JP2005116618A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板21と、基板21を覆う絶縁膜22と、絶縁膜22上に配置され、内層カーボンナノチューブ23と外層カーボンナノチューブ24a〜24cからなるカーボンナノチューブ25と、内層カーボンナノチューブ23に接触するソース電極26及びドレイン電極27と、外層カーボンナノチューブ24bに接触するゲート電極28などから構成されている。さらに、ソース電極26及びドレイン電極27の外側に、外層カーボンナノチューブ24aに接触する分離電流供給用電極29a、29bが形成された構成とする。ソース電極26及びドレイン電極27と内層カーボンナノチューブ23との接触抵抗を低減し、電流駆動能力を向上する。
【選択図】 図3
【解決手段】 基板21と、基板21を覆う絶縁膜22と、絶縁膜22上に配置され、内層カーボンナノチューブ23と外層カーボンナノチューブ24a〜24cからなるカーボンナノチューブ25と、内層カーボンナノチューブ23に接触するソース電極26及びドレイン電極27と、外層カーボンナノチューブ24bに接触するゲート電極28などから構成されている。さらに、ソース電極26及びドレイン電極27の外側に、外層カーボンナノチューブ24aに接触する分離電流供給用電極29a、29bが形成された構成とする。ソース電極26及びドレイン電極27と内層カーボンナノチューブ23との接触抵抗を低減し、電流駆動能力を向上する。
【選択図】 図3
Description
本発明は、カーボンナノチューブを用いたチャネルを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
カーボンナノチューブは、グラファイトの1枚面(グラフェンシートと呼ばれる。)を巻いて筒状にした形状をもっており、その直径はおおよそ数nmから十nmの範囲であり、長さは数μmに及ぶ。したがって、カーボンナノチューブは、アスペクト比(長さ/直径)が1000程度となり、かかる形状異方性により一次元的電子的性質を有し、100万A/cm2の最大電流密度、カーボンナノチューブ1本当たりの抵抗が約6.45kΩ、直径が0.4nm〜100nm程度で制御可能であり、長さ方向の直径の揺らぎが極めて少ないという特徴を有する。
カーボンナノチューブを用いたトランジスタは、これまで多くの提案がなされ、その動作も実験的に証明されてきた。例えば図1に示すトランジスタ100はカーボンナノチューブ電界効果トランジスタの一例である(非特許文献1参照)。このトランジスタ100は、シリコン基板101上にシリコン酸化膜102を介してソース/ドレイン電極103A、103Bが設けられ、ソース/ドレイン電極103A、103Bに両端が接触すると共に、シリコン酸化膜102に接するカーボンナノチューブ104が設けられている。また、低抵抗のシリコン基板101の反対側にゲート電極105が設けられている。トランジスタ100は従来のバックゲート型FETの延長上のものである。したがって、従来のFETの高性能化、高集積化の課題を解決できるものではなく、飛躍的な性能向上は困難であることが推測される。
これに対し、金属的性質を有する外層カーボンナノチューブをゲート電極として、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブをチャネルとするトランジスタが提案されている(特許文献1参照)。このトランジスタは2層カーボンナノチューブという材料特有の構造及び性質を利用したものである。ゲートからのびる電気力線が外に洩れることがなく、さらにゲート電極−チャネル間の距離を、カーボンナノチューブを構成するグラフェンシート間の距離(0.34nm)まで縮める事が可能であり、従来の膜厚数nmの積層ゲート絶縁膜と比較すると飛躍的なスケールダウンを図ることができる。さらに、カーボンナノチューブは電子の移動速度が高いことと相まって、電流駆動能力の大幅な向上が期待される。かかるゲート構造は、従来のプレーナゲート構造に対して、サラウンドゲート構造と呼ばれている。
特開2003−086796号公報
Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 17, (1998) pp.2447-2449
ところで、サラウンドゲート構造を有するトランジスタを作製する手法として、酸素プラズマにより外層カーボンナノチューブの一部を除去する手法や、ゲート電極−ソース電極間、ゲート電極−ドレイン電極間に電流を流して、外層カーボンナノチューブを除去する手法が提案されている。
前者の手法では、トランジスタを微細化するに従って、金属的性質を有する外層カーボンナノチューブが残留しゲート電極−ソース電極/ドレイン電極間がショートするおそれがある。
また、後者の手法では、外層カーボンナノチューブのみを正確に除去することができるという利点がある。しかし、ソース電極及びドレイン電極では、これらの電極が外層カーボンナノチューブに接触し、内層カーボンナノチューブに直接接触していないため、コンタクト抵抗が大となり、またソース電極/ドレイン電極とチャネル間に容量性のインピーダンスが介在し、高速動作、電流駆動能力の障害になることも考えられる。
