JP2007173704A

JP2007173704A - トンネル接合の形成方法及びトンネル接合の形成装置

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Publication number: JP2007173704A
Application number: JP2005372270A
Authority: JP
Inventors: Satoru Suzuki; 哲鈴木; Kenichi Kanzaki; 賢一神崎; Fumihiko Maeda; 文彦前田; Yoshihiro Kobayashi; 慶裕小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: JP4943703B2

Abstract

【課題】より容易に、カーボンナノチューブの所定の箇所に、容易にトンネル接合が形成できるようにする。
【解決手段】まず、シリコン基板１０１の上に所定の膜厚の酸化シリコンからなる絶縁層１０２が形成された状態とし、絶縁層１０２の上に、カーボンナノチューブ１０３が形成された状態とする。次に、絶縁層１０２の上に所定の間隔で離間し、かつカーボンナノチューブ１０３に一部がオーミック接続するソース電極１０４及びドレイン電極１０５が形成された状態とする。次に、マスク１１０を用い、カーボンナノチューブ１０３の所望の領域（２箇所）に、シンクロトロン放射光１１１が照射された状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブを構成の一部として用いた素子に適用できるトンネル接合の形成方法及びトンネル接合の形成装置に関する。

カーボンナノチューブは、よく知られているように、ナノメートルオーダの極めて微細な直径を有する円筒状の構造体であり、また電気的及び機械的に優れた特性を有している。このため、単電子トランジスタなどの微細な電子素子への応用が期待されている。単電子トランジスタは、一般に、ソース及びドレイン電極、２つの微小トンネル接合、２つの微小トンネル接合に挟まれた量子ドット、絶縁体を挟んで量子ドットに接合されるゲート電極から構成されている。従って、カーボンナノチューブの単電子トランジスタへの応用では、素子（カーボンナノチューブ）中に、トンネル接合を形成する技術が重要となる。

ここで、現在主に用いられている、カーボンナノチューブを用いた単電子トランジスタの製造方法について説明する。まず、シリコン基板の上に酸化膜が形成された状態とし、所定の方法により、酸化膜の上に分散配置された状態に複数のカーボンナノチューブが形成された状態とする。ついで、走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡などによる観察により、素子作製に適当な孤立したカーボンナノチューブを探す。次に、公知のリソグラフィー技術とエッチング技術などにより、探し出したカーボンナノチューブに接続するように、ソース・ドレイン電極が形成された状態とする。

このように形成した素子の一部が、単電子トランジスタとして動作する。カーボンナノチューブを用いた単電子トランジスタでは、ソース・ドレイン電極とナノチューブとの間にトンネル接合が形成され、これらのトンネル接合がクーロン障壁として作用するため、単電子トランジスタとして動作するものと考えられている（非特許文献１参照）。

しかしながら、非特許文献１の方法では、トンネル接合の形成される場所が電極部との接合部分に限られ、任意の場所にトンネル接合を作製することができない。上述したソース・ドレイン電極の間隔は、既存のリソグラフィー技術で作製可能な範囲となるため、２つのトンネル接合に挟まれた量子ドットの大きさは、既存のリソグラフィー技術で決定される２つの電極間隔以下には小さくできない。このように、上述した方法により作製した単電子トランジスタでは、量子ドットがあまり小さくできず、素子の動作温度は低温に限られる。加えて、上述した製造方法では、高い歩留りが得られにくい。

これに対し、次に示すようにカーボンナノチューブを用いた単電子トランジスタの製造方法も提案されている。まず、基板の上に形成したナノチューブに、水素エッチングにより欠陥を導入する。この後、トンネル接合として作用しない良好なオーミック特性を示す電極をナノチューブ上にリソグラフィーにより形成する。この製造方法によれば、前述した方法に比較して、歩留りが改善する（非特許文献２参照）。

