JP3963393B2 - カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ及びこれの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、２００４年３月２日に出願された出願番号第６０／５４９，１８５号のプロビジョナル出願に基づく優先権主張を伴う出願であり、当該プロビジョナル出願の内容は、参照として本明細書に含まれる。本発明は、ナノ構造に関し、より詳細には、カーボンナノチューブ（ＣＮ）のドーピングのための溶液処理方法に関する。

分子ナノエレクトロニクスの分野においては、ナノチューブほどに見込みのある材料は少なく、特にカーボンナノチューブでは、グラファイトの中空円筒を含んでいる。ナノチューブは、ナノチューブの電気的特性に依存して、ダイオードやトランジスタといった微小な電子デバイスとされる。ナノチューブは、それらのサイズ、形状、および物理特性について特異的である。構造的には、カーボンナノチューブは、円筒状に巻き付けられた炭素の六方格子に似ている。

低温度で興味深い量子挙動を示す他、カーボンナノチューブは、少なくとも２つの重要な特性を示す：ナノチューブは、そのキラル性（すなわち、形態構造）に依存して、金属または半導体のいずれかとなる。金属カーボンナノチューブは、一定の抵抗率で極めて大きな電流密度を伝搬させることができる。半導体カーボンナノチューブは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴｓ）の如くに電気的にオン−オフのスイッチが可能である。この２つのタイプは、電子を共有することにより、共役的に結合している。これらの特性は、ナノチューブをナノメートルサイズの半導体回路とするための優れた材料とさせている。

ナノチューブを製造する従来の方法は、金属ナノチューブおよび半導体ナノチューブの両方をランダムに形成することに依存している。従来の方法の下では、カーボンナノチューブＦＥＴｓは、周囲条件の下で成長させたカーボンナノチューブから製造されている。これらのナノチューブは、金属−カーボンナノチューブ界面での酸素関与のため、ｐチャネル伝導性を示す（V. Derycke et.
al., Appl. Phys. Lett.第80巻、2273頁、2002年：非特許文献１）。金属−カーボンナノチューブ界面での酸素量は、標準的な製造プロセスにより容易に変更できる（例えば、薄膜堆積のように、真空排気を含む、どのような後処理をも挙げることができる）。実際に、ｐ−カーボン−ナノチューブＦＥＴは、真空排気により、同時両極性またはｎ−カーボン−ナノチューブＦＥＴへと容易に変換することができる。

カーボンナノチューブへのｐ−ドーピングのために気体ＮＯ_２を使用した従来の方法は、ドーパントの脱着を防止するため、デバイスを制御した環境下に保存することが必要である。カーボンナノチューブＦＥＴに対するｎ−チャネル伝導性のための従来の方法は、電子供与性のアルカリ金属またはガス（ＮＨ_３）と接触下でのアニーリング／脱ガス、またはドーピングを必要とする（V. Derycke et. al.
Appl. Phys. Lett.,第80巻、2773頁、2002年）。両方とも制御した環境が必要とされ、かつデバイスは、空気へと曝露されると急速に劣化し、機能しなくなってしまう（J. Kong et. al., Science, 第287巻、第622頁、2000年：非特許文献２）。

カーボンナノチューブＦＥＴｓは、ショットキー・バリア（ＳＢ）型のＦＥＴｓとして知られており、そのスイッチングが、金属／ナノチューブ界面で生成されるＳＢにより支配され(J. Appenzeller
et. al., Phys. Rev. Lett., 第89巻、126801頁、2002年：非特許文献３）、空気中では、ｐ型ＦＥＴｓとして動作することが知られている(V. Derycke et.
al.Appl. Phys. Lett., 第80巻、2773頁、2002年）。ゲート誘電体の厚さを減少させるにつれて、ナノチューブの擬似一次元的チャネル、および極めて薄いカーボンナノチューブ体部の厚さのために、ＳＢは、電子またはホールの熱的トンネリングを充分に許容してしまう程度に薄くなるので、空気中では、カーボンナノチューブＦＥＴｓは、同期両極性ＦＥＴｓとして機能する。電子およびホールのカーボンナノチューブのチャネルへの同時的な注入およびドレイン電界の増加に伴うＯＦＦ電流の指数関数的な劣化（導通をオフした場合のトランジスタを通過して流れるリーク電流として定義される：M. Radosavljevic
et. al., Appl. Phys. Lett., 第83巻、第2435頁、2003年：非特許文献４）は、可能性のある論理ゲート用途のための小型のＦＥＴにおいては許容されない（オフ電流が、オン電流ほどに高く、トランジスタがスイッチ・オフしない）。加えて、従来のカーボンナノチューブＦＥＴの製造方法の非制御性は、カーボンナノチューブＦＥＴｓのデバイス駆動電流が大きく変動してしまうこと、および究極的なデバイス小型化のためには高すぎるデバイス閾値電位としてしまうことになっている。