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することである。
本発明の一観点によれば、基板と、前記基板上に配置され、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブと、金属的性質を有し、前記内層カーボンナノチューブを覆うと共に内層カーボンナノチューブの長さ方向に亘ってそれぞれ分離された第1〜第3の外層カーボンナノチューブとを有するカーボンナノチューブと、前記第2の外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極と、前記ゲート電極の両側に挟むように形成されたソース・ドレイン電極とよりなり、前記ゲート電極に電圧を印加して、内層カーボンナノチューブの電気伝導度を制御する半導体装置であって、前記第1及び第3の外層カーボンナノチューブに接触し、外層カーボンナノチューブを分離するため電流を供給する分離電流供給用電極を備えると共に、前記ソース・ドレイン電極は内層カーボンナノチューブに接触する半導体装置が提供される。
本発明によれば、ゲート電極が第2の外層カーボンナノチューブに接触し、ゲート電極の両側に設けられたソース・ドレイン電極が内層カーボンナノチューブに直接接触している。したがって、内層カーボンナノチューブとソース・ドレイン電極との間のコンタクト抵抗を低減すると共に容量性のインピーダンスの発生を回避することができる。その結果、高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置を実現することができる。
本発明のその他の観点によれば、基板上に、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ及び金属的性質を有する外層カーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブが配置された半導体装置の製造方法であって、前記基板上に前記カーボンナノチューブを配置あるいは形成する工程と、前記外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極と、ゲート電極の両側に、挟むように形成された分離電流供給用電極との間に電圧を印加し、ゲート電極と分離電流供給用電極との間の外層カーボンナノチューブを除去して内層カーボンナノチューブを露出させる工程と、前記露出された内層カーボンナノチューブに接触するソース・ドレイン電極をゲート電極の両側に挟むように形成する工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、カーボンナノチューブを基板に配置して、分離電流供給用電極とゲート電極との間の外層カーボンナノチューブを精度良く除去し、露出した内層カーボンナノチューブにソース・ドレイン電極を形成するので、ソース・ドレイン電極を外層カーボンナノチューブに接触することなく、内層カーボンナノチューブに正確に接触させることができる。また、分離電流供給用電極及びゲート電極に接触している外層カーボンナノチューブ以外の外層カーボンナノチューブを完全に除去することができるので、余分な外層カーボンナノチューブが残留することを回避して、ソース・ドレイン電極と内層カーボンナノチューブとを完全に接触することができるので信頼性を高めることができる。
本発明によれば、サラウンドゲート構造を有し、高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
まず、本発明の半導体装置の原理を説明する。図2は本発明の半導体装置の基本構造を示す概略図である。図2を参照するに、半導体装置10は、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ11と、内層カーボンナノチューブ11を覆う外層カーボンナノチューブ12からなる。外層カーボンナノチューブ12は内層カーボンナノチューブ11の長手方向の一部分を覆っている。内層カーボンナノチューブ11は半導体的性質を有する、例えばジグザグ型のカーボンナノチューブが用いられる。外層カーボンナノチューブ12は金属的性質を有する、例えばアームチェア型のカーボンナノチューブが用いられる。なお、カーボンナノチューブが半導体的性質を有するか、金属的性質を有するか、についてはカーボンナノチューブのカイラリティ(カーボンナノチューブを構成するグラフェンシートの巻き方向)に依存する。なお、カーボンナノチューブには、形成方法により半導体的性質または金属的性質を有するキラル型もある。
