JP2008305982A - Field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電界効果トランジスタおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a field effect transistor and a manufacturing method thereof.
電子デバイスの高性能化および小型化につれて、その電子回路を構成する素子は、小型化および低背化の方向に進んでいる。そして、素子サイズの小型化による特性のばらつきを小さくするために、素子の高精度化が求められている。 As the performance and size of electronic devices increase, the elements constituting the electronic circuit are progressing in the direction of size reduction and height reduction. In order to reduce the variation in characteristics due to the miniaturization of the element size, high precision of the element is required.
一方、新たな電子デバイスとして、直径が数百nmより小さい部材(以下、「ナノ部材」という場合がある)を用いた電子デバイスが研究されている。柱状のナノ部材としては、カーボンナノチューブや半導体ナノワイヤが挙げられる。 On the other hand, as a new electronic device, an electronic device using a member having a diameter smaller than several hundreds of nanometers (hereinafter sometimes referred to as “nano member”) has been studied. Examples of the columnar nano member include carbon nanotubes and semiconductor nano wires.
すでに、半導体ナノワイヤを用いた電界効果トランジスタ(FET)が開示されている(非特許文献1)。この電界効果トランジスタは、一軸方向に配向させた半導体ナノワイヤの両端部分に、ソース電極膜とドレイン電極膜とを形成することによって実現される。このような半導体ナノワイヤを用いた電界効果トランジスタの製造では、真空成膜装置を用いて半導体膜を形成する必要がないため、低コスト化を含めた多くのメリットが得られる。 A field effect transistor (FET) using semiconductor nanowires has already been disclosed (Non-Patent Document 1). This field effect transistor is realized by forming a source electrode film and a drain electrode film on both end portions of a semiconductor nanowire oriented in a uniaxial direction. In the manufacture of such a field effect transistor using semiconductor nanowires, it is not necessary to form a semiconductor film using a vacuum film forming apparatus, so that many merits including cost reduction can be obtained.
しかし、上記製造方法では、半導体ナノワイヤを所定の方向および所定の位置に配置する必要がある。半導体ナノワイヤを配向させる方法として、半導体ナノワイヤを塗布する方法が開示されている(特許文献1)。しかし、この方法では、電界効果トランジスタを再現性よく製造することが難しい。 However, in the above manufacturing method, it is necessary to arrange the semiconductor nanowires in a predetermined direction and a predetermined position. As a method of aligning semiconductor nanowires, a method of applying semiconductor nanowires is disclosed (Patent Document 1). However, with this method, it is difficult to manufacture field effect transistors with good reproducibility.
また、半導体基板上に成長させた半導体ナノワイヤを半導体基板から分離することなく用いて、電界効果トランジスタを製造する方法も提案されている(特許文献2参照)。この方法では、半導体基板上に林立する半導体ナノワイヤ間に、層間絶縁膜、ゲート電極およびソース電極を、真空蒸着法などによって埋め込む。
しかし、上記従来の電界効果トランジスタでは、半導体ナノワイヤとドレイン電極との間に、半導体基板が存在する。このため、ドレイン電極を形成する前に、半導体基板を研磨して薄くする必要がある。しかし、半導体基板を研磨する工程において半導体基板が破損する可能性があるため、歩留まりが低下する可能性がある。 However, in the conventional field effect transistor, a semiconductor substrate exists between the semiconductor nanowire and the drain electrode. For this reason, it is necessary to polish and thin the semiconductor substrate before forming the drain electrode. However, since the semiconductor substrate may be damaged in the process of polishing the semiconductor substrate, the yield may be reduced.
このような状況において、本発明は、半導体ナノワイヤを用いた新規な電界効果トランジスタ、およびその製造方法を提供することを目的とする。 Under such circumstances, an object of the present invention is to provide a novel field effect transistor using a semiconductor nanowire and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、本発明の電界効果トランジスタは、ゲート電極膜と、前記ゲート電極膜を貫通するように配置された複数の半導体ナノワイヤと、前記複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの一端に接触してそれらを接続するように形成されたソース電極膜と、前記複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの他端に接触してそれらを接続するように形成されたドレイン電極膜とを含み、前記ソース電極膜および前記ドレイン電極膜は金属からなり、前記ゲート電極膜と前記半導体ナノワイヤとの間に絶縁層が配置されており、前記半導体ナノワイヤの前記一端および前記他端の半導体のタイプがともにP型またはN型のいずれかであり、前記一端および前記他端に挟まれた中央部の半導体のタイプが、前記一端および前記他端のタイプとは異なる。 In order to achieve the above object, a field effect transistor of the present invention is in contact with a gate electrode film, a plurality of semiconductor nanowires disposed so as to penetrate the gate electrode film, and one end of each of the plurality of semiconductor nanowires. A source electrode film formed to connect them, and a drain electrode film formed to contact and connect the other ends of the plurality of semiconductor nanowires, and the source electrode film and The drain electrode film is made of metal, an insulating layer is disposed between the gate electrode film and the semiconductor nanowire, and the semiconductor type of the one end and the other end of the semiconductor nanowire is both P-type or N-type The type of the semiconductor in the central part sandwiched between the one end and the other end is the type of the one end and the other end. It made.
