JP4225716B2 - Semiconductor device with cylindrical multilayer structure - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、より詳しく言えば、新しい材料であるカーボンナノチューブに代表される円筒状多層構造体を利用した新しいタイプの半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタは、その発明以来、様々な改良を加えられて進歩を遂げてきた。ソース及びドレインの二つの領域間に位置するチャネル領域をキャリアの流れる電流経路とし、その電気抵抗をゲート電極の電圧により変化させて、それによりチャネル領域を流れる電流を制御する電界効果トランジスタについて言えば、より高速・高周波動作のため、ゲート(ゲート長)の微細化やチャネル材料の高キャリア移動度化が図られてきた。ゲートの微細化はすでに10nm級に達し、それに伴い、リソグラフィのゆらぎによる加工精度の問題や、トランジスタのオフ電流増加(ショートチャネル効果)、オン電流飽和、ゲート漏れ電流増加など、多くの課題が顕在化してきている。ゲート絶縁膜の高誘電率化が、これらのうちのいくつかを解決する有力手段として検討されている。一方、トランジスタのゲート構造自身を現在のプレーナ型から3次元構造(例えば、サラウンドゲート構造と呼ばれるもの)にすることでゲートの電流制御能力を高めるアプローチも考えられている。
【0003】
サラウンドゲート構造とは、図1に示すように、半導体チャネル層(この例ではp型半導体層)1を同軸ケーブルのように外側からゲート電極2が囲むような構造で、ゲートからのびる電気力線がチャネルの外に逃げだすことがないため、プレーナ型に比べて電流制御効率がよく、ショートチャネル効果の抑制が期待できる。図1の半導体装置において、3はソース電極、4はドレイン電極であり、5はソース電極3とチャネル1とを接続するための、半導体基板9に埋め込まれた高濃度のn型半導体層、6はドレイン電極4とチャネル1とを接続するための高濃度n型半導体層、そして7は絶縁材料である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,サラウンドゲート構造では、基板面から上方にのびる円筒状の半導体層が必要であり、その加工が難しいことから、トランジスタのしきい値電圧(トランジスタを流れる電流をオフするためのゲート電圧)が個々のトランジスタによってゆらぎやすく、またドーピングによる不純物濃度の制御が難しいなど、残された課題は多い。
【0005】
この例を始めとして、微細化の特に進んだ従来の電界効果トランジスタは様々な課題を抱えており、諸特性に優れたものは実現されるに至ってはいない。
【0006】
そこで、本発明は、これまでにない新しいタイプの半導体装置であり、特にショートチャネル効果の抑制に有効で、且つ、高速動作、高周波動作、そして高電流駆動能力等を可能にする半導体装置の提供を目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体を含み、且つ、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体を有するとともに、外側円筒体が2箇所以上で分断されていることを特徴とする半導体装置である。
【0008】
より具体的に言えば、本発明の半導体装置は、炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体と、内側円筒体の両端に接続する導電体と、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体とを有することを特徴とする半導体装置である。
【0009】
本発明の半導体装置の基本構成は上記の通りであり、それには以下において詳しく説明するように種々の態様が考えられる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明では、半導体装置における少なくとも一部の半導体材料及び金属材料として、自己組織化によるナノ構造体であって炭素元素から構成される円筒状の構造体を使用する。このような構造体としては、一般にカーボンナノチューブとして知られているものが挙げられる。本発明において使用することができる炭素元素から構成される円筒状構造体(これを以下では「カーボンナノチューブ」として説明する)は、内側に半導体的性質を有する円筒体あるいはチューブが位置し、外側に金属的性質を有する円筒体あるいはチューブが存在する多層構造体である。
【0011】
カーボンナノチューブは、その独特の特性から最近注目を浴びている新しい炭素系材料である。カーボンナノチューブは、炭素原子がsp2という最も強い結合で6員環状に組み上げられたグラファイトシートを筒状に丸めた構造を持ち、チューブの先端は5員環を含むいくつかの6員環で閉じられている。チューブの直径はサブナノメートルのオーダーまで微細化でき、最小で0.4ナノメートルである。チューブの長さは、現在のところ数10μmに達するものまで製作可能である。
【0012】
カーボンナノチューブには、金属的な性質を示すための条件を満たすバンド構造を取るものと、半導体的(半金属的)な性質を示すための条件を満たすバンド構造を取るものがある。カーボンナノチューブが金属的性質を示すか半導体的性質を示すかには、カーボンナノチューブのカイラリティ(チューブのネジレ方、あるいはグラファイトシートの巻き方)が関与している。図2(a)は、金属的性質を示すナノチューブのカイラリティ(アームチェア型と呼ばれる)を示しており、図2(b)は、半導体的性質を示すもの(ジグザグ型と呼ばれる)を示している。図2(c)に示した構造はカイラル型として知られるものであり、この場合には、条件により金属的性質を示すことと半導体的性質を示すことがある。カーボンナノチューブのカイラリティは、その製作方法や製作条件などに左右される。
【0013】
カーボンナノチューブは、その構造が自己組織化によってできあがることから、1本のチューブの径は通常一定である。また、チューブの中に別のチューブが入った多層ナノチューブも得ることができ、それぞれのチューブのカイラリティは異なるものが多い。この特性を利用して、内側のチューブが半導体的性質を有し、外側のチューブが金属的性質を有する多層構造体を得ることが可能である。
【0014】
この材料は今まさにその物性が研究されているが、上述のとおりカイラリティによって電気伝導率が半導体的にも金属的にもなること以外に、既にダイヤモンド以上の熱伝導率や、電流密度が1平方センチメートル当たり106アンペアまで流せること、ヤング率が高いこと、水素などの吸蔵効率が高い可能性があるなど、魅力的な物性を備えていることが報告されている。
【0015】
カーボンナノチューブの作製には、従来はアーク放電やレーザーアブレーションが用いられてきたが、最近の研究でプラズマCVDや熱CVDによっても作製可能との報告がある。アーク放電などによる方法は高純度のナノチューブの生産を可能にする方法ではあるが、半導体装置の製造には不向きである一方、CVDによる方法は、半導体装置への応用にとって有効なものと言える。
【0016】
本発明では、このカーボンナノチューブを微細トランジスタのチャネル及びゲートに適用することを特徴としている。
その基本的な構成の態様を図3に示す。この図の半導体装置10は、カーボンナノチューブの多層構造体12を含み、これは内側のチューブ14と外側のチューブ16から構成され、内側チューブ14は半導体的性質を有し、外側チューブ16は金属的性質を有する。内側チューブ14と外側チューブ16のそれぞれは、同じ性質(半導体的性質又は金属的性質)のチューブを複数含む多層構造を備えることもできる。これらのチューブはおのおの、図2に例示したように炭素元素の編み目構造体により形成されているが、図3(及び以下の説明で参照する図)では、簡単にするため単純な円筒状として表されている。
【0017】
図3の半導体装置10は更に、内側チューブ14の先端14a、14bに接続する導電体18、20と、外側チューブに電圧を印加する手段22を含む。この半導体装置10では、半導体的性質を示す内側チューブ14と金属的性質を示す外側チューブ16とが半導体−金属接合を形成しており、従って内側チューブ14がトランジスタのチャネルとして働き、そして外側チューブ16がゲートとして働くことができる。この場合、例えば導電体18から、半導体的性質の内側チューブ14を通って導電体20へと流れる電流を、外部から電圧印加手段22により印加される電圧に応じて制御することができる。内側チューブ14の先端14a、14bは、図3では外側チューブ16の両端16a、16bから伸び出しているが、導電体18、20と接合するのにそれらの導電体が金属的性質の外側チューブ16と接触しない限りは、外側チューブの両端16a、16bと同じ面に位置しても差し支えない。
【0018】
この半導体装置10においては、チャネルに相当する内側チューブ14をゲートに相当する外側チューブ16が取り囲んでおり、この構造は図1に示したサラウンドゲート構造になっていることが分かる。この半導体装置10では、外側のナノチューブ16に正の電圧を加えることで内側ナノチューブ14内の正孔密度が減少して、チャネルを流れる電流が減少する。そしてこの構造は、ゲートからのびる電気力線がチャネルの外に逃げだすことがないことから、ショートチャネル効果の抑制に特に有効であり、良好なオフ特性をもたらすことができる。
【0019】