特定の特性を有するカーボンナノチューブを製造するために信頼性のある方法は、知られていない。また、選択的合成（金属ナノチューブまたは半導体ナノチューブを選択的に合成する手法）またはポスト合成（金属ナノチューブを半導体ナノチューブから単離する手法や、半導体チューブを金属チューブに変換すること）といったナノチューブ分離も知られてはいない。特に、カーボンナノチューブＦＥＴｓに対してｐ−ドーピングする方法は知られていない。

V. Derycke et. al.Appl. Phys. Lett.,第80巻、2773頁、2002年 J. Kong et. al., Science, 第287巻、第622頁、2000年 J. Appenzelleret. al., Phys. Rev. Lett., 第89巻、126801頁、2002年 M. Radosavljevicet. al., Appl. Phys. Lett., 第83巻、第2435頁、2003年

したがって、駆動電流が改善され、閾値電位が減少／制御可能で、オフ状態での小数キャリアの注入が抑制され（すなわち、同時両極性トランジスタからユニポーラ・トランジスタへの変更）、かつ雰囲気環境に対して安定なカーボンナノチューブＦＥＴｓを製造するための、安定でかつ信頼性の高い方法を提供することが必要とされていた。

本発明の一つの実施の形態は、ナノ構造に関し、より詳細には、カーボンナノチューブＦＥＴｓの溶液処理ｐ−ドーピングのためのシステムおよび方法に関する。本発明は、また、カーボンナノチューブＦＥＴデバイスの形成に関連する。本発明の一つの構成では、カーボンナノチューブをドーピングするための方法は、ナノチューブを液相中で一電子酸化剤に曝露するステップを含んでいる。一つの実施の形態では、一電子酸化剤の濃度は、約０．０１ｍＭ〜約２０ｍＭとされ、温度は、約１０℃〜約１００℃とされる。一つの実施の形態では、一電子酸化剤は、有機一電子酸化剤、有機金属錯体、π電子受容体および銀塩を含む群から選択される。有機一電子酸化剤は、トリアルキルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート、五塩化アンチモン、ニトロソオニウム塩、トリス−（ペンタフルオロフェニル）ボラン、およびニトロソオニウム塩を含む群から選択される。有機金属錯体は、トリス−（2,2′−ビピリジル）コバルト（ＩＩＩ）およびトリス−（2,2′−ビピリジル）ルテニウム（ＩＩ）を含み、およびπ電子受容体は、テトラシアノキノジメタン、ベンゾキノン、テトラクロロベンゾキノン、テトラフルオロベンゾキノンン、テトラシアノエチレン、テトラフルオロ−テトラシアノキノジメタン、クロラニル、ブロマニルおよびジクロロジシアノベンゾキノンからなる群から選択される。

本発明の他の構成では、カーボンナノチューブＦＥＴデバイスが提供される。このデバイスは、ゲートと、ゲート上に堆積されたゲート誘電体と、ゲート誘電体上のカーボンナノチューブのｐ−ドープ領域とを含み、ｐ−ドープされた領域は、一電子酸化剤を用いた溶液処理ドーピングにより形成され、ソースは、カーボンナノチューブの第１の端部上に形成され、ドレインは、カーボンナノチューブの第２の端部上に形成される。他の構成では、デバイスは、ゲート誘電体の第１の端部上に形成されたソースと、ゲート誘電体の第２の端部上に形成されたドレインとを備え、カーボンナノチューブは、ゲート誘電体およびソースおよびドレインの上に配設される。さらに別の構成では、デバイスは、カーボンナノチューブ上に堆積された第２の誘電体層を含み、第２の誘電体層の上にトップゲートが形成される。さらに別の構成では、デバイスは、カーボンナノチューブの第１のドープされた端部の上に形成され、ドレインは、カーボンナノチューブの第２のドープされた端部の上に形成される。

本発明の他の構成では、カーボンナノチューブＦＥＴデバイスの形成方法が提供される。この方法は、ゲートを提供する工程と、ゲート上にゲート誘電体を堆積する工程と、ゲート誘電体上にカーボンナノチューブのｐ−ドープした領域を含むチャネルを形成する工程とを含み、ｐ−ドープした領域が一電子酸化剤による溶液処理ドーピングにより形成され、カーボンナノチューブの第１の端部上にソースを形成する工程と、カーボンナノチューブの第２の端部上にドレインを形成する工程とを含んでいる。この方法の他の構成では、ソースは、ゲート誘電体の第１の端部上に形成され、ドレインはゲート誘電体の第２の端部上に形成され、カーボンナノチューブは、ゲート誘電体およびソースおよびドレインの上に堆積される。この方法のさらに別の構成では、第２の誘電体層が、カーボンナノチューブ上に堆積され、トップゲートが第２の誘電体層の上に形成される。この方法のさらに他の構成では、ゲート誘電体上にチャネルが形成され、ソースがカーボンナノチューブのドープされた第１の端部の上に形成され、ドレインがカーボンナノチューブのドープされた第２の端部の上に形成される。

