JP4884723B2 - Field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は電界効果型トランジスタ及びその製造方法に関するものであり、特に、小型の高周波用電界効果型トランジスタにおける耐圧向上のための電界緩和用電極の構成に特徴のある電界効果型トランジスタ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a field effect transistor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a field effect transistor characterized by the configuration of an electric field relaxation electrode for improving the breakdown voltage in a small-sized high-frequency field effect transistor and a method for manufacturing the same. It is about.
トランジスタの高周波回路応用を考えた場合、当然トランジスタには高速動作が要求されるが、同時にパワーアンプなどの場合のように耐圧を要求される場合も少なくなく、電界効果型トランジスタにおいては、高速性と耐圧とはトレードオフの関係にある。 Considering high-frequency circuit applications of transistors, naturally, transistors require high-speed operation, but at the same time, withstand voltage is often required as in power amplifiers, etc. And withstand voltage are in a trade-off relationship.
高速性を向上させるために通常はソース−ドレイン間距離をできるだけ短縮するが、これは反面、ゲート−ドレイン間の電界増加を招き、耐圧は低下することになるのでこの事情を図8を参照して説明する。 In order to improve the high speed, the distance between the source and the drain is usually shortened as much as possible. However, this causes an increase in the electric field between the gate and the drain, and the withstand voltage is lowered. I will explain.
図8参照
図8の上段図はカーボンナノチューブFETの概略的斜視図であり、中段図はチャネル長方向に沿った断面図であり、また、下段図はゲート−ドレイン間の電界分布図である。 このようなカーボンナノチューブFETにおいては、中段図及び下段図に示すように、通常はゲート−ドレイン間の電界はゲート電極66の端部に集中し、この部分で耐圧が決まる。
See FIG.
The upper diagram of FIG. 8 is a schematic perspective view of the carbon nanotube FET, the middle diagram is a sectional view along the channel length direction, and the lower diagram is an electric field distribution diagram between the gate and the drain. In such a carbon nanotube FET, as shown in the middle and lower diagrams, the electric field between the gate and the drain is usually concentrated on the end portion of the
このようなゲート−ドレイン間の電界を緩和する手段としては、ゲート−ドレイン間に電界緩和用の電極を設け、これにゲートと同電位の電圧を印加する方法がある(例えば、特許文献1参照)。 As a means for relaxing the electric field between the gate and the drain, there is a method in which an electrode for electric field relaxation is provided between the gate and the drain, and a voltage having the same potential as the gate is applied to the electrode (for example, see Patent Document 1). ).
図9参照
図9の上段図は電界緩和用電極を設けた高耐圧型カーボンナノチューブFETの概略的斜視図であり、中段図はチャネル長方向に沿った断面図であり、また、下段図はゲート−ドレイン間の電界分布図である。
中段図及び下段図に示すように、電界緩和用電極67を設けることによって、破線で示す電界分布から実線で示す電界分布へと変化しゲート−ドレイン間の電界は緩和されるので、耐圧が向上することになる。
See FIG.
The upper diagram of FIG. 9 is a schematic perspective view of a high breakdown voltage type carbon nanotube FET provided with an electric field relaxation electrode, the middle diagram is a cross-sectional view along the channel length direction, and the lower diagram is between the gate and the drain. FIG.
As shown in the middle and lower diagrams, by providing the electric
なお、トランジスタの小型化或いは高速化等のために、ゲート電極を金属性カーボンナノチューブで構成したり(例えば、特許文献2参照)、或いは、チャネルを半導体性カーボンナノチューブで構成すること(例えば、特許文献3参照)も提案されている。
しかし、新たに第二のゲート電極とも言える電界緩和用電極を設けた場合には、電極間容量Cgs,Cgdが増加し、高速性を損ねてしまうという問題がある。 However, when an electric field relaxation electrode that can be said to be a second gate electrode is newly provided, the interelectrode capacitances C gs and C gd increase, and there is a problem that high-speed performance is impaired.
また、高速用途のFETはもともとゲート−ドレイン間距離がサブミクロンオーダーであるため、ゲート−ドレイン間に新たに電界緩和用電極を形成することは製造技術上困難であるという問題もある。 In addition, since a high-speed FET has a gate-drain distance of the order of submicron, it is difficult to form a new electric field relaxation electrode between the gate and the drain in terms of manufacturing technology.
また、仮に、サブミクロンオーダーのゲート−ドレイン間に電界緩和用電極を設けた場合には、電界緩和用電極の幅は非常に細いものになるため、必然的に高抵抗にならざるを得ないという問題がある。 In addition, if an electric field relaxation electrode is provided between the gate and the drain on the order of submicrons, the width of the electric field relaxation electrode becomes very thin, and thus inevitably has a high resistance. There is a problem.
