JP2009231631A - カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタの電流密度の向上と、ゲートオフ電流の低減
【解決手段】チャネル下の基板上に、触媒膜又は触媒微粒子を形成し、この触媒膜又は触媒微粒子を用いて、チャネル下の基板面上からカーボンナノチューブを成長させると共に、カーボンナノチューブを連鎖させ、ソースとドレイン間を架橋させ、実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路に、半導体導電性カーボンナノチューブを存在させるようにした。この構造により、架橋経路が、全て金属導電性カーボンナノチューブで構成される確率が低減できる。この結果、ゲートオフ電流を低減することができる。また、基板上からカーボンナノチューブを成長させて、横方向に連鎖させているので、カーボンナノチューブの密度を高くすることができる。この結果、オン電流を増加することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンナノチューブをチャネルに用いた電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は薄型テレビやフレキシブルディスプレイなどの応用が期待され有機薄膜の実用化が進められている。しかし、有機薄膜は、移動度が１ｃｍ² ／ｖｓ程度と十分といえない。一方、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）薄膜トランジスタ（ＣＮＴ−ＴＦＴ）は、カーボンナノチューブをチャネルとして用いることで高い移動度が期待できる。チャネルを形成する方法は、カーボンナノチューブを分散させる方法、結晶基板に、カーボンナノチューブを配向させる結晶基板法が用いられている。しかし、分散法では均一なカーボンナノチューブの分布が得られないため素子のばらつきが大きくなる。結晶基板法は高温プロセスが必要であり、大面積化が困難であるという問題がある。

下記特許文献１に示すように、結晶基板法を用いて形成した、チャネルにカーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタが知られている。このトランジスタは、チャネル領域の両側で、後にソースを形成する領域と、ドレインを形成する領域に触媒膜を形成して、その金属膜からカーボンナノチューブを横方向に成長させて、チャネルを形成したものである。この電界効果トランジスタは、ソース・ドレイン間を半導体導電性カーボンナノチューブで架橋する構造である。
特開２００７−２３４６７６８号公報

上記の分散法と結晶基板法は、どちらの方式においても、１／３の比率で、金属導電性カーボンナノチューブにより、ソースとドレインが架橋されるために、リーク電流が多く、ピンチオフするFET 特性が得られない。また、金属導電性カーボンナノチューブによる架橋数を低減させるためには、カーボンナノチューブの密度を低くする必要があり、駆動電流が小さく、十分な移動度が得られないなどの問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、成長基板のチャネル領域からも、カーボンナノチューブを成長させることで、チャネルに多くのカーボンナノチューブの連鎖を形成して、ソースとドレイ間を架橋する構造を提供するものである。そして、この架橋経路において、少なくとも一つの半導体導電性カーボンナノチューブが介在する確率を高くすることで、ソース、ドレイン間のリーク電流を減少させると共に、負荷電流を大きくすることができる構造を実現することである。

第１の発明は、ソースとドレイン間のチャネルをカーボンナノチューブとした電界効果トランジスタにおいて、チャネル下の基板面上から成長した多数のカーボンナノチューブが、連鎖して、ソースとドレイン間を架橋し、実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路には、半導体導電性カーボンナノチューブが存在することを特徴とする電界効果トランジスタである。