半導体装置10の外層カーボンナノチューブ12にはゲート電極13が接触して設けられ、ゲート電極13の両側に延在する内層カーボンナノチューブ11にソース電極14及びドレイン電極15が接触して設けられる。ゲート電極13に入力された電圧信号に対応して、外層カーボンナノチューブ12から内層カーボンナノチューブ11へ電界が印加され、ソース電極14及びドレイン電極15に接続された内層カーボンナノチューブ11に流れる電流量を制御することができる。半導体装置10がこのようなサラウンドゲート構造を有しているので、外層カーボンナノチューブ12から伸びる電気力線が外部に漏れることがなく短チャネル効果の抑制に有効であり、また、ゲート電極とチャネルとの距離を原子間距離の程度まで縮めることが可能であり、チャネルの電子移動速度が速いことと相まって、電流駆動能力の大幅な向上が期待できる。
本発明の特徴の一つはソース電極14及びドレイン電極15が内層カーボンナノチューブ11に直接に接触していることである。従来の半導体装置ではソース電極及びドレイン電極は外層カーボンナノチューブに接触していた。したがって、コンタクト抵抗が増大し、ソース−ドレイン電流の電流値が制限されていた。また容量性のインピーダンスが生じるので、電流駆動性、高速動作にとっては障害となっていた。本発明はかかる制限及び障害を回避することができ、電流駆動能力及び高速動作に優れている。以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
(第1の実施の形態)
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図3を参照するに、本実施の形態の半導体装置20は、基板21と、基板21を覆う絶縁膜22と、絶縁膜22上に配置され、内層カーボンナノチューブ23と外層カーボンナノチューブ24a〜24cからなるカーボンナノチューブ25と、内層カーボンナノチューブ23に接触するソース電極26及びドレイン電極27と、外層カーボンナノチューブ24bに接触するゲート電極28などから構成されている。さらに、ソース電極26及びドレイン電極27の外側に、絶縁膜22に設けられた溝に導電材料が充填され、外層カーボンナノチューブ24a、24cに接触する分離電流供給用電極29a、29bが形成されている。
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図3を参照するに、本実施の形態の半導体装置20は、基板21と、基板21を覆う絶縁膜22と、絶縁膜22上に配置され、内層カーボンナノチューブ23と外層カーボンナノチューブ24a〜24cからなるカーボンナノチューブ25と、内層カーボンナノチューブ23に接触するソース電極26及びドレイン電極27と、外層カーボンナノチューブ24bに接触するゲート電極28などから構成されている。さらに、ソース電極26及びドレイン電極27の外側に、絶縁膜22に設けられた溝に導電材料が充填され、外層カーボンナノチューブ24a、24cに接触する分離電流供給用電極29a、29bが形成されている。
基板21は、材料は限定されないが、例えばシリコン基板からなり、比抵抗が高く絶縁性を有していてもよく、低比抵抗であってもよい。また、不純物が導入されていてもよく、導入されていなくてもよい。
絶縁膜は、材料は限定されないが、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などをCVD法、スパッタ法などにより基板21上に堆積させてもよく、基板21がシリコン基板の場合は熱酸化膜でもよい。
カーボンナノチューブ25は、内層カーボンナノチューブ23が半導体的性質を有し、外層カーボンナノチューブ24a〜24cが金属的性質を有する。外層カーボンナノチューブはゲート電極28及び分離電流供給用電極が接触する部分以外は後述する方法により除去されている。
分離電流供給用電極29a、29bは、カーボンナノチューブ25の両端付近に設けられる。絶縁膜に溝を形成し、Cu、Alなどの導電材料が充填して形成される。分離電流供給用電極29a、29bは、外層カーボンナノチューブ24a、24cと接触している。分離電流供給用電極29a、29bと外層カーボンナノチューブを覆う導電膜をさらに形成してもよい。分離電流供給用電極29a、29bと外層カーボンナノチューブ24a、24cとの密着性がよくなり、接触抵抗を低減することができる。
分離電流供給用電極29a、29bは、後述する製造方法においてカーボンナノチューブ25の外層カーボンナノチューブ24を分離・除去し、内層カーボンナノチューブ23を露出させるための分離電流を流す際に用いられる。金属的性質を有する外層カーボンナノチューブ24に所定の電流を流すと外側のカーボンナノチューブから切断できるという特性を利用するものである。
ソース電極26及びドレイン電極27は、スパッタ法、蒸着法などにより選択的に形成され、導電材料であれば限定されず、例えばNi、Ti、Pt、Au、Pt−Au合金により形成されている。ソース電極26及びドレイン電極27は、内層カーボンナノチューブ23と直接接触し、オーミック接触を形成していることが好ましい。このような構成により従来のカーボンナノチューブを用いたトランジスタにない低コンタクト抵抗が実現される。