したがって、本発明は、容量の増加を招かず、ゲート−ドレイン間に低抵抗な微細な電界緩和用電極を設けることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fine electric field relaxation electrode having a low resistance between the gate and the drain without causing an increase in capacitance.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、電界効果型トランジスタにおいて、ゲート電極6とドレイン電極(3)との間隔がサブミクロンオーダーの電界効果型トランジスタのゲート−ドレイン間に金属的性質を示すカーボンナノチューブからなる電界緩和用電極8を設けたことを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
In order to solve the above problem, the present invention is a field effect transistor in which the distance between the
カーボンナノチューブの径は10nm程度と非常に細いので、サブミクロンオーダーのゲート−ドレイン間に容易に設けることができるとともに、カーボンナノチューブ−チャネル間の容量増加をほとんど招かないため、ソース−ドレイン間距離短縮による高速化、カーボンナノチューブ電極による電界緩和・高耐圧化を同時に実現することができる。 Since the diameter of the carbon nanotube is as thin as about 10 nm, it can be easily provided between the gate and the drain on the order of submicron, and the capacity between the carbon nanotube and the channel is hardly increased, so the distance between the source and the drain is shortened. It is possible to simultaneously realize a high speed by using a carbon nanotube electrode and an electric field relaxation and a high breakdown voltage.
例えば、トランジスタの高速性の指標である電流利得遮断周波数fT は、
fT 〜gm /{2π(Cgs+Cgd)}
であるので、電界緩和用電極8に起因するCgs,Cgdが小さくなることによって電流利得遮断周波数fT の低下を招かずに耐圧を向上させることが出来る。
For example, the current gain cutoff frequency f T , which is an index of the high speed of the transistor, is
f T -g m / {2π (C gs + C gd )}
Therefore, the breakdown voltage can be improved without causing a decrease in the current gain cutoff frequency f T by reducing C gs and C gd caused by the electric
また、カーボンナノチューブは長軸方向に非常に低抵抗であるので、電界緩和用電極8の低抵抗化が可能になり、それによって、面内で均一な電界緩和を実現することができる。
In addition, since the carbon nanotube has a very low resistance in the major axis direction, the resistance of the electric
この場合、ゲート電極6も金属的性質を示すカーボンナノチューブで構成することが望ましく、それによって、微細構造トランジスタのゲート電極6を低抵抗にすることができ、デバイスの高利得化、低雑音化が可能になる。
In this case, it is desirable that the
また、ゲート電極6と電界緩和用電極8の少なくとも一方を、基板1とチャネル4との間に埋め込んで埋込構造としても良いものである。
Further, at least one of the
このような、金属的性質を示すカーボンナノチューブの成長起点としては、Ta膜上にFe膜を設けたFe/Ta積層薄膜7が望ましく、製造条件に依存せずに金属的性質を示すカーボンナノチューブを再現性良く形成することが可能になる。 As a growth starting point of such carbon nanotubes exhibiting metallic properties, an Fe / Ta laminated thin film 7 in which an Fe film is provided on a Ta film is desirable, and carbon nanotubes exhibiting metallic properties are independent of manufacturing conditions. It becomes possible to form with good reproducibility.
また、チャネル4を半導体的性質を示すカーボンナノチューブで構成しても良いものであり、それによって、トランジスタの動作速度をより向上することが可能になる。
この場合、半導体的性質を示すカーボンナノチューブの成長起点としては、Al層上にFe膜を設けたFe/Al積層薄膜が望ましく、製造条件に依存せずに半導体的性質を示すカーボンナノチューブを再現性良く形成することが可能になる。
Further, the channel 4 may be made of carbon nanotubes having semiconducting properties, whereby the operation speed of the transistor can be further improved.
In this case, the growth starting point of carbon nanotubes that exhibit semiconducting properties is preferably an Fe / Al laminated thin film in which an Fe film is provided on an Al layer, and carbon nanotubes that exhibit semiconducting properties are reproducible without depending on manufacturing conditions. It becomes possible to form well.
或いは、チャネル4を単結晶半導体で構成しても良く、それによって、製造技術が確立された化合物半導体FETのゲート−ドレイン間距離を1μm以下にした場合にも、再現性良く電界緩和用電極8を形成することが可能になる
Alternatively, the channel 4 may be formed of a single crystal semiconductor, and thereby the electric
上述の電界効果型トランジスタを製造する場合には、絶縁性の基板1上にAl層上にFe膜を設けたFe/Al積層薄膜からなる触媒作用を有する第1の電極2を設けるとともに、第1の電極2に間隔を隔てて対向する触媒作用を有さない第2の電極3を設け、第1の電極2を成長起点として第2の電極3に達する半導体的性質を示すカーボンナノチューブを成長させてチャネル4とし、次いで、チャネル4上にゲート絶縁膜5を堆積したのちゲート絶縁膜5上に第1の電極2或いは第2の電極3のうちのドレイン電極となる一方の電極との間隔がサブミクロンオーダーとなる位置にゲート電極6を形成し、次いで、第1の電極2或いは第2の電極3のうちのドレイン電極となる一方の電極とゲート電極6との間の端部にTa膜上にFe膜を設けたFe/Ta積層薄膜7を設け、Fe/Ta積層薄膜7を成長起点としてチャネル4幅方向に延在する金属的性質を示すカーボンナノチューブを成長させて電界緩和用電極8を形成すれば良い。
In the case of manufacturing the above-described field effect transistor, the
この場合、ゲート電極6の形成工程において、チャネル端部にTa膜上にFe膜を設けたゲート電極成長用のFe/Ta積層薄膜を設け、電界緩和用電極8の形成工程と同時にゲート電極成長用のFe/Ta積層薄膜を成長起点としてチャネル幅方向に延在する金属的性質を示すカーボンナノチューブを成長させてゲート電極6としても良いものであり、それによって、製造工程を簡素化することができる。
In this case, in the step of forming the
本発明では、電界緩和用電極として金属的性質を示すカーボンナノチューブを用いることによって、高速化及び高耐圧を両立することができる。 In the present invention, both high speed and high breakdown voltage can be achieved by using carbon nanotubes exhibiting metallic properties as the electric field relaxation electrode.