本発明は、チャネル下の基板からカーボンナノチューブを多数成長させて、カーボンナノチューブの連鎖により、ソース、ドレイン間を架橋するようにした構造が特徴である。カーボンナノチューブを成長させるとき、金属導電性カーボンナノチューブと、半導体導電性カーボンナノチューブの比率は、１：２になることが知られている。そうすると、カーボンナノチューブが連鎖して、ソースとドレイン間を架橋する場合に、この架橋経路がｎ本のカーボンナノチューブで構成されているとすると、この架橋経路が、全て金属導電性カーボンナノチューブで構成される確率は、連鎖するカーボンナノチューブの本数ｎが増大するに連れて、１／３ⁿ で小さくなる。したがって、１−１／３ⁿ の確率で、一架橋経路の中に、必ず、半導体導電性カーボンナノチューブが、少なくとも１本は、存在することになる。この架橋経路中に半導体導電性カーボンナノチューブを有する架橋経路は、全体として、半導体導電性カーボンナノチューブの特性となる。これにより、リーク電流を低減することが可能となる。たとえば、１架橋経路を、１架橋経路当たり１０本のカーボンナノチューブの連鎖で構成されるとすると、１つの架橋経路が金属導電性を示す確率は、１．６７×１０^-5、半導体導電性を示す確率は、０．９９９９８３である。このようにして、ソースとドレイン間のカーボンナノチューブの連鎖本数ｎを大きくすることで、チャネルを半導体導電性とすることができる。連鎖本数ｎを大きくする方法としては、チャネル長さを長くする方法と、１本のカーボンナノチューブを短くする方法とが考えられる。ソース、ドレイン間を架橋するカーボンナノチューブの連鎖本数ｎの望ましい値は、、６〜１２である。また、チャネル長さの望ましい範囲は、５μｍ〜５０μｍである。実際には、連鎖本数ｎは、ある正規分布で分布していると考えられるので、連鎖本数がｎである架橋経路密度Ｄ（ｎ）と、その架橋経路が全て金属導電性カーボンナノチューブで構成される確率Ｐ（ｎ）との積Ｄ（ｎ）・Ｐ（ｎ）のｎに関する積分で、金属導電性カーボンナノチューブのみからなる導通経路が形成される確率が求められる。基板の少なくとも表面は、絶縁性であることが望ましい。触媒を用いずにカーボンナノチューブを成長させる方法、たとえば、ＳｉＣ基板の表面を熱分解して、シリコン原子を除去することで、残った炭素原子から、カーボンナノチューブを成長させる方法がある。本発明の構造は、チャネル領域の基板から成長したカーボンナノチューブを有することが特徴であるので、構造の発明は、それを成長させる方法には、限定されない。また、カーボンナノチューブは、多層ウォールの場合には、全体として、金属導電性になる確率が高くなるので、単層ウォールであることが望ましい。また、「実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路には、半導体導電性カーボンナノチューブが存在する」場合の、「実質上」の意味は、電界効果トランジスタのチャネルがピンチオフする状態にまで、チャネルが半導体導電性を示す程度には、架橋経路のそれぞれの経路に半導体導電性カーボンナノチューブが存在することを意味する。

また、第２の発明は、第１の発明において、チャネルのカーボンナノチューブは、チャネル下の基板面上の触媒膜又は触媒微粒子を触媒として、成長したものであることを特徴とする。通常は、基板面上に、触媒膜又は触媒微粒子を形成して、これを触媒にしてカーボンナノチューブを成長させる。触媒には、通常は、遷移金属が用いられるが、カーボンナノチューブの成長に触媒となり得るものであれば任意である。また、金属触媒を用いた場合には、その導電性により、ソース、ドレイン間が導通し易くなるので、電界効果トランジスタとしては、望ましくない。したがって、カーボンナノチューブの成長時に、触媒金属膜を用いた場合には、成長が終了した時には、触媒金属膜は、凝縮して微粒子化されることにより、隣接微粒子間で、導通がないように構成されていることが望ましい。仮に、カーボンナノチューブの成長終了後に、触媒金属膜のままで残されていたとしても、この膜の厚さを非常に薄く構成して、金属膜の抵抗が、カーボンナノチューブによるチャネルの抵抗よりも高く構成できれば、電界効果トランジスタとして機能する。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、半導体導電性カーボンナノチューブは、架橋経路上における複数の金属導電性カーボンナノチューブの連鎖を遮断するように該金属導電性カーボンナノチューブと連鎖して存在することを特徴とする。この構造により、ソースとドレイン間を流れる短絡電流を減少させることができる。

