JP2006244871A - 粒子を堆積する方法、電子放出装置及びトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 ナノサイズの微粒子を高精度に堆積させる方法を提供すること。
【解決手段】 本方法は、基板上に絶縁層及び導電層の交互層を形成し、前記交互層の一部を除去し、交互層の下地を露出させ、１以上の導電層に所定の電位を与え、帯電した粒子を交互層の下地へ導く。導電層に適切な電位を与えることで、粒子の軌道が制御され、露出した下地層に高精度に粒子を設けることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般に半導体装置の微細加工技術に関し、特にナノサイズの微粒子を堆積する方法並びにその堆積法を用いて作成された電子放出装置及びトランジスタに関する。

ＬＳＩの微細化に伴って、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたデバイスが、現在注目されている。そのようなデバイスでは、ＣＮＴを意図する向きや大きさに形成することで、電極やチャネルが形成される。ＣＮＴは、何らかの方法で設けられた触媒微粒子を起点に成長する性質を有する。そのため、直径がナノメートルオーダーの微粒子（触媒微粒子等）を、所望の場所や領域に適切に設けることは、この種の技術分野で特に重要である。差動排気や、エアロダイナミックレンズを用い、基板面に垂直に微粒子が入射するようにして、高アスペクト比のホール底部に微粒子を設ける技術については、例えば特許文献１に記載されている。
特開２００５−２２８８６号公報

ところで、基板の一部に微粒子を設ける際に、従来は、フォトリソグラフィ法や電子線露光法等のパターニング技術を利用していた。しかしながら、フォトリソグラフィ法でのパターニング精度は高々百ナノメートル程度に過ぎず、この方法は、微粒子の配置に数十ナノメートルのような高い精度を要する次世代の素子に適切ではない。電子線露光法を用いれば、幾分高精度化を図ることもできるが、この方法はパターンを１つ１つ描画しなければならないので、高精度化すればするほどスループットが悪化する等の点で、好都合な方法とはいえない。

本発明の課題は、ナノサイズの微粒子を高精度に堆積させる方法並びに高精度に加工された電子放出装置及びトランジスタを提供することである。

本発明では、基板上に絶縁層及び導電層の交互層を形成し、前記交互層の一部を除去し、交互層の下地を露出させ、１以上の導電層に所定の電位を与え、帯電した粒子を交互層の下地へ導くことを特徴とする粒子を堆積する方法が、使用される。

本発明によれば、ナノサイズの微粒子を高精度に堆積させることができる。

本発明の一態様では、基板上に絶縁層及び導電層の交互層が形成され、前記交互層の一部が除去され、交互層の下地が露出し、凹部状の断面形状を有するホール又は溝が形成される。１以上の導電層に所定の電位が与えられ、帯電した粒子は交互層の下地へ導かれる。導電層に適切な電位を与えることで、粒子の軌道が制御され、露出した下地層に高精度に粒子を設けることができる。凹部状の断面形状を有するホールは、例えば円筒状に形成され、帯電した微粒子は、下地層上で微小な円形領域に集められる（円形に集束して堆積される。）。

本発明の一態様では、前記交互層が３以上の導電層を有し、前記３つの導電層のうち両側の層に同電位を与え、間の一つの層に別の電位が与えられる。これにより、静電レンズと同様な原理を用いて、粒子を微小領域に収束させることができる。即ち、導電層に適切な電位を与えることで、微粒子が通過する凹部の内部及び近辺の電位分布を好ましく制御することができる。

本発明の一態様では、前記交互層の下地に、帯電した粒子が直線状に並べられる。また前記粒子は、カーボンナノチューブ用の触媒微粒子でもよい。粒子の並ぶ直線と垂直に電場をかけながらカーボンナノチューブを成長させることで、複数のＣＮＴを平行に多数形成することができる。なお、微粒子は、磁性を帯びていてもよい。