本発明は、絶縁性基板上にAl層上にFe膜を設けたFe/Al積層薄膜からなる触媒電極を設けるとともに、触媒電極に間隔を隔てて対向する非触媒電極を設け、成長方向に直流電界を印加した状態でFe膜を成長起点として非触媒電極に達する半導体的性質を示す単層カーボンナノチューブを成長させてチャネルとし、次いで、チャネル上にゲート絶縁膜を堆積したのちゲート絶縁膜上に触媒電極或いは非触媒電極のうちのドレイン電極となる一方の電極との間隔がサブミクロンオーダーとなる位置にゲート電極を形成し、次いで、触媒電極或いは非触媒電極のうちのドレイン電極となる一方の電極とゲート電極との間の端部にTa膜上にFe膜を設けたFe/Ta積層薄膜を設け、成長方向に直流電界を印加した状態でFe/Ta積層薄膜を成長起点としてチャネル幅方向に延在する金属的性質を示す多層カーボンナノチューブを成長させて電界緩和用電極を形成するものである。 In the present invention, a catalyst electrode made of an Fe / Al laminated thin film in which an Fe film is provided on an Al layer is provided on an insulating substrate, and a non-catalyst electrode facing the catalyst electrode at a distance is provided so that a direct current is applied in the growth direction. Single-walled carbon nanotubes exhibiting semiconducting properties that reach the non-catalytic electrode with the Fe film as a growth starting point with the boundary applied are grown into a channel, and then a gate insulating film is deposited on the channel and then the gate insulating film is formed on the channel. A gate electrode is formed at a position where the distance from one of the catalyst electrodes or non-catalyst electrodes that is the drain electrode is on the order of submicron , and then one of the catalyst electrodes or non-catalyst electrodes that is to be the drain electrode Fe / Ta laminated thin film with Fe / Ta laminated thin film provided with Fe film on Ta film at the edge between electrode and gate electrode, with DC electric field applied in the growth direction Film is grown multiwall carbon nanotubes exhibit metallic properties extending in the channel width direction as the growth starting point is to form an electric field relaxation electrodes.
ここで、図2乃至図4を参照して、本発明の実施例1のカーボンナノチューブFETの製造工程を説明する。
図2参照
まず、サファイア基板11上に、レジストパターンをマスクとしてスパッタ法により厚さが、例えば、5nmのAl膜13及び厚さが、例えば、1nmの触媒作用を有するFe膜14を順次堆積させたのちレジストパターンを除去することによってソース電極12とする。
Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 4, the manufacturing process of carbon nanotube FET of Example 1 of this invention is demonstrated.
See Figure 2
First, an
次いで、再び、レジストパターンをマスクとしてスパッタ法により厚さが、例えば、6nmのAl膜をソース電極12と例えば5μmの間隙をあけて対向するように堆積させたのちレジストパターンを除去することによってドレイン電極15とする。
Next, an Al film having a thickness of, for example, 6 nm is deposited again by sputtering using the resist pattern as a mask so as to face the
図3参照
次いで、プラズマCVD法を用いて、プロセスガスとしてアセチレンガスを用いるとともに、キャリアガスとしてArガスもしくは水素ガスを用い、ソース電極12−ドレイン電極15間に直流電界を印加した状態で、例えば、100Paの圧力において、600℃の成長温度で、RFパワーを印加することによってカーボンナノチューブ16を形成する。
この場合、図示は省略しているが、実際には、ソース電極12の上面全体からドレイン電極15に向かってカーボンナノチューブ16が成長している。
See Figure 3
Next, using plasma CVD, acetylene gas is used as a process gas, Ar gas or hydrogen gas is used as a carrier gas, and a DC electric field is applied between the
In this case, although not shown, the
この時、例えば、600℃の成長温度においてソース電極12の表面を構成するFe膜14は温度の影響により粒子状になるが、この粒子の径は下地のAlとの濡れ性を反映して小径となるので、成長するカーボンナノチューブ16は半導体的性質を有する単層カーボンナノチューブとなるので、チャネルを構成することになる。
At this time, for example, the
また、成長状態において、ソース電極12−ドレイン電極15間に直流電界を印加しているので、カーボンナノチューブ16はソース電極12上のFe膜14を成長起点としてドレイン電極15に向かって成長し、ドレイン電極15に充分達した時点で成長を終了する。
因に、成長時間は、例えば、40分とする。
In addition, since a DC electric field is applied between the
For example, the growth time is 40 minutes.