また、電界効果トランジスタを製造するための本発明の方法は、(i)それぞれの一端が基板に固定されるように前記基板に立てられた複数の半導体ナノワイヤを形成する工程と、(ii)前記複数の半導体ナノワイヤの他端が露出するように、除去可能な固体で前記半導体ナノワイヤを固定する工程と、(iii)前記複数の半導体ナノワイヤの前記他端を接続するように第1の電極膜を形成する工程と、(iv)前記基板を除去する工程と、(v)前記複数の半導体ナノワイヤの前記一端を接続するように第2の電極膜を形成する工程と、(vi)前記固体を除去する工程と、(vii)前記複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの中央部の表面に、絶縁層を形成する工程と、(viii)前記絶縁層に接するように、且つ前記第1および第2の電極膜に接しないように第3の電極膜を形成する工程と、を含み、前記半導体ナノワイヤの前記一端および前記他端の半導体のタイプがともにP型またはN型のいずれかであり、前記一端および前記他端に挟まれた中央部の半導体のタイプが、前記一端および前記他端のタイプとは異なる。 In addition, the method of the present invention for manufacturing a field effect transistor includes the steps of (i) forming a plurality of semiconductor nanowires standing on the substrate such that one end of each is fixed to the substrate; Fixing the semiconductor nanowire with a removable solid so that the other ends of the plurality of semiconductor nanowires are exposed; and (iii) connecting the first electrode film so as to connect the other ends of the plurality of semiconductor nanowires. Forming, (iv) removing the substrate, (v) forming a second electrode film so as to connect the one ends of the plurality of semiconductor nanowires, and (vi) removing the solid (Vii) forming an insulating layer on the surface of each central portion of the plurality of semiconductor nanowires; and (viii) contacting the insulating layer and the first and second electrode films. Do not touch Forming a third electrode film as described above, and the semiconductor type of the one end and the other end of the semiconductor nanowire is either P-type or N-type, and the one end and the other end are The type of the semiconductor at the sandwiched central portion is different from the type of the one end and the other end.
本発明によれば、半導体ナノワイヤを用いた電界効果トランジスタを、歩留まりよく製造することが可能である。また、本発明の電界効果トランジスタはチップ型であるため、電子機器の回路基板への実装が容易である。 According to the present invention, a field effect transistor using a semiconductor nanowire can be manufactured with a high yield. In addition, since the field effect transistor of the present invention is a chip type, it can be easily mounted on a circuit board of an electronic device.
以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with examples. The present invention is not limited to the following embodiment. In the following description, specific numerical values and specific materials may be exemplified, but other numerical values and other materials may be applied as long as the effect of the present invention is obtained.
[電界効果トランジスタ(FET)]
本発明のFETは、複数の半導体ナノワイヤ、ゲート電極膜、ソース電極膜、ドレイン電極膜、および絶縁層(ゲート絶縁層)とを含む。
[Field Effect Transistor (FET)]
The FET of the present invention includes a plurality of semiconductor nanowires, a gate electrode film, a source electrode film, a drain electrode film, and an insulating layer (gate insulating layer).
複数の半導体ナノワイヤは、ゲート電極膜を貫通するように配置される。ゲート電極膜と半導体ナノワイヤとの間には、絶縁層(ゲート絶縁層)が配置されている。 The plurality of semiconductor nanowires are disposed so as to penetrate the gate electrode film. An insulating layer (gate insulating layer) is disposed between the gate electrode film and the semiconductor nanowire.
ソース電極膜は、複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの一端に接触している。また、ソース電極膜は、それら一端を接続するように形成されている。ドレイン電極膜は、複数の半導体ナノワイヤの他端に接触している。また、ドレイン電極膜は、それら他端を接続するように形成されている。ソース電極膜およびドレイン電極膜は、ともに金属からなる。また、ゲート電極膜も、金属で形成される。 The source electrode film is in contact with one end of each of the plurality of semiconductor nanowires. The source electrode film is formed so as to connect one end thereof. The drain electrode film is in contact with the other ends of the plurality of semiconductor nanowires. The drain electrode film is formed so as to connect the other ends. Both the source electrode film and the drain electrode film are made of metal. The gate electrode film is also made of metal.
複数の半導体ナノワイヤの一端および他端の半導体のタイプは、ともに、P型またはN型のいずれかである。すなわち、半導体ナノワイヤの一端および他端が、ともにP型であるか、または、ともにN型である。また、それら一端および他端に挟まれた中央部の半導体のタイプは、それら一端および他端の半導体のタイプとは異なる。 The semiconductor type at one end and the other end of the plurality of semiconductor nanowires is either P-type or N-type. That is, one end and the other end of the semiconductor nanowire are both P-type or both N-type. Further, the semiconductor type at the center between the one end and the other end is different from the semiconductor type at the one end and the other end.
本発明のFETでは、半導体ナノワイヤとソース電極膜との接続部において、半導体ナノワイヤを構成する半導体と、ソース電極膜を構成する金属との合金が形成されていてもよい。また、半導体ナノワイヤとドレイン電極膜との接続部において、半導体ナノワイヤを構成する半導体と、ドレイン電極膜を構成する金属との合金が形成されていてもよい。半導体ナノワイヤと電極との接続部に合金を形成することによって、両者の接続抵抗を低減できる。半導体ナノワイヤがシリコンからなる場合には、上記合金は金属シリサイドである。 In the FET of the present invention, an alloy of a semiconductor constituting the semiconductor nanowire and a metal constituting the source electrode film may be formed at the connection portion between the semiconductor nanowire and the source electrode film. Moreover, the alloy of the semiconductor which comprises a semiconductor nanowire, and the metal which comprises a drain electrode film may be formed in the connection part of a semiconductor nanowire and a drain electrode film. By forming an alloy at the connection portion between the semiconductor nanowire and the electrode, the connection resistance between them can be reduced. When the semiconductor nanowire is made of silicon, the alloy is a metal silicide.