本発明の一態様では、基板上に絶縁層を介して積層された複数の導電層と、前記絶縁層及び導電層の一部を貫通し、前記基板の一部を露出させる凹部内に形成された電子放出部と、前記導電層に与える電位を調整する手段とを備える電子放出装置が使用される。複数の導電層が基板上に設けられるので、それらに電圧を適切に印加することで、荷電粒子を凹部の中心部に高精度に配置させることができる。その微粒子を基点に成長させられたＣＮＴを電子放出部にすることができる。粒子の軌道を制御するのに使用された導電層は、電子放出部から電子を引き出すこと、電子の軌道を制御すること、電子の速度を制御すること等にも使用することができる。

本発明の一態様によれば、基板上に絶縁層を介して積層された複数の導電層と、前記絶縁層及び導電層の一部を貫通する凹部の底面の一部から内壁面に沿って導電層上に至る導電性経路と、１以上の導電層に与える電位を調整する手段とを備えるトランジスタが、使用される。凹部は、前記基板の一部を露出させる開口状に形成される。一態様では、前記導電性経路がＣＮＴより成るチャネルを形成し、前記導電層の少なくとも１つがゲート電極を形成する。これにより、非常に微細なトランジスタを形成することができる。この態様では、複数の導電層は、粒子の軌道を制御するのに使用されるだけでなく、ＣＮＴを所定の方向に成長させるために印加する電場の電極に使用することができ、トランジスタの完成後には１以上の導電層がゲート電極にもなる。この態様では、ＣＮＴを利用する微細なトランジスタを極めて効率的に作成することができる。

図１は、本発明の一実施例で使用されるシステムを示し、このシステムは基板に粒子を堆積させるために使用される。本システムは、パーティクル生成チャンバ１１と、アニール炉１３と、微分式電気移動度測定器（ＤＭＡ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｅｒ）等より成る分級器１５と、堆積用チャンバ１７とを有する。パーティクル生成チャンバ１１内には、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）等のような触媒金属を含むターゲット材料１２が設けられ、そこにレーザビームが照射される。レーザには例えば２倍波のＮｄ：ＹＡＧパルスレーザが使用されてもよい。レーザアブレーションにより、ターゲット１２上にプルームが形成され、金属蒸気が放出される。パーティクル生成チャンバ１１内は、例えば１０Ｔｏｒｒ程度の圧力に維持され、そこには例えば１リットル／分程度の流量でヘリウム（Ｈｅ）ガスが導入されている。その結果、蒸発した金属は、冷却され、その一部が正または負に帯電した微粒子になる。その後、微粒子はアニール炉１３で熱処理に委ねられ、その結晶性が制御される。これら粒子のうち荷電されたものはＤＭＡ１５で分級され、所定の範囲内の直径を有する均一な粒子群が、例えば１Ｔｏｒｒ程度の真空度に維持された堆積用チャンバ１７に導入される。堆積用チャンバ１７内には、微粒子が設けられる基板が可動ステージに適切に配置されている。

図２は、堆積用チャンバ１７内に設けられる基板に形成された構造の一部を示す。図示されているように、本実施例では、例えば半導体材料より成る基板２１上に、絶縁層及び導電層の交互層が設けられており、基板２１側から順に、絶縁層２２、導電層２３、絶縁層２４、導電層２５、絶縁層２６及び導電層２７が順に積層されている。絶縁層は、典型的には酸化膜であるが、パターニング用のレジストでもよい。絶縁層は、例えば１０００ｎｍ程度に成膜され、ＣＶＤ法のような適切ないかなる成膜法で堆積されてもよい。導電層は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、チタンナイトライド（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等から構成されてもよい。導電層は蒸着法、スパッタリング法のような適切ないかなる方法で成膜されてもよい。更に、基板に形成された導電層及び絶縁層の交互層には、それらを貫通し、基板を露出せる複数のホール又は凹部２９が形成されている。図示の例では、８つのホールが形成されている。本実施例では、各ホールの直径は約２００ナノメートル程度であり、このようなサイズのホールは、フォトリソグラフィ法のようなパターニング技術を利用して簡易に形成することができる。ホール又は凹部の形状は、図示されているような円筒状に限定されず、凹部状の断面形状を有し、長さ方向に伸びる溝として形成されてもよい。後述されるように、凹部内の窪みで形成される空間に、適切な電場を印加することができればよいからである。