また、ソース電極26及びドレイン電極27は、ゲート電極28に近接して設けること好ましい。例えばソース電極26−ゲート電極28間、ドレイン電極27−ゲート電極28間の間隙は0.05μm〜1μmの範囲に設定することが好ましく、この範囲内であれば、間隙は小さいほどよい。ゲート電極28と接触する外層カーボンナノチューブ24bからの電界からはずれる内層カーボンナノチューブ23の部分を短小化することができる。なお、ソース電極26又はドレイン電極27と、ゲート電極28又は、ゲート電極28が接触する外層カーボンナノチューブ24bとの間に、絶縁膜、例えばシリコン窒化膜よりなる絶縁膜を設けてもよい。ソース電極26又はドレイン電極27とゲート電極28又は外層カーボンナノチューブ24bとの接触やリークを回避することができる。
ゲート電極28は、スパッタ法、蒸着法などにより選択的に形成され、例えば厚さ100nmのNi、Ti、Pt、Au、Pt−Au合金、Al、W、ポリシリコン等の導電材料により形成されている。ゲート電極28は外層カーボンナノチューブ24bに接触し、オーミックコンタクトを形成している。ゲート電極28に電圧可変信号を入力することにより、ソース電極26及びドレイン電極27を接続する内層カーボンナノチューブ23を流れる電流量を制御することができる。
以下、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図4〜図9は第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
図4の工程では、シリコン基板、セラミックス基板などからなる基板21表面に、スパッタ法、CVD法などにより厚さ20nmのシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などからなる絶縁膜22を形成する。なお、基板21が絶縁性を有する場合は絶縁膜を設けなくてもよい。
図4の工程ではさらに、絶縁膜22上にレジスト膜(図示せず)を形成し、パターン開口を設けRIE法により研削して溝22−1、22−2を形成する。次いで溝22−1、22−2にスパッタ法、蒸着法、めっき法などによりCu、Alなどの導電材料を充填し、分離電流供給用電極29a、29bを形成する。次いで、レジスト膜を除去し、CMP法、エッチング法により、絶縁膜22と分離電流供給用電極29a、29bの表面を平坦化する。
次いで図5の工程では、前記絶縁膜22上に分離電流供給用電極29a、29bに亘るように内層カーボンナノチューブ23及び外層カーボンナノチューブ24よりなるカーボンナノチューブ25を配置する。多層カーボンナノチューブ25は、予めアーク放電法、レーザアブレーション法、炭化水素触媒分解法などにより生成し、精製したものを用いることができる。なお、カーボンナノチューブ25を配置した後、分離電流供給用電極29a、29bの部分をパターン開口したレジスト膜を形成し、スパッタ法などにより厚さ約100nmのTi膜等の導電材料により被覆してもよい。外層カーボンナノチューブ24と分離電流供給用電極29a、29bとのコンタクト抵抗を一層低減することができる。
次いで図6の工程では、絶縁膜及びカーボンナノチューブ25上にレジスト膜31を形成し、ゲート電極28を形成する開口部31−1を形成する。次いで、スパッタ法、真空蒸着法などにより厚さ100nmのAu膜よりなるゲート電極28を形成する。
次いで図7の工程では、レジスト膜31を除去し、ゲート電極28−分離電流供給用電極29a、29bに電源32を接続し、ゲート電極28−分離電流供給用電極29a、29b間のカーボンナノチューブ25に電流を流す。”Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown”(Philip G. Collins et al., Science, vol. 292 pp.706-709 (2001))に記載されているように、カーボンナノチューブ25に過電流を流すことにより、ゲート電極28−分離電流供給用電極29a、29b間のカーボンナノチューブ25が外側の層から1層ずつ焼き切られ、除去される。すなわちゲート電極28及び分離電流供給用電極29a、29bが接触する外層カーボンナノチューブ24a〜24cのみが残留し、ゲート電極28−分離電流供給用電極29a、29b間の外層カーボンナノチューブ24が除去される。
ここで、外層カーボンナノチューブ24の1層が分離されると1ステップの電流が減少するので、カーボンナノチューブ25に流れる電流値をモニタすることにより残留する層数を計数できる。そこで、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ23のみ残留するところで電圧の印加を停止する。
このようにして、図8に示すように、外層カーボンナノチューブ24はゲート電極28及び分離電流供給用電極29a、29bが接触している外層カーボンナノチューブ24a〜24cのみが残り、他の部分の外層カーボンナノチューブは蒸発(燃焼)して除去される。
次いで図9の工程では、図8の構造体を覆うレジスト膜33を形成し、ゲート電極28と分離電流供給用電極29a、29bとの間に開口部33−1、33−2を形成する。ついで、スパッタ法、真空蒸着法などにより、内層カーボンナノチューブ23を覆う厚さ100nmのTi膜のソース電極26及びドレイン電極27を形成する。次いで、レジスト膜33を除去して、図3に示す本実施の形態の半導体装置が形成される。なお、さらに、層間絶縁膜、配線層(図示せず)などを形成し、公知の方法によりゲート電極28、ソース電極26、及びドレイン電極27にビア等により配線を行う。