導電体18、20は、内側チューブ14と電気的に接続することができる限り、どのような材料のものでもよい。例えば、プローブ状に加工した金属でよく、あるいは金属的性質を示すカーボンナノチューブでもよい。内側チューブ14との接続の仕方も、図3に示したような内側チューブの先端14a、14bと導電体18、20の先端どうしの接合に限らない。例えば、外側チューブの両端16a、16bの外側に伸び出して露出された内側チューブ14の側面に導電体18、20を接続してもよい。後に説明する態様におけるように、多層カーボンナノチューブの外側チューブを分断し、分断した外側チューブのうちのゲートとして働くものに直接接触しないものを、導電体18、20として用いることも可能である。
【0020】
外側チューブ16に電圧を印加する手段22は、一般に導電体でよい。この電圧印加手段22は、図3に模式的に示したように外側チューブ16に直接つないでもよく、あるいは外側チューブ16と電圧印加手段22との間に挿入した絶縁物(図示せず)を介して外側チューブ16に電圧を印加するようにしてもよい。
【0021】
次に、本発明のもう一つの態様の半導体装置を説明する。図4(a)の平面図及び図4(b)の断面図に示したように、この態様の半導体装置は、多層構造のカーボンナノチューブ32のうちの2箇所に、電気的性質の外側チューブがなく半導体的性質の内側チューブ34だけが存在する部分があり、それによりこの半導体装置は、ソース領域S、ドレイン領域D、及びチャネル領域Cに電気的に絶縁・分離されている。ソース領域Sでは、金属的性質の外側チューブ36Sにオーム性電極としてのソース電極38がオーミック接続しており、ドレイン領域Dでは、やはり外側チューブ36Dにオーム性電極としてのドレイン電極40がオーミック接続している。一方、チャネル領域Cにおいては、金属的性質の外側チューブ36Cに整流性電極としてのゲート電極42が接続(この接続自体はオーミック接続)して、それによりゲートを構成しており、そしてこのゲートと内側チューブ36Cとの整流性の接触によりチャネル領域Cの内側チューブ34を通過する電流を制御している。このように、この半導体装置もサラウンドゲート構造になっており、従ってやはり良好なオフ特性を有する。また、この半導体装置は、金属と半導体とのショットキー接合をゲートに用いる電界効果トランジスタに相当するものであり、そのため特に、高周波動作用の半導体装置として利用するのに好適である。
【0022】
ソース電極38、ドレイン電極40は、一般に、低コンタクト抵抗を得るためにNi、Ti、Pt、Pt−Au合金などの金属材料から形成することができる。一方、ゲート電極42は、AlやW等の金属材料、又は多結晶シリコンなどから形成することができる。ソース電極38、ドレイン電極40、及びゲート電極42は、図4(a)及び4(b)においてはカーボンナノチューブ32の外側チューブ36S、36D、36Cの側面の全長と接触するように描かれているが、それらの一部と接触するようにすることもできる。
【0023】
図4(b)によりはっきりと示したように、カーボンナノチューブ32は一般に任意の絶縁体層44上に配置される。絶縁体層44は絶縁材料の単一基板であってもよく、あるいは別の材料の基板46上に設けた絶縁材料層であってもよい。また、伝導率の低い半導体層でもよい。
【0024】
本発明の更にもう一つの態様の半導体装置を、図4(b)と同様の断面図の図5を参照して説明する。図5において、図4(a)及び4(b)で説明した部材と同じものはそれらと同じ番号で表示されており、それらについての説明は重複を避けるため省くことにする。
【0025】
図5に示した半導体装置では、ゲート電極42とチャネル領域Cの外側チューブ36Cとの間、及びゲート電極42の側面に沿って、絶縁体52が配置されている。これを除けば、この半導体装置は図4(a)及び4(b)で説明したものと同様である。この構造の半導体装置では、ソース−ゲート間、ゲート−ドレイン間に絶縁体52が挿入されることから、ゲート容量を低下させることができる。そのため、この半導体装置は高速スイッチング動作、高集積用に特に好適である。
【0026】
本発明の別の態様を、図6(a)の平面図と図6(b)の断面図に示す。先に説明したいずれの態様でも、カーボンナノチューブ32の長手方向軸は基板46の面と平行であったのに対し、これから説明する態様では、カーボンナノチューブの長手方向軸は基板面に対して垂直になっており、この態様の半導体装置は竪型の半導体装置となっている。
【0027】
図6(a)及び6(b)において、下方のソース電極62と上方のドレイン電極64との間に、複数のカーボンナノチューブ66が垂直方向に配列されている。これらのカーボンナノチューブ66は先に説明した多層構造のものであり、金属的性質の外側チューブ68は2箇所で切断・分離されて、半導体的性質の内側チューブ70を露出させている。中央の外側チューブの残された部分(チャネル領域に相当する)に隣接して、ゲート電極72が配置されている。図6(a)と6(b)に示されたそのほかの部分は、絶縁材料で形成されている。なお、図に示した半導体装置ではナノチューブ66とゲート電極72との間に絶縁材料が存在しているが、ゲート電極72は、先に説明したように、多層構造のナノチューブの外側チューブと接触することもできる。
【0028】
図6(a)及び6(b)に示した半導体装置には、多層構造のカーボンナノチューブ66が複数含まれていて、図6(a)に模式的に示したバンドル(束)76を形成している。この半導体装置における多層構造のカーボンナノチューブは、1本であってもよいが、図に示したように複数のチューブのバンドルを利用することによって、次に説明する特別な利点が得られる。カーボンナノチューブのバンドルを有する半導体装置では、チャネル部分の複数の多層ナノチューブのバンドルでも、外側の金属的性質のナノチューブ68が残されているため、ゲートの電位はこれら金属面が互いに接触することで等電位に維持されている。通常チャネルの直径を太くするとしきい値電圧が高くなってしまうが、この半導体装置では、各チューブごとにゲート(金属的性質の外側チューブ)が巻きついているため、チューブ直径が均一であれば、しきい値電圧はチューブ本数によらず変化しないという特長がある。従って、チャネルとなるナノチューブを複数本束ねることによって、より多くの電流を流せるようになり、電流駆動能力が更に高くなる。
【0029】
次に、先に示した半導体装置の製造を説明することにする。
図4(a)と4(b)で説明した半導体装置は、例えば次のようにして製造することができる。図7(a)に示したように、n型シリコン基板102の表面にシリコン酸化膜104を100nm堆積し、そしてその上にカーボンナノチューブを配置し、レジストパターン(図示せず)を利用してカーボンナノチューブの露出した両端部分を酸素プラズマアッシングし、レジストパターンを除去して、必要な長さのカーボンナノチューブ106を用意する。次に、図7(b)に示したように、基板102上のナノチューブ106をフラーレン(C60)含有雰囲気にさらして、フラーレン108をナノチューブ106の強い吸引力によりその内部に注入し、いわゆるピーポッドを作製する。このピーポッド構造のカーボンナノチューブ106(図7(b))を1200℃でアニールすることにより、多層カーボンナノチューブ110(図7(c))を作製する。
【0030】
次に、多層ナノチューブ110及びその下層の酸化膜104を覆って、ソース・ドレイン電極用の開口部を備えたレジストパターン(図示せず)を形成し、ソース・ドレイン電極用の金属としてPt−Au合金を蒸着後、リフトオフによりレジストパターン開口部以外の金属を除去し、ソース電極112及びドレイン電極114を形成する(図8(a))。ナノチューブ110の中央部分に開口を持つレジストパターン(図示せず)を使ってゲート金属(W)を堆積させ、同様にリフトオフによりゲート電極116(図8(b))を形成する。次いで、金属電極112、114、116をマスクに酸素プラズマエッチングを所定の時間行い、露出された多層ナノチューブ110の外側チューブだけを除去し、先に図4(a)と4(b)を参照して説明した構造の半導体装置100を得る(図8(c))。
【0031】
外側チューブの除去は、上で説明した酸素プラズマエッチングを利用する方法のほかの方法で行うこともできる。例えば、図8(b)に示したようにソース、ドレイン、ゲート電極112、114、116を形成した段階で、ゲート−ソース間及びゲート−ドレイン間にそれぞれ電流を通じることにより、外側チューブだけを除去することが可能である。この場合、金属的性質を示す外側チューブの方が半導体的性質で抵抗の高い内側チューブより電流が流れやすいことから、電極金属に覆われていない部分の外側チューブを構成している炭素が先に消失して、内側チューブだけを残すことができる。
【0032】
図7(c)で説明した多層ナノチューブ110の作製後に、多層ナノチューブ110及びその下層の酸化膜104を覆う絶縁膜(シリコン窒化膜あるいは酸化膜)(図示せず)を形成することにより、図8(c)の半導体装置100においてゲート電極116とその下のナノチューブ110との間に絶縁膜を備えた半導体装置を製造することも可能である。その製造方法は次のとおりである。
【0033】
図9(a)に示したように、多層ナノチューブ110及びその下層の酸化膜104を覆うシリコン窒化膜122(あるいはシリコン酸化膜でもよい)を2nm形成する。次に、窒化膜122上にレジストパターン(図示せず)を形成し、窒化膜122をエッチングして、図9(b)に示したようにナノチューブ110の両端が露出するように絶縁膜124を残す。続いて、先に図8(a)〜8(c)を参照して説明したのと同様に、ソース電極112、ドレイン電極114を形成し、更に絶縁膜124の上にゲート電極116を形成し(図9(c))、そして露出部分の絶縁膜124をエッチング後、酸素プラズマアッシングによりナノチューブ110の外側チューブを除去して、図9(d)に示したとおりのゲート絶縁膜126を備えた半導体装置100’を得る。