理解の容易のため、図面に共通する同一の要素を示すために、可能である場合には、同一の参照符号を使用する。

第１の実施の形態では、本発明は、溶液処理によりドープされたカーボンナノチューブを形成する方法に関する。本発明のカーボンナノチューブは、空気安定性を有し、オン状態およびオフ状態の両方で改善されたデバイス性能を示す。本発明のカーボンナノチューブの特性は、閾値電位Ｖ_ｔｈの可変性、約１〜約３桁のＩ_ｏｎの改善、少数キャリア注入の抑制、およびカーボンナノチューブＦＥＴの場合における通常のＳＢカーボンナノチューブＦＥＴからのドレイン誘起Ｉ_ｏｆｆ劣化への耐久性、カーボンナノチューブＦＥＴの同時両極性からユニポーラへの変換、約１０^２〜約１０^７のＩ_ｏｎ／Ｉ_ｏｆｆ比、およびドレイン誘起障壁低下（ＤＩＢＬ）様の挙動を含むがこれらに限定されるものではない。Ｉ_ｏｎは、トランジスタがスイッチ・オンされた（Ｖ_ｇ＞Ｖ_ｔｈ）状態での電流として定義される。通常では、Ｉ_ｏｎは、一定の電圧過剰の下で比較される（すなわち、Ｖ_ｇ−Ｖ_ｔｈ＝一定、例えば０．５Ｖ付近である）。

本発明の１つの実施の形態に従えば、カーボンナノチューブがゲート誘電体（例えば、二酸化ケイ素）の両端で上部のソースおよびドレインおよびドープされたバックゲート（例えばシリコン）により押さえつけられたカーボンナノチューブＦＥＴデバイスを製造するための方法が提供される。一つの実施の形態では、パラジウムを含むソース電極とドレイン電極とが使用され、ソース電極とドレイン電極とは、約２ｎｍ〜約１００ｎｍのＳｉＯ_２およびＳｉバックゲートの上部に約１０ｎｍ〜約５μｍ離間されている。ナノチューブは、芳香族化合物を酸化することが可能な一電子酸化剤を含む溶液内に導入することができる。ｐ−ドーピングは、一電子酸化剤と芳香族化合物とのカーボンナノチューブ上での反応により行われ、電荷移動錯体が形成される。カーボンナノチューブと電荷移動錯体との間の相互作用は、カーボンナノチューブ上に電荷を帯びた（ラジカルカチオン）雰囲気を与える。

一電子酸化剤を用いる溶液処理ドーピングは、ジクロロメタン、アセトニトリル、クロロホルムおよびにこれらの混合物を含む有機溶媒中で行うことができるが、これらに限定されるものではない。本発明の溶液処理ドーピングにおいて使用することができる一電子酸化剤としては、有機一電子酸化剤、有機金属錯体、π電子受容体、および銀塩を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。有機一電子酸化剤の例としては、トリアルキルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート、五塩化アンチモン、ニトロソオニウム塩（例えば、トリエチルオキソニウムテトラフルオロボレート）、トリス−（ペンタフルオロフェニル）ボラン、およびニトロソオニウムカチオンを挙げることができる。有機金属錯体の例としては、トリス−（2,2′−ビピリジル）コバルト（ＩＩＩ）およびトリス−（2,2′−ビピリジル）ルテニウム（ＩＩ）を挙げることができる。π電子受容体の例としては、テトラシアノキノジメタン、ベンゾキノン、テトラクロロベンゾキノン、テトラフルオロベンゾキノン、テトラシアノエチレン、テトラフルオロ−テトラシアノキノジメタン、クロラニル、トロマニル、ブロマニルおよびジクロロジシアノベンゾキノンを挙げることができる。銀塩の例としては、フッ化銀、銀トリフルオロアセテートを挙げることができる。有機金属ドーパントについて、共通の溶媒としては、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、および芳香族炭化水素およびジクロロメタン、クロロホルムといった含塩素溶媒が好適である。フッ化銀などの無機塩については、アルコールまたはアルコールと水との混合物のいずれかを使用することができる。

１つの実施の形態においては、濃度範囲が約１〜１０ｍＭで、温度範囲が約１０〜１００℃のトリエチルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｏ^＋ＳｂＣｌ_６ ⁻を使用することができ、１つの例示的な溶媒としては、アセトニトリルを挙げることができる。アンチモンは、カーボンナノチューブと、「１」をカーボンナノチューブ上のベンゼン環または複数のベンゼン環として、下記のように反応するものと考えられる。