次いで、CVD法を用いて厚さが、例えば、10nmのSiO2 膜17を堆積させてカーボンナノチューブ16の間隙を埋めるとともに、カーボンナノチューブ16上に堆積した部分をゲート絶縁膜とする。
Next, a SiO 2 film 17 having a thickness of, for example, 10 nm is deposited by CVD to fill the gaps between the
次いで、レジストパターンをマスクとしてスパッタ法により、厚さが、例えば、10nmのTi膜19及び厚さが、例えば、100nmのPt層20を順次堆積させのちレジストパターンを除去することによってゲート電極18を形成する。
Next, the
次いで、100nm×100nmの開口部を有するレジストパターンをマスクとしてスパッタ法により、厚さが、例えば、5nmのTa膜22及び厚さが、例えば、1nmの触媒作用を有するFe膜23を順次堆積させたのちレジストパターンを除去することによって成長用電極21とする。
Next, a
次いで、プラズマCVD法を用いて、プロセスガスとしてアセチレンガスを用いるとともに、キャリアガスとしてArガスもしくは水素ガスを用い、ゲート電極18に沿った方向に直流電界を印加した状態で、例えば、100Paの圧力において、600℃の成長温度で、RFパワーを印加することによってカーボンナノチューブからなる電界緩和用電極24を形成することによって、本発明の実施例1のカーボンナノチューブFETの基本構造が完成する。
Next, using plasma CVD, acetylene gas is used as a process gas, Ar gas or hydrogen gas is used as a carrier gas, and a direct current electric field is applied in a direction along the
この時、例えば、600℃の成長温度においてソース電極12の表面を構成するFe膜14は温度の影響により粒子状になるが、この粒子の径は下地のTaとの濡れ性を反映して下地がAlの場合に比べて大きな径となるので、成長するカーボンナノチューブは金属的性質を有する直径が例えば10nm程度の多層カーボンナノチューブとなる。
At this time, for example, the
また、成長状態において、ゲート電極18に沿った方向に直流電界を印加しているので、カーボンナノチューブはゲート電極18と平行方向に成長する。
In addition, since a direct current electric field is applied in a direction along the
図4参照
図4の上段図は本発明の実施例1のカーボンナノチューブFETの概略的斜視図であり、中段図はチャネル長方向に沿った断面図であり、また、下段図はゲート−ドレイン間の電界分布図である。
本発明の実施例1のカーボンナノチューブFETにおいては、中段図及び下段図に示すように、電界緩和用電極24によりゲート−ドレイン間の電界が緩和されて、耐圧が向上する。
See Figure 4
The upper diagram of FIG. 4 is a schematic perspective view of the carbon nanotube FET of Example 1 of the present invention, the middle diagram is a sectional view along the channel length direction, and the lower diagram is the electric field distribution between the gate and the drain. FIG.
In the carbon nanotube FET of Example 1 of the present invention, as shown in the middle and lower diagrams, the electric field between the gate and the drain is relaxed by the electric
また、本発明の実施例1においては、電界緩和用電極24を直径が10nm程度のカーボンナノチューブで構成しているので、電界緩和用電極−チャネル間の容量増加をほとんど招かず、ソース−ドレイン間距離短縮による高速化と電界緩和用電極24による電界緩和・高耐圧化を同時に実現できる。
In Example 1 of the present invention, since the electric
また、カーボンナノチューブの直径は10nm程度と微細であることによって、ゲート−ドレイン間距離がサブミクロンオーダーの微細トランジスタ上にも電界緩和用電極を形成が容易となる。 In addition, since the diameter of the carbon nanotube is as small as about 10 nm, it is easy to form an electric field relaxation electrode on a fine transistor having a gate-drain distance of submicron order.
さらに、金属的性質を有するカーボンナノチューブは、長軸方向に非常に低抵抗であるため、細い電界緩和用電極24の場合にも高抵抗に起因する信号遅延等が生ずることがない。
Furthermore, since carbon nanotubes having metallic properties have a very low resistance in the major axis direction, even in the case of the thin electric
次に、図5を参照して、本発明の実施例2のカーボンナノチューブFETを説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例1と同様であるので、最終的な素子構成図のみを示す。
図5参照
図5の上段図は本発明の実施例2のカーボンナノチューブFETの概略的斜視図であり、下段図はチャネル長方向に沿った断面図である。
まず、上記の実施例1と全く同様に、サファイア基板11上にAl膜13及びFe膜14からなるソース電極12を形成したのち、ソース電極12と対向するようにドレイン電極15を形成する
Next, the carbon nanotube FET of Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. 5. Since the basic manufacturing process is the same as that of Example 1, only the final device configuration diagram is shown. Show.
See Figure 5
The upper diagram of FIG. 5 is a schematic perspective view of the carbon nanotube FET of Example 2 of the present invention, and the lower diagram is a cross-sectional view along the channel length direction.