ゲート電極膜、ソース電極膜、および前記ドレイン電極膜は、それぞれ独立に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、および金(Au)から選ばれるいずれかの金属によって形成されていてもよい。ゲート電極膜の材料、ソース電極膜の材料、およびドレイン電極膜の材料は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。これらの電極膜は、メッキ法(好ましくは無電解メッキ法)で形成された膜であってもよい。 The gate electrode film, the source electrode film, and the drain electrode film are independently made of nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), and gold (Au). It may be formed of any selected metal. The material of the gate electrode film, the material of the source electrode film, and the material of the drain electrode film may be the same or different. These electrode films may be films formed by a plating method (preferably an electroless plating method).
ゲート電極膜とソース電極膜とドレイン電極膜とは、互いにほぼ平行に形成される。半導体ナノワイヤは、これらの電極膜に対してほぼ垂直な方向に配向している。 The gate electrode film, the source electrode film, and the drain electrode film are formed substantially parallel to each other. The semiconductor nanowire is oriented in a direction substantially perpendicular to these electrode films.
半導体ナノワイヤは、針状の半導体である。半導体ナノワイヤの直径は、たとえば、50nm〜500nmの範囲にあり、一例では80nm〜150nmの範囲にある。半導体ナノワイヤの長さは、たとえば5μm〜50μmの範囲にあり、一例では13μm〜22μmの範囲にある。 The semiconductor nanowire is a needle-like semiconductor. The diameter of the semiconductor nanowire is, for example, in the range of 50 nm to 500 nm, and in the example of 80 nm to 150 nm. The length of the semiconductor nanowire is, for example, in the range of 5 μm to 50 μm, and in one example, in the range of 13 μm to 22 μm.
半導体ナノワイヤは、シリコン、ゲルマニウム、およびシリコン−ゲルマニウムのいずれかからなるものであってもよい。 The semiconductor nanowire may be made of any of silicon, germanium, and silicon-germanium.
本発明のFETでは、半導体ナノワイヤの中央部が、一端および他端の半導体のタイプとは逆のタイプであってもよい。たとえば、中央部がP型であり、両端部(一端および他端の部分)がN型であってもよい。また、中央部がN型であり、両端部がP型であってもよい。 In the FET of the present invention, the central portion of the semiconductor nanowire may be a type opposite to the semiconductor type at one end and the other end. For example, the center portion may be P-type, and both end portions (one end portion and the other end portion) may be N-type. Further, the central portion may be N-type and both end portions may be P-type.
本発明のFETでは、半導体ナノワイヤの中央部が、不純物を含まない真性半導体であってもよい。この場合の半導体ナノワイヤは、P型半導体/真性半導体/P型半導体またはN型半導体/真性半導体/N型半導体のいずれかの構造を有する。 In the FET of the present invention, the central portion of the semiconductor nanowire may be an intrinsic semiconductor that does not contain impurities. The semiconductor nanowire in this case has a structure of any of P-type semiconductor / intrinsic semiconductor / P-type semiconductor or N-type semiconductor / intrinsic semiconductor / N-type semiconductor.
P型の半導体領域は、ボロン(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、またはインジウム(In)などをドープすることによって形成できる。N型の半導体領域は、リン(P)、砒素(As)、またはアンチモン(Sb)などをドープすることによって形成できる。真性半導体の領域は、ドーピングをしないことによって形成できる。 The P-type semiconductor region can be formed by doping with boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), or the like. The N-type semiconductor region can be formed by doping phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), or the like. The intrinsic semiconductor region can be formed without doping.
[FETの製造方法]
以下に、FETを製造するための本発明の方法について説明する。この製造方法によれば、本発明のFETを製造できる。なお、本発明のFETについて説明した事項は、以下の製造方法に適用できるため、重複する説明を省略する場合がある。本発明の製造方法は、以下の工程(i)〜(viii)を含む。
[Method of manufacturing FET]
In the following, the method of the present invention for producing an FET will be described. According to this manufacturing method, the FET of the present invention can be manufactured. In addition, since the matter demonstrated about FET of this invention is applicable to the following manufacturing methods, the overlapping description may be abbreviate | omitted. The production method of the present invention includes the following steps (i) to (viii).
工程(i)では、それぞれの一端が基板(以下、「第1の基板」という)に固定されるように第1の基板に立てられた複数の半導体ナノワイヤを形成する。以下、半導体ナノワイヤの端部のうち、第1の基板に固定されている方を「一端」と呼び、他方を「他端」と呼ぶ。複数の半導体ナノワイヤは、第1の基板の表面に対してほぼ垂直に形成される。半導体ナノワイヤの一端および他端の導電型は、ともにp型またはn型のいずれかである。また、それら一端および他端に挟まれた中央部の導電型は、それら一端および他端の導電型とは異なる。半導体ナノワイヤの形成方法の一例については、後述する。 In step (i), a plurality of semiconductor nanowires standing on the first substrate are formed such that one end of each is fixed to the substrate (hereinafter referred to as “first substrate”). Hereinafter, of the end portions of the semiconductor nanowire, the one fixed to the first substrate is referred to as “one end”, and the other is referred to as the “other end”. The plurality of semiconductor nanowires are formed substantially perpendicular to the surface of the first substrate. The conductivity type of one end and the other end of the semiconductor nanowire is either p-type or n-type. Further, the conductivity type of the central portion sandwiched between the one end and the other end is different from the conductivity type of the one end and the other end. An example of a method for forming the semiconductor nanowire will be described later.