また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、触媒膜又は触媒微粒子及びカーボンナノチューブは、ソース形成領域及びドレイン形成領域にも、形成されており、ソースとドレインは、カーボンナノチューブの上に形成されていることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、触媒膜又は触媒微粒子及びカーボンナノチューブは、ソースとドレインの上にも形成されていることを特徴とする。この構成の場合には、ソース、ドレインを、カーボンナノチューブよりも先に形成するので、ソース、ドレインをフォトリソグラフィにより形成する場合に、カーボンナノチューブをレジストで汚染することがない。

また、第６の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、カーボンナノチューブは、チャネル領域にのみ形成されていることを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第６の何れか一つの発明において、ゲートは、基板上又は基板中のチャネル領域に形成されていることを特徴とする。この構造としては、ゲート、絶縁層、その絶縁層上に、成長したカーボンナノチューブの構造となる。絶縁層は基板の一部である。第２の発明を用いる場合には、絶縁層の上に、触媒膜又は触媒微粒子が存在し、それを触媒として、カーボンナノチューブが基板の一部である絶縁層から成長している。この構造は、カーボンナノチューブを形成した後に、フォトリソグラフィ工程を排除できるので、カーボンナノチューブを樹脂による汚染から排除でき、電界効果トランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性の履歴特性をなくすることができる。

また、第８の発明は、ソースとドレイン間のチャネルをカーボンナノチューブとした電界効果トランジスタの製造方法において、チャネル下の基板上に、触媒膜又は触媒微粒子を形成し、この触媒膜又は触媒微粒子を用いて、チャネル下の基板面上からカーボンナノチューブを成長させると共に、カーボンナノチューブを連鎖させ、ソースとドレイン間を架橋させ、実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路に、半導体導電性カーボンナノチューブを存在させるようにしたことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法である。本製造方法は第２の発明の製造方法に対応するものである。この製造方法によると、チャネル下の基板面上から成長した多数のカーボンナノチューブは、連鎖して、ソースとドレイン間を架橋する構造とすることかができる。そして、実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路には、少なくとも一つの半導体導電性カーボンナノチューブが存在するようにすることが可能である。上記した触媒、触媒膜の厚さなどの記述に付いては、本製造方法にも適用される。

また、第９の発明は、第８の発明において、半導体導電性カーボンナノチューブは、架橋経路上における複数の金属導電性カーボンナノチューブの連鎖を遮断するように該金属導電性カーボンナノチューブと連鎖して存在することを特徴とする。第３の発明の電界効果トランジスタの製造方法に対応する。

また、第１０の発明は、第８又は第９の発明において、触媒膜は、０．０１ｎｍ〜２ｎｍの厚さに形成することを特徴とする。この厚さに形成すると、カーボンナノチューブを成長させた後の触媒膜の抵抗を、カーボンナノチューブのチャネルの抵抗に比べて大きくすることができる。

また、第１１の発明は、第８乃至第１０の何れか一つの発明において、触媒膜又は触媒微粒子及びカーボンナノチューブを、ソース形成領域及びドレイン形成領域にも形成し、カーボンナノチューブの形成の後に、カーボンナノチューブの上にソースとドレインを形成することを特徴とする。この製法は、第４の発明の電界効果トランジスタの製法に対応する。

また、第１２の発明は、第８乃至第１０の何れか一つの発明において、基板上に、ソース及びドレインを形成し、それらの間の基板上及びソース及びドレイン上に、触媒膜又は触媒微粒子を形成し、その後に、触媒膜又は触媒微粒子の上に、カーボンナノチューブを成長させることを特徴とする。この構成の場合には、ソース、ドレインを、カーボンナノチューブよりも先に形成するので、ソース、ドレインをフォトリソグラフィにより形成する場合に、カーボンナノチューブをレジストで汚染することがない。この製法は、第５の発明の電界効果トランジスタの製法に対応する。

また、第１３の発明は、第８乃至第１０の何れか一つの発明において、基板上の少なくともチャネル領域に触媒膜又は触媒微粒子を形成し、ソースとドレインを形成し、ソースとドレイン間の触媒膜上又は触媒微粒子上に、カーボンナノチューブを選択成長させることを特徴とする。この構成の場合には、ソース、ドレインを、カーボンナノチューブよりも先に形成するので、ソース、ドレインをフォトリソグラフィにより形成する場合に、カーボンナノチューブをレジストで汚染することがない。この製法は、第６の発明の電界効果トランジスタの製法に対応する。