水素エッチングによりナノチューブに形成された欠陥が、トンネル接合として作用するため、上述した方法により作製した素子が、単電子トランジスタとして機能するものと考えられている。上述した方法によれば、ソース・ドレイン電極の間隔よりも小さな量子ドットをナノチューブ中に形成することが可能となり、従って、単電子トランジスタとしての動作温度が向上する。

しかしながら、非特許文献２の方法では、欠陥はナノチューブ中の不特定の場所にランダムに発生するため、ナノチューブの任意の場所にトンネル接合を形成することはできない。従ってデバイスの設計には大きな制約を受ける。また、水素エッチングでは、水素という反応性ガスを用いるため、保安設備に経費がかかるという問題がある。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
K.Ishibashi et al."Quantum Dots in Carbon Nonotubes", Japanese Journal of Applied Physics Vol.39, pp.7053-7057, (2000). 鳥越他、「Ｉｎｓｉｔｕ水素エッチングによるカーボンナノチューブへの欠陥導入」、２００４年春季第５１回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集２８ａ−ＺＸ−５．

上述した問題を解消するために、発明者らは、加速電圧８６ｋＶ以下の電子線をナノチューブの所望の箇所に照射することにより、照射した箇所にトンネル接合を形成する方法を提案している。しかしながらこの方法では、基板の上に、集束させた電子線を走査して照射する必要があるため、大きな面積の基板上で、多数のナノチューブにトンネル接合を形成するためには、非常の多くの時間がかかるなど、容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易に、カーボンナノチューブの所定の箇所に、容易にトンネル接合が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係るトンネル接合の形成方法は、基板の上にカーボンナノチューブが形成された状態とする第１工程と、紫外線，真空紫外線，及びＸ線の少なくとも１つを含む光を、所定の透過領域を備えたマスクを介してカーボンナノチューブに選択的に光を照射し、カーボンナノチューブに欠陥が生成された状態とする第２工程とを少なくとも備えるようにしたものである。光の照射により形成された欠陥は、トンネル接合となる。

上記トンネル接合の形成方法において、支燃性ガスを含む雰囲気でカーボンナノチューブを所定の温度に加熱する第３工程を備えるようにしてもよい。例えば、第３工程では、酸素を含む雰囲気でカーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱すればよい。また、光のエネルギーは、炭素原子の１ｓ電子の吸収端エネルギーに相当するものであればよい。また、光のエネルギーは、高々１００ｅＶであればよい。

また、本発明に係るトンネル接合の形成装置は、密閉可能な真空槽と、真空槽の内部に配置された基板台と、基板台の上に載置された基板に対して紫外線，真空紫外線，及びＸ線の少なくとも１つを含む光を放射する光子発生手段と、所定の透過領域を備えて光子発生手段と基板台との間に配置され、光子発生手段より放射された光をカーボンナノチューブに選択的に照射するマスクと、真空槽の内部に支燃性ガスを含むガスを導入するガス導入手段と、基板を加熱する温度制御手段とを少なくとも備え、基板の上には、カーボンナノチューブが形成され、光子発生手段より放射された光をマスクを用いてカーボンナノチューブに選択的に照射してカーボンナノチューブにトンネル接合を形成するようにしたものである。

上記トンネル接合の形成装置において、真空槽の内部を所定の圧力にまで排気する排気手段を備えるようにしてもよい。また、支燃性ガスは、酸素であり、温度制御手段は、基板の上に形成されたカーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱すればよい。また、光子発生手段は、炭素原子の１ｓ電子の吸収端エネルギーに相当エネルギーの光を放射するものであればよい。また、光子発生手段が放射する光のエネルギーは、高々１００ｅＶであってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、紫外線，真空紫外線，及びＸ線の少なくとも１つを含む光を、マスクを用いて選択的に照射して所望とする領域のカーボンナノチューブに欠陥が生成された状態としたので、より容易に、カーボンナノチューブの所定の箇所に、容易にトンネル接合が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるトンネル接合の形成方法例を示す工程図である、図１では、トンネル接合を用いた電子素子（単電子トランジスタ）の製造方法を例にしている。まず図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０１の上に所定の膜厚の酸化シリコンからなる絶縁層１０２が形成された状態とし、絶縁層１０２の上に、カーボンナノチューブ１０３が形成された状態とする。次に、図１（ｂ）に示すように、絶縁層１０２の上に所定の間隔で離間し、かつカーボンナノチューブ１０３に一部がオーミック接続するソース電極１０４及びドレイン電極１０５が形成された状態とする。