本発明の方法に従い、ナノチューブのドーピングは、チャネル材料としてナノチューブを用いるデバイス上で行うことができる。他の方法に従えば、ナノチューブのドーピングはまた、バルク中で行うことができる。いずれの方法によってもｐ−ドープされたカーボンナノチューブは、約１〜２桁の駆動電流の改善、約０．５〜約１Ｖの閾値電位の増加、同時両極性トランジスタの電子電流の抑制、同時両極性からユニポーラへの微小カーボンナノチューブＦＥＴの変更、約１０^２〜約１０^７のＩ_ｏｎ／Ｉ_ｏｆｆ比および優れたＤＩＢＬを示す。

デバイスのドーピングは、概ね、単一のナノチューブを含むデバイスを、一電子酸化剤といったドーパントの有機溶媒溶液に曝露することにより行われる。有機溶液中での一電子酸化剤の濃度は、約０．０１ｍＭ〜約２０ｍＭであり、温度は、約１０℃〜約１００℃とされる。反応速度および温度は、チューブ長さ１ｎｍあたり約０．０１電子〜約１電子の電荷密度を達成するように制御される。ナノチューブ上でのいかなる過剰の一電子酸化剤は、ドーピング処理で使用した同一または異なった有機溶媒中でナノチューブをリンスすることにより除去される。リンスの後、デバイスは、真空下で乾燥される。

本発明の方法においては、バルク・ドーピングは、ナノチューブの有機溶媒中の懸濁物を、有機溶媒溶液中で一電子酸化剤の存在下で攪拌することにより行われる。一電子酸化剤の有機溶液中の濃度は、約０．０１ｍＭ〜約２０ｍＭであり、温度は、約１０℃〜約１００℃である。反応速度および温度は、チューブ長さ１ｎｍあたり約０．０１電子〜約１電子の電荷密度を達成するように制御される。ナノチューブ上でのいかなる過剰の一電子酸化剤は、ドーピング処理で使用したと同一、または異なった有機溶媒中でナノチューブをリンスすることにより除去される。リンスの後、サンプル、例えばバルク・ナノチューブは、真空下で乾燥される。

図１〜図４は、本発明の１つの実施の形態に従ったＦＥＴ形成方法を示す。ゲート１００上に、二酸化シリコンまたは酸−窒化物(oxynitride)といったゲート誘電体１２０または高Ｋ（融点）金属を堆積させる。１つの実施の形態では、シリコン基板は、重複してドープされる。ゲート誘電体は、約１〜約１００ｎｍの厚さを有する。例えば、カーボンナノチューブといったナノ成分１４０を、ナノチューブを含有する溶液をスピンコーティングによりゲート誘電体１２０上に堆積させる。スピンコーティングによるカーボンナノチューブの液体懸濁物からの堆積は、当業界において知られており、溶媒としては、例えば、ジクロロエタン、N−メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、および水を挙げることができる。レジスト・パターンは、その後、従来のリソグラフィー技術によりカーボンナノチューブ上に形成される。例えば、レジスト層は、カーボンナノチューブ１４０上に堆積させることができ、電子ビームリソグラフィーまたはフォトリソグラフィーを使用してパターニングすることができる。ポジレジストを使用して、電子ビームまたはリソグラフィー的な輻射へと曝されたレジスト層は、現像剤を使用して除去され、図１に示すレジスト・パターンを与える。カーボンナノチューブ上に形成されたレジスト・パターンは、電子ビーム・リソグラフィーを使用した場合、約１０ｎｍから約５００ｎｍ、フォトリソグラフィーを使用した場合で約５００ｎｍから約１０μｍの、１つまたは複数の区画を有している。多数の区画は、それぞれのリソグラフィー技術から得られるライン−スペース区画に対応しており、隣接するトップゲート間の分離を表している。複数のトップゲートの利用は、異なる論理用途、例えばＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲ動作のための柔軟な個別的制御を提供する。

図２に示されるように、金属層１６０は、約１５ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の厚さを有しておりレジスト・パターン上にカーボンナノチューブ１４０の部分を被覆するように堆積される。金属は、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔ、またはこれらの合金または金属ナノチューブとすることができる。金属ナノチューブを使用する場合には、金属層１６０は、１種またはそれ以上の金属ナノチューブを含むことができる。他の金属またはＰｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔなどの合金は、真空下での電子ビームまたは蒸着により堆積させることができるが、金属ナノチューブは、スピンコーティングといった溶液相技術で堆積させることができる。金属の堆積の後、構造体は、レジストを剥離するためにアセトンまたはＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）中に浸漬することができる。このプロセスは、リソグラフィー的にパターン付けされたレジストおよび上層に堆積された金属を、サンプルをアセトンまたはＮＭＰといった溶媒に浸漬することによって除去する。本明細書の目的のため、上述した溶媒を、また、一般化してレジスト剥離成分として参照する。カーボンナノチューブ１４０上に残留した金属部分１６２および１６４（図３に示す。）は、ＦＥＴのソースおよびドレインを形成する。この実施の形態においては、ソースおよびドレインは、それぞれカーボンナノチューブ１４０、より一般的にはナノ成分１４０の第１の領域および第２の領域を被覆して形成される。