図３は、図２に示される構造の部分断面図を示す。図では、１つのホール２９を含む領域が示され、ホール２９が凹部状の断面形状を形成し、その底部で基板２１を露出させている様子が示される。図２で説明済みの要素には同じ参照番号が付されている。説明の便宜上、図１の分級器１５から導入される粒子は、正に帯電したコバルト（Ｃｏ）の荷電粒子であるとする。また、この荷電粒子は、５ｎｍ程度の直径を有し、２００ｍ／ｓ程度の速度で基板２１に向かうものとする。図３の３つの導電層には所定の大きさの電位が与えられる。本実施例では、下位及び上位の導電層２３，２７及び基板２１は、接地電位に維持される。中位の導電層２５は、一般に数ボルト乃至１００ボルト程度の電位に維持され、ここでは約１０ボルト程度の電位に維持される。

上記のように導電層に電位が与えられていると、図中の実線矢印に示されるように、中位の導電層２５（高電位側）から下位及び上位の導電層２３，２７（低電位側）に向けて、電場が形成される（導電層は互いに等間隔で隔てられているものとする。）この電場は、凹部内では場所に依存して異なり、基板２１に飛来する正の粒子は、その電場に影響されてその軌道が変化する。そして、導電層２３，２５，２７の電位により凹部内の電場分布を適切に制御することで、粒子の軌道を基板２１の微小な領域に絞り込むことができる。この結果、例えば２０ナノメートル程度の微小な範囲内に粒子を集めることができる。仮に、電場が印加されなかったならば、粒子は２００ナノメートルの直径を有する底部全域に堆積することになろう。

上述したように、微細な領域に微粒子を堆積することは、従来のフォトリソグラフィ法では困難であるが、電子線露光法では数十ナノメートル程度の微細なパターンを描画できるため、それは不可能ではない。この場合、電子線によりレジストに微細なパターンが描画され、現像され、レジスト及び露出面全域に微粒子が成膜され、レジストを除去することで、露出していた部分だけに微粒子がパターニングされる。これに対して、上記の手法によれば、凹部全面（例えば２００ナノメートル径の領域）に入射した微粒子が上記の露出面に相当する必要な箇所（例えば２０ナノメートル径の領域）に限定されるので、必要な箇所に例えば一層の微粒子を堆積したい場合、必要な微粒子の量は電子線露光法を用いた場合に比較して少なくて済む。本実施例によれば、使用する微粒子の量が少なくて済むので、微粒子を設ける工程に要する時間も少なくて済む。例えば、上記の数値例では必要な粒子量及び時間は、従来法に比べて１／１００に減らせる。

本実施例により基板に微粒子が適切に設けられた後では、絶縁層及び導電層の交互層は除去されてもよいし、残されてもよい。除去される場合は、除去が容易であるように、絶縁層はレジスト等で成膜されることが望ましい。

実施例２では、絶縁層及び導電層の交互層は、微粒子を設けた後も残され、最終的なデバイスの一部を構成する。本実施例では、最終的なデバイスは電子放出装置であるが、本発明はこれに限定されない。

本実施例では、実施例１のようにして設けられた微粒子４１（図４）を基点にして、カーボンナノチューブ４２が成長させられる。この成長工程は、例えばコバルト（Ｃｏ）より成る微粒子４１がパターニングされた基板をＣＶＤ炉に導入し、熱処理を行うことによって実行される。熱処理は、例えば基板温度を５４０℃とし、例えば２００ｓｃｃｍ（単位体積（ｃｍ^３）／分）のアセチレン・アルゴン混合ガス（組成比１：１０）を原料ガスとする熱ＣＶＤ法により行われる。ＣＮＴは、プロセス条件にもよるが、例えば１分間で１００ｎｍ程度成長させることができる。

