JP2007511454A - カーボンナノチューブを分類する方法 - Google Patents

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Abstract

ナノチューブの分類及び選択されたナノチューブの種類に基づく素子の形成方法が提供される。本開示は電界効果トランジスタ、ダイオード及びレジスタの作製に有用な半導体ナノチューブの分類方法を提供する。本開示はまた、相互接続する素子の作製に有用な金属的ナノチューブの分類方法も提供する。

Description

本発明はナノチューブに関する。より詳細には、たとえばカーボンから作られるナノチューブの分類の方法及びシステムに関する。
単層カーボンナノチューブ(SW-CNT)は炭素原子の単一原子層による円柱状の殻で形成されるナノメートルスケールの管である。ナノチューブは極端な細線を形成するように、数nmの直径で、100μmまでの長さを有する。SW-CNTの原子構造はある方向に沿ってグラファイトシートの単一原子層の一片を包み込むことで作製できる。この方向がナノチューブの直径とカイラリティを決定する。
実験的及び理論的研究によって、ナノメートルサイズのCNTsから得られる興味深い特性は新規な電子物性を有するということが示されてきた。これらの特性はナノチューブの半径又はカイラリティに依存して、金属的又は半導体となることが可能である。
製造過程において、SW-CNT'sは金属的及び半導体ナノチューブの混合物を有するため取り扱いが難しい。よって、トランジスタ、ダイオード及び他の同様な素子の作製準備中に、ナノチューブはランダムに散らばってしまう。エレクトロニクスにおけるナノチューブの応用はナノチューブの種類の選択を必要とする。たとえば、チップ上相互接続の導体としてSW-CNT'sを用いるには金属体的SW-CNT'sでなくてはならない一方で、トランジスタチャネルとしてSW-CNT'sを用いるには半導体SW-CNT'sでなくてはならない。信頼できるナノチューブの位置決め及び分類の制御された方法が望まれる。
本開示は炭素、窒化ボロン及び金属ダイカルコゲナイド系ナノチューブを有する単層ナノチューブの選択又は分類の方法について説明する。単層カーボンナノチューブ(SW-CNT)は異なる材料で形成可能である。典型的な材料の種類は金属的又は半導体材料を含む。本開示はある種類の材料からなるナノチューブを保持しながら別の種類からなるナノチューブを除去する方法を提供する。ある材料の種類のナノチューブを他の種類のナノチューブの中から選択する過程はトランジスタ、レジスタ及びダイオードの製造に役立つことがわかる。
材料の物理-化学的性質は選択的に金属的ナノチューブを除去し、半導体ナノチューブを保持するのに利用される。たとえば、電流は金属的SW-CNT'sの燃焼/分解に用いることができるが、半導体ナノチューブはゲート電圧を印加して抵抗を上げることで保護される。別な例では、半導体ナノチューブは強酸又は強酸と光子エネルギーで溶解されるが、金属的SW-CNTsは陰極防食によって溶解が防止される。光子エネルギーは、半導体SW-CNT中に電子正孔対を生成する。その結果、金属的SW-CNTsを溶解することなく、強酸中でそのような半導体SW-CNTsは選択的に溶解される。
前述の方法は、”保護された”ナノチューブ（つまり電流を流さないナノチューブ）をそのままに保持する一方で、電流を流すナノチューブを選択的に分解する能力を利用する。ある種の材料系を”保護”する一方で別な種類の材料系に通電させるための様々な方法は当技術分野において既知である。
半導体SW-CNTsは半導体材料のキャリアを空乏化させることで保護できる。これは、半導体SW-CNTがソース電極及びドレイン電極と接触し、電圧をゲート電極に印加し、キャリアが半導体SW-CNTから空乏化されることで実現される。よって、半導体SW-CNTは”保護”される。なぜなら金属的SW-CNTsは通電する一方、半導体SW-CNTは通電しないからである。金属的（つまり保護されていない）ナノチューブは分解され、金属的ナノチューブから半導体ナノチューブを選択/分類できるように電流がナノチューブに印加される。