レジストの剥離の後、図３に示すカーボンナノチューブ１４０を有する構造は、上述した好適な一電子酸化剤を含む有機溶液中に浸漬される。図４は、カーボンナノチューブ１４０へと結合したドーピング分子を示す。カーボンナノチューブ１４０のドープされた部分（金属ソースおよびドレインの間）は、ＦＥＴのチャネルとして機能する。

図５は、カーボンナノチューブＦＥＴの別の実施の形態を示す。ゲート１００、この実施の形態では、重複してドープされたシリコン基板上に、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ厚の二酸化ケイ素または酸−窒化物積層体、または高Ｋ金属層ゲート誘電体１２０が堆積されている。金属部分１６２、１６４は、その後、図１〜図３について上述したと同様のレジスト剥離プロセス（図示せず）を使用してゲート誘電体１２０上に形成される。約１５ｎｍ〜約３００ｎｍの厚さを有する金属部分１６２、１６４は、ＦＥＴのソースおよびドレインを形成する。金属としては、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔまたはこれらの合金または１種またはそれ以上の金属ナノチューブとすることができる。カーボンナノチューブ１４０は、その後、ゲート誘電体１２０および金属部分１６２、１６４上に堆積される。カーボンナノチューブ１４０のブランケット・ドーピングは、好適な一電子酸化剤を含む有機溶液中に浸漬することにより達成される。ドーピング分子は、カーボンナノチューブに対して本明細書中で説明したように結合する。図示した例では、カーボンナノチューブ１４０のゲート誘電体１２０に接触した部分が、ＦＥＴのチャネルを形成する。これとは別に、カーボンナノチューブ１４０は、カーボンナノチューブ１４０上に形成したパターン付けされたレジストを通して選択的にドーピングすることもできる。パターン付けされたレジストは、例えば、カーボンナノチューブ１４０上に好適なレジスト材料を堆積させ、従来のリソグラフィー技術を使用してパターン付けすることにより形成することができる。１つの実施の形態では、ネガティブ・レジストとして使用することができるハイドロジェン・シルセスキオキサン（ＨＳＱ）をこの目的のために使用することができる。

図６は、トップゲートを含むデュアル・ゲート・カーボンナノチューブＦＥＴを示す。この実施の形態では、重複してドープされたシリコン基板からなるゲート１００上に、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ厚の二酸化ケイ素または酸−窒化物積層体、または高Ｋ金属層ゲート誘電体１２０が堆積されている。ゲート誘電体１２０上には、カーボンナノチューブ１４０が、例えばスピンコーティングにより堆積されている。金属部分１６２、１６４は、図１〜図３に関連して説明したレジスト剥離技術を使用して、カーボンナノチューブ１４０上に形成される。金属部分１６２、１６４（ＦＥＴのソースおよびドレインとして機能する。）の形成の後、カーボンナノチューブ１４０を含む構造体および金属部分１６２、１６４は、低温酸化物（ＬＴＯ）またはＣＶＤによる高Ｋ誘電体（例えば、二酸化ハフニウム）層といった誘電体層１８０により被覆される。トップゲート２００は、金属または高度にドープされたポリシリコンを含み、誘電体層１８０の上部に形成される。トップゲート２００をエッチングマスクとして機能させて、誘電体層１８０をエッチングし、トップゲート２００の直下の部分のみを残留させる。例えば、希釈フッ化水素酸（例えば、１００：１ＨＦ）は、ＬＴＯのエッチャントとして使用することができる。このデバイスを、ドーパント溶液中でドーピングして、カーボンナノチューブ１４０の部分ドーピングを達成する。ドーピング分子は、カーボンナノチューブに上述したようにして結合する。この場合、チャネルは、ゲートされた未ドープ領域と２つのドープされた領域の両方からなる。ドープ領域は、ＣＭＯＳ ＦＥＴの延長上にあるように機能し、接触バリアを低減させ、駆動電流およびトランジスタのスイッチング性を改善する。デバイスは、トップ（またはフロント）ゲートまたはバックゲートのいずれか、またはそれらの両方により動作させることができる。論理用途においては、ＦＥＴを、良好なＡＣ特性のため、トップゲート配置として駆動させることが好ましい。