また、第１４の発明は、基板上又は基板表面凹部に、ゲート及びその上に絶縁膜を形成した後に、第８乃至第１３の何れか１つの発明に係る工程を実施することを特徴とする。この製法は、第２の発明を用いる第７の発明の電界効果トランジスタの製法に対応する。

本装置発明は、ソースとドレイン間のチャネルをカーボンナノチューブとした電界効果トランジスタにおいて、チャネル下の基板面上から成長した多数のカーボンナノチューブが、連鎖して、ソースとドレイン間を架橋し、実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路には、半導体導電性カーボンナノチューブが存在するようにしている。このため、ゲートオフ時のソースとドレイン間の抵抗が高くなり、チャネルのオフ抵抗を高くすることができ、トランジスタの遮断特性を良好にすることができる。

本製法発明は、ソースとドレイン間のチャネルをカーボンナノチューブとした電界効果トランジスタの製造方法において、チャネル下の基板上に、触媒膜又は触媒微粒子を形成し、この触媒膜又は触媒微粒子を用いて、チャネル下の基板面上からカーボンナノチューブを成長させると共に、カーボンナノチューブを連鎖させ、ソースとドレイン間を架橋させ、実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路に、半導体導電性カーボンナノチューブを存在させるようにしている。したがって、この製法により作成される電荷効果トランジスタは、ゲートオフ時のソースとドレイン間の抵抗が高くなり、チャネルのオフ抵抗を高くすることができ、トランジスタの遮断特性を良好にすることができる。

本発明は、ソースとドレイン間の全面に成長したカーボンナノチューブがチャネルを形成することで、カーボンナノチューブがネットワークを組み多数の架橋経路をつくることができるため大きな駆動電流が得られる。また、ネットワークを組むカーボンナノチューブの長さは、成長時間で変えることが可能である。したがって、短いカーボンナノチューブの多数の連鎖により、ソースとドレイン間を架橋することにより、金属導電性カーボンナノチューブだけの連鎖によりソースとドレインとが架橋される確率が小さくなる。この結果、チャネル長を短くすることも可能である。ナノチューブ成長にプラズマを用いることで低温成長が可能となることから触媒の凝集を防ぎ、均一にカーボンナノチューブを成長させることが出来る。

また、プラズマを用いることでカーボンナノチューブの金属導電性カーボンナノチューブの量／半導体導電性カーボンナノチューブの量＝１／３よりも、半導体導電性カーボンナノチューブが多い優先成長が期待できる。従来技術である、カーボンナノチューブの分散法では多数のカーボンナノチューブが束状になるためゲートによる伝導率変調効率が悪くなるため、駆動電流か少ない。また、カーボンナノチューブの分散にばらつきがあり、歩留まりが悪い。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は、これらの実施例には限定されない。

本発明の第１の実施例を示す。図１は、カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタであるＣＮＴ−ＴＦＴの断面図である。ＣＮＴ−ＴＦＴの作製は次の手順で行う。初めにＳｉＯ₂ から成る絶縁膜１１が表面に形成されたシリコン基板１０をＣＮＴ成長基板とし、触媒金属膜１２を形成する。触媒は鉄で、触媒金属膜１２の厚さは、０．１ｎｍとし、真空蒸着法で形成した。触媒金属膜１２は成長時に温度を上げることで微粒子化する。加熱機構の付いたホルダー（図示略）に、シリコン基板１０を保持して、これを、図２に示すプラズマＣＶＤ装置内３０のカソード電極３２の上に設置した。次に、その成膜室３１に、メタン等の炭素を含むガス或はアルコール等の炭素を含む有機溶剤を気化させたものを原料ガスとして流す。成膜室３１内の圧力を１００Ｐａ〜５ｋＰａの間に保ち、プラズマを、成膜室３１内で生成した。また、アノード電極３４とカソード電極３２の間に、直流バイアスＥを与えた。これにより、カーボンナノチューブ１７は、シリコン基板１０上の触媒金属膜１２の上から立ち上がり、横方向には、カーボンナノチューブ１７が、相互に連鎖したネットワーク状に成長する。ここで用いるプラズマＣＶＤ装置のプラズマ発生法は、マイクロ波、高周波、交流、直流でも可能である。