First, in the same manner as in the first embodiment, after forming the
次いで、ソース電極12−ドレイン電極15間に半導体的性質を有するカーボンナノチューブ16を形成してチャネルとしたのち、SiO2 膜17を堆積させてカーボンナノチューブ16の間隙を埋めるとともに、カーボンナノチューブ16上に堆積した部分をゲート絶縁膜とする。
Next,
次いで、100nm×100nmの開口部及び1000nm×2000nmの開口部を有するレジストパターンをマスクとしてスパッタ法により、厚さが、例えば、5nmのTa膜22及び厚さが、例えば、1nmの触媒作用を有するFe膜23を順次堆積させたのちレジストパターンを除去することによって成長用電極21,25とする。
Next, a
次いで、プラズマCVD法を用いて、プロセスガスとしてアセチレンガスを用いるとともに、キャリアガスとしてArガスもしくは水素ガスを用い、チャネル幅に沿った方向に直流電界を印加した状態で、例えば、100Paの圧力において、600℃の成長温度で、RFパワーを印加することによってカーボンナノチューブからなる電界緩和用電極24及びゲート電極26を形成することによって、本発明の実施例2のカーボンナノチューブFETの基本構造が完成する。
なお、ここでは、図示の都合上、ゲート電極26を2本のカーボンナノチューブで形成しているが、ゲート電極26を構成するカーボンナノチューブの数は任意である。
Next, using plasma CVD, acetylene gas is used as a process gas, Ar gas or hydrogen gas is used as a carrier gas, and a DC electric field is applied in a direction along the channel width, for example, at a pressure of 100 Pa The basic structure of the carbon nanotube FET of Example 2 of the present invention is completed by forming the electric
Here, for convenience of illustration, the
この本発明の実施例2においては、ゲート電極26も抵抗の非常に低いカーボンナノチューブで構成しているので、ゲート抵抗低減、ゲート−ドレイン容量低減、ゲート−ソース容量低減を同時に実現することでき、このカーボンナノチューブFETを増幅器に用いることによって低ノイズ化、高利得化が可能になる。
In the second embodiment of the present invention, since the
次に、図6を参照して、本発明の実施例3のカーボンナノチューブFETを説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例1と同様であるので、最終的な素子構成図のみを示す。
図6参照
図6の上段図は本発明の実施例3のカーボンナノチューブFETの概略的斜視図であり、下段図はチャネル長方向に沿った断面図である。
まず、100nm×100nmの開口部及び1000nm×2000nmの開口部を有するレジストパターンをマスクとしてスパッタ法により、サファイア基板11上に厚さが、例えば、5nmのTa膜29及び厚さが、例えば、1nmの触媒作用を有するFe膜30を順次堆積させたのちレジストパターンを除去することによって成長用電極27,28とする。
Next, a carbon nanotube FET of Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. 6. Since the basic manufacturing process is the same as that of Example 1, only the final device configuration diagram is shown. Show.
See FIG.
The upper part of FIG. 6 is a schematic perspective view of the carbon nanotube FET of Example 3 of the present invention, and the lower part is a cross-sectional view along the channel length direction.
First, a
次いで、プラズマCVD法を用いて、プロセスガスとしてアセチレンガスを用いるとともに、キャリアガスとしてArガスもしくは水素ガスを用い、チャネル幅に沿った方向に直流電界を印加した状態で、例えば、100Paの圧力において、600℃の成長温度で、RFパワーを印加することによって成長用電極27,28を成長起点として金属性カーボンナノチューブからなるゲート電極31及び電界緩和用電極32を形成する。
Next, using plasma CVD, acetylene gas is used as a process gas, Ar gas or hydrogen gas is used as a carrier gas, and a DC electric field is applied in a direction along the channel width, for example, at a pressure of 100 Pa By applying RF power at a growth temperature of 600 ° C., the
次いで、SiO2 膜33を堆積させてからなるゲート電極31及び電界緩和用電極32の間隙及びその周辺部を埋めるとともに、ゲート電極31上に堆積した部分をゲート絶縁膜とする。
Next, the gap between the
次いで、SiO2 膜33上にAl膜35及びFe膜36からなるソース電極34を形成したのち、ソース電極34と対向するようにドレイン電極37を形成する
Next, after forming the
次いで、ソース電極34−ドレイン電極37間に半導体的性質を有するカーボンナノチューブ38を形成してチャネルとしたのち、SiO2 膜39を堆積させてカーボンナノチューブ38の間隙を埋めることによって、本発明の実施例3のカーボンナノチューブFETの基本構造が完成する。
Next, after forming a
この本発明の実施例3においては、ゲート電極及び電界緩和用電極として金属的性質を有するカーボンナノチューブを用い、且つ、チャネルとして半導体的性質を有するカーボンナノチューブを用いることによって、高耐圧の埋め込みゲート構造のFETを再現性良く構成することができる。 In the third embodiment of the present invention, a carbon nanotube having metallic properties is used as the gate electrode and the electric field relaxation electrode, and a carbon nanotube having semiconductor properties is used as the channel, thereby providing a high breakdown voltage buried gate structure. The FET can be configured with good reproducibility.
次に、図7を参照して、本発明の実施例4の高耐圧MESFETを説明する。
図7参照
まず、半絶縁性GaAs基板41上に、MBE法を用いてi型GaAs動作層41及びn+ 型GaAs層を順次成長させたのち、n+ 型GaAs層をパターニングすることによって、ソースコンタクト領域43及びドレインコンタクト領域44を形成する。
Next, with reference to FIG. 7, the high voltage | pressure-resistant MESFET of Example 4 of this invention is demonstrated.
See FIG.
First, after sequentially growing an i-type GaAs operation layer 41 and an n + -type GaAs layer on the semi-insulating GaAs substrate 41 by using the MBE method, the source contact region 43 is formed by patterning the n + -type GaAs layer. The drain contact region 44 is formed.