【0034】
図5に図示したゲート電極の側面に絶縁材料の側壁を備えた半導体装置は、次のように製造することができる。
図9(c)に示した絶縁膜124上のゲート電極116の形成までの工程を終えてから、100nmのシリコン窒化膜(図示せず)の形成とエッチングを行うことにより、図10(a)に示したように、ゲート電極116の側面に窒化物の側壁132を形成する(このとき、ナノチューブ110上の露出されていた窒化膜124(図9(c))も一緒にエッチングされる)。続いて、金属電極112、114、116と窒化物の側壁132をマスクに酸素プラズマエッチングを所定の時間行い、露出された多層ナノチューブ110の外側チューブだけを除去して、先に図5を参照して説明したとおりの構造の半導体装置100”を得る(図10(b))。
【0035】
次に、先に図6(a)と6(b)を参照して説明した竪型構造の半導体装置の製造を説明する。
図11(a)に示したように、Asイオンを注入してp+領域204を形成したn型シリコン基板202上に、シリコン窒化膜(50nm)206、シリコン酸化膜(50nm)208、ポリシリコンゲート金属膜(20nm)210、シリコン酸化膜(50nm)212、及びシリコン窒化膜(50nm)214を順次形成する。次に、レジストパターン(図示せず)を形成してから、それをマスクに各膜214、212、210、208及び206を順次選択エッチングして、図11(b)に示したように底部にp+領域204の露出した開口216を形成し、続いてNi(あるいはFe、もしくはCo)を全面に堆積させてから、リフトオフ法により開口216底部のみに1〜10nmの金属膜(図示せず)を残す。この金属膜のNiを触媒として、CVDにより開口216内にカーボンナノチューブ220(図11(c))を垂直方向に成長させ、酸素プラズマ処理によりナノチューブ220の先端を除去する。CVD成長法としてプラズマCVDを用いた場合には、Arスパッタリング法で触媒金属を除去する。熱CVDの場合には、触媒は膜210底部に残るので、この工程は不要となる。次いで、先に説明したようにフラーレン含有雰囲気で処理してナノチューブ内にフラーレン(図示せず)を注入してピーポッドを作製し、アニール処理して複数の多層ナノチューブ220a(図12(a))を形成する。次に、TiSiでドレイン電極用の金属膜(図示せず)を形成し、レジストパターン(図示せず)を使ってこれをエッチングして、図12(a)に示したドレイン電極222を形成する。
【0036】
続いて、図12(b)に示したように、ドレイン電極222をマスクに窒化膜214(図12(a))を異方性エッチングし、更にこのエッチングした窒化膜214’の下の酸化膜を等方性エッチングで除去する。次いで、図12(c)に示したように、ゲート金属膜210(図12(b))を異方性ドライエッチングしてゲート電極224を形成し、このゲート電極224の下の酸化膜を等方性エッチングして除去する。酸化膜の除去により露出された多層カーボンナノチューブ220a(図12(c))を酸素プラズマ処理して、露出部分の外側チューブだけを除去し、図13(a)に図示したように半導体的性質の内側ナノチューブ226を露出させる。
【0037】
続いて、図13(b)に示したように、全面にシリコン酸化膜228を200nm形成する。次いで、図14(a)に示したように、レジストパターン230を形成し、これをマスクに酸化膜228と窒化膜206をエッチングして電極コンタクトホール232、234を形成する。ソース・ドレイン金属としてPt−Au合金を堆積させ、リフトオフによりコンタクトホール232、234内にのみ金属を残して、ソース236とドレイン238を形成する(図14(b))。こうして、図6(a)と6(b)を参照して説明したのと同様の竪型構造の半導体装置が得られる。
【0038】
図15は、図11(a)〜図14(b)の工程を経て製造した半導体装置の平面図である。この半導体装置においては、酸化物の絶縁膜228の開口部に、ソース236とドレイン238の一部がそれぞれ露出しており、ドレイン238の下方にチャネルとなる多層カーボンナノチューブ220a(図14(a))のバンドル240が位置している。このナノチューブのバンドル240を取り囲んでゲート電極224が位置し、そしてその一部は、絶縁膜228の別の開口部に露出している。ゲート電極224の露出用の開口部は、例えば図13(b)で酸化膜228を形成後に行うことができる。
【0039】
複数の多層カーボンナノチューブの集合体であるバンドルを利用した半導体装置は、上で説明した竪型構造のものに限らず、ナノチューブの長手方向軸が基板面と平行である横型構造のものであってもよいことは、言うまでもない。
【0040】
カーボンナノチューブの特徴の一つに、ナノチューブ内ではキャリアである電子が無散乱で(コヒーレントな状態で)走行することが挙げられる。このような電子の伝導では、電流経路の長さにかかわりなく、電気抵抗は一定になる。このような現象が認められるのは、電流経路の長さが電子の平均自由行程以下の場合である。従って、本発明の半導体装置においてゲートにより流れる電流を制御するチャネル部分の長さ、言い換えれば、ゲート電極が直接、又は絶縁層を介して間接的に接触する、連続の外側チューブの長さが、電子の平均自由行程以下の場合に、本発明の半導体装置は特に、高速・高周波動作や、高電流駆動が可能となり、また低雑音特性を獲得する。
【0041】
また、カーボンナノチューブは、その構造が自己組織化によりできあがることから、それ自体の構造的ゆらぎ(ばらつき)が極端に少ない。また、本発明で使用する多層構造のカーボンナノチューブにおいても、外側と内側のナノチューブ間隔は0.34nmで極めて均一である。従って、カーボンナノチューブを利用して半導体装置を構成すれば、リソグラフィの限界を越えた微細化が可能である。
【0042】
これまで、ゲート電極は一つとして説明してきたが、いわゆる「ダブルゲート」タイプの半導体装置のように、本発明の半導体装置は2以上のゲート電極を持つこともできる。この場合には、ソース・ドレイン間のカーボンナノチューブ部分に、ゲートの数に対応した互いに分断された独立の外側チューブが存在することになる。より具体的に言えば、図3を参照して説明した一番簡単な構造の半導体装置の場合、ゲートの数が一つならば外側チューブは一つの連続体でよく、ゲートの数が二つならば外側チューブは1箇所で分断された不連続体となる。一方、例えば図4(a)と4(b)を参照して説明したようにゲート−ソース電極間、及びゲート−ドレイン間に分断部分を持つ外側チューブを有する半導体装置の場合、外側チューブは、ゲートの数が一つならば2箇所で分断され、ゲートの数が二つならば3箇所で分断されることになる。
【0043】
本発明は、以上説明したとおりであるが、その特徴を種々の態様ととも付記すれば、次のとおりである。
(付記1)炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体を含み、この多層構造体の内側円筒体の電気伝導度を外側円筒体に印加する電圧により制御することを特徴とする半導体装置。
(付記2)炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体と、内側円筒体の外側円筒体をはさんで相対する側にそれぞれ接続する導電体と、外側円筒体に電圧を印加する手段とを有することを特徴とする、付記1記載の半導体装置。
(付記3)前記外側円筒体が分断なしの連続構造体であり、且つ、前記内側円筒体が分断なしの連続構造体である、付記1又は2記載の半導体装置。
(付記4)前記外側円筒体が分断された不連続の構造体であり、且つ、前記内側円筒体が分断なしの連続構造体である、付記1又は2記載の半導体装置。
(付記5)前記外側円筒体に整流性電極が直接接触している、付記3記載の半導体装置。
(付記6)前記外側円筒体に整流性電極が絶縁材料を介し間接的に接触している、付記3記載の半導体装置。
(付記7)前記外側円筒体が1箇所で分断され、分断された各外側円筒体に整流性電極が直接接触している、付記4記載の半導体装置。
(付記8)前記外側円筒体が1箇所で分断され、分断された各外側円筒体に整流性電極が絶縁材料を介し間接的に接触している、付記4記載の半導体装置。
(付記9)前記外側円筒体が2箇所以上で分断され、分断された両端部の外側円筒体にはオーム性電極がそれぞれ接触し、且つ、分断された中間の外側円筒体には整流性電極が接触している、付記4記載の半導体装置。
(付記10)前記整流性電極が前記外側円筒体に直接接触している、付記9記載の半導体装置。
(付記11)前記整流性電極が前記外側円筒体に絶縁材料を介し間接的に接触している、付記9記載の半導体装置。
(付記12)前記整流性電極の前記分断された両端部の外側円筒体に面する側面に絶縁材料の側壁が設けられている、付記11記載の半導体装置。
(付記13)前記整流性電極の接触する連続の外側円筒体の長さが電子の平均自由行程以下である、付記5〜12のいずれかに記載の半導体装置。
(付記14)前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面と平行である、付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置。