図７〜図９は、ＦＥＴの別の実施の形態を示す。１つの実施の形態では、重複してドープされたシリコン基板からなるゲート１００上に、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ厚の二酸化ケイ素または酸−窒化物積層体、または高Ｋ金属層ゲート誘電体１２０が堆積されている。ゲート誘電体１２０上には、カーボンナノチューブ１４０が、例えばスピンコーティングにより堆積されている。パターン付けされたレジストは、電子ビームまたはフォトリソグラフィーといった従来のリソグラフィー技術を使用して、カーボンナノチューブ１４０上に形成される。パターン付けされたレジストおよびカーボンナノチューブ１４０を含む構造体は、好適な一電子有機ドーパントを含む有機溶媒中に浸漬される。ドーピング分子は、カーボンナノチューブ１４０の露出した部分へと結合する。ドーピングの後、約１５ｎｍ〜約５０ｎｍの厚さの金属層１６０は、パターン付けされたレジストおよびドープされたカーボンナノチューブ１４０上に堆積される。金属は、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔまたはこれらの合金または１種またはそれ以上の金属ナノチューブとすることができ、例えば、電子ビームまたは熱蒸着またはスピンコーティングなどを使用して上述のように堆積させることができる。金属の堆積後、図８に示す構造体は、アセトンまたはＮＭＰへと、リソグラフィー的にパターン付けされたレジストおよび上部に堆積された金属を、サンプルをアセトンまたはＮＭＰに浸積させるプロセスであるレジスト剥離のために浸漬される。図９に示すように、剥離後に残された金属部分１６２、１６４は、ＦＥＴのソースおよびドレインを形成する。図７〜図９のプロセスは、カーボンナノチューブ・トランジスタのチャネルに沿って著しいドーピングプロファイルの相違を生成する。この場合には、カーボンナノチューブ１４０の未ドープ部分は、ＦＥＴのチャネルを形成する。

図１〜図４のＦＥＴデバイスの形成を完了させるために、デバイスは、ＰＭＭＡ（ポリ（メチルメタクリレート））またはＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン、低Ｋ誘電体層）といった有機材料で被覆するか、または低温度フィルム状二酸化ケイ素誘電体膜を堆積させることによって保護される。デバイスのさらなる処理は、ラインのバックエンドのためのメタライゼーションにより達成される。

図１０を参照すると、ＳｂＣｌ_６ ⁻カウンタイオン５１０でドープされたカーボンナノチューブＦＥＴ５００の概略図を示す。例えば、ドーパントは、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｏ^＋ＳｂＣｌ_６ ⁻とすることができ、ＳｂＣｌ_６ ⁻カウンタイオンは、静電的にカーボンナノチューブへと結合され、Ｃ_２Ｈ_５Ｃｌ、（Ｃ_２Ｈ_５）_２ＯおよびＳｂＣｌ_３は、揮発性生成物（図示せず）として除去される。

図１１を参照すると、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｏ^＋ＳｂＣｌ_６ ⁻によるドーピング前後のカーボンナノチューブＦＥＴのＶｓｄ＝−０．５Ｖでの典型的な輸送特性（Ｉ_ｄ ｖｓ．Ｖ_ｇｓ）が示されている。この実施例では、ドーピングは、カーボンナノチューブを含むデバイスを、アセトニトリル（例えば溶媒）に溶解させた約１−１０ｍＭの濃度の（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｏ^＋ＳｂＣｌ_６ ⁻を含む約５０℃の溶液中に約１２時間曝露することによって行なった。特定のドーパントおよび所望されるデバイス特性に依存して、例えば、濃度は約０．０１ｍＭ〜約２０ｍＭ、温度は約１０℃〜約１００℃といった異なるプロセス条件をまた使用することができることは理解されよう。ホール伝導についてのＶ_ｔｈは、−１．５５Ｖ（本来のカーボンナノチューブＦＥＴ）から−０．８５Ｖにまで増加し、これは、ナノチューブからドーパント（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｏ^＋ＳｂＣｌ_６ ⁻へと電子移動が発生し、ナノチューブのフェルミ・レベルＥＦを結合帯側へと移動させ、Ｖ_ｔｈを適切なゲート・バイアス領域に調節したことを示すものである。駆動電流Ｉ_ｏｎは、２桁改善されて、チューブと金属との間の接触抵抗を大きく低減させた。ドーピング後では、ドレインでの少数キャリア（電子電流）の注入が抑制され、カーボンナノチューブＦＥＴは、同時両極性からユニポーラへと転換された。同時両極性は、両方のキャリア（電子およびホール）がチャネル伝導に参加し、ユニポーラは、チャネル伝導に対して１つのタイプのキャリアが参加していることを意味するものとして理解される。

図１２を参照すると、上述したドープされたデバイスの、種々のＶ_ｄｓ（−０．１〜−０．５Ｖまで−０．１Ｖ刻み）におけるＩ_ｄ−Ｖ_ｇｓ特性を示す。ドレイン電界の完全な抑制は、少数キャリアの注入を誘起し、ドレイン誘起障壁低下（ＤＩＢＬ）様の挙動を誘起した。これは、金属コンタクト／チューブ界面へのドーパントの親和性／吸着がより強い可能性を示唆する。これは、ナノチューブ／金属界面へと、よりドーパントがアグリゲートして、強いバンド曲がりを生じさせ、オフ状態での少数キャリア（電子）の注入を抑制することに起因するものといえる。減少した副閾値Ｓ＝ｄＶ_ｇｓ／ｄ（ｌｏｇＩ_ｄ）の１２０ｍＶから８５ｍＶ／ディケード（ドーピング後のＩ_ｄ−Ｖ_ｇ）という変動量は、カーボンナノチューブチャネルのスイッチングの改善と優れたゲート制御性とを示すものである。