図４は、このようにして作成された構造を示す。参照番号４２で示されるＣＮＴを含むこの構造は、電子源又は電子放出部として利用することができる。更に、微粒子４１の軌道制御に使用された導電層２３，２５，２７は、電子源のゲート電極又は電子の引き出し電極として使用できる。例えば、図示されているように、上位の導電層２７に高電位を与え、基板２１に低電位を与えることで、ＣＮＴに高い電圧を与えることができ、その電圧が閾電圧を超えるならば、電子が放出される。

図５は、ＣＮＴを電子源に使用する電子放出装置の従来例を示す。このような電子放出装置については、例えば、Ｉｔｏ
ｅｔ ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ． Ｌｅｔｔ．， ２２ （２００１） ４２６．に記載されている。図示されているように、従来例ではＣＮＴは凹部内全域に一様に分布するような構造が形成される。一方、凹部内側の電位又は電界強度は、引き出し電極からの距離に応じて異なるので、凹部の中央と端部（絶縁層の内壁部）では異なる大きさになる。従って、引き出し電極に印加する電圧を０から徐々に大きくしていった場合に、端部付近に位置するＣＮＴは、中央付近に位置するＣＮＴよりも先に電子を放出することになる。一般に、電極に近い側の電界強度は、電極から離れた中央付近のものより大きくなる。このため、一部のＣＮＴが電子を放出し始める電圧と、総てのＣＮＴが電子を放出する電圧との間に隔たりが生じ、装置全体から電子を放出させる閾電圧にばらつきが生じる。これは、電子放出装置の制御性の観点からは不都合である。これに対して、図４に示されるように、凹部内の一定の箇所だけに（例えば中央付近にのみ）ＣＮＴを設けることができれば、そのような閾値のばらつきは実質的になくなり、電子放出装置の制御性が非常に好都合になる。

本実施例によれば、粒子を基板に導入する際に使用された導電層が、電子放出装置の引き出し電極にも使用される。更に、作成済みの複数の導電層は、引き出し電極だけでなく、電子を加速又は減速するための調整用の電極にも使用できる。したがって、本実施例によれば、電子放出装置の製造工程において、電子を放出する基点を作成する工程と、放出される電子を制御するための電極を作成する工程とを一緒に行うことができ、製造工程を著しく効率化させることができる。

図６は、本発明の一実施例によるトランジスタの基本構造（横端面図）を示す。上記の実施例と同様に、導電層２３，２５，２７に適切な電位が与えられ、ＣＮＴ用の触媒微粒子４１が基板２１上にパターニングされる。本実施例では、図中右側の導電層に例えば５ボルトのような適切な電圧を印加しながら、ＣＮＴが成長させられる。ＣＮＴは電場の向きに成長するので、図示されるように、ＣＮＴは、凹部の底部から内壁面に沿って成長し、上位の導電層２７（右側）に至る。本実施例では、凹部の内壁に絶縁層６２が設けられている。絶縁層６２は、凹部の領域が形成される前又は後の何れの時点でも設けることができる。ＣＮＴはチャネルを形成し、下位及び中位の導電層２３，２５はゲート電極を形成し、基板２１及び上位の導電層２７はソース及びドレインを形成し、全体として１つのトランジスタが形成される。

図７（平面図）に示されるように、本発明によれば、微粒子４１を直線状に並べることができる。このため、それらを基点として、多数のＣＮＴを互いに平行に成長させることができ、チャネルに流れる電流量を容易に大きくすることができる。これに対して、従来の方法では微粒子４１を直線状に並べることは困難であるので、図８に示されるように、ある面内に一様に微粒子４１が分布してしまう。これらの微粒子を基点にＣＮＴを成長させると、例えば同電極内の微粒子がＣＮＴにより架橋されてしまう。また、成長の進行方向に存在する別のＣＮＴのため、複数のチューブが結束されたバンドル構造が形成されてしまう場合も考えられる。このような構造はもはや単一のチューブの集合ではなく、電気的性質も単一のＣＮＴとは大きく相違するので、トランジスタの動作特性も大きく変わってしまう。