(付記15)前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面に対して垂直である、付記1〜13のいずれかに記載の半導体装置。
(付記16)前記多層構造体を複数含み、それらが外側円筒体どうしの接触によりバンドルを形成している、付記1〜15のいずれかに記載の半導体装置。
(付記17)前記多層構造体が複数のカーボンナノチューブから形成されている、付記1〜16のいずれかに記載の半導体装置。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、カーボンナノチューブをトランジスタのゲートとチャネルに適用した本発明の半導体装置は、ショートチャネル効果の抑制に特に有効であるサラウンドゲート構造をとることができるので、高速動作が可能となる。また、本発明によれば、高周波動作の可能な半導体装置や、電流駆動能力の高い半導体装置の利用も可能となる。
【0045】
ゲート電極が直接、又は絶縁層を介して間接的に接触する、分断されていない外側チューブの存在する部分のナノチューブの長さを電子の平均自由行程以下とすることにより、本発明の半導体装置は、特に高速動作、高周波動作、あるいは高電流駆動の、低雑音特性のものとなる。
【0046】
更に、カーボンナノチューブの使用は、リソグラフィの限界を越えた微細な半導体装置の提供を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図1】サラウンドゲート構造の半導体装置を説明する図である。
【図2】カーボンナノチューブのカイラリティを説明する図である。
【図3】本発明の半導体装置の基本的な構成の態様を説明する図である。
【図4】本発明の半導体装置のもう一つの態様を説明する図である。
【図5】本発明の半導体装置の更にもう一つの態様を説明する図である。
【図6】本発明の半導体装置の別の態様を説明する図である。
【図7】図4に示した半導体装置の製造の前半を説明する図である。
【図8】図4に示した半導体装置の製造の後半を説明する図である。
【図9】ゲート電極とカーボンナノチューブとの間に絶縁膜の介在する半導体装置の製造を説明する図である。
【図10】図5に示したゲート電極の側面に絶縁材料の側壁を備えた半導体装置の製造を説明する図である。
【図11】図6に示した半導体装置の製造を説明する第1の図である。
【図12】図6に示した半導体装置の製造を説明する第2の図である。
【図13】図6に示した半導体装置の製造を説明する第3の図である。
【図14】図6に示した半導体装置の製造を説明する第4の図である。
【図15】図11〜14の工程で製造した半導体装置の平面図である。
【符号の説明】
1…チャネル
2…ゲート電極
3…ソース電極
4…ドレイン電極
10、100、100’、100”…半導体装置
12、32、66、110、220a…多層構造カーボンナノチューブ
14、34、70、226…内側チューブ
16、36C、36D、36S、68…外側チューブ
18、20…導電体
22…電圧印加手段
38、62、112、236…ソース電極
40、64、114、222、238…ドレイン電極
42、72、116、224…ゲート電極
52、124、228…絶縁体
76、240…ナノチューブのバンドル
132…側壁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a new type of semiconductor device using a cylindrical multilayer structure represented by a new material, carbon nanotube.
[0002]
[Prior art]
Since the invention, the transistor has been improved with various improvements. Speaking of a field effect transistor that uses a channel region located between two regions of a source and a drain as a current path through which carriers flow and changes its electric resistance according to the voltage of the gate electrode, thereby controlling the current flowing through the channel region. For higher speed and higher frequency operation, miniaturization of the gate (gate length) and higher carrier mobility of the channel material have been attempted. As gate miniaturization has already reached the 10 nm level, many problems have emerged, such as processing accuracy problems due to lithography fluctuations, increased transistor off-current (short channel effect), on-current saturation, and increased gate leakage current. It is becoming. Increasing the dielectric constant of the gate insulating film has been studied as an effective means for solving some of these. On the other hand, an approach to increase the current control capability of the gate by changing the transistor gate structure itself from a current planar type to a three-dimensional structure (for example, a so-called surround gate structure) has been considered.
[0003]
As shown in FIG. 1, the surround gate structure is a structure in which a semiconductor channel layer (in this example, a p-type semiconductor layer) 1 is surrounded by a gate electrode 2 from the outside like a coaxial cable, and electric lines of force extending from the gate. Does not escape out of the channel, the current control efficiency is better than that of the planar type, and the suppression of the short channel effect can be expected. In the semiconductor device of FIG. 1, 3 is a source electrode, 4 is a drain electrode, 5 is a high-concentration n-type semiconductor layer embedded in a semiconductor substrate 9 for connecting the source electrode 3 and the channel 1, 6 Is a high-concentration n-type semiconductor layer for connecting the drain electrode 4 and the channel 1, and 7 is an insulating material.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the surround gate structure requires a cylindrical semiconductor layer extending upward from the substrate surface, and its processing is difficult. Therefore, the threshold voltage of the transistor (the gate voltage for turning off the current flowing through the transistor) is There are many remaining problems such as fluctuation easily by individual transistors and difficulty in controlling impurity concentration by doping.