本実施の形態に係る製造方法によれば、カーボンナノチューブ25を基板21に配置して、ゲート電極28と分離電流供給用電極29a、29bとの間の外層カーボンナノチューブ24を精度良く除去し、ソース電極26及びドレイン電極27を形成するので、ゲート電極28が接触する外層カーボンナノチューブ24bに接触することなく、内層カーボンナノチューブ23に正確に接触させることができる。
また、ゲート電極28と分離電流供給用電極29a、29bとが接触している外層カーボンナノチューブ24以外の外層カーボンナノチューブを完全に除去することができるので、余分な外層カーボンナノチューブが残留することを回避し、ソース電極26及びドレイン電極27と内層カーボンナノチューブ23とを完全に接触することができるので信頼性を高めることができる。
なお、カーボンナノチューブ25は外層カーボンナノチューブ24と内層カーボンナノチューブ23がそれぞれ1層からなる2層カーボンナノチューブでもよい。外層カーボンナノチューブ24bからのゲート作用をチャネルに、より効果的に及ぼすことができる。
また、図5の工程においてカーボンナノチューブ25をCVD法により形成してもよい。図10及び図11は、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の変形例を示す図である。図10の工程では、分離電流供給用電極29a、29b上に選択的に、Fe、Ni、Co、Mo、W、及びこれらの合金からなる触媒層34a、34bを形成する。ここでは厚さ50nmのFeよりなる触媒層34a、34bを形成する。
図10の工程ではさらに、例えばプラズマCVD法により、プロセスガスとしてアセチレンガス、キャリアガスとして水素ガスを用い、圧力160Pa(1200mTorr)、温度700℃、RFパワーを100Wに設定し、電界Eを分離電流供給用電極29a、29b同士を結ぶ方向に印加して、600秒間処理を行う。その結果、図11に示すように触媒層34a、34b間にカーボンナノチューブ25を形成することができる。なお、触媒層34a、34bは、分離電流供給用電極29a、29b上に形成する替わりに、分離電流供給用電極29a、29bの外側に形成して、カーボンナノチューブ25が分離電流供給用電極29a、29b間に亘って形成されるようにしてもよい。
図12は、本発明の第1の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図12を参照するに、本変形例の半導体装置40は、ゲート電極41が絶縁膜22に埋め込まれている以外は第1の実施の形態の半導体装置と同様である。
ゲート電極41は、Ni、Ti、Pt、Au、Pt−Au合金、Al、W、ポリシリコン等の導電材料よりなり、分離電流供給用電極29a、29bの導電材料と同一であってもよく、異なってもよい。ゲート電極を形成する溝の深さは約100nm程度に設定し、溝22−3は分離電流供給用電極29a、29bに溝22−1、22−2と同時に形成することが好ましい。
なお、ゲート電極41は絶縁膜22上に形成してもよい。さらに、ゲート電極41と外層カーボンナノチューブ24bを導電材料によって覆ってもよい。コンタクト抵抗を低減することができる。
本変形例によれば、カーボンナノチューブ25を配置前にゲート電極41を形成するので、ゲート電極41を形成する際のレジスト工程等でのカーボンナノチューブ25に与える損傷等の影響を回避することができる。
(第2の実施の形態)
図13は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図13は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図13を参照するに、本実施の形態の半導体装置50は、基板51と、基板51を覆う絶縁膜52と、絶縁膜52上に配置され、内層カーボンナノチューブ23と外層カーボンナノチューブ24a〜24cからなるカーボンナノチューブ25と、内層カーボンナノチューブ23に接触するソース電極26及びドレイン電極27と、外層カーボンナノチューブ24bに接触するゲート電極28(以下、「第1ゲート電極28」という。)、基板51の反対側に設けられた第2ゲート電極54などから構成されている。さらに、ソース電極26及びドレイン電極27の外側に、絶縁膜52上の外層カーボンナノチューブ24a、24cを覆う分離電流供給用電極53a、53bが設けられている。
本実施の形態の基板51は、例えばP+形のシリコン基板、比抵抗が0.01Ω・cm程度の低比抵抗の基板を用いる。
