JP5080742B2

JP5080742B2 - 電界効果トランジスタの製造方法及び電界効果トランジスタ

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Publication number: JP5080742B2
Application number: JP2006051184A
Authority: JP
Inventors: 和彦松本; 恒一井上; 兼三前橋; 恭秀大野
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007234676A

Description

本発明は、電界効果トランジスタの製造方法及び電界効果トランジスタに関するものであり、より詳しくは、チャネルが超微細繊維で構成された電界効果トランジスタの製造方法及び電界効果トランジスタに関するものである。

電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、ゲートに入力される電圧信号を、ソース電極あるいはドレイン電極から出力される電流信号に変換する素子である。ソース電極とドレイン電極との間に電圧を加えると、チャネルに存在する荷電粒子がソース電極とドレイン電極との間を電界方向に沿って移動し、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号として出力される。

この際、出力される電流信号の強さは荷電粒子の密度に比例する。絶縁体を介してチャネルの上方、側面、あるいは下方などに設置したゲートに電圧を加えると、チャネルに存在する荷電粒子の密度が変化するため、これを利用して、ゲート電圧を変化させることにより電流信号を変化させることができる。

また、チャネルに存在する荷電粒子の移動度（及び速度）を大きくし、ソース電極とドレイン電極との間で電流が良く流れるようにするために、チャネルがナノチューブから構成されたナノチューブ電界効果トランジスタが提案されている。ナノチューブ電界効果トランジスタとしては、例えば非特許文献１に開示されたものが挙げられる。以下、ナノチューブ電界効果トランジスタの構成について、図１０に基づいて説明する。

図１０に示されるように、ナノチューブ電界効果トランジスタ１は、絶縁性の素材で形成されたシリコン基板２、絶縁性で且つ低誘電率の低誘電層３、金で形成されたソース電極５及びドレイン電極６を有していて、ソース電極５及びドレイン電極６の間には電流通路となるカーボンナノチューブ７が設けられている。

シリコン基板２の裏面には、ナノチューブ電界効果トランジスタ１にゲート電圧を印加するバックゲート８が形成されている。そして、低誘電層３表面には、触媒層４ａ・４ｂが形成されている。触媒層４ａ・４ｂは、カーボンナノチューブ７を成長させるのに必要である。

さらに、低誘電層３表面には、カーボンナノチューブ７を覆うように、低誘電率の絶縁材である絶縁保護層９が形成されている。カーボンナノチューブ７はこの絶縁保護層９を横方向に貫通していている。

また、絶縁保護層９の上側表面には、金で形成された相互作用感知ゲートであるトップゲート１０が形成されている。すなわち、トップゲート１０は絶縁保護層９を介して低誘電層３上に形成されていることになる。

次に、従来のナノチューブ電界効果トランジスタの製造方法を図１１に示す。

図１１（ａ）に示すように、まず、シリコン基板２の表面に、低誘電層３としての酸化シリコン膜を形成する。そして、図１１（ｂ）に示すように、低誘電層３表面のソース電極５及びドレイン電極６が形成される位置に、触媒層４ａ・４ｂを形成する。そして、形成された触媒層４ａ及び４ｂ間に、カーボンナノチューブ７を成長させる。

その後、触媒層４ａ・４ｂ、及びカーボンナノチューブ７の表面にフォトレジスト１１を塗布し（図１１（ｃ））、フォトレジスト１１のパターニングを行う（図１１（ｄ））。ソース電極５及びドレイン電極６を形成しようとする位置に応じて、パターンを決定し、そのパターンに合わせてフォトレジスト１１のパターンニングを行う。従って、このパターンニングにより、少なくともカーボンナノチューブ７の表面にフォトレジスト１１が形成されるようなパターンになる。

そして、フォトレジスト１１によりパターンニングを行った面に、ソース電極５及びドレイン電極６となる電極金属１２を蒸着する（図１１（ｅ））。

電極金属１２を蒸着後、リストオフを行う（図１１（ｆ））。リストオフにより、カーボンナノチューブ７の表面に形成されたフォトレジスト１１は、除去されるため、フォトレジスト１１表面に蒸着された電極金属１２もともに除去されることになる。これにより、図１１（ｄ）にて形成したパターンに合わせてソース電極５及びドレイン電極６が形成される。

次に、図１１（ｇ）に示すように、カーボンナノチューブ７を保護する絶縁保護層９を形成する。そして、図１１（ｈ）に示すように、絶縁保護層９上にトップゲート１０を形成する。また、適宜シリコン基板２の裏面にバックゲート８を形成することも可能である。
D. Kaminishi, H. Ozaki, Y. Ohno, K. Maehashi, K. Inoue, and K. Matsumoto: APPLIED PHYSICS, Vol. 86,113115 (2005)