この方法はSi基板（たとえばSiウエハ）の絶縁層（SiO2)上で行うことができる。電極/導体のパターンは基板上に生成され、ソース/ドレイン領域に対応する。ソース及びドレイン電極へのコンタクトの形成はエッチング領域を形成するリソグラフィ及びそれに続いてエッチングされた領域を金属で埋めることによって可能となる。電極/導体の材料組成は、たとえば、ポリシリコン、サリサイド（たとえばCo,Ni及び同様な物質）、難溶性金属（たとえば、Ni,Co,Mo,Ta,W,Nb,Zr,Hf,Ir及びLa）、貴金属（たとえば、Ru,Rh,Pt及びAu）及びこれらの如何なるもの同士の組み合わせを有する。半導体SW-CNTs及び金属的SW-CNTsを有する溶液が基板上に分配され、SW-CNTと電極/導体パターンとの接触が電子ビーム又は集束イオンビーム(FIB)支援金属蒸着（Pt,Au,Ag及び同様な物質）のような選択的金属蒸着によって形成される。半導体SW-CNTsの抵抗率に変調をかけるために基板に電圧を印加する（つまり、キャリアの空乏化）。電流が印加され、電流は金属的SW-CNTsを選択的に流れるだろう。なぜなら金属的SW-CNTsは半導体SW-CNTsと比較して低い抵抗を有するからである。電流が金属的SW-CNTsを流れるに従い、金属は熱を持ち、燃焼/分解される。
ここで図1を参照する。図1は基板200上のSiO2層100を図示している。電極/導体パターン250a及び250bは層100上に蒸着される。電極/導体パターン250a及び250bはソース及びドレイン電極を有する。たとえば、250aはドレイン電極を有することができる一方で、250bはソース電極を有することができる。複数のSW-CNTsはSiO2層100を有する基板200上に蒸着される。複数のSW-CNTsはたとえば、半導体SW-CNTs及び金属的SW-CNTsを有するだろう。図1で図示されているのは、SW-CNTs300と400である。たとえば、金属的SW-CNT300及び半導体SW-CNT400は層100を有する基板200上に蒸着される。ソース及びドレイン電極/導体パターン250a及び250bが半導体SW-CNT400からキャリアを除去するように、動作中にゲート電圧を印加する。金属的SW-CNT300はまだ通電可能である。半導体SW-CNT400と比較して金属的SW-CNT300の方が低抵抗のため、電流が印加されると、電流は選択的に金属的SW-CNT300を流れる。金属的SW-CNT300は燃焼/分解してしまうまで温度が上がり続け、半導体SW-CNT400のみが残る。
前記の方法は電界効果トランジスタ(FETs)、ダイオード及びレジスタの作製準備に有用である。状況によっては、金属的ナノチューブに基づいた相互接続の導体パターンの準備が望ましいこともありうる。
従って、本開示はまた、半導体ナノチューブから金属的ナノチューブを選択/分類する方法も有する。金属的SW-CNTsは陰極電圧防食によって保護可能である。陰極電圧防食は金属的SW-CNT上全体に帯電した負の電荷の結果である。これは金属的SW-CNTを陰極に接触させることで実現される。よって、金属的SW-CNTは”保護”される。なぜなら、アニオンは全体が負に帯電した金属的SW-CNTに反発する一方で半導体SW-CNTsは半導体SW-CNTを食刻する強酸環境下にあるので、ナノチューブは負に帯電した酸化物アニオン（たとえばNO3 -、SO4 2-及び同様なもの）に付着/溶解しないからである。従って、半導体（つまり保護されていない）ナノチューブは溶解し、半導体ナノチューブから金属的ナノチューブが選択/分類される。
導体パターンの相互接続を形成するため、半導体SW-CNTと金属的SW-CNTの混合物は電極/導体パターンを有する基板上に分配される。選択的金属蒸着はたとえば電子ビーム又はFIB支援金属蒸着のような技術の使用でたとえばPt,Au及び同様の金属によるSW-CNTsとのコンタクトの形成に使用される。負の電位は、2層の導電層及びアノードを通って金属的SW-CNTsに印加又は、誘電層を通って半導体基板に印加される。この負の電圧はまた半導体SW-CNTsを空乏化することで半導体SW-CNTsの導電性を変調する役割を果たす。HNO3、H2SO4又は同様の強酸がSW-CNTsを有する基板に加えられる。強酸は選択的に半導体SW-CNTを溶解する一方、金属的SW-CNTsは負の電荷（陰極保護）により保護される。半導体SW-CNTはまた強酸の使用及び半導体材料中の光ポテンシャルの誘起によっても溶解されうる。半導体材料の空乏層を照射する光子エネルギーにより生成される光ポテンシャルは電子正孔対を発生させる。