次に、カーボンナノチューブ１７の上に、チャネル領域を挟む両側に、ソース１３とドレイン１４を形成した。次に、カーボンナノチューブ１７で構成されるチャネルの上に、ＳｉＯ₂ から成る絶縁膜１５と、ゲート電極１６を形成して、ＦＥＴを製造した。シリコン基板１０に代えて、透明な石英板やガラス板を用い、透明電極を用いることで、透明なＣＮＴ−ＴＦＴを作ることも可能である。

プラズマＣＶＤ装置のプラズマ発生は、マイクロ波、高周波、交流、直流でも可能ではあるが、イオン照射を抑えることで、カーボンナノチューブ１７の成長量を増加させることができる。イオン照射を少なく制御する方法には、プラズマが発生する領域と、カーボンナノチューブが成長する領域との距離を保つ方法、グリッド３３をカソード電極３２とアノード電極３４との間に挿入して、グリッド３３にカソード電極３２に対して正電位を与える方法などがある。グリッド３３に電位を与えることは、イオンのエネルギーを制御するのに非常に有効な方法である。グリッド電極３３によりシリコン基板１０の上部の電界は小さくなり、正イオンがカーボンナノチューブ１７へ照射されることにより生じる欠陥を抑制することができる。グリッド電極３３とカソード電極３２間の電圧は１Ｖ〜５０Ｖの時に、ＣＮＴ−ＴＦＴの特性は、電極３３−３２間電圧に依存して変化した。

図３は、シリコン基板１０上にカーボンナノチューブの連鎖で構成されるネットワーク状に成長したカーボンナノチューブの電子顕微鏡写真である。このときのカーボンナノチューブの成長条件は、マイクロ波電力が４００Ｗ、ガス圧力が１ｋＰａ、メタンガス流量が１０ｓｃｃｍ、水素ガス流量が８０ｓｃｃｍ、シリコン基板１０の加熱温度が６５０℃、グリッド電極３３とカソード電極３２間の電圧が、５Ｖ、成長時間が１０分であった。図４は、シリコン基板１０上に、ソース１３とドレイン１４とを形成した素子の電子顕微鏡写真である。図５−７は、本実施例に係るＣＮＴ−ＴＦＴのトランジスタ特性である。チャネル長は４０μｍ、チャネル幅は２００μｍである。Ｖｄｓ＝−０．２Ｖのとき相互コンダクタンスｇ_m は、０．５μＳであり、実効移動度μ_FEは１４．５ｃｍ² ／Ｖｓであった。

また、実施例１と同様な製法により、オン電流が1 ｍＡを超える高品質のＣＮＴ−ＴＦＴを作製した。ガス圧力を低くするとプラズマ中の荷電粒子が金属導電性カーボンナノチューブに損傷を与え、半導体導電性カーボンナノチューブが残り易くなっていることが分かった。

実施例２の電界効果トランジスタは、実施例１の電界効果トランジスタの製法において、ガス圧力を変えてカーボンナノチューブの成長を行って得たものである。図８、図９は、実施例１の場合の１／２の圧力であるガス圧力５００Ｐａで作製したＣＮＴ−ＴＦＴのトランジスタ特性である。ｏｎ／ｏｆｆ比は、１０⁴ 程度で良好な特性を示していることが分かる。Ｖｄｓ＝−０．２Ｖのとき相互コンダクタンスｇ_m は０．０６μＳで、実効移動度μ_FEは１．７ｃｍ² ／Ｖｓであった。なお、グリッド電極３３とカソード電極３２間に加える電圧を変えることで、イオン照射を制御することができ、ガス圧力を変えたときと同じような結果が得られた。また、図１０に、チャネルのカーボンナノチューブのＳＥＭ像を、図１１に、ＡＦＭ像を示す。