しかしながら、上記従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタは、ヒステリシス特性が大きく、電流の大きな時間変動が起きるという問題を生じる。

具体的には、図１２（ａ）に示すように、電極金属１２を蒸着後、リストオフを行う際に、カーボンナノチューブ７周辺のフォトレジスト１１を完全に除去することは困難である。通常、リストオフでは、アセトンなどを用いて、フォトレジスト１１を除去しているが、完全には除去されない。その結果、リストオフを行っても、カーボンナノチューブ７周辺にフォトレジスト残渣１１ａが付着したままになってしまう。また、図１２（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ７周辺にフォトレジスト残渣１１ａが付着した状態で絶縁保護層９及びトップゲート１０を形成してしまう。

このため、製造されたナノチューブ電界効果トランジスタでは、カーボンナノチューブ７を移動する荷電粒子が、フォトレジスト残渣１１ａに流れ込んでしまう。フォトレジスト残渣１１ａが、ソース電極５とドレイン電極６との間の荷電粒子の移動を邪魔することになる。このため、ゲートの印加電圧の上昇時と下降時とで、電流曲線が異なり、ヒステリシス特性が大きくなってしまう。また、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に変動してしまう。

以上のように、上記従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタは、ヒステリシス特性が大きく、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に変動するので、実用に供し得ない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒステリシス特性が小さく（略０ボルト）、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に略一定となる電界効果トランジスタの製造方法及び電界効果トランジスタを提供することにある。

本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、上記課題を解決するために、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備え、チャネルが超微細繊維で構成された電界効果トランジスタの製造方法であって、ソース電極及びドレイン電極の設置位置にそれぞれ触媒層を形成し、その触媒層から超微細繊維を成長させる成長工程と、触媒層及び超微細繊維上に、ソース電極及びドレイン電極の金属材料からなる第１の層を堆積する第１の堆積工程と、上記第１の層上におけるソース電極及びドレイン電極の形成位置をマスクするように第２の層を堆積する第２の堆積工程と、上記第１の層に対して選択的なエッチングを行い、下に配された超微細繊維を露出させるエッチング工程とを含むことを特徴としている。

従来の製造方法では、超微細繊維の表面にフォトレジストを塗布し、フォトレジストをパターンニングした後、そのパターンになるようにソース電極及びドレイン電極を形成していた。このため、超微細繊維周辺にフォトレジスト残渣が付着するという問題があった。

しかしながら、上記の構成によれば、このようなカーボンナノチューブ周辺のフォトレジスト残渣の付着という問題が招来しない。すなわち、上記の構成によれば、第１の堆積工程にて、触媒層及び超微細繊維上に、ソース電極及びドレイン電極の金属材料からなる第１の層を堆積し、さらに、第２の堆積工程にて、上記第１の層上におけるソース電極及びドレイン電極の形成位置をマスクするように第２の層を堆積するので、超微細繊維の上にフォトレジストを形成することなく、ソース電極及びドレイン電極の形成を行っている。それゆえ、上記の構成によれば、フォトレジストが超微細繊維に直接触れることがなく、超微細繊維周辺にフォトレジスト残渣が付着するということが起こらなくなる。それゆえ、上記の構成では、ヒステリシス特性が小さく（略０ボルト）、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に略一定となる電界効果トランジスタを提供することが可能になる。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、エッチング工程後に、超微細繊維を保護する絶縁保護層を形成することが好ましい。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、上記第２の堆積工程では、第１の層上にレジストを塗布し、そのレジストをソース電極及びドレイン電極の形成位置にパターニングした後、第２の層を堆積することが好ましい。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、第１の層上に残存しているレジストを除去するレジスト除去工程を含むことが好ましい。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、レジスト除去工程は、酸素アッシングによりレジスト残渣を除去するアッシング段階を含むことが好ましい。

本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、上記の課題を解決するために、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になり、かつ超微細繊維で構成されたチャネルと、上記チャンネルを保護する絶縁保護層とを備えた電界効果トランジスタの製造方法であって、ソース電極及びドレイン電極の設置位置にそれぞれ触媒層を形成し、その触媒層から超微細繊維を成長させる成長工程と、触媒層及び超微細繊維上に、上記絶縁保護層となる絶縁体を形成する絶縁体形成工程と、上記絶縁体上にレジストを塗布し、そのレジストをソース電極及びドレイン電極の設置位置にパターニングするレジストパターンニング工程と、レジストパターンに応じて上記絶縁体を、少なくとも下層の超微細繊維が露出するまでエッチングし、絶縁保護層を形成する絶縁保護層形成工程と、ソース電極及びドレイン電極の金属材料からなる第１の層を堆積し、ソース電極及びドレイン電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴としている。

上記の構成によれば、絶縁体形成工程にて、触媒層及び超微細繊維上に、上記絶縁保護層となる絶縁体を形成し、さらに、レジストパターンニング工程にて、上記絶縁体上にレジストを塗布し、そのレジストをソース電極及びドレイン電極の設置位置にパターニングするので、超微細繊維とレジストとの間に絶縁保護層となる絶縁体が形成された構成になっている。それゆえ、上記の構成によれば、フォトレジストが超微細繊維に直接触れることがなく、超微細繊維周辺にフォトレジスト残渣が付着するということが起こらなくなる。それゆえ、上記の構成では、ヒステリシス特性が小さく（略０ボルト）、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に略一定となる電界効果トランジスタを提供することが可能になる。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、上記絶縁保護層形成工程で、下層の超微細繊維が除去されるまでエッチングを行うことが好ましい。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、上記絶縁保護層形成工程後に、金属酸化物からなる薄膜、あるいは絶縁物薄膜を形成する薄膜形成工程を含むことが好ましい。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、上記超微細繊維がナノチューブ状構造体であるが好ましい。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法では、上記ナノチューブ構造体がカーボンナノチューブであることが好ましい。

また、本発明に係る電界効果トランジスタは、上記の課題を解決するために、上述の電界効果トランジスタの製造方法により製造された電界効果トランジスタであることを特徴としている。

このような、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法により製造された電界効果トランジスタの構成の一例としては、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になり、かつ超微細繊維で構成されたチャネルとを備え、上記のソース電極及びドレイン電極の下側に、上記超微細繊維を成長させるための触媒層が形成されているとともに、上記ソース電極及びドレイン電極の上側には、ソース電極及びドレイン電極をマスクする第２の層が形成されている電界効果トランジスタが挙げられる。

また、別の構成としては、基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になり、かつ超微細繊維で構成されたチャネルとを備え、上記チャンネルの側方に、上記ソース電極及びドレイン電極が形成されている電界効果トランジスタが挙げられる。

また、上記チャンネルの側方に、上記ソース電極及びドレイン電極が形成されている場合、上記ソース電極及びドレイン電極と上記チャンネルとの間に、金属酸化物からなる薄膜、あるいは絶縁物薄膜が形成されている構成であってもよい。

本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、以上のように、ソース電極及びドレイン電極の設置位置にそれぞれ触媒層を形成し、その触媒層から超微細繊維を成長させる成長工程と、触媒層及び超微細繊維上に、ソース電極及びドレイン電極の金属材料からなる第１の層を堆積する第１の堆積工程と、上記第１の層上におけるソース電極及びドレイン電極の形成位置をマスクするように第２の層を堆積する第２の堆積工程と、上記第１の層に対して選択的なエッチングを行い、下に配された超微細繊維を露出させるエッチング工程とを含む構成である。

また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、以上のように、ソース電極及びドレイン電極の設置位置にそれぞれ触媒層を形成し、その触媒層から超微細繊維を成長させる成長工程と、触媒層及び超微細繊維上に、上記絶縁保護層となる絶縁体を形成する絶縁体形成工程と、上記絶縁体上にレジストを塗布し、そのレジストをソース電極及びドレイン電極の設置位置にパターニングするレジストパターンニング工程と、レジストパターンに応じて上記絶縁体を、少なくとも下層の超微細繊維が露出するまでエッチングし、絶縁保護層を形成する絶縁保護層形成工程と、ソース電極及びドレイン電極の金属材料からなる第１の層を堆積し、ソース電極及びドレイン電極を形成する電極形成工程とを含む構成である。

また、本発明に係る電界効果トランジスタは、上述の電界効果トランジスタの製造方法により製造された電界効果トランジスタである。

それゆえ、本発明によれば、フォトレジストが超微細繊維に直接触れることがなく、超微細繊維周辺にフォトレジスト残渣が付着するということが起こらなくなる。従って、上記の構成では、ヒステリシス特性が小さく（略０ボルト）、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に略一定となる電界効果トランジスタを提供することが可能になる。

（実施の形態１）
本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明すると以下の通りである。

図１は、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法（以下、本製造方法と記す）の工程を示す断面図であり、図１（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、図１（ｂ）は、ナノチューブを成長させる工程を示し、図１（ｃ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、図１（ｄ）は、フォトレジストを塗布する工程を示し、図１（ｅ）は、フォトレジストのパターニングを行う工程を示し、図１（ｆ）は、第２の層を形成する工程を示し、図１（ｇ）は、リストオフを行う工程を示し、図１（ｈ）は、電極金属１２に対し選択的エッチングを行う工程を示し、図１（ｉ）は、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程を示し、図１（ｊ）は、絶縁保護層を形成する