図１３は、上述のｐ−ドープしたデバイスの出力特性（Ｉ_ｄ ｖｓ．Ｖ_ｄｓ）を示す。Ｖ_ｄｓ=−１．３２Vでのそのトランスコンダクタンスｇ_ｍ（ｄＩ_ｄ／ｄＶ_ｇ）は、２ｕＳであり、ゲート誘電体を用いた小径のカーボンナノチューブでのｐ−ＣＮＦＥＴの優れた性能を示すものである。デバイスは、空気中で数週間安定であり、溶媒洗浄および真空排気の後にもドーピング特性を保存している。さらに、本発明のデバイスによるドーパントの吸収は、不可逆的であった。

本発明の図面に示した構造体は、スケール通りに記載したものではない。すなわち、種々の構造体は、例示的な実施例として記載したものである。したがって、図面に示された種々の構造体の長さ、高さ、および幅は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

ＦＥＴ形成プロセスの概略図。 ＦＥＴ形成プロセスの概略図。 ＦＥＴ形成プロセスの概略図。 ＦＥＴ形成プロセスの概略図。 カーボンナノチューブＦＥＴの別の実施の形態の概略図。 デュアル・ゲート・カーボンナノチューブＦＥＴの概略図。 ＦＥＴの別の実施の形態を示した図。 ＦＥＴの別の実施の形態を示した図。 ＦＥＴの別の実施の形態を示した図。 ＳｂＣｌ_６ ⁻カウンタイオンでドープしたカーボンナノチューブＦＥＴの概略図。 （Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｏ^＋ＳｂＣｌ_６ ⁻によるドーピング前後でのカーボンナノチューブＦＥＴの、Ｖｄｓ＝−０．５Ｖにおける輸送特性（Ｉ_ｄ ｖｓ．Ｖ_ｇｓ）を示した図。 （Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｏ^＋ＳｂＣｌ_６ ⁻でドーピングした後の、デバイスの種々のＶ_ｄｓでのＩ_ｄ−Ｖ_ｇｓ特性を示した図（−０．１〜−０．５までの０．１Ｖ刻み）。 ｐ−ドープしたデバイスの出力特性（Ｉ_ｄ ｖｓ．Ｖ_ｄｓ）を示した図。

符号の説明

１００…ゲート、１２０…ゲート誘電体、１４０…カーボンナノチューブ、１６０…金属層、１６２、１６４…金属部分、１８０…誘電体層、２００…トップゲート、５００…カーボンナノチューブＦＥＴ、５１０…ＳｂＣｌ_６ ⁻カウンタイオン

Claims (25)