工程(ii)では、複数の半導体ナノワイヤの他端が露出するように、除去可能な固体(以下、「固体(A)」という場合がある)で半導体ナノワイヤを固定する。工程(ii)では、半導体ナノワイヤのうち他端以外の部分が、固体(A)で固定される。固体(A)は、熱可塑性の有機物であってもよい。たとえば、固体(A)は、パラフィンワックス系有機物、コールタール系有機物、またはポリエチレンなどの熱可塑性樹脂であってもよい。 In step (ii), the semiconductor nanowires are fixed with a removable solid (hereinafter sometimes referred to as “solid (A)”) so that the other ends of the plurality of semiconductor nanowires are exposed. In step (ii), the semiconductor nanowire other than the other end is fixed with the solid (A). The solid (A) may be a thermoplastic organic material. For example, the solid (A) may be a paraffin wax organic material, a coal tar organic material, or a thermoplastic resin such as polyethylene.
工程(iii)では、複数の半導体ナノワイヤの他端を接続するように第1の電極膜を形成する。第1の電極膜は、たとえば、固体(A)の表面のうち半導体ナノワイヤの他端が突出している一面に形成してもよい。第1の電極膜は、ソース電極またはドレイン電極である。第1の電極膜は、気相成膜法(真空蒸着法やスパッタ法)で形成してもよいが、メッキ法(たとえば無電解メッキ)法で形成することが好ましい。
工程(iii)ののちに熱処理を行ってもよい。熱処理によって、半導体ナノワイヤと第1の電極膜との接続部に、半導体ナノワイヤを構成する半導体と第1の電極膜を構成する金属との合金を形成できる。
In step (iii), a first electrode film is formed so as to connect the other ends of the plurality of semiconductor nanowires. For example, the first electrode film may be formed on one surface of the solid (A) surface on which the other end of the semiconductor nanowire protrudes. The first electrode film is a source electrode or a drain electrode. The first electrode film may be formed by a vapor deposition method (vacuum deposition method or sputtering method), but is preferably formed by a plating method (for example, electroless plating).
Heat treatment may be performed after step (iii). By heat treatment, an alloy of the semiconductor constituting the semiconductor nanowire and the metal constituting the first electrode film can be formed at the connection portion between the semiconductor nanowire and the first electrode film.
また、工程(iii)ののちに、第1の電極膜を第2の基板に接着する工程を行ってもよい。第1の電極膜を第2の基板に接着することによって、その後の取り扱いが容易になる。第1の電極膜と第2の基板とは、接着剤を用いて接着してもよいし、粘着シートを用いて接着してもよい。また、硬化性の樹脂等を用いて第2の基板を形成することによって、第1の電極膜を第2の基板に接着してもよい。
工程(iv)では、第1の基板を除去する。第1の基板の除去の方法に限定はなく、物理的に除去してもよいし、化学的に除去してもよい。また、第1の基板が加熱によって軟化または溶融する物質からなる場合、加熱によって第1の基板を除去してもよい。
Moreover, you may perform the process of adhere | attaching a 1st electrode film on a 2nd board | substrate after process (iii). By adhering the first electrode film to the second substrate, subsequent handling becomes easy. The first electrode film and the second substrate may be bonded using an adhesive or may be bonded using an adhesive sheet. Alternatively, the first electrode film may be bonded to the second substrate by forming the second substrate using a curable resin or the like.
In step (iv), the first substrate is removed. There is no limitation on the method for removing the first substrate, and the first substrate may be removed physically or chemically. In the case where the first substrate is made of a material that is softened or melted by heating, the first substrate may be removed by heating.
工程(v)では、複数の半導体ナノワイヤの上記一端を接続するように第2の電極膜を形成する。第1の電極膜がソース電極である場合、第2の電極膜はドレイン電極である。第1の電極膜がドレイン電極である場合、第2の電極膜はソース電極である。第2の電極膜は、固体(A)の表面のうち半導体ナノワイヤの一端が突出している一面に形成してもよい。 In the step (v), a second electrode film is formed so as to connect the one ends of the plurality of semiconductor nanowires. When the first electrode film is a source electrode, the second electrode film is a drain electrode. When the first electrode film is a drain electrode, the second electrode film is a source electrode. The second electrode film may be formed on one surface of the solid (A) surface from which one end of the semiconductor nanowire protrudes.
工程(vi)では、固体(A)を除去する。固体(A)は、化学的に除去してもよい。また、固体(A)が加熱によって軟化または溶融する物質からなる場合、加熱によって固体(A)を除去してもよい。 In step (vi), the solid (A) is removed. The solid (A) may be removed chemically. Further, when the solid (A) is made of a substance that is softened or melted by heating, the solid (A) may be removed by heating.