[0005]
Starting with this example, a conventional field effect transistor that has been particularly miniaturized has various problems, and has not yet been realized with excellent characteristics.
[0006]
Accordingly, the present invention provides a new type of semiconductor device that has never been provided, and in particular, provides a semiconductor device that is effective in suppressing the short channel effect and that enables high-speed operation, high-frequency operation, high current drive capability, and the like. It is intended.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention includes a cylindrical multilayer structure composed of carbon elements, the inner cylinder having semiconducting properties and the outer cylinder having metallic properties, And it has the conductor connected to an outer cylinder directly or through an insulator, and the outer cylinder is divided in two or more places. This is a semiconductor device.
[0008]
More specifically, the semiconductor device of the present invention is a cylindrical multilayer structure composed of carbon elements, in which the inner cylinder has semiconducting properties and the outer cylinder has metallic properties. A multilayer structure having At both ends of the inner cylinder Conductor to be connected and outer cylinder Conductor connected directly or via an insulator A semiconductor device characterized by comprising:
[0009]
The basic configuration of the semiconductor device of the present invention is as described above, and various modes can be considered as described in detail below.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, as at least a part of the semiconductor material and the metal material in the semiconductor device, a self-organized nanostructure which is a cylindrical structure composed of carbon element is used. Examples of such a structure include those generally known as carbon nanotubes. A cylindrical structure composed of carbon elements that can be used in the present invention (which will be described as “carbon nanotubes” below) has a cylindrical body or tube having semiconducting properties on the inside, and an outer side. It is a multilayer structure having a cylindrical body or tube having metallic properties.
[0011]
Carbon nanotubes are a new carbon-based material that has recently attracted attention due to its unique properties. A carbon nanotube has a structure in which a graphite sheet in which carbon atoms are assembled into a 6-membered ring with the strongest bond of sp2 is rolled up into a cylindrical shape, and the tip of the tube is closed by several 6-membered rings including a 5-membered ring. ing. The diameter of the tube can be miniaturized to the order of sub-nanometers, with a minimum of 0.4 nanometers. The length of the tube can be manufactured up to several tens of μm at present.
[0012]
Some carbon nanotubes have a band structure that satisfies the conditions for exhibiting metallic properties, and others have a band structure that satisfies the conditions for exhibiting semiconducting (semi-metallic) properties. The carbon nanotube chirality (how to twist the tube or how to wind the graphite sheet) is involved in whether the carbon nanotube exhibits metallic or semiconducting properties. FIG. 2 (a) shows the chirality of nanotubes (referred to as armchair type) showing metallic properties, and FIG. 2 (b) shows those showing semiconducting properties (called zigzag types). . The structure shown in FIG. 2C is known as a chiral type, and in this case, it may exhibit metallic properties and semiconductor properties depending on conditions. The chirality of carbon nanotubes depends on the production method and production conditions.
[0013]
Since the structure of a carbon nanotube is formed by self-organization, the diameter of one tube is usually constant. In addition, multi-walled nanotubes with other tubes in the tube can also be obtained, and the chirality of each tube is often different. By utilizing this characteristic, it is possible to obtain a multilayer structure in which the inner tube has semiconducting properties and the outer tube has metallic properties.
[0014]
The physical properties of this material are now being researched. However, as described above, the electrical conductivity becomes semiconductive and metallic due to chirality, and the thermal conductivity and current density are already 1 square centimeter. 10 per hit 6 It has been reported that it has attractive physical properties such as being able to flow to amperes, having a high Young's modulus, and possibly having a high storage efficiency for hydrogen and the like.
[0015]
Conventionally, arc discharge and laser ablation have been used for the production of carbon nanotubes, but recent studies have reported that they can also be produced by plasma CVD or thermal CVD. The arc discharge method is a method that enables the production of high-purity nanotubes, but is not suitable for the manufacture of semiconductor devices, whereas the CVD method is effective for application to semiconductor devices.
[0016]
The present invention is characterized in that this carbon nanotube is applied to the channel and gate of a fine transistor.
FIG. 3 shows the basic configuration. The semiconductor device 10 in this figure includes a multi-layered structure 12 of carbon nanotubes, which is composed of an inner tube 14 and an outer tube 16, the inner tube 14 having semiconducting properties, and the outer tube 16 being metallic. Has properties. Each of the inner tube 14 and the outer tube 16 may have a multilayer structure including a plurality of tubes having the same property (semiconductor property or metal property). Each of these tubes is formed of a carbon element stitch structure as illustrated in FIG. 2, but in FIG. 3 (and the figures referenced in the following description), it is represented as a simple cylinder for simplicity. Has been.
[0017]
The semiconductor device 10 of FIG. 3 further includes conductors 18 and 20 connected to the tips 14a and 14b of the inner tube 14, and means 22 for applying a voltage to the outer tube. In this semiconductor device 10, the inner tube 14 exhibiting semiconducting properties and the outer tube 16 exhibiting metallic properties form a semiconductor-metal junction, so that the inner tube 14 serves as the channel of the transistor, and the outer tube 16. Can work as a gate. In this case, for example, the current flowing from the conductor 18 to the conductor 20 through the inner tube 14 having a semiconducting property can be controlled in accordance with the voltage applied by the voltage applying means 22 from the outside. Although the tips 14a and 14b of the inner tube 14 extend from both ends 16a and 16b of the outer tube 16 in FIG. 3, the outer tubes 16 are made of metallic materials for joining with the conductors 18 and 20. As long as they do not contact with each other, they may be positioned on the same plane as the both ends 16a and 16b of the outer tube.
[0018]
In this semiconductor device 10, the inner tube 14 corresponding to the channel is surrounded by the outer tube 16 corresponding to the gate, and it can be seen that this structure is the surround gate structure shown in FIG. In this semiconductor device 10, by applying a positive voltage to the outer nanotube 16, the hole density in the inner nanotube 14 is reduced, and the current flowing through the channel is reduced. This structure is particularly effective in suppressing the short channel effect because electric lines of force extending from the gate do not escape out of the channel, and can provide good off characteristics.
[0019]
The conductors 18 and 20 may be made of any material as long as they can be electrically connected to the inner tube 14. For example, the metal processed into a probe shape may be sufficient, or the carbon nanotube which shows a metallic property may be sufficient. The manner of connection with the inner tube 14 is not limited to the joining of the distal ends 14a and 14b of the inner tube and the distal ends of the conductors 18 and 20 as shown in FIG. For example, you may connect the conductors 18 and 20 to the side surface of the inner tube 14 extended and exposed to the outer side of the both ends 16a and 16b of an outer tube. As in the embodiment described later, it is also possible to divide the outer tube of the multi-walled carbon nanotube and use the divided outer tube that does not directly contact the gate tube as the conductors 18 and 20.
[0020]
The means 22 for applying a voltage to the outer tube 16 may generally be a conductor. The voltage applying means 22 may be directly connected to the outer tube 16 as schematically shown in FIG. 3, or via an insulator (not shown) inserted between the outer tube 16 and the voltage applying means 22. The voltage may be applied to the outer tube 16.
