１０を形成する。第１の実施形態と同様、ゲート絶縁層１２を覆うように多結晶シリコン膜を一体的に形成し、ゲート絶縁層１２上においてパターニングすることによって、ゲート電極９および配線１０を一体に形成してもよい。このようにして、トランジスタアレイ１１２および電界効果型トランジスタ１０２が完成する。
【００７９】
本実施形態によれば、ナノホール８の側壁を構成しているアルミナがカーボンナノチューブ１４を形成するための触媒として機能する。このため、コバルトなどの触媒金属をナノホール８の底部にのみ堆積する必要はなく、ナノホール８の直径を小さくし、電界効果型トランジスタ１０２の集積密度を高めることが可能となる。
【００８０】
また、アルミナの触媒作用により、カーボンナノチューブ１４の形成温度を低下させることができる。このため、電界効果型トランジスタ１０２を構成する各要素に種々の材料を選択することができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、高度に集積することが可能であり、特性のばらつきが少ない電界効果型トランジスタおよびそれを集積したトランジスタアレイを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電界効果型トランジスタの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す電界効果型トランジスタが配列されたトランジスタアレイを示す斜視図である。
【図３】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図４】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図５】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図６】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図７】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図８】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図９】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１０】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１１】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１２】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の電界効果型トランジスタの第２の実施形態を示す断面図である。
【図１４】図１３に示す電界効果型トランジスタが配列されたトランジスタアレイを示す斜視図である。
【図１５】図１３に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１６】図１３に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１７】図１３に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１８】図１３に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図１９】図１３に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図２０】図１３に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図２１】図１３に示すトランジスタの製造工程を示す斜視図である。
【図２２】図１に示すトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図２３】従来の電界効果型トランジスタの構造を示す断面図である。
【図２４】従来の電界効果型トランジスタの構造を示す斜視図である。
【図２５】図２４に示す従来の電界効果型トランジスタの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１　導電層
２　基板
３　フォトレジスト
４　絶縁層
５　アルミニウム層
６　絶縁層
７　第１の電極
８　ナノホール
９　ゲート電極
１０　配線
１１　孔
１２　ゲート絶縁層
１４　カーボンナノチューブ
１５　第２の電極
１０１、１０２　電界効果型トランジスタ
１１１、１１２　トランジスタアレイ

Claims

第１の電極が設けられた基板と、
前記基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の表面から前記基板側へ延び、少なくとも一部が前記第１の電極に達するように設けられたナノホールと、
前記第１の電極と電気的に接続するよう、前記ナノホール内に設けられており、半導体特性を有するカーボンナノチューブと、
前記ナノホール内に設けられたゲート電極と、
前記ナノホール内において前記カーボンナノチューブと前記ゲート電極とに挟まれたゲート絶縁層と、
を備えた電界効果型トランジスタ。
前記ナノホールは、前記第１の電極上において前記基板と垂直に形成されている請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
前記絶縁層の表面に支持されており前記カーボンナノチューブと電気的に接続された第２の電極を更に備えた　請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
前記第２の電極がグラファイトからなる請求項３に記載の電界効果型トランジスタ。
前記ゲート電極が前記ナノホールの側面に接するように設けられている請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
前記カーボンナノチューブが前記ナノホールの側面に接するように設けられている請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
前記絶縁層および前記ナノホールは、アルミニウムを主成分とする金属を陽極酸化することによって得られるナノホールを備えたアルミナである請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
請求項７に記載の電界効果型トランジスタを複数備え、前記複数の電界効果型トランジスタのナノホールは第１の方向および第２の方向に沿って二次元に配置されているトランジスタアレイ。
（ａ）基板上に第１の電極を形成する工程と、
（ｂ）複数のナノホールを有する絶縁層を、前記複数のナノホールの少なくとも１つが前記第１の電極上に位置するよう、前記基板上に形成する工程と、
（ｃ）半導体特性を有し、前記第１の電極と電気的に接続されたカーボンナノチューブと、ゲート電極と、前記カーボンナノチューブおよび前記ゲート電極に挟まれたゲート絶縁層とを前記少なくともひとつのナノホール内部に形成する工程と、
を包含する電界効果型トランジスタの製造方法。
前記工程（ｂ）は、
（ｂ１）前記基板上にアルミニウム層を形成する工程と、
（ｂ２）前記アルミニウム層を陽極酸化することにより、前記絶縁層を形成する工程と、
を含む請求項９に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
前記工程（ａ）は、
（ａ１）前記第１の電極の表面が凹部となるよう、前記第１の電極の周りに前記第１の電極よりも厚い絶縁層を形成する工程
を更に含む請求項１０に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
前記絶縁層に形成された複数のナノホールは、規則的に配列されている請求項１１に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
前記第１の電極を形成する工程において、前記第１の電極は、前記基板上において互いに平行に延びるよう複数設けられ、前記複数の第１の電極の間隔と、前記複数のナノホールの配列間隔と一致するような条件で前記（ｂ２）工程を行う請求項１２に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
前記工程（ｃ）は、
（ｃ１）前記ナノホール内にゲート電極を形成する工程と、
（ｃ２）前記ゲート電極の一部および前記ナノホールの底部にある前記絶縁層を除去し、前記第１の電極の一部を前記ナノホール内において露出する工程と、
（ｃ３）前記ナノホール内において、前記第１の電極の一部が前記ナノホール内において露出するよう、前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程と、
（ｃ４）前記ナノホール内において、前記第１の電極と電気的に接続するよう、前記ゲート絶縁層上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
を含む請求項９に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
前記工程（ｃ４）は、前記カーボンナノチューブに電気的に接続され、前記絶縁層に支持されたグラファイト層を形成し、前記グラファイト層をパターニングして第２の電極形成する工程を含む請求項１４に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
前記工程（ｃ）は、
（ｃ１１）前記ナノホールの底部にある前記絶縁層を除去し、前記第１の電極の一部を前記ナノホール内において露出する工程と、
（ｃ１２）前記ナノホール内において、前記第１の電極と電気的に接続するよう、カーボンナノチューブを形成する工程と、
（ｃ１３）前記ナノホール内において、前記カーボンナノチューブ上にゲート絶縁層を形成する工程と、
（ｃ１４）前記ナノホール内において、前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程と、
を含む請求項９に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
前記工程（ｃ１２）は、前記カーボンナノチューブに電気的に接続され、前記絶縁層に支持されたグラファイト層を形成し、前記グラファイト層をパターニングして第２の電極形成する工程を含む請求項１６に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。