触媒金属膜１２の厚さを０．０１ｎｍ〜３ｎｍにして、上記の構造の電界効果トランジスタを製造した。そして、このソースとドレイン間のゲートオフ抵抗を測定した。結果を図１２に示す。チャネル幅は６６０μｍである。触媒金属膜１２の厚さが１．５ｎｍ以下の場合には、ゲートオフ抵抗は、無限大であり、厚さが２ｎｍの時には、２１０ｋΩ／μｍ、厚さが２．５ｎｍの時には、４０ｋΩ／μｍとなった。触媒金属膜１２の厚さを２ｎｍとして場合に、ソース／ドレイン間に、５Ｖの電圧を印加すると、リーク電流は、０．０２４ｍＡとなり、ゲートオフ時のカーボンナノチューブのチャネルに流れる電流よりも約２桁程低い値となった。触媒金属膜１２を２ｎｍよりも厚くすると、触媒金属膜１２を流れる電流が、カーボンナノチューブのチャネルに流れる電流とが同程度か、又は、それ以上となるので望ましくない。 また、触媒金属膜１２の厚さを０．０１ｎｍとした場合にも、チャネル領域の基板上に、カーボンナノチューブは、成長して、カーボンナノチューブの連鎖構造を得られているのが確認されている。したがって、触媒金属膜１２の厚さは、０．０１ｎｍ〜２ｎｍの厚さで使用することが可能である。

実施例４の電界効果トランジスタは、図１３に示すものである。実施例１と同一機能を有する部分には、同一符号が付されている。ＳｉＯ₂ 膜から成る絶縁膜１１の形成されたシリコン基板１０上に、金属の一様蒸着の後に、フォトリフグラフィを経て、ソース１３とドレイン１４が形成される。次に、ソース１３とドレイン１４の上と、ソース１３とドレイン１４間のＳｉＯ₂ から成る絶縁膜１１の上面に、鉄から成る触媒金属膜１２を厚さ、１．５ｎｍに形成する。次に、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ１７を成長させる。この時、カーボンナノチューブ１７は、チャネル下の触媒金属膜１２から立ち上がり、横方向には、相互に連携されたネットワーク状に構成することができた。次に、ＳｉＯ₂ から成る絶縁膜１５とゲート１６を形成した。このような構成としても良い。

実施例５の電界効果トランジスタは、図１４に示すものである。実施例１と同一機能を有する部分には、同一符号が付されている。基板には、セラミクス基板１００を用いた。セラミクス基板１００上に、金属を一様に蒸着して、厚さ１ｎｍの触媒金属膜１２を形成した。その触媒金属膜１２の上に、金属を一様に蒸着して、フォトリフグラフィを経て、ソース１３とドレイン１４が形成される。次に、ソース１３とドレイン１４をマスクとして、触媒金属１２の露出面１２１（チャネル下）上に、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ１７を、選択的に成長させた。この時、カーボンナノチューブ１７は、チャネル下の触媒金属膜１２から立ち上がり、横方向には、相互に連携されたネットワーク状に構成することができた。次に、ＳｉＯ₂ から成る絶縁膜１５とゲート１６を形成した。このような構成としても良い。

実施例６の電界効果トランジスタは、図１５に示すものである。実施例１と同一機能を有する部分には、同一符号が付されている。基板には絶縁性のシリコン基板１０１を用いた。この基板１０１の表面には、凹部が設けられており、その凹部１６０の中にゲート１６１と、ＳｉＯ₂ 膜から成る絶縁膜１５１とが形成されている。すなわち、本実施例６の電界効果トランジスタは、埋め込みゲート型である。その後は、実施例４と同様に、ソース１３とドレイン１４を形成し、ソース１３とドレイン１４の上と、ソース１３とドレイン１４間の絶縁膜１５１の上面に、鉄から成る触媒金属膜１２を厚さ、１．０ｎｍに形成する。次に、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ１７を成長させる。この時、カーボンナノチューブ１７は、チャネル下の触媒金属膜１２から立ち上がり、横方向には、相互に連携されたネットワーク状に構成することができた。このような構成としても良い。この実施例６の構成の場合には、カーボンナノチューブ１７を形成した後には、フォトリフグラフィが行われない。したがって、カーボンナノチューブ１７がレジストで汚染されることがなく、ゲート電圧−ドレイン電流特性において履歴特性が表れることがない。