次に、シリコン基板１０１を、例えば所定の処理装置の処理室に搬入し、図１（ｃ）に示すように、マスク１１０を用い、カーボンナノチューブ１０３の所望の領域（２箇所）に、シンクロトロン放射光１１１が照射された状態とする。例えば、エネルギー２０ｅＶ程度とされたシンクロトロン放射光１１１が、照射量１×１０¹⁶ｃｍ^-2で照射されればよい。マスク１１０は、カーボンナノチューブ１０３のトンネル接合を形成したい箇所にシンクロトロン放射光１１１（シンクロトロン放射光）が照射されるように、シンクロトロン放射光１１１が透過する透過領域（２箇所）が形成されている。このマスク１１０を用いて選択的にシンクロトロン放射光１１１を照射することで、図１（ｄ）に示すように、カーボンナノチューブ１０３のシンクロトロン放射光１１１の照射部に、欠陥部１０６が形成された状態が得られる。

上述したシンクロトロン放射光１１１の選択的照射によりカーボンナノチューブ１０３に形成された欠陥部１０６は、トンネル接合（トンネル障壁）として作用し、クーロン障壁として作用する。従って、図１（ｄ）に示す電子素子は、シリコン基板１０１を背面ゲート電極とした単電子トランジスタとして動作する。上述したように２箇所に欠陥が形成された状態とすることで、カーボンナノチューブ１０３には２つのクーロン障壁が形成され、ソース・ドレイン電極の間隔よりも小さな量子ドットがカーボンナノチューブ１０３中に形成された状態となる。

図１を用いて説明した上述の形成方法によれば、カーボンナノチューブ１０３の所望の領域に、容易にトンネル接合が形成できるようになり、２つのクーロン障壁（量子ドット）が形成された状態が得られる。この結果、本方法によれば、より高温で動作する単電子トランジスタを、高い歩留りで容易に製造することが容易となる。また、マスク１１０を用いて選択的（部分的）にシンクロトロン放射光１１１を照射するようにしたので、量子ドットの形成箇所の制御が容易であり、素子の設計に制約を受けることない。また、例えば、マスク１１０の透過領域を制御し、光の照射領域をより広範囲に行うことで、広い範囲に分散する複数のトンネル接合が形成できる。このようにすることで、例えば、１つのカーボンナノチューブに複数のクーロン島が形成でき、多重ドット単電子トランジスタを構成することができる。

また、シンクロトロン放射光１１１の照射による欠陥（トンネル接合）が形成されたカーボンナノチューブを、支燃性ガスあるいは可燃性ガスを含む雰囲気中で加熱することで、欠陥部分が速やかにガスの成分と結合し、カーボンナノチューブの構造が部分的に破壊される。一方、シンクロトロン放射光１１１が照射されていない欠陥のないカーボンナノチューブは化学的に強靱であるため、照射部分に比べて非常に緩やかに反応が進行する。この結果、シンクロトロン放射光１１１を照射した後に上述したように加熱することで、シンクロトロン放射光１１１の照射部分に選択的に、効率的にトンネル接合が形成された状態が得られる。

上述した支燃性（可燃性）ガスとしては酸素ガスなどの酸化性ガスを用いればよく、従って、大気中で加熱することで、シンクロトロン放射光１１１が照射されたカーボンナノチューブの部分により効率的にトンネル接合が形成された状態が得られる。大気中で加熱する場合、加熱温度は３５０〜５００℃程度に加熱すればよい。この温度範囲とすることで、シンクロトロン放射光１１１が照射されていない部分と、シンクロトロン放射光１１１の照射による欠陥が生成した部分との燃焼速度の差を大きくでき、より効率的にトンネル接合を形成することが可能となる。