工程(vii)では、複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの中央部の表面に、絶縁層を形成する。絶縁層は、たとえば、半導体ナノワイヤの表面を酸化することによって形成できる。絶縁層は、中央部以外の領域に形成されてもよい。通常、絶縁層は、露出している半導体ナノワイヤの表面全体に形成される。 In the step (vii), an insulating layer is formed on the surface of each central portion of the plurality of semiconductor nanowires. The insulating layer can be formed, for example, by oxidizing the surface of the semiconductor nanowire. The insulating layer may be formed in a region other than the central portion. Usually, the insulating layer is formed over the entire surface of the exposed semiconductor nanowire.
工程(viii)では、絶縁層に接するように、且つ第1および第2の電極膜に接しないように第3の電極膜を形成する。第3の電極膜は、第1の電極膜と第2の電極膜との間に形成される。第3の電極膜は、ゲート絶縁膜である。第3の電極膜は、メッキ法(無電解メッキ法)で形成できる。 In the step (viii), a third electrode film is formed so as to be in contact with the insulating layer and not in contact with the first and second electrode films. The third electrode film is formed between the first electrode film and the second electrode film. The third electrode film is a gate insulating film. The third electrode film can be formed by a plating method (electroless plating method).
本発明の製造方法では、半導体ナノワイヤの中央部が、一端および他端の半導体のタイプとは逆の半導体のタイプであってもよい。また、半導体ナノワイヤの中央部が不純物を含まない真性半導体であってもよい。 In the manufacturing method of the present invention, the central part of the semiconductor nanowire may be a semiconductor type opposite to the semiconductor type at one end and the other end. Moreover, the intrinsic | native semiconductor which does not contain an impurity may be sufficient as the center part of semiconductor nanowire.
本発明の製造方法では、固体(A)が、熱可塑性の有機物であってもよい。熱可塑性の有機物としては、たとえば、パラフィンワックス、コールタール、およびポリエチレンなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。 In the production method of the present invention, the solid (A) may be a thermoplastic organic material. Examples of the thermoplastic organic material include thermoplastic resins such as paraffin wax, coal tar, and polyethylene.
第1、第2のおよび第3の電極膜は、金属で形成できる。本発明の製造方法では、第1、第2および第3の電極膜がメッキ法(たとえば無電解メッキ法)で形成されてもよい。メッキ法で電極膜を形成することによって、気相成膜法を用いる場合と異なり、空隙のない緻密な膜を形成することが可能である。そのため、メッキ法を用いることによって、特性のばらつきが少ないFETを形成できる。 The first, second and third electrode films can be made of metal. In the manufacturing method of the present invention, the first, second and third electrode films may be formed by a plating method (for example, an electroless plating method). By forming an electrode film by a plating method, it is possible to form a dense film without voids unlike the case of using a vapor phase film forming method. Therefore, an FET with little variation in characteristics can be formed by using a plating method.
[FETの一例およびその製造方法の一例]
以下に、本発明のFETの一例およびその製造方法の一例について説明する。
[An example of FET and an example of its manufacturing method]
Below, an example of FET of this invention and an example of the manufacturing method are demonstrated.
本発明のFETの一例の斜視図を、図1に示す。図1のFET10は、x軸方向のサイズが10μm、y軸方向のサイズが5μm、z軸方向のサイズが21μmである。
A perspective view of an example of the FET of the present invention is shown in FIG. The
FET10の断面図を図2に示す。FET10は、シリコンナノワイヤ11と、ソース電極膜12と、ドレイン電極膜13と、ゲート電極膜14と、絶縁層15とを含む。絶縁層15は、シリコンナノワイヤ11の外周面に形成されている。
A cross-sectional view of the