実施例７の電界効果トランジスタは、図１６に示すものである。本実施例は、実施例６の埋め込みゲートと、実施例１の組合せである。実施例１、６と同一機能を有する部分には、同一符号が付されている。基板には絶縁性のシリコン基板１０１を用いた。この基板１０１の表面には、凹部が設けられており、その凹部１６０の中にゲート１６１と、ＳｉＯ₂ 膜から成る絶縁膜１５１とが形成されている。その後は、基板１０１の表面上に、鉄から成る触媒金属膜１２を厚さ、１．０ｎｍに形成する。その後は、実施例１と同様に、カーボンナノチューブ１７を成長させて、その上に、ソース１３とドレイン１４を形成した。この時、カーボンナノチューブ１７は、チャネル下の触媒金属膜１２から立ち上がり、横方向には、相互に連携されたネットワーク状に構成することができた。このような構成としても良い。

実施例８の電界効果トランジスタは、図１７に示すものである。本実施例は、実施例６の埋め込みゲートと、実施例５のカーボンナノチューブの選択成長との組合せである。実施例５、６と同一機能を有する部分には、同一符号が付されている。基板には絶縁性のシリコン基板１０１を用いた。この基板１０１の表面には、凹部が設けられており、その凹部１６０の中にゲート１６１と、ＳｉＯ₂ 膜から成る絶縁膜１５１とが形成されている。その後は、基板１０１の表面上に、鉄から成る触媒金属膜１２を厚さ、１．０ｎｍに形成す、その触媒金属膜１２の上に、ソース１３とドレイン１４を形成した。そして、このソース１３とドレイン１４をマスクにして、触媒金属１２の露出面１２１（チャネル下）上に、実施例１と同様にして、カーボンナノチューブ１７を、選択的に成長させた。この時、カーボンナノチューブ１７は、チャネル下の触媒金属膜１２から立ち上がり、横方向には、相互に連携されたネットワーク状に構成することができた。この実施例８の構成の場合には、カーボンナノチューブ１７を形成した後には、フォトリソグラフィが行われない。したがって、実施例６と同様に、カーボンナノチューブ１７がレジストで汚染されることがなく、ゲート電圧−ドレイン電流特性において履歴特性が表れることがない。

上記の全実施例において、触媒金属膜は、鉄の他、コバルト、ニッケルや、これらの混合体などを用いることができる。また、触媒金属膜は、単層であっても２層以上の複層であっても良い。触媒金属膜を２層構造とする場合には、基板側に形成する層は、チタン、シリコン、モリブデン、アルミニウム、アルミナ、又は、これらの混合体であっても良い。この層の上に、鉄の他、コバルト、ニッケルや、これらの混合体から成る層を形成しても良い。本発明は、プラズマを用いて形成することが望ましいが、他の方法であっても良い。

本発明は、電界効果トランジスタ、特に、薄膜トランジスタとして用いることができる。

本発明の具体的な実施例１に係る電界効果トランジスタの構成図。 実施例１の電界効果トランジスタを製造する製造装置の構成図。 実施例１の電界効果トランジスタの成長したカーボンナノチューブの電子顕微鏡写真。 実施例１の電界効果トランジスタのカーボンナノチューブとその上のソースとドレインを示す電子顕微鏡写真。 実施例１の電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｄｓ特性図。 実施例１の電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性図。 実施例１の電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性図。 実施例２の電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｄｓ特性図。 実施例２の電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性図。 実施例２の電界効果トランジスタのチャネルのカーボンナノチューブのＳＥＭ像。 実施例２の電界効果トランジスタのチャネルのカーボンナノチューブのＡＦＭ像。 実施例３に係る電界効果トランジスタの触媒金属膜の厚さと、ゲートオフ時のソース、ドレイン間電流との関係を示した特性図。 本発明の具体的な実施例４に係る電界効果トランジスタの構成図。 本発明の具体的な実施例５に係る電界効果トランジスタの構成図。 本発明の具体的な実施例６に係る電界効果トランジスタの構成図。 本発明の具体的な実施例７に係る電界効果トランジスタの構成図。 本発明の具体的な実施例８に係る電界効果トランジスタの構成図。