ここで、上述した処理装置について簡単に説明する。処理装置は、例えば図２に示すように、密閉可能な真空槽２０１と、真空槽２０１の内部に固定された基板台２０２と、基板台２０２の上に載置される基板１０１に光（シンクロトロン放射光）を照射する光子発生部２０３と、基板台２０２と光子発生部２０３との間に配置されたマスク２０４と、マスク２０４を保持するマスク保持台２０５とを備える。また、図２に示す処理装置は、真空槽２０１の内部を所定の真空度（圧力）にまで排気する排気部２０６と、基板台２０２の上に載置される基板１０１の温度を制御する温度制御部２０７と、真空槽２０１の内部に、酸素などの支燃性ガスを含むガス（例えば空気）を導入するガス導入部２０８を備える。

このように構成された図２に示す処理装置（トンネル接合の形成装置）によれば、排気部２０６により真空槽２０１の内部を所定の真空度（圧力）とされた状態で、光子発生部２０３より放射された光は、マスク２０４により成型され、マスク２０４により成型された光が、基板台２０２の上に載置された基板１０１に対して照射される。これらのことにより、基板１０１の上に設けられたカーボンナノチューブに対し、選択的にトンネル障壁（欠陥部）を形成することが可能となる。例えば、マスク保持台２０５を移動させることで、マスク２０４の位置を制御することも可能である。また、基板台２０２を移動させ、マスク２０４との相対的な位置を制御するようにしてもよい。

また、光子発生部２０３からの光の放射を停止し、排気部２０６の動作を停止した状態で、ガス導入部２０８により真空槽２０１の内部に空気を導入し、加えて、温度制御部２０７を動作させることで、光照射によるトンネル接合が形成されたカーボンナノチューブを、可燃性ガス（酸素ガス）を含む雰囲気中で加熱することができる。前述したように、大気中で加熱する場合、温度制御部２０７を動作させて３５０〜５００℃程度に加熱すればよい。なお、マスク２０４は、例えば、支持枠に支持されたＳｉＣからなるメンブレン（例えば２μｍ厚）の上にＴａからなる吸収体（遮光体）を備え、この吸収体に前述した光透過領域が形成されているものである。また、紫外線を照射する場合、石英などの紫外線透過板に、Ｃｒなどの遮光体の膜を備え、この遮光体の膜に前述した光透過領域が形成されたマスクを用いるようにしてもよい。

なお、上述したシンクロトロン放射光は、紫外線，真空紫外線，及びエックス線などの光を含むものである。従って、照射する光は、シンクロトロン放射光の限らず、他の光照射手段（光源）より得られた光を照射するようにしてもよい。この中で、照射する光のエネルギーが、炭素（カーボンナノチューブを構成する炭素）の１ｓ電子の吸収端エネルギー値に相当する状態となっていれば、照射した光がカーボンナノチューブに効率よく吸収されるようになり、効率よく欠陥が形成された状態が得られる。一般に、内殻電子の吸収端閾値で吸収計数が増大し、欠陥生成確率も増大するものと考えられるためである。炭素の１ｓ電子の吸収端エネルギー値は、２８５ｅＶ程度であるが、カーボンナノチューブの状態により吸収端エネルギー値にバラツキがあり、２８５±１ｅＶの範囲であれば十分な効果が得られる。

また、一般に、照射する光のエネルギーが低いほど（波長が長いほど）、価電子の励起確率が増大するため、照射する光は、高々１００ｅＶ、例えば数十ｅＶとすることにより、より効率よくカーボンナノチューブに欠陥を発生させることができる。例えば、光子発生部２０３としてリング型の高エネルギー加速器を用いる場合、リング型の高エネルギー加速器より放射されるシンクロトロン放射光より、回折格子などを利用し、２０ｅＶ程度の光を取り出して用いればよい。２０ｅＶ程度のエネルギーの光は、真空紫外領域の光であり、重水素ランプや希ガスエキシマランプなどの光源からも得ることができる。