次いで、プラズマCVD法を用いて全面に厚さが、例えば、0.4μmのSiO2 膜45を形成したのち、ゲートコンタクト用開口部を設け、次いで、Wシリサイド層47及びAu層48を順次堆積させたのち、イオンミリングを施すことによって積層膜をパターニングしてゲート電極46を形成する。 Next, a SiO 2 film 45 having a thickness of, for example, 0.4 μm is formed on the entire surface by plasma CVD, and then an opening for gate contact is provided, and then a W silicide layer 47 and an Au layer 48 are sequentially deposited. After that, the gate electrode 46 is formed by patterning the laminated film by ion milling.
次いで、ゲート電極46のドレインコンタクト領域44側の近傍に100nm×100nmの開口部を有するレジストパターンをマスクとしてスパッタ法により、厚さが、例えば、5nmのTa膜50及び厚さが、例えば、1nmの触媒作用を有するFe膜51を順次堆積させたのちレジストパターンを除去することによって成長用電極49とする。 Next, a Ta film 50 having a thickness of, for example, 5 nm and a thickness of, for example, 1 nm are formed by sputtering using a resist pattern having an opening of 100 nm × 100 nm in the vicinity of the drain contact region 44 side of the gate electrode 46 as a mask. After sequentially depositing the Fe film 51 having the catalytic action, the resist pattern is removed to obtain the growth electrode 49.
次いで、プラズマCVD法を用いて、プロセスガスとしてアセチレンガスを用いるとともに、キャリアガスとしてArガスもしくは水素ガスを用い、ゲート電極46に沿った方向に直流電界を印加した状態で、例えば、100Paの圧力において、600℃の成長温度で、RFパワーを印加することによって金属的性質を有する多層カーボンナノチューブからなる電界緩和用電極52を形成することによって、本発明の実施例4の高耐圧MESFETの基本構成が完成する。 Next, using plasma CVD, acetylene gas is used as a process gas, Ar gas or hydrogen gas is used as a carrier gas, and a DC electric field is applied in a direction along the gate electrode 46, for example, a pressure of 100 Pa In FIG. 5, the basic structure of the high voltage MESFET of Example 4 of the present invention is formed by forming the electric field relaxation electrode 52 made of multi-walled carbon nanotubes having metallic properties by applying RF power at a growth temperature of 600 ° C. Is completed.
このように、電界緩和用電極として小径のカーボンナノチューブを用いることによって、単結晶半導体層をチャネルにしたMESFETにおいても高速化と高耐圧化の両立が可能になる。 Thus, by using a small-diameter carbon nanotube as the electric field relaxation electrode, both high speed and high breakdown voltage can be achieved even in a MESFET using a single crystal semiconductor layer as a channel.
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、カーボンナノチューブの成長に要する原料ガスはアセチレンガスに限られるものではなく、メタンやエチレン等の炭化水素ガス或いはメタノール等のアルコールガスを用いても良いものであり、成長方法についてもCVD法に限られるものではなく、アーク放電法或いはレーザアブレーション法等の他の成長方法を用いても良いものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made. For example, it is necessary for the growth of carbon nanotubes. The source gas is not limited to acetylene gas, and hydrocarbon gas such as methane or ethylene or alcohol gas such as methanol may be used, and the growth method is not limited to the CVD method, but arc discharge. Alternatively, other growth methods such as a laser ablation method may be used.
また、上記の実施例においては、触媒として下地によって成長するカーボンナノチューブの導電特性を制御できるFeを用いているが、Feに限られるものではなく、Co,Ni,Pt,Rh、或いは、これらの触媒1種類以上とTi,Mo,Al,Taなど1種以上との合金を用いても良く、また、触媒の形状も薄膜に限られるものではなく、微分型静電分級器などにより直径制御された微粒子を用いても良いものであり、その場合には、金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブを成長する工程でそれぞれに好適な原料ガス、成長温度、下地金属等の成長条件を採用すれば良い。 In the above embodiment, Fe that can control the conductive properties of the carbon nanotubes grown on the substrate is used as a catalyst. However, the present invention is not limited to Fe, and Co, Ni, Pt, Rh, An alloy of one or more types of catalyst and one or more types of Ti, Mo, Al, Ta, etc. may be used. The shape of the catalyst is not limited to a thin film, and the diameter is controlled by a differential electrostatic classifier or the like. In such a case, if the growth conditions such as the source gas, the growth temperature, and the underlying metal are suitable for the process of growing the metallic carbon nanotube and the semiconducting carbon nanotube, good.
また、上記の実施例1乃至実施例3においては、基板としてサファイアを用いているが、サファイアに限られるものではなく、カーボンナノチューブの成長温度に耐えられる絶縁性基板であれば良く、例えば、パイレック(登録商標名)等の耐熱性ガラスを用いても良く、或いは、シリコン基板等の表面にSiO2 膜等の絶縁膜を設けた基板を用いても良いものである。 In the above-described Examples 1 to 3, sapphire is used as the substrate. However, the substrate is not limited to sapphire, and any insulating substrate that can withstand the growth temperature of carbon nanotubes may be used. A heat-resistant glass such as (registered trademark) may be used, or a substrate in which an insulating film such as a SiO 2 film is provided on the surface of a silicon substrate or the like may be used.