絶縁膜52は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などからなり、シリコン酸化膜換算膜厚が1nm〜100nmに設定される。絶縁膜52は第2ゲート(第2ゲート電極54+基板51)に対しての内層カーボンナノチューブ23をチャネルとする絶縁膜として機能する。第2ゲート電極54に可変電圧信号を入力して、チャネルの電流を駆動する場合はこの範囲で薄い方がよく、シリコン酸化膜換算膜厚が1nm〜5nmであることが好ましい。また、第2ゲート電極54に直流バイアス電圧信号を入力して、チャネルソース端あるいはチャネルドレイン端の電位を下げ、チャネル(内層カーボンナノチューブ23)−ソース電極間あるいはチャネル(内層カーボンナノチューブ23)−ドレイン電極間の抵抗を低減する場合は、絶縁膜52は比較的厚くてもよくシリコン酸化膜換算膜厚が1nm〜100nmであることが好ましい。
第2ゲート電極54は基板51の裏面に、スパッタ法、真空蒸着法により、例えばTi膜(厚さ10nm)、Au膜(厚さ300nm)をこの順に積層した積層膜よりなりなる。第2ゲート電極54は、基板51と共に第2ゲートとして機能する。第2ゲート電極54は、基板51の主面に絶縁膜52を形成する前に行ってもよく、絶縁膜52を形成した後に行ってもよい。
分離電流供給用電極53a、53bは、スパッタ法などにより、レジスト膜をパターニングして、例えばTi膜(厚さ100nm)を絶縁膜52上に配置したカーボンナノチューブ25を覆うように形成する。形成方法及び材料はゲート電極と同時にレジスト膜に開口部を設けて、スパッタ法等により形成すればよい。なお、分離電流供給用電極53a、53bを設ける部分に厚さ150nmの絶縁膜52を設け、第1の実施の形態と同様に絶縁膜52に深さ100nmの溝を形成し、Tiなどの導電材料を充填して分離電流供給用電極53a、53bとしてもよい。
本実施の形態によれば、ソース電極と第1ゲート電極との間及び第1ゲート電極とドレイン電極との間の内層カーボンナノチューブ23に第2ゲート電極54に印加した電圧によりゲート作用を働かせて、内層カーボンナノチューブ23のキャリア密度を向上させて電気伝導度を向上させることができる。
図14は、本発明の第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図14を参照するに、基板61と、基板61の表面に埋め込まれた第2ゲート電極62と、基板61及び第2ゲート電極62を覆う絶縁膜52と、絶縁膜52上に配置され、内層カーボンナノチューブ23と外層カーボンナノチューブ24a〜24cからなるカーボンナノチューブ25と、内層カーボンナノチューブ23に接触するソース電極26及びドレイン電極27と、外層カーボンナノチューブ24bに接触する第1ゲート電極28などから構成されている。さらに、ソース電極26及びドレイン電極27の外側に、絶縁膜52上の外層カーボンナノチューブ24a、24cを覆う分離電流供給用電極53a、53bが設けられている。
本変形例の半導体装置60は、第2ゲート電極62が基板61に埋め込まれ、絶縁性の基板61が用いられている以外は第2の実施の形態の半導体装置と同様である。
基板61は、比抵抗の高い、すなわち絶縁性の基板であれば特に限定されない。例えば、不純物イオンが導入されていない、あるいは不純物イオンの導入量の少ないシリコン基板を用いることができる。
第2ゲート電極62は第2の実施の形態の第2ゲート電極54と同様の材料を用いることができ、少なくともソース電極26〜ドレイン電極27間のカーボンナノチューブに対向する幅に亘って形成されている。
第2ゲート電極62には、上述したように直流バイアス電圧信号又は可変電圧信号が入力されて、第2の実施の形態と同様の効果を奏すると共に、第2の実施の形態と比較して、第2ゲート電極62によるゲート容量を低減することができる。したがって、高速動作に対応することができる。
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、第1の実施の形態の変形例と、第2の実施の形態又は第2の実施の形態の変形例を組み合わせてもよい。
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1) 基板と、
前記基板上に配置され、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブと、金属的性質を有し、前記内層カーボンナノチューブを覆うと共に内層カーボンナノチューブの長さ方向に亘ってそれぞれ分離された第1〜第3の外層カーボンナノチューブとを有するカーボンナノチューブと、
前記第2の外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に挟むように形成されたソース・ドレイン電極とよりなり、
前記ゲート電極に電圧を印加して、内層カーボンナノチューブの電気伝導度を制御する半導体装置であって、
前記第1及び第3の外層カーボンナノチューブに接触し、外層カーボンナノチューブを分離するため電流を供給する分離電流供給用電極を備えると共に、
前記ソース・ドレイン電極は内層カーボンナノチューブに接触することを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記ソース・ドレイン電極が内層カーボンナノチューブとオーミック接触を形成していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