ところで、図１に示した素子では、シリコン基板１０１を背面ゲート電極として用いるようにしたが、これに限るものではなく、他の形態としてもよい。例えば、絶縁層１０２の上において、カーボンナノチューブ１０３に近設配置した電極をゲート電極として用いるようにしてもよい。また、図１では、シリコン基板を用いるようにしたが、これに限るものではなく、カーボンナノチューブの形成面にゲート電極を設ける素子構成の場合、他の絶縁基板を用いるようにしてもよいことは、いうまでもない。

本発明の実施の形態におけるトンネル接合の形成方法例を示す工程図である。本発明の実施の形態におけるトンネル接合の形成装置の構成例を示す構成図である。

符号の説明

１０１…シリコン基板、１０２…絶縁層、１０３…カーボンナノチューブ、１０４…ソース電極、１０５…ドレイン電極、１０６…欠陥部、１１０…マスク、１１１…シンクロトロン放射光、２０１…真空槽、２０２…基板台、２０３…光子発生部、２０４…マスク、２０５…マスク保持台、２０６…排気部、２０７…温度制御部、２０８…ガス導入部。

Claims

基板の上にカーボンナノチューブが形成された状態とする第１工程と、
紫外線，真空紫外線，及びＸ線の少なくとも１つを含む光を、所定の透過領域を備えたマスクを介して前記カーボンナノチューブに選択的に前記光を照射し、前記カーボンナノチューブに欠陥が生成された状態とする第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするトンネル接合の形成方法。
請求項１記載のトンネル接合の形成方法において、
支燃性ガスを含む雰囲気で前記カーボンナノチューブを所定の温度に加熱する第３工程を備える
ことを特徴とするトンネル接合の形成方法。
請求項２記載のトンネル接合の形成方法において、
前記第３工程では、酸素を含む雰囲気で前記カーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱する
ことを特徴とするトンネル接合の形成方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のトンネル接合の形成方法において、
前記光のエネルギーは、炭素原子の１ｓ電子の吸収端エネルギーに相当するものである
ことを特徴とするトンネル接合の形成方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のトンネル接合の形成方法において、
前記光のエネルギーは、高々１００ｅＶである
ことを特徴とするトンネル接合の形成方法。
密閉可能な真空槽と、
前記真空槽の内部に配置された基板台と、
前記基板台の上に載置された基板に対して紫外線，真空紫外線，及びＸ線の少なくとも１つを含む光を放射する光子発生手段と、
所定の透過領域を備えて前記光子発生手段と前記基板台との間に配置され、前記光子発生手段より放射された光を前記カーボンナノチューブに選択的に照射するマスクと、
前記真空槽の内部に支燃性ガスを含むガスを導入するガス導入手段と、
前記基板を加熱する温度制御手段と
を少なくとも備え、
前記基板の上には、カーボンナノチューブが形成され、
前記光子発生手段より放射された光を前記マスクを用いて前記カーボンナノチューブに選択的に照射して前記カーボンナノチューブにトンネル接合を形成する
ことを特徴とするトンネル接合の形成装置。
請求項６記載のトンネル接合の形成装置において、
前記真空槽の内部を所定の圧力にまで排気する排気手段を備える
ことを特徴とするトンネル接合の形成装置。
請求項６又は７記載のトンネル接合の形成装置において、
前記支燃性ガスは、酸素であり、前記温度制御手段は、前記基板の上に形成されたカーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱する
ことを特徴とするトンネル接合の形成装置。
請求項６〜８のいずれか１項に記載のトンネル接合の形成装置において、
前記光子発生手段は、炭素原子の１ｓ電子の吸収端エネルギーに相当エネルギーの光を放射する
ことを特徴とするトンネル接合の形成装置。
請求項６〜８のいずれか１項に記載のトンネル接合の形成装置において、
前記光子発生手段が放射する光のエネルギーは、高々１００ｅＶである
ことを特徴とするトンネル接合の形成装置。