また、上記の実施例3においては、ゲート電極と電界緩和用電極の両方を埋込構造としているが、何方か一方のみを埋め込に構造とし、他方を表面側に設けても良いものである。 In the third embodiment, both the gate electrode and the electric field relaxation electrode have a buried structure, but only one of them may be buried and the other may be provided on the surface side. .
また、上記の実施例1及び実施例2においては、ゲート電極と電界緩和用電極を同じ高さに設けているが、例えば、絶縁膜のうちゲート絶縁膜となる領域を軽くエッチングして凹部を形成し、この凹部にゲート電極を設けて、パッシベーション膜となる絶縁膜の他の領域の膜厚を厚くし、ゲート電極がチャネルに与える電界と、電界緩和用電極がチャネルに与える電界の影響を異なるようにしても良いものである。 In the first and second embodiments, the gate electrode and the electric field relaxation electrode are provided at the same height. For example, the region of the insulating film that becomes the gate insulating film is lightly etched to form the recess. The gate electrode is formed in this recess, and the thickness of the other region of the insulating film to be the passivation film is increased, and the influence of the electric field applied to the channel by the gate electrode and the electric field applied to the channel by the electric field relaxation electrode is affected. It may be different.
また、上記の実施例2及び実施例3においては、チャネルとゲート電極及び電界緩和用電極とを別工程で形成しているが一度の成長工程で形成しても良いものである。
この場合、チャネルを成長させるためのソース電極の下地となるAl膜と、ゲート電極及び電界緩和用電極の成長起点となる成長用電極の下地となるTa膜の厚さにカーボンナノチューブの直径程度の差を設けて各カーボンナノチューブが空間を介して交差するように成長すれば良い。
In the second and third embodiments, the channel, the gate electrode, and the electric field relaxation electrode are formed in separate steps, but may be formed in a single growth step.
In this case, the thickness of the Al film that is the base of the source electrode for growing the channel and the thickness of the Ta film that is the base of the growth electrode that is the growth starting point of the gate electrode and the electric field relaxation electrode is about the diameter of the carbon nanotube. What is necessary is just to grow so that a difference may be provided and each carbon nanotube may cross | intersect through space.
なお、この場合、カーボンナノチューブの成長方向を制御するために、成長時にソース−ドレイン間を結ぶ線に対して45°等の斜め方向から電界を印加することが望ましい。 また、カーボンナノチューブの成長後にSOG(Spin On Glass)をスピンコートして、チャネルとゲート電極及び電界緩和用電極との間にゲート絶縁膜を形成するとともに、カーボンナノチューブ間の空間を充填すれば良い。 In this case, in order to control the growth direction of the carbon nanotubes, it is desirable to apply an electric field from an oblique direction such as 45 ° with respect to a line connecting the source and drain during growth. Further, SOG (Spin On Glass) may be spin-coated after the growth of the carbon nanotubes to form a gate insulating film between the channel, the gate electrode, and the electric field relaxation electrode, and fill the space between the carbon nanotubes. .
また、実施例4においては、基本構造をGaAs等の化合物半導体としているが、化合物半導体に限られるものではなく、シリコン基板或いはシリコン基板上に設けたSiGe層を能動領域とするMOSFETにも適用されるものであり、MOSFETの場合にはゲート電極としても金属性カーボンナノチューブを採用しても良いものである。 In Example 4, the basic structure is a compound semiconductor such as GaAs. However, the basic structure is not limited to a compound semiconductor, but is applied to a MOSFET having a silicon substrate or a SiGe layer provided on the silicon substrate as an active region. In the case of a MOSFET, metallic carbon nanotubes may be employed as the gate electrode.
ここで再び図1を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図1参照
(付記1)ゲート電極6とドレイン電極(3)との間隔がサブミクロンオーダーの電界効果型トランジスタのゲート−ドレイン間に金属的性質を示すカーボンナノチューブからなる電界緩和用電極8を設けたことを特徴とする電界効果型トランジスタ。
(付記2)前記ゲート電極6が、金属的性質を示すカーボンナノチューブからなることを特徴とする付記1に記載の電界効果型トランジスタ。
(付記3)前記ゲート電極6と前記電界緩和用電極8の少なくとも一方が、基板1とチャネル4との間に埋め込まれた埋込構造であることを特徴とする付記1または付記2に記載の電界効果型トランジスタ。
(付記4)前記金属的性質を示すカーボンナノチューブの成長起点として、Ta膜上にFe膜を設けたFe/Ta積層薄膜7を用いたことを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載の電界効果型トランジスタ。