[0021]
Next, a semiconductor device according to another aspect of the present invention will be described. As shown in the plan view of FIG. 4A and the cross-sectional view of FIG. 4B, the semiconductor device of this embodiment has an outer tube having electrical properties at two locations of the carbon nanotubes 32 having a multilayer structure. In other words, there is a portion in which only the inner tube 34 having a semiconductor property exists, whereby the semiconductor device is electrically insulated and separated into the source region S, the drain region D, and the channel region C. In the source region S, a source electrode 38 serving as an ohmic electrode is ohmically connected to the outer tube 36S having a metallic property. In the drain region D, a drain electrode 40 serving as an ohmic electrode is also ohmically connected to the outer tube 36D. ing. On the other hand, in the channel region C, a gate electrode 42 as a rectifying electrode is connected to the outer tube 36C having a metallic property (this connection itself is ohmic connection), thereby forming a gate. The current passing through the inner tube 34 in the channel region C is controlled by rectifying contact with the inner tube 36C. As described above, this semiconductor device also has a surround gate structure, and therefore has excellent off characteristics. Further, this semiconductor device corresponds to a field effect transistor using a Schottky junction between a metal and a semiconductor as a gate, and therefore is particularly suitable for use as a semiconductor device for high-frequency operation.
[0022]
In general, the source electrode 38 and the drain electrode 40 can be formed of a metal material such as Ni, Ti, Pt, or Pt—Au alloy in order to obtain a low contact resistance. On the other hand, the gate electrode 42 can be formed of a metal material such as Al or W, or polycrystalline silicon. The source electrode 38, the drain electrode 40, and the gate electrode 42 are drawn so as to be in contact with the entire length of the side surfaces of the outer tubes 36S, 36D, and 36C of the carbon nanotube 32 in FIGS. 4 (a) and 4 (b). Can also be in contact with some of them.
[0023]
As clearly shown in FIG. 4 (b), the carbon nanotubes 32 are generally disposed on an optional insulator layer 44. The insulator layer 44 may be a single substrate of an insulating material, or may be an insulating material layer provided on a substrate 46 of another material. Alternatively, a semiconductor layer with low conductivity may be used.
[0024]
A semiconductor device according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 which is a cross-sectional view similar to FIG. In FIG. 5, the same members as those described in FIGS. 4A and 4B are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted to avoid duplication.
[0025]
In the semiconductor device shown in FIG. 5, the insulator 52 is disposed between the gate electrode 42 and the outer tube 36 </ b> C of the channel region C and along the side surface of the gate electrode 42. Except this, this semiconductor device is the same as that described in FIGS. 4 (a) and 4 (b). In the semiconductor device having this structure, since the insulator 52 is inserted between the source and the gate and between the gate and the drain, the gate capacitance can be reduced. Therefore, this semiconductor device is particularly suitable for high-speed switching operation and high integration.
[0026]
Another embodiment of the present invention is shown in the plan view of FIG. 6A and the cross-sectional view of FIG. In any of the embodiments described above, the longitudinal axis of the carbon nanotube 32 is parallel to the surface of the substrate 46, whereas in the embodiment described below, the longitudinal axis of the carbon nanotube is perpendicular to the substrate surface. Thus, the semiconductor device of this aspect is a saddle type semiconductor device.
[0027]
6A and 6B, a plurality of carbon nanotubes 66 are arranged in the vertical direction between the lower source electrode 62 and the upper drain electrode 64. These carbon nanotubes 66 have the multi-layer structure described above, and the outer tube 68 having metallic properties is cut and separated at two locations to expose the inner tube 70 having semiconducting properties. A gate electrode 72 is disposed adjacent to the remaining portion (corresponding to the channel region) of the central outer tube. The other portions shown in FIGS. 6A and 6B are made of an insulating material. In the semiconductor device shown in the figure, an insulating material exists between the nanotube 66 and the gate electrode 72. However, as described above, the gate electrode 72 is in contact with the outer tube of the nanotube having a multilayer structure. You can also.
[0028]
The semiconductor device shown in FIGS. 6A and 6B includes a plurality of carbon nanotubes 66 having a multi-layer structure, and a bundle 76 schematically shown in FIG. 6A is formed. ing. The number of the multi-layered carbon nanotubes in this semiconductor device may be one, but a special advantage described below can be obtained by using a bundle of a plurality of tubes as shown in the figure. In a semiconductor device having a bundle of carbon nanotubes, the nanotube 68 of the outer metallic properties is left even in the bundle of the plurality of multi-walled nanotubes in the channel portion. It is maintained at a potential. Normally, when the channel diameter is increased, the threshold voltage increases. However, in this semiconductor device, the gate (metal outer tube) is wound around each tube, so if the tube diameter is uniform, The threshold voltage has the feature that it does not change regardless of the number of tubes. Accordingly, by bundling a plurality of nanotubes serving as channels, a larger amount of current can flow, and the current driving capability is further enhanced.
[0029]
Next, the manufacture of the semiconductor device described above will be described.
The semiconductor device described in FIGS. 4A and 4B can be manufactured as follows, for example. As shown in FIG. 7A, a silicon oxide film 104 having a thickness of 100 nm is deposited on the surface of an n-type silicon substrate 102, and carbon nanotubes are disposed thereon, and a resist pattern (not shown) is used for carbon. The exposed both ends of the nanotube are subjected to oxygen plasma ashing, the resist pattern is removed, and a carbon nanotube 106 having a required length is prepared. Next, as shown in FIG. 7B, the nanotube 106 on the substrate 102 is exposed to a fullerene (C60) -containing atmosphere, and the fullerene 108 is injected into the inside by a strong suction force of the nanotube 106 to form a so-called peapod. Make it. The peapod-structured carbon nanotube 106 (FIG. 7B) is annealed at 1200 ° C. to produce a multi-walled carbon nanotube 110 (FIG. 7C).
[0030]
Next, a resist pattern (not shown) having openings for the source / drain electrodes is formed so as to cover the multi-walled nanotube 110 and the underlying oxide film 104, and Pt—Au is used as a metal for the source / drain electrodes. After vapor deposition of the alloy, the metal other than the resist pattern opening is removed by lift-off to form the source electrode 112 and the drain electrode 114 (FIG. 8A). A gate metal (W) is deposited by using a resist pattern (not shown) having an opening in the central portion of the nanotube 110, and a gate electrode 116 (FIG. 8B) is similarly formed by lift-off. Next, oxygen plasma etching is performed for a predetermined time using the metal electrodes 112, 114, and 116 as a mask to remove only the exposed outer tube of the multi-walled nanotube 110, referring to FIGS. 4 (a) and 4 (b). The semiconductor device 100 having the structure described above is obtained (FIG. 8C).
[0031]
The removal of the outer tube can also be performed by a method other than the method using the oxygen plasma etching described above. For example, when the source, drain, and gate electrodes 112, 114, and 116 are formed as shown in FIG. 8B, current is passed between the gate and the source and between the gate and the drain, respectively. It is possible to remove. In this case, since the outer tube showing metallic properties is more likely to flow current than the inner tube having semiconducting properties and high resistance, the carbon constituting the outer tube of the portion not covered with the electrode metal is first. It can disappear and leave only the inner tube.
[0032]
After the multilayer nanotube 110 described with reference to FIG. 7C is formed, an insulating film (silicon nitride film or oxide film) (not shown) that covers the multilayer nanotube 110 and the oxide film 104 under the multilayer nanotube 110 is formed. In the semiconductor device 100 of (c), it is possible to manufacture a semiconductor device provided with an insulating film between the gate electrode 116 and the nanotube 110 below it. The manufacturing method is as follows.
[0033]
As shown in FIG. 9A, a silicon nitride film 122 (or a silicon oxide film) covering the multi-walled nanotube 110 and the underlying oxide film 104 is formed to 2 nm. Next, a resist pattern (not shown) is formed on the nitride film 122, and the nitride film 122 is etched to form an insulating film 124 so that both ends of the nanotube 110 are exposed as shown in FIG. 9B. leave. Subsequently, as described with reference to FIGS. 8A to 8C, the source electrode 112 and the drain electrode 114 are formed, and the gate electrode 116 is further formed on the insulating film 124. (FIG. 9C), and after etching the exposed insulating film 124, the outer tube of the nanotube 110 was removed by oxygen plasma ashing to provide a gate insulating film 126 as shown in FIG. 9D. A semiconductor device 100 ′ is obtained.