ここで使用される光子エネルギー源は光子エネルギーを放出する光源であればどのような種類の光源でも良い。光子エネルギーとは、たとえば、集束ビーム（たとえば光）のエネルギー又は、光子エネルギーの集束ビームをもたらす様々なフィルタ、ミラー、レンズ及び/又は装置を使用して調節可能なエネルギーである。フィルタは、光ポテンシャルの発生閾値又はその前後の値に発光強度を調節することを可能にする。たとえば焦点、ミリメータ以下の長さの集束線、”括弧状の”形状及び同様なもののような所望の幾何学的形状を得るため、半導体材料を照射している光子エネルギーは調節可能である。従って、光子エネルギー源は、可視又は近赤外の波長範囲で発光するレーザーダイオード又は、発光ダイオードを有する。
図2はたとえば、Siウエハ、素子層600及び、たとえば低k炭素ドープSiO2で構成されている層間絶縁膜(ILD)700を有する基板500を図示している。絶縁層700は所望の厚さ（たとえば、典型的には3〜10μｍ）である。一般的には、3未満の誘電率を有する低k（低誘電率）材料は信号遅延時間を小さくするために使用される。従来のSiO2は絶縁層700として使用しても良い。ILD層に使用可能な他の典型的な材料はスピンコーティング法で成膜可能な低k有機材料を含む。電極/導体パターン750a及び750bは絶縁層700上に位置する。複数のSW-CNTsは絶縁層700上に分配される。複数のSW-CNTsはたとえば、半導体SW-CNTsと金属的SW-CNTsとを有するだろう。
図2はSW-CNTs300及び400を図示している。たとえば、金属的SW-CNT300及び半導体SW-CNT400は絶縁層700上に分配される。動作中、電極/導体パターン750a及び750bが負の電位を有するようにゲート電圧が印加される。金属的SW-CNT300は負に帯電し、陰極電圧防食が起こる。SW-CNTsを有する絶縁層700が酸に浸される。酸は選択的に半導体SW-CNTs400を溶解する。なぜなら負に帯電して、陰極防食されたSW-CNTsは強酸から保護されるからである。任意の光子エネルギー源800が図2に図示されている。任意の光子エネルギー源は光ポテンシャルの発生及びさらに半導体SW-CNT400の溶解を支援するのに使用することが可能である。
半導体ナノチューブの分類及び金属的ナノチューブの除去を図示している。 金属的ナノチューブの分類及び半導体ナノチューブの除去に有用な方法及び装置を図示している。

Claims (26)

  1. 基板を提供する工程；
    前記基板に接触する複数の半導体及び金属的ナノチューブを提供する工程；
    前記半導体又は金属的ナノチューブのうちのいずれか一方を選択的に保護し、前記半導体又は金属的ナノチューブのうちの他方を非保護ナノチューブとする工程；及び、
    保護されたナノチューブのみを残すため、前記非保護ナノチューブを溶解又は分解する工程；
    を有する方法。
  2. 請求項1に記載の方法であって、
    前記基板は半導体的基板であることを特徴とする方法。
  3. 請求項2に記載の方法であって、
    前記半導体的基板はゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有することを特徴とする方法。
  4. 請求項3に記載の方法であって、
    半導体ナノチューブを保護する前記工程は半導体ナノチューブのキャリアを空乏化することで実現されることを特徴とする方法。
  5. 請求項4に記載の方法であって、
    前記金属的ナノチューブは電流によって除去されることを特徴とする方法。
  6. 請求項1に記載の方法であって、
    前記金属的ナノチューブを保護する前記工程は強酸溶液中での陰極防食によって実現されることを特徴とする方法。
  7. 請求項6に記載の方法であって、
    前記半導体ナノチューブは前記強酸溶液によって選択的に除去されることを特徴とする方法。