1. カーボンナノチューブ電界効果トランジスタを製造する方法であって、
   ゲート上にゲート誘電体層を堆積させる工程と、
   前記ゲート誘電体層上にカーボンナノチューブを堆積する工程と、
   前記カーボンナノチューブのうちチャネルとなる部分の上にレジスト層を形成する工程と、
   前記レジスト層の上と該レジスト層の両側の前記カーボンナノチューブの上に金属層を堆積する工程と、
   前記レジスト層及び該レジスト層上の金属層を除去することにより、前記カーボンナノチューブのうち前記チャネルとなる部分を露出すると共に該チャネルとなる部分の両側に金属層を残す工程と、
   １〜１０ｍＭの濃度のトリエチルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート（（Ｃ _２ Ｈ _５ ） _３ Ｏ ^＋ ＳｂＣｌ _６ ⁻ ）を含み温度が１０℃〜１００℃の有機溶媒中に浸漬することにより、前記カーボンナノチューブのうちチャネルとなる部分にＳｂＣｌ _６ ⁻ カウンタイオンを結合する工程とを含む、方法。
2. 前記ゲートが、ドープされたシリコン基板であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ゲート誘電体層が、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する二酸化シリコン又は酸−窒化物であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記有機溶媒が、アセトニトリルであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記金属層が、１５ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有するＰｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔ、または金属ナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. カーボンナノチューブ電界効果トランジスタを製造する方法であって、
   ゲート上にゲート誘電体層を堆積させる工程と、
   前記ゲート誘電体層のうちチャネルを形成する部分の上にレジスト層を形成する工程と、
   前記レジスト層の上と該レジスト層の両側の前記ゲート誘電体層の上に金属層を堆積する工程と、
   前記レジスト層及び該レジスト層上の金属層を除去することにより、前記ゲート誘電体層のうち前記チャネルを形成する部分を露出すると共に該チャネルを形成する部分の両側に金属層を残す工程と、
   前記ゲート誘電体層のうちチャネルを形成する部分の上と該部分の両側の前記金属層の上にカーボンナノチューブを堆積する工程と、
   １〜１０ｍＭの濃度のトリエチルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート（（Ｃ _２ Ｈ _５ ） _３ Ｏ ^＋ ＳｂＣｌ _６ ⁻ ）を含み温度が１０℃〜１００℃の有機溶媒中に浸漬することにより、前記カーボンナノチューブにＳｂＣｌ _６ ⁻ カウンタイオンを結合する工程とを含む、方法。
7. 前記ゲートが、ドープされたシリコン基板であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記ゲート誘電体層が、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する二酸化シリコン又は酸−窒化物であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
9. 前記有機溶媒が、アセトニトリルであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
10. 前記金属層が、１５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有するＰｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔ、または金属ナノチューブであることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
11. カーボンナノチューブ電界効果トランジスタを製造する方法であって、
    ゲート上にゲート誘電体層を堆積させる工程と、
    前記ゲート誘電体層上にカーボンナノチューブを堆積する工程と、
    前記カーボンナノチューブのうちチャネルとなる部分の上にレジスト層を形成する工程と、
    前記レジスト層の上と該レジスト層の両側の前記カーボンナノチューブの上に金属層を堆積する工程と、
    前記レジスト層及び該レジスト層上の金属層を除去することにより、前記カーボンナノチューブのうち前記チャネルとなる部分を露出すると共に該チャネルとなる部分の両側に金属層を残す工程と、
    前記カーボンナノチューブのうち前記チャネルとなる部分及び前記金属層上に誘電体層を形成する工程と、
    前記カーボンナノチューブのうち前記チャネルとなる部分上の前記誘電体層の中央部の上にトップゲートを形成する工程と、
    前記トップゲートをマスクとして前記誘電体層を除去することにより、前記カーボンナノチューブを露出する工程と、
    １〜１０ｍＭの濃度のトリエチルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート（（Ｃ _２ Ｈ _５ ） _３ Ｏ ^＋ ＳｂＣｌ _６ ⁻ ）を含み温度が１０℃〜１００℃の有機溶媒中に浸漬することにより、前記露出されたカーボンナノチューブにＳｂＣｌ _６ ⁻ カウンタイオンを結合する工程とを含む、方法。
12. 前記ゲートが、ドープされたシリコン基板であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ゲート誘電体層が、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する二酸化シリコン又は酸−窒化物であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記有機溶媒が、アセトニトリルであることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
    
15. ゲート上に設けられたゲート誘電体層と、
    前記ゲート誘電体層上に設けられたカーボンナノチューブと、
    前記カーボンナノチューブのうちチャネルとなる部分の両側に設けられた金属層とを備え、
    前記カーボンナノチューブのうち前記チャネルとなる部分にＳｂＣｌ _６ ⁻ カウンタイオンが結合されていることを特徴とする、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
16. 前記ゲートが、ドープされたシリコン基板であることを特徴とする、請求項１５に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
17. 前記ゲート誘電体層が、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する二酸化シリコン又は酸−窒化物であることを特徴とする、請求項１５に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
18. 前記金属層が、１５ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有するＰｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔ、または金属ナノチューブであることを特徴とする、請求項１５に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
19. ゲート上に設けられたゲート誘電体層と、
    前記ゲート誘電体層のうちチャネルを形成する部分の両側に設けられた金属層と、
    前記ゲート誘電体層のうち前記チャネルを形成する部分の上と前記金属層の上に設けられたカーボンナノチューブとを備え、
    前記カーボンナノチューブにＳｂＣｌ _６ ⁻ カウンタイオンが結合されていることを特徴とする、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
20. 前記ゲートが、ドープされたシリコン基板であることを特徴とする、請求項１９に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
21. 前記ゲート誘電体層が、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する二酸化シリコン又は酸−窒化物であることを特徴とする、請求項１９に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
22. 前記金属層が、１５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有するＰｄ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｐｔ、または金属ナノチューブであることを特徴とする、請求項１９に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
23. ゲート上に設けられたゲート誘電体層と、
    前記ゲート誘電体層上に設けられたカーボンナノチューブと、
    前記カーボンナノチューブのうちチャネルとなる部分の両側に設けられた金属層と、
    前記カーボンナノチューブのうち前記チャネルとなる部分の中央部に設けられた誘電体層と、
    該誘電体層上に設けられたトップゲートとを備え、
    前記カーボンナノチューブのうち前記金属層及び前記誘電体層が設けられていない部分にＳｂＣｌ _６ ⁻ カウンタイオンが結合されていることを特徴とする、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
24. 前記ゲートが、ドープされたシリコン基板であることを特徴とする、請求項２３に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
25. 前記ゲート誘電体層が、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する二酸化シリコン又は酸−窒化物であることを特徴とする、請求項２３に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。

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