[0034]
The semiconductor device provided with the side wall of the insulating material on the side surface of the gate electrode shown in FIG. 5 can be manufactured as follows.
After the process up to the formation of the gate electrode 116 on the insulating film 124 shown in FIG. 9C is completed, the formation and etching of a 100 nm silicon nitride film (not shown) are performed, so that FIG. As shown in FIG. 9, a nitride side wall 132 is formed on the side surface of the gate electrode 116 (at this time, the exposed nitride film 124 (FIG. 9C) on the nanotube 110 is also etched). Subsequently, oxygen plasma etching is performed for a predetermined time using the metal electrodes 112, 114, and 116 and the nitride side wall 132 as a mask, and only the exposed outer tube of the multi-walled nanotube 110 is removed. The semiconductor device 100 ″ having the structure as described above is obtained (FIG. 10B).
[0035]
Next, the manufacture of the semiconductor device having the saddle type structure described above with reference to FIGS. 6A and 6B will be described.
As shown in FIG. 11 (a), As ions are implanted and p. + On the n-type silicon substrate 202 on which the region 204 is formed, a silicon nitride film (50 nm) 206, a silicon oxide film (50 nm) 208, a polysilicon gate metal film (20 nm) 210, a silicon oxide film (50 nm) 212, and silicon nitride A film (50 nm) 214 is sequentially formed. Next, after forming a resist pattern (not shown), the respective films 214, 212, 210, 208 and 206 are sequentially selectively etched using the resist pattern as a mask to form the bottom portion as shown in FIG. p + An exposed opening 216 of the region 204 is formed, and subsequently Ni (or Fe or Co) is deposited on the entire surface, and then a 1-10 nm metal film (not shown) is left only at the bottom of the opening 216 by a lift-off method. . Using the metal film Ni as a catalyst, carbon nanotubes 220 (FIG. 11C) are grown vertically in the openings 216 by CVD, and the tips of the nanotubes 220 are removed by oxygen plasma treatment. When plasma CVD is used as the CVD growth method, the catalyst metal is removed by Ar sputtering. In the case of thermal CVD, since the catalyst remains at the bottom of the film 210, this step is unnecessary. Next, as described above, a peapod is produced by injecting fullerene (not shown) into the nanotube by treatment in a fullerene-containing atmosphere, and annealing is performed to form a plurality of multi-walled nanotubes 220a (FIG. 12 (a)). Form. Next, a metal film (not shown) for the drain electrode is formed of TiSi, and this is etched using a resist pattern (not shown) to form the drain electrode 222 shown in FIG. .
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 12B, the nitride film 214 (FIG. 12A) is anisotropically etched using the drain electrode 222 as a mask, and the oxide film under the etched nitride film 214 ′ is further etched. Is removed by isotropic etching. Next, as shown in FIG. 12C, the gate metal film 210 (FIG. 12B) is anisotropically dry-etched to form the gate electrode 224, and the oxide film under the gate electrode 224 is formed on the oxide film. It is removed by isotropic etching. The multi-walled carbon nanotube 220a (FIG. 12C) exposed by the removal of the oxide film is subjected to oxygen plasma treatment to remove only the outer tube of the exposed portion, and as shown in FIG. The inner nanotube 226 is exposed.
[0037]
Subsequently, as shown in FIG. 13B, a silicon oxide film 228 having a thickness of 200 nm is formed on the entire surface. Next, as shown in FIG. 14A, a resist pattern 230 is formed, and using this as a mask, the oxide film 228 and the nitride film 206 are etched to form electrode contact holes 232 and 234. A Pt—Au alloy is deposited as the source / drain metal, and the source 236 and the drain 238 are formed by leaving the metal only in the contact holes 232 and 234 by lift-off (FIG. 14B). In this way, a semiconductor device having a saddle type structure similar to that described with reference to FIGS. 6A and 6B is obtained.
[0038]
FIG. 15 is a plan view of a semiconductor device manufactured through the steps of FIG. 11A to FIG. 14B. In this semiconductor device, a part of the source 236 and the drain 238 is exposed in the opening of the oxide insulating film 228, and the multi-walled carbon nanotube 220a serving as a channel below the drain 238 (FIG. 14A). ) Bundle 240 is located. A gate electrode 224 is positioned surrounding the nanotube bundle 240 and a portion thereof is exposed to another opening of the insulating film 228. The opening for exposing the gate electrode 224 can be formed, for example, after the oxide film 228 is formed in FIG.
[0039]
A semiconductor device using a bundle that is an aggregate of a plurality of multi-walled carbon nanotubes is not limited to the vertical structure described above, but has a horizontal structure in which the longitudinal axis of the nanotube is parallel to the substrate surface. Needless to say, it is good.
[0040]
One of the characteristics of carbon nanotubes is that electrons as carriers travel in the nanotubes without scattering (in a coherent state). In such electron conduction, the electric resistance is constant regardless of the length of the current path. Such a phenomenon is recognized when the length of the current path is less than the mean free path of electrons. Accordingly, the length of the channel portion that controls the current flowing through the gate in the semiconductor device of the present invention, in other words, the length of the continuous outer tube in which the gate electrode is in direct contact or indirectly through the insulating layer, In the case where the average free path is below the electron, the semiconductor device of the present invention is particularly capable of high-speed / high-frequency operation and high-current drive, and obtains low noise characteristics.
[0041]
In addition, since the structure of the carbon nanotube is formed by self-organization, its structural fluctuation (variation) is extremely small. Also, in the carbon nanotube having a multilayer structure used in the present invention, the interval between the outer and inner nanotubes is 0.34 nm and is extremely uniform. Therefore, if a semiconductor device is configured using carbon nanotubes, miniaturization beyond the limits of lithography is possible.
[0042]
Up to now, the gate electrode has been described as one. However, like the so-called “double gate” type semiconductor device, the semiconductor device of the present invention can have two or more gate electrodes. In this case, there are independent outer tubes separated from each other corresponding to the number of gates in the carbon nanotube portion between the source and the drain. More specifically, in the semiconductor device having the simplest structure described with reference to FIG. 3, if the number of gates is one, the outer tube may be one continuous body, and the number of gates is two. Then, the outer tube becomes a discontinuous parted at one place. On the other hand, in the case of a semiconductor device having an outer tube having a divided portion between the gate and the source electrode and between the gate and the drain as described with reference to FIGS. 4A and 4B, for example, If the number of gates is one, it is divided at two places, and if the number of gates is two, it is divided at three places.
[0043]
The present invention is as described above. The features of the present invention are described as follows along with various aspects.
(Additional remark 1) It is the cylindrical multilayer structure comprised from a carbon element, Comprising: The inner cylinder body has a semiconducting property, and the outer cylinder body contains the multilayer structure which has a metallic property, This multilayer structure A semiconductor device characterized in that the electrical conductivity of an inner cylindrical body of a body is controlled by a voltage applied to the outer cylindrical body.
(Appendix 2) A cylindrical multilayer structure composed of carbon elements, the inner cylinder having semiconducting properties and the outer cylinder having metallic properties, and the inner cylinder The semiconductor device according to appendix 1, characterized by having conductors respectively connected to opposite sides across the outer cylindrical body and means for applying a voltage to the outer cylindrical body.
(Supplementary note 3) The semiconductor device according to Supplementary note 1 or 2, wherein the outer cylindrical body is a continuous structure without division, and the inner cylindrical body is a continuous structure without division.