ソース電極膜12およびドレイン電極膜13は、サイズが10μm×5μmであり、厚さが5μmである。ソース電極膜12およびドレイン電極膜13は、ニッケルからなる。シリコンナノワイヤ11とソース電極膜12との接続部、およびシリコンナノワイヤ11とドレイン電極膜13との接続部には、ニッケルシリサイド16が形成されている。
The
ゲート電極膜14は、サイズが10μm×5μmであり、厚さが6μmである。ゲート電極膜14は、ニッケルからなる。
The
シリコンナノワイヤ11は、プロファイルドープされている。シリコンナノワイヤ11の両端(一端および他端)の部分はN型領域11nであり、両端部以外の中央部はP型領域11pである。N型領域11nにはリンがドープされており、P型領域11pにはボロンがドープされている。N型領域11nの2つの端部は、それぞれ、ソース電極膜12およびドレイン電極膜13に埋め込まれている。シリコンナノワイヤ11は、ゲート電極膜14を貫通している。ゲート電極膜14は、絶縁層15を挟んでP型領域11pを囲むように配置されている。
The
シリコンナノワイヤ11の形成方法を、図3に示す。まず、表面に酸化膜が形成されたシリコンウエハ31を準備し、その片側の表面に、金からなる触媒粒子32を配置する(図3(a))。触媒粒子32は、金コロイド粒子(平均粒径:80nm)が分散されたけん濁液をシリコンウエハ31上に塗布したのち、真空中で加熱することによって金コロイド粒子を凝集させて形成できる。
A method of forming the
次に、触媒粒子32が配置されたシリコンウエハ31を真空装置のチャンバー内に配置する。そして、シリコンナノワイヤ11(平均直径:100nm)のN型領域11nを、触媒粒子32を用いたCVD法によって成長させる(図3(b))。N型領域11nは、赤外線ヒーターでシリコンウエハ31を400℃まで加熱した状態で、原料ガスを基板表面に流すことによって形成する。原料ガスは、わずかのホスフィン(PH3)ガスを加えたジシランガスである。
Next, the
次に、原料ガスを、わずかのジボラン(B2H6)ガスを加えたジシランガスに切り替えて、上述と同様のCVD法によってシリコンを結晶成長させる。これによって、シリコンナノワイヤ11のP型領域11pを成長させる(図3(c))。なお、この際に、原料ガスとして純粋なジシランガスのみを用いると、P型領域11pの代わりに、不純物を含まない真性半導体の純粋なシリコンからなる領域が成長する。
Next, the source gas is switched to a disilane gas to which a slight amount of diborane (B 2 H 6 ) gas is added, and silicon is crystal-grown by the same CVD method as described above. Thereby, the P-
次に、原料ガスを、わずかのホスフィン(PH3)ガスを加えたジシランガスに切り替えて、上述と同様のCVD法によってシリコンを結晶成長させる。これによって、シリコンナノワイヤ11のN型領域11nを成長させる(図3(d))。このようにして、2つのN型領域11nと1つのP型領域11pとによって構成されたシリコンナノワイヤ11が形成される。シリコンナノワイヤ11は、シリコンウエハ31の表面に対して、ほぼ垂直に形成される。N型領域11nの長さとP型領域11pの長さは、たとえば、結晶成長の時間を変化させることによって制御できる。
Next, the source gas is switched to a disilane gas to which a slight amount of phosphine (PH 3 ) gas is added, and silicon is crystal-grown by the same CVD method as described above. Thereby, the N-
次に、シリコンナノワイヤが林立しているシリコンウエハを用いて、電界効果トランジスタを形成する方法について説明する。 Next, a method for forming a field effect transistor using a silicon wafer on which silicon nanowires are erected is described.
まず、図3に示した方法で、シリコンナノワイヤ11(平均長さ:18μm)が形成されたシリコンウエハ(第1の基板)31を形成する(図4(a))。ここで、2つのN型領域11nの長さはそれぞれ8μmであり、P型領域11pの長さは2μmである。
First, a silicon wafer (first substrate) 31 on which silicon nanowires 11 (average length: 18 μm) are formed is formed by the method shown in FIG. 3 (FIG. 4A). Here, the length of each of the two N-
次に、70℃以下では固体である熱可塑性有機物を120℃に加熱して液体の熱可塑性有機物41aとし、透明容器42内に配置する。そして、その中に、図4(a)のシリコンウエハ31を水平に保持しながら浸漬する。このとき、シリコンナノワイヤ11の先端部分(約3μm)が、熱可塑性有機物41aから突出するように熱可塑性有機物41の液量を制御する(図4(b))。
Next, the thermoplastic organic substance that is solid at 70 ° C. or lower is heated to 120 ° C. to form a liquid thermoplastic
その後、熱可塑性有機物41aの温度を室温まで下げ、固化した熱可塑性有機物41とする。次に、熱可塑性有機物41を透明容器42から取り出す。次に、熱可塑性有機物41の表面のうち、シリコンナノワイヤ11の先端部分が突出している面のみに、パラジウムを用いて無電解メッキの活性化処理を行う。そして、熱可塑性有機物41を、60℃に保ったニッケル無電解メッキ槽にいれて、メッキ処理をゆっくり行う。このようにして、ニッケルからなる第1の電極膜43(厚さ5μm)を形成する(図4(c))。
Thereafter, the temperature of the thermoplastic
なお、無電解メッキの活性化処理の方法としては、公知の方法を適用できる。たとえば、パラジウム水溶液を用いて還元によってパラジウム触媒を付着させる方法や、真空プロセスでパラジウム触媒を堆積させる方法を用いてもよい。 In addition, a well-known method is applicable as a method of the activation process of electroless plating. For example, a method of attaching a palladium catalyst by reduction using an aqueous palladium solution or a method of depositing a palladium catalyst by a vacuum process may be used.