(付記3) 前記ソース・ドレイン電極とゲート電極との間に更に電極間絶縁膜を備えることを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記4) 前記ゲート電極が、基板と第2の外層カーボンナノチューブとの間に設けられていることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記5) 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、前記基板の裏面に他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする付記1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記6) 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、
前記基板と絶縁膜との間に、前記カーボンナノチューブに電界を印加する他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする付記1〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記7) 前記カーボンナノチューブは外層カーボンナノチューブ及び内層カーボンナノチューブが各々1層からなること特徴とする付記1〜6のうち、いずれか一項半導体装置。
(付記8) 基板上に、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ及び金属的性質を有する外層カーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブが配置された半導体装置の製造方法であって、
前記基板上に前記カーボンナノチューブを配置あるいは形成する工程と、
前記外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と、ゲート電極の両側に、挟むように形成された分離電流供給用電極との間に電圧を印加し、ゲート電極と分離電流供給用電極との間の外層カーボンナノチューブを除去して内層カーボンナノチューブを露出させる工程と、
前記露出された内層カーボンナノチューブに接触するソース・ドレイン電極をゲート電極の両側に挟むように形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記カーボンナノチューブは、基板上に触媒層を形成し、CVD法を用いて該触媒層を核として成長されてなることを特徴とする付記8記載の半導体装置の製造方法。
(付記1) 基板と、
前記基板上に配置され、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブと、金属的性質を有し、前記内層カーボンナノチューブを覆うと共に内層カーボンナノチューブの長さ方向に亘ってそれぞれ分離された第1〜第3の外層カーボンナノチューブとを有するカーボンナノチューブと、
前記第2の外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に挟むように形成されたソース・ドレイン電極とよりなり、
前記ゲート電極に電圧を印加して、内層カーボンナノチューブの電気伝導度を制御する半導体装置であって、
前記第1及び第3の外層カーボンナノチューブに接触し、外層カーボンナノチューブを分離するため電流を供給する分離電流供給用電極を備えると共に、
前記ソース・ドレイン電極は内層カーボンナノチューブに接触することを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記ソース・ドレイン電極が内層カーボンナノチューブとオーミック接触を形成していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
(付記3) 前記ソース・ドレイン電極とゲート電極との間に更に電極間絶縁膜を備えることを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記4) 前記ゲート電極が、基板と第2の外層カーボンナノチューブとの間に設けられていることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記5) 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、前記基板の裏面に他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする付記1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記6) 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、