(Supplementary note 4) The semiconductor device according to Supplementary note 1 or 2, wherein the outer cylindrical body is a discontinuous structure divided and the inner cylindrical body is a continuous structure without division.
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to supplementary note 3, wherein a rectifying electrode is in direct contact with the outer cylindrical body.
(Supplementary note 6) The semiconductor device according to supplementary note 3, wherein a rectifying electrode is indirectly in contact with the outer cylindrical body through an insulating material.
(Supplementary note 7) The semiconductor device according to supplementary note 4, wherein the outer cylindrical body is divided at one place, and a rectifying electrode is in direct contact with each divided outer cylindrical body.
(Supplementary note 8) The semiconductor device according to supplementary note 4, wherein the outer cylindrical body is divided at one place, and a rectifying electrode is indirectly in contact with each divided outer cylindrical body via an insulating material.
(Supplementary Note 9) The outer cylindrical body is divided at two or more locations, the ohmic electrodes are in contact with the outer cylindrical bodies at both ends, and the divided intermediate outer cylindrical body has a rectifying electrode. The semiconductor device according to appendix 4, wherein
(Supplementary note 10) The semiconductor device according to supplementary note 9, wherein the rectifying electrode is in direct contact with the outer cylindrical body.
(Supplementary note 11) The semiconductor device according to supplementary note 9, wherein the rectifying electrode is indirectly in contact with the outer cylindrical body through an insulating material.
(Supplementary note 12) The semiconductor device according to supplementary note 11, wherein a side wall of the rectifying electrode facing the outer cylindrical body at both divided ends is provided with a side wall made of an insulating material.
(Supplementary note 13) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 5 to 12, wherein a length of the continuous outer cylindrical body in contact with the rectifying electrode is equal to or less than an electron mean free path.
(Supplementary note 14) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 13, wherein a longitudinal axis of the multilayer structure is parallel to a substrate surface on which the multilayer structure is disposed.
(Supplementary note 15) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 13, wherein a longitudinal axis of the multilayer structure is perpendicular to a substrate surface on which the multilayer structure is disposed.
(Supplementary note 16) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 15, wherein the semiconductor device includes a plurality of the multilayer structures, and the bundles are formed by contact between the outer cylindrical bodies.
(Supplementary note 17) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 16, wherein the multilayer structure is formed of a plurality of carbon nanotubes.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the semiconductor device of the present invention in which carbon nanotubes are applied to the gate and channel of a transistor can have a surround gate structure that is particularly effective for suppressing the short channel effect, and thus can operate at high speed. . Further, according to the present invention, it is possible to use a semiconductor device capable of high-frequency operation or a semiconductor device having a high current driving capability.
[0045]
By making the length of the nanotube in the part where the undivided outer tube is in contact with the gate electrode directly or indirectly through the insulating layer equal to or less than the mean free path of electrons, the semiconductor device of the present invention Especially, it has a low noise characteristic of high speed operation, high frequency operation, or high current drive.
[0046]
Furthermore, the use of carbon nanotubes makes it possible to provide a fine semiconductor device that exceeds the limits of lithography.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates a semiconductor device having a surround gate structure.
FIG. 2 is a diagram illustrating the chirality of carbon nanotubes.
FIG. 3 is a diagram illustrating a basic configuration aspect of a semiconductor device of the present invention;
FIG. 4 is a diagram illustrating another embodiment of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating still another embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating another embodiment of the semiconductor device of the present invention.
7 is a diagram for explaining the first half of the manufacture of the semiconductor device shown in FIG. 4; FIG.
8 is a diagram for explaining the second half of the manufacture of the semiconductor device shown in FIG. 4; FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating the manufacture of a semiconductor device in which an insulating film is interposed between a gate electrode and a carbon nanotube.
10 is a diagram for explaining the manufacture of the semiconductor device having a side wall of the insulating material on the side surface of the gate electrode shown in FIG. 5;
11 is a first view for explaining the manufacture of the semiconductor device shown in FIG. 6; FIG.
12 is a second view for explaining the manufacture of the semiconductor device shown in FIG. 6; FIG.
13 is a third diagram for explaining the manufacture of the semiconductor device shown in FIG. 6; FIG.
14 is a fourth diagram for explaining the manufacture of the semiconductor device shown in FIG. 6; FIG.
FIG. 15 is a plan view of the semiconductor device manufactured through the processes of FIGS.
[Explanation of symbols]
1 ... Channel
2 ... Gate electrode
3 ... Source electrode
4 ... Drain electrode
10, 100, 100 ′, 100 ″... Semiconductor device
12, 32, 66, 110, 220a ... multi-layered carbon nanotube
14, 34, 70, 226 ... inner tube
16, 36C, 36D, 36S, 68 ... outer tube
18, 20 ... Conductor
22: Voltage application means
38, 62, 112, 236 ... Source electrode
40, 64, 114, 222, 238... Drain electrode
42, 72, 116, 224 ... gate electrodes
52, 124, 228 ... insulator
76, 240 ... Bundle of nanotubes
132 ... side wall

Claims (10)

炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体を含み、且つ、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体を有するとともに、外側円筒体が2箇所以上で分断されていることを特徴とする半導体装置。A cylindrical multilayer structure composed of carbon elements, the inner cylinder having semiconducting properties and the outer cylinder having metallic properties, and directly on the outer cylinder Alternatively , a semiconductor device having a conductor connected through an insulator and the outer cylindrical body being divided at two or more locations . 炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体と、内側円筒体の両端に接続する導電体と、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体とを有することを特徴とする、請求項1記載の半導体装置。A cylindrical multilayer structure composed of carbon elements, in which the inner cylinder has semiconducting properties and the outer cylinder has metallic properties, and is connected to both ends of the inner cylinder. The semiconductor device according to claim 1, comprising a conductor and a conductor connected to the outer cylindrical body directly or via an insulator . 断された両端部の外側円筒体にはオーム性電極がそれぞれ接触し、且つ、分断された中間の外側円筒体には整流性電極が接触している、請求項1又は2記載の半導体装置。Ohmic electrodes on the outer cylinder of the partial cross-sectional been both ends contact respectively, and, in the outer cylindrical body of the shed intermediate contacts rectifying electrode, the semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein . 前記整流性電極が前記外側円筒体に直接接触している、請求項3記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 3, wherein the rectifying electrode is in direct contact with the outer cylindrical body. 前記整流性電極が前記外側円筒体に絶縁材料を介し間接的に接触している、請求項3記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 3, wherein the rectifying electrode is in indirect contact with the outer cylindrical body through an insulating material. 前記整流性電極の前記分断された両端部の外側円筒体に面する側面に絶縁材料の側壁が設けられている、請求項5記載の半導体装置。  6. The semiconductor device according to claim 5, wherein a side wall of the rectifying electrode facing the outer cylindrical body at both divided ends is provided with a side wall made of an insulating material. 前記整流性電極の接触する連続の外側円筒体の長さが電子の平均自由行程以下である、請求項3から6までのいずれか一つに記載の半導体装置。  The semiconductor device according to any one of claims 3 to 6, wherein a length of a continuous outer cylindrical body in contact with the rectifying electrode is equal to or less than an electron mean free path. 前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面と平行である、請求項1から7までのいずれか一つに記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein a longitudinal axis of the multilayer structure is parallel to a substrate surface on which the multilayer structure is disposed. 前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面に対して垂直である、請求項1から7までのいずれか一つに記載の半導体装置。  The semiconductor device according to claim 1, wherein a longitudinal axis of the multilayer structure is perpendicular to a substrate surface on which the multilayer structure is disposed. 前記多層構造体を複数含み、それらが外側円筒体どうしの接触によりバンドルを形成している、請求項1から9までのいずれか一つに記載の半導体装置。  10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device includes a plurality of the multilayer structures, and these form a bundle by contact between the outer cylindrical bodies.
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