次に、第1の電極膜43を、接着シート44を用いて、第2の基板45に接着する(図4(d))。第2の基板45によって、以下の工程の作業を容易にするとともに、シリコンナノワイヤ11等の破損を防止できる。
Next, the
次に、得られた物体を、第2の基板45を下にして透明容器46に入れる。そして、熱可塑性有機物41を加熱によって液状の熱可塑性有機物41aとし、第2の基板45側に移動させる。これによって、シリコンウエハ31の表面のうち、少なくとも、シリコンナノワイヤ11が形成されている面以外の面をすべて露出させる(図4(e))。そして、その状態で、熱可塑性有機物41aの温度を室温まで下げて、固化した熱可塑性有機物41とする。
Next, the obtained object is put into the
次に、シリコンウエハ31を取り除く(図4(f))。
Next, the
次に、熱可塑性有機物41を加熱し、液状の熱可塑性有機物41aとする。そして、シリコンナノワイヤ11の先端部分(3μm)が熱可塑性有機物41aの液面から突出するように、熱可塑性有機物41aの液面をレベリングする(図4(g))。そして、その状態で熱可塑性有機物41aの温度を低下させ、固化した熱可塑性有機物41とする。
Next, the thermoplastic
次に、得られた物体を透明容器46から取り出す。そして、熱可塑性有機物41のうち、シリコンナノワイヤ11の先端部分が突出している面のみに、ニッケルからなる第2の電極膜47(厚さ5μm)を形成する(図4(h))。第2の電極膜47は、第1の電極膜43と同様の方法によって形成できる。
Next, the obtained object is taken out from the
次に、熱可塑性有機物41を加熱によって液化し、除去する(図4(i))。
Next, the thermoplastic
次に、接着シート44および第2の基板45を、第1の電極膜43から分離する。このようにして、複数のシリコンナノワイヤ11の両端が、第1の電極膜43と第2の電極膜47とによって接続された物体が得られる(図4(j))。
Next, the
次に、得られた物体を、酸素ガスを含むアルゴンガス雰囲気中において、450℃で熱処理する。この熱処理によって、ニッケルメッキ膜(第1および第2の電極膜43および47)が安定化する。また、熱処理によって、シリコンナノワイヤ11の露出している表面に、絶縁層(図示せず。図2の絶縁層15に相当。)が形成される。また、熱処理によって、第1の電極膜43とシリコンナノワイヤ11との界面、および第2の電極膜47とシリコンナノワイヤ11との界面には、電気抵抗が低いニッケルシリサイド(図示せず。図2のニッケルシリサイド16に相当。)が形成される。
Next, the obtained object is heat-treated at 450 ° C. in an argon gas atmosphere containing oxygen gas. By this heat treatment, the nickel plating film (first and
次に、接着シート48を用いて、第1の電極膜43を第3の基板49に貼り付ける(図5(k))。
Next, the
次に、得られた物体の一部を、加熱によって液化している熱可塑性有機物51a中に浸漬する。熱可塑性有機物51aは、透明容器50中に配置されている。そして、第1の電極膜43のシリコンナノワイヤ11側の表面が、熱可塑性有機物51aの液面から3μm沈められた状態にする(図5(l))。そして、その状態で熱可塑性有機物51aの温度を低下させ、固化した熱可塑性有機物51とする。
Next, a part of the obtained object is immersed in the thermoplastic
次に、得られた物体を透明容器50から取り出す。そして、透明容器50内に、再度、加熱によって液化している熱可塑性有機物52aを配置する。熱可塑性有機物51aおよび52aは、熱可塑性有機物41aと同じ材料であってもよい。
Next, the obtained object is taken out from the
次に、物体のうち第3の電極膜47側の一部を、熱可塑性有機物52a中に浸漬する。このとき、第3の電極膜47のシリコンナノワイヤ11側の表面が、熱可塑性有機物52aの液面から3μm沈められた状態にする(図5(m))。そして、その状態で、熱可塑性有機物52aの温度を低下させ、固化した熱可塑性有機物52とする。なお、固化している熱可塑性有機物51が液化しないように、図5(m)の工程は、熱可塑性有機物51を冷却しながら行うことが好ましい。
Next, a part of the object on the
次に、得られた物体を、透明容器50から取り出す。このようにして、シリコンナノワイヤ11の中央部の表面に存在する絶縁層が露出した物体が得られる(図5(n))。
Next, the obtained object is taken out from the
次に、露出している絶縁層上に、ニッケルからなる第3の電極膜53(厚さ6μm)を無電解メッキ法によって形成する(図5(o))。第3の電極膜53は、第1の電極膜43と同様の方法によって形成される。
Next, a third electrode film 53 (thickness 6 μm) made of nickel is formed on the exposed insulating layer by an electroless plating method (FIG. 5 (o)). The
次に、熱可塑性有機物51および熱可塑性有機物52を加熱によって除去する。また、粘着シート48および第3の基板49を取り除く。次に、得られた物体を、アルゴンガス雰囲気下で、300℃で熱処理する。このようにして、図5(p)に示す物体が得られる。第1、第2および第3の電極は、互いにほぼ平行に形成されている。また、シリコンナノワイヤ11は、第1、第2および第3の電極の表面に対して、ほぼ垂直に配向している。
Next, the thermoplastic
次に、得られた物体を、電極膜の表面に対して垂直に、且つ縦5μmで横10μmのサイズに分割する(図5(q))。分割の方法に限定はなく、たとえば、ダイシング法、あるいは、リソグラフィー法とドライエッチング法とを組み合わせた方法などを用いてもよい。このようにして、図1に示したFET10が得られる。
Next, the obtained object is divided into a size of 5 μm in length and 10 μm in width perpendicular to the surface of the electrode film (FIG. 5 (q)). There is no limitation on the division method, and for example, a dicing method or a method combining a lithography method and a dry etching method may be used. In this way, the
なお、シリコンナノワイヤ11の代わりに、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムからなるナノワイヤを用いてもよい。また、N型半導体領域およびP型半導体領域は、イオン注入法で形成してもよい。また、N型半導体領域は、リンの代わりに、砒素あるいはアンチモンをドープすることによって形成してもよい。また、P型半導体領域は、ボロンの代わりに、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムをドープすることによって形成してもよい。また、シリコンナノワイヤ11は、P型/N型/P型という順序でプロファイルドープされてもよい。
Instead of the
また、第1、第2および第3の電極膜は、コバルト、白金、パラジウム、ロジウム、および金のいずれかで形成されてもよい。これらの金属からなる電極膜は、無電解メッキ法で形成できる。 The first, second and third electrode films may be formed of any one of cobalt, platinum, palladium, rhodium, and gold. Electrode films made of these metals can be formed by electroless plating.