(付記5)チャネル4が半導体的性質を示すカーボンナノチューブからなることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載の電界効果型トランジスタ。
(付記6)前記半導体的性質を示すカーボンナノチューブの成長起点として、Al膜上にFe膜を設けたFe/Al積層薄膜を用いたことを特徴とする付記5に記載の電界効果型トランジスタ。
(付記7)チャネル4が単結晶半導体からなることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載の電界効果型トランジスタ。
(付記8)絶縁性の基板1上にAl膜上にFe膜を設けたFe/Al積層薄膜からなる触媒作用を有する第1の電極2を設けるとともに、前記第1の電極2に間隔を隔てて対向する触媒作用を有さない第2の電極3を設け、前記第1の電極2を成長起点として前記第2の電極3に達する半導体的性質を示すカーボンナノチューブを成長させてチャネル4とする工程、前記チャネル4上にゲート絶縁膜5を堆積する工程、前記ゲート絶縁膜5上に第1の電極2或いは第2の電極3のうちのドレイン電極となる一方の電極との間隔がサブミクロンオーダーとなる位置にゲート電極6を形成する工程、及び、前記第1の電極2或いは第2の電極3のうちのドレイン電極となる一方の電極と前記ゲート電極6との間の端部にTa膜上にFe膜を設けたFe/Ta積層薄膜7を設け、前記Fe/Ta積層薄膜7を成長起点としてチャネル4幅方向に延在する金属的性質を示すカーボンナノチューブを成長させて電界緩和用電極8を形成する工程を有することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
(付記9)前記ゲート電極6の形成工程において、チャネル4端部にTa膜上にFe膜を設けたゲート電極成長用Fe/Ta積層薄膜を設け、前記電界緩和用電極8の形成工程と同時に前記ゲート電極成長用Fe/Ta積層薄膜を成長起点としてチャネル4幅方向に延在する金属的性質を示すカーボンナノチューブを成長させてゲート電極6とすることを特徴とする付記8に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
(付記10)絶縁性の基板1上にAl膜上にFe膜を設けたFe/Al積層薄膜からなる触媒作用を有する第1の電極2を設けるとともに、前記第1の電極2に間隔を隔てて対向する触媒作用を有さない第2の電極3を設ける工程と、前記絶縁性の基板1上に第1の開口部と前記第1の開口部より大きく且つ第1の電極2或いは第2の電極3のうちのドレイン電極となる一方の電極との間隔がサブミクロンオーダーとなる位置に第2の開口部を有するレジストパターンをマスクとして触媒作用を有するFe/Ta積層薄膜を堆積させて前記第1の開口部に第3の電極を形成するとともに、前記第2の開口部に第4の電極を形成する工程と、前記第1の電極2を成長起点として前記第2の電極3に達する半導体的性質を示すチャネルとなるカーボンナノチューブ、前記第3の電極を成長起点としてチャネル幅方向に延在する金属的性質を示す電界緩和用電極8となるカーボンナノチューブ、及び、前記第4の電極を成長起点としてチャネル幅方向に延在する金属的性質を示すゲート電極6となるカーボンナノチューブを一度の成長で形成する工程と、前記チャネル、ゲート電極6、電界緩和用電極8上及び前記チャネルとゲート電極6間、前記チャネルと電界緩和用電極8間に絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
The detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG. 1 again.
Again see Figure 1
(Additional remark 1) The electric
(Supplementary note 2) The field effect transistor according to
(Supplementary Note 3) at least one of the
As (Supplementary Note 4) growth origin of the carbon nanotubes showing the metallic properties, to any one of
(Supplementary note 5) The field effect transistor according to any one of
(Supplementary Note 6) as a growth starting point of carbon nanotubes showing the semiconductor property, the field-effect transistor according to
(Supplementary note 7) The field effect transistor according to any one of
(Additional remark 8) While providing the
In (Supplementary Note 9) the step of forming the
(Additional remark 10) While providing the
本発明の活用例としては、高周波回路用トランジスタ及びその製造方法が典型的なものであるが、高周波回路用に限られるものではなく、また、製造方法としては、触媒となるFeの下地をAlとTaとした成長用電極を選択的に設けることによって、半導体性カーボンナノチューブと金属性カーボンナノチューブとを任意の位置に同時に成長させることも可能になる。 As an application example of the present invention, a transistor for a high-frequency circuit and a manufacturing method thereof are typical, but it is not limited to a high-frequency circuit, and as a manufacturing method, an Fe base serving as a catalyst is made of Al. By selectively providing growth electrodes made of Si and Ta, it becomes possible to simultaneously grow semiconducting carbon nanotubes and metallic carbon nanotubes at arbitrary positions.
1 基板
2 第1の電極
3 第2の電極
4 チャネル
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
7 Fe/Ta積層薄膜
8 電界緩和用電極
11 サファイア基板
12 ソース電極
13 Al膜
14 Fe膜
15 ドレイン電極
16 カーボンナノチューブ
17 SiO2 膜
18 ゲート電極
19 Ti膜
20 Pt層
21 成長用電極
22 Ta膜
23 Fe膜
24 電界緩和用電極
25 成長用電極
26 ゲート電極
27 成長用電極
28 成長用電極
29 Ta膜
30 Fe膜
31 ゲート電極
32 電界緩和用電極
33 SiO2 膜
34 ソース電極
35 Al膜
36 Fe膜
37 ドレイン電極
38 カーボンナノチューブ
39 SiO2 膜
41 半絶縁性GaAs基板
42 i型GaAs動作層
43 ソースコンタクト領域
44 ドレインコンタクト領域
45 SiO2 膜
46 ゲート電極
47 Wシリサイド層
48 Au層
49 成長用電極
50 Ta膜
51 Fe膜
52 電界緩和用電極
61 サファイア基板
62 ソース電極
63 ドレイン電極
64 カーボンナノチューブ
65 SiO2 膜
66 ゲート電極
67 電界緩和用電極
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