以下、本発明により教示される手段を例示的に列挙する。

（付記１）
基板上に絶縁層及び導電層の交互層を形成し、
前記交互層の一部を除去し、交互層の下地を露出させ、
１以上の導電層に所定の電位を与え、帯電した粒子を交互層の下地へ導く、
ことを特徴とする粒子を堆積する方法。

（付記２）
前記交互層が、３以上の導電層を有する
ことを特徴とする付記１記載の方法。

（付記３）
前記３つの導電層の間に介在する２つの絶縁層に、大きさが等しく向きの異なる電場が印加されるように、１以上の導電層に電位が与えられる
ことを特徴とする付記２記載の方法。

（付記４）
前記粒子が、カーボンナノチューブ用の触媒微粒子である
ことを特徴とする付記１記載の方法。

（付記５）
基板上に絶縁層を介して積層された複数の導電層と、
前記絶縁層及び導電層の一部を貫通し、前記基板の一部を露出させる凹部内の一部に形成された電子放出部と、
前記導電層に与える電位を調整する手段と、
を備えることを特徴とする電子放出装置。

（付記６）
前記電子放出部が、微粒子より成る
ことを特徴とする付記５記載の電子放出装置。

（付記７）
前記電子放出部が、微粒子及び該微粒子から成長したカーボンナノチューブより成る
ことを特徴とする付記５記載の電子放出装置。

（付記８）
前記電子放出部を構成する微粒子が、基板の一部に集束して堆積されている
ことを特徴とする付記５記載の電子放出装置。

（付記９）
前記電子放出部が、カーボンナノチューブより成る
ことを特徴とする付記５記載の電子放出装置。

（付記１０）
基板上に絶縁層を介して積層された複数の導電層と、
前記絶縁層及び導電層を貫通する凹部の底面の一部から前記凹部の内壁面に沿って導電層に至る導電性経路と、
１以上の導電層に与える電位を調整する手段と、
を備えることを特徴とするトランジスタ。

（付記１１）
前記凹部が、前記複数の導電層を貫通する開口状に形成される
ことを特徴とする付記１０記載のトランジスタ。

（付記１２）
前記導電性経路がチャネルを形成し、前記導電層の少なくとも１つがゲート電極を形成する
ことを特徴とする付記１０記載のトランジスタ。

（付記１３）
チャネルを形成する前記導電性経路が、カーボンナノチューブより成る
ことを特徴とする付記１０記載のトランジスタ。

本発明の一実施例に使用可能な粒子を堆積させるシステムを示す。 本発明の一実施例による基板構造を示す図である。 本発明の一実施例による基板構造を示す図である。 本発明の一実施例による電子放出装置を示す図である。 従来例による電子放出装置を示す図である。 本発明の一実施例によるトランジスタの横端面図である。 本発明の一実施例によるトランジスタの部分的な平面図である。 従来法で作成したチャネルを表現する図である。

符号の説明

２１ 基板
２２，２４，２６ 絶縁増
２３，２５，２７ 導電層
２９ ホール又は凹部
４１ 微粒子
４２ ＣＮＴ
６２ 絶縁層

Claims (5)

1. 基板上に絶縁層及び導電層の交互層を形成し、
   前記交互層の一部を除去し、交互層の下地を露出させ、
   １以上の導電層に所定の電位を与え、帯電した粒子を交互層の下地へ導く、
   ことを特徴とする粒子を堆積する方法。
2. 前記交互層が、３以上の導電層を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記３つの導電層の間に介在する２つの絶縁層に、大きさが等しく向きの異なる電場が印加されるように、１以上の導電層に電位が与えられる
   ことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 基板上に絶縁層を介して積層された複数の導電層と、
   前記絶縁層及び導電層の一部を貫通し、前記基板の一部を露出させる凹部内の一部に形成された電子放出部と、
   前記導電層に与える電位を調整する手段と、
   を備えることを特徴とする電子放出装置。
5. 基板上に絶縁層を介して積層された複数の導電層と、
   前記絶縁層及び導電層を貫通する凹部の底面の一部から前記凹部の内壁面に沿って導電層に至る導電性経路と、
   １以上の導電層に与える電位を調整する手段と、
   を備えることを特徴とするトランジスタ。
   

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