さらに、熱可塑性有機物41、51および52には、パラフィンワックス系有機物、コールタール系有機物、およびポリエチレンなどの熱可塑性樹脂のいずれかを用いてもよい。用いる材料に応じて、処理温度が調整される。
Furthermore, as the thermoplastic
また、シリコンナノワイヤ11の中央部表面に形成される絶縁層は、CVD法などで形成してもよい。たとえば、CVD法で窒化シリコン層を形成してもよい。
Further, the insulating layer formed on the center surface of the
本発明は、半導体ナノワイヤを用いた電界効果トランジスタ、およびそれを用いた電子機器に適用できる。 The present invention can be applied to a field effect transistor using a semiconductor nanowire and an electronic apparatus using the same.
10 電界効果トランジスタ(FET)
11 シリコンナノワイヤ
11n n型領域
11p p型領域
12 ソース電極膜
13 ドレイン電極膜
14 ゲート電極膜
15 絶縁層
16 ニッケルシリサイド
31 シリコンウエハ
32 触媒粒子
41a、51a、52a 熱可塑性有機物(液状)
41、51、52 熱可塑性有機物(固体状)
43 第1の電極膜
44、48 接着シート
45 第2の基板
47 第2の電極膜
49 第3の基板
53 第3の電極膜
10 Field Effect Transistor (FET)
11
41, 51, 52 Thermoplastic organic matter (solid)
43
Claims (9)
前記ゲート電極膜を貫通するように配置された複数の半導体ナノワイヤと、
前記複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの一端に接触してそれらを接続するように形成されたソース電極膜と、
前記複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの他端に接触してそれらを接続するように形成されたドレイン電極膜とを含み、
前記ソース電極膜および前記ドレイン電極膜は金属からなり、
前記ゲート電極膜と前記半導体ナノワイヤとの間に絶縁層が配置されており、
前記半導体ナノワイヤの前記一端および前記他端の半導体のタイプがともにP型またはN型のいずれかであり、前記一端および前記他端に挟まれた中央部の半導体のタイプが、前記一端および前記他端のタイプとは異なる電界効果トランジスタ。 A gate electrode film;
A plurality of semiconductor nanowires arranged to penetrate the gate electrode film;
A source electrode film formed to contact and connect one end of each of the plurality of semiconductor nanowires;
A drain electrode film formed to come into contact with and connect to the other end of each of the plurality of semiconductor nanowires,
The source electrode film and the drain electrode film are made of metal,
An insulating layer is disposed between the gate electrode film and the semiconductor nanowire,
The semiconductor type of the one end and the other end of the semiconductor nanowire is either P-type or N-type, and the semiconductor type in the central part sandwiched between the one end and the other end is the one end and the other Field effect transistor different from the end type.
前記半導体ナノワイヤと前記ドレイン電極膜との接続部において、前記半導体ナノワイヤを構成する半導体と、前記ドレイン電極膜を構成する金属との合金が形成されている請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 In the connection portion between the semiconductor nanowire and the source electrode film, an alloy of the semiconductor constituting the semiconductor nanowire and the metal constituting the source electrode film is formed,
The field effect transistor according to claim 1, wherein an alloy of a semiconductor constituting the semiconductor nanowire and a metal constituting the drain electrode film is formed at a connection portion between the semiconductor nanowire and the drain electrode film.
(ii)前記複数の半導体ナノワイヤの他端が露出するように、除去可能な固体で前記半導体ナノワイヤを固定する工程と、
(iii)前記複数の半導体ナノワイヤの前記他端を接続するように第1の電極膜を形成する工程と、
(iv)前記基板を除去する工程と、
(v)前記複数の半導体ナノワイヤの前記一端を接続するように第2の電極膜を形成する工程と、
(vi)前記固体を除去する工程と、
(vii)前記複数の半導体ナノワイヤのそれぞれの中央部の表面に、絶縁層を形成する工程と、
(viii)前記絶縁層に接するように、且つ前記第1および第2の電極膜に接しないように第3の電極膜を形成する工程と、を含み、
前記半導体ナノワイヤの前記一端および前記他端の半導体のタイプがともにP型またはN型のいずれかであり、前記一端および前記他端に挟まれた中央部の半導体のタイプが、前記一端および前記他端のタイプとは異なる電界効果トランジスタの製造方法。 (I) forming a plurality of semiconductor nanowires standing on the substrate such that one end of each is fixed to the substrate;
(Ii) fixing the semiconductor nanowire with a removable solid so that the other ends of the plurality of semiconductor nanowires are exposed;
(Iii) forming a first electrode film so as to connect the other ends of the plurality of semiconductor nanowires;
(Iv) removing the substrate;
(V) forming a second electrode film so as to connect the one ends of the plurality of semiconductor nanowires;
(Vi) removing the solid;
(Vii) forming an insulating layer on the surface of each central portion of the plurality of semiconductor nanowires;
(Viii) forming a third electrode film in contact with the insulating layer and not in contact with the first and second electrode films,
The semiconductor type of the one end and the other end of the semiconductor nanowire is either P-type or N-type, and the semiconductor type in the central part sandwiched between the one end and the other end is the one end and the other A field effect transistor manufacturing method different from the edge type.
前記(iii)の工程ののちであって前記(iv)の工程の前に、前記基板に接触している前記固体を除去する工程を含む請求項6に記載の製造方法。 In the step (ii), the substrate is fixed with the solid together with a central portion of the plurality of semiconductor nanowires,
The manufacturing method according to claim 6, further comprising a step of removing the solid in contact with the substrate after the step (iii) and before the step (iv).
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