符号の説明

１０…シリコン基板
１００…セラミクス基板
１０１…絶縁性シリコン基板
１２…触媒金属膜
１３…ソース
１４…ドレイン
１６，１６１…ゲート
１７…カーボンナノチューブ

Claims (14)

1. ソースとドレイン間のチャネルをカーボンナノチューブとした電界効果トランジスタにおいて、
   前記チャネル下の前記基板面上から成長した多数のカーボンナノチューブが、連鎖して、前記ソースと前記ドレイン間を架橋し、実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路には、半導体導電性カーボンナノチューブが存在することを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 前記チャネルのカーボンナノチューブは、チャネル下の基板面上の触媒膜又は触媒微粒子を触媒として、成長したものであることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
3. 前記半導体導電性カーボンなのチューブは、前記架橋経路上における複数の金属導電性カーボンナノチューブの連鎖を遮断するように該金属導電性カーボンナノチューブと連鎖して存在することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
4. 前記触媒膜又は前記触媒微粒子及び前記カーボンナノチューブは、ソース形成領域及びドレイン形成領域にも、形成されており、前記ソースと前記ドレインは、前記カーボンナノチューブの上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
5. 前記触媒膜又は前記触媒微粒子及び前記カーボンナノチューブは、前記ソースと前記ドレインの上にも形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
6. 前記カーボンナノチューブは、チャネル領域にのみ形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
7. ゲートは、前記基板上又は基板中のチャネル領域に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
8. ソースとドレイン間のチャネルをカーボンナノチューブとした電界効果トランジスタの製造方法において、
   前記チャネル下の基板上に、触媒膜又は触媒微粒子を形成し、
   この触媒膜又は触媒微粒子を用いて、前記チャネル下の前記基板面上からカーボンナノチューブを成長させると共に、カーボンナノチューブを連鎖させ、前記ソースと前記ドレイン間を架橋させ、
   実質上、多数の架橋経路のそれぞれの経路に、半導体導電性カーボンナノチューブを存在させるようにしたことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
9. 前記半導体導電性カーボンナノチューブは、前記架橋経路上における複数の金属導電性カーボンナノチューブの連鎖を遮断するように該金属導電性カーボンナノチューブと連鎖して存在することを特徴とする請求項８に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
10. 前記触媒膜は、０．０１ｎｍ〜２ｎｍの厚さに形成することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
11. 前記触媒膜又は前記触媒微粒子及び前記カーボンナノチューブを、ソース形成領域及びドレイン形成領域にも形成し、
    前記カーボンナノチューブの形成の後に、前記カーボンナノチューブの上に前記ソースと前記ドレインを形成することを特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
12. 前記基板上に、前記ソース及び前記ドレインを形成し、それらの間の基板上及び前記ソ ース及び前記ドレイン上に、前記触媒膜又は前記触媒微粒子を形成し、
    その後に、前記触媒膜又は前記触媒微粒子の上に、前記カーボンナノチューブを成長させることを特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
13. 前記基板上の少なくともチャネル領域に前記触媒膜又は前記触媒微粒子を形成し、
    前記ソースと前記ドレインを形成し、
    前記ソースと前記ドレイン間の前記触媒膜上又は前記触媒微粒子上に、カーボンナノチューブを選択成長させることを特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
14. 前記基板上又は基板表面凹部に、ゲート及びその上に絶縁膜を形成した後に、
    請求項８乃至請求項１３の何れか１項に記載の工程を実施することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。