  8. 請求項7に記載の方法であって、
    電子正孔対を生成する光子エネルギーで半導体ナノチューブを照射する工程を有する方法。
  9. 基板を提供する工程；
    前記基板に接触する複数の半導体及び金属的ナノチューブを提供する工程；
    陰極防食によって、前記金属的ナノチューブを酸による分解から選択的に保護する工程；及び、
    前記非保護ナノチューブが選択的に除去されるように前記ナノチューブを有する前記基板を酸に侵食する工程；
    を有する方法。
  10. 請求項9に記載の方法であって、
    前記基板は層間絶縁膜(ILD)を有することを特徴とする方法。
  11. 請求項9に記載の方法であって、
    前記半導体ナノチューブは前記強酸溶液によって選択的に除去されることを特徴とする方法。
  12. 請求項9に記載の方法であって、
    さらに電子正孔対を生成する光子エネルギーで前記半導体ナノチューブを照射する工程を有する方法。
  13. 基板を提供する工程；
    前記基板に接触する複数の半導体及び金属的ナノチューブを提供する工程；
    陰極防食によって、前記半導体ナノチューブを電流から選択的に保護する工程；及び、
    非保護ナノチューブが選択的に除去されるように複数のナノチューブに電流を提供する工程；
    を有する方法。
  14. 請求項13に記載の方法であって、
    前記基板は半導体的基板であることを特徴とする方法。
  15. 請求項14に記載の方法であって、
    前記半導体的基板はゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有することを特徴とする方法。
  16. 請求項15に記載の方法であって、
    前記半導体ナノチューブを保護する前記工程は前記半導体ナノチューブのキャリアを空乏化することで実現されることを特徴とする方法。
  17. 請求項16に記載の方法であって、
    前記金属的ナノチューブは電流によって選択的に除去されることを特徴とする方法。
  18. 電界効果型トランジスタ(FET)、キャパシタ又はダイオードを作製する方法であって：
    基板を提供する工程；
    前記基板に接触する複数の半導体及び金属的ナノチューブを提供する工程；
    前記半導体ナノチューブを電流から選択的に保護する工程；及び、
    非保護ナノチューブが選択的に除去されるように複数のナノチューブに電流を提供する工程；
    を有する方法。
  19. 請求項18に記載の方法であって、
    前記基板は半導体的基板であることを特徴とする方法。
  20. 請求項19に記載の方法であって、
    前記半導体的基板はゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有することを特徴とする方法。
  21. 請求項18に記載の方法であって、
    前記半導体的ナノチューブを保護する前記工程は前記半導体ナノチューブのキャリアを空乏化することで実現されることを特徴とする方法。
  22. 請求項18に記載の方法であって、
    前記金属的ナノチューブは前記電流によって選択的に除去されることを特徴とする方法。
  23. 相互接続を有する素子を形成する方法であって、
    基板を提供する工程；
    前記基板に接触する複数の半導体及び金属的ナノチューブを提供する工程；
    陰極防食によって、前記金属的ナノチューブを酸による分解から選択的に保護する工程；及び、
    前記非保護ナノチューブが選択的に除去されるように前記ナノチューブを有する前記基板を酸に侵食させる工程；
    を有する方法。
  24. 請求項23に記載の方法であって、
    前記基板は層間絶縁膜(ILD)を有することを特徴とする方法。
  25. 請求項23に記載の方法であって、
    前記半導体ナノチューブは前記強酸溶液によって選択的に除去されることを特徴とする方法。
  26. 請求項23に記載の方法であって、
    電子正孔対を生成する光子エネルギーで前記半導体ナノチューブを照射する工程を有する方法。
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