前記基板と絶縁膜との間に、前記カーボンナノチューブに電界を印加する他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする付記1〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記7) 前記カーボンナノチューブは外層カーボンナノチューブ及び内層カーボンナノチューブが各々1層からなること特徴とする付記1〜6のうち、いずれか一項半導体装置。
(付記8) 基板上に、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ及び金属的性質を有する外層カーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブが配置された半導体装置の製造方法であって、
前記基板上に前記カーボンナノチューブを配置あるいは形成する工程と、
前記外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と、ゲート電極の両側に、挟むように形成された分離電流供給用電極との間に電圧を印加し、ゲート電極と分離電流供給用電極との間の外層カーボンナノチューブを除去して内層カーボンナノチューブを露出させる工程と、
前記露出された内層カーボンナノチューブに接触するソース・ドレイン電極をゲート電極の両側に挟むように形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記カーボンナノチューブは、基板上に触媒層を形成し、CVD法を用いて該触媒層を核として成長されてなることを特徴とする付記8記載の半導体装置の製造方法。
10、20、40、50、60 半導体装置
11、23 内層カーボンナノチューブ
12、24、24a〜24c 外層カーボンナノチューブ
13、28、41 ゲート電極
14、26 ソース電極
15、27 ドレイン電極
21、51、61 基板
22、52 絶縁膜
25 カーボンナノチューブ
29a、29b、53a、53b 分離電流供給用電極
54、62 第2ゲート電極
11、23 内層カーボンナノチューブ
12、24、24a〜24c 外層カーボンナノチューブ
13、28、41 ゲート電極
14、26 ソース電極
15、27 ドレイン電極
21、51、61 基板
22、52 絶縁膜
25 カーボンナノチューブ
29a、29b、53a、53b 分離電流供給用電極
54、62 第2ゲート電極
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に配置され、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブと、金属的性質を有し、前記内層カーボンナノチューブを覆うと共に内層カーボンナノチューブの長さ方向に亘ってそれぞれ分離された第1〜第3の外層カーボンナノチューブとを有するカーボンナノチューブと、
前記第2の外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に挟むように形成されたソース・ドレイン電極とよりなり、
前記ゲート電極に電圧を印加して、内層カーボンナノチューブの電気伝導度を制御する半導体装置であって、
前記第1及び第3の外層カーボンナノチューブに接触し、外層カーボンナノチューブを分離するため電流を供給する分離電流供給用電極を備えると共に、
前記ソース・ドレイン電極は内層カーボンナノチューブに接触することを特徴とする半導体装置。 - 前記ソース・ドレイン電極が内層カーボンナノチューブとオーミック接触を形成していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、前記基板の裏面に他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、
前記基板と絶縁膜との間に、前記カーボンナノチューブに電界を印加する他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置。 - 基板上に、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ及び金属的性質を有する外層カーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブが配置された半導体装置の製造方法であって、
前記基板上に前記カーボンナノチューブを配置あるいは形成する工程と、
前記外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と、ゲート電極の両側に、挟むように形成された分離電流供給用電極との間に電圧を印加し、ゲート電極と分離電流供給用電極との間の外層カーボンナノチューブを除去して内層カーボンナノチューブを露出させる工程と、
前記露出された内層カーボンナノチューブに接触するソース・ドレイン電極をゲート電極の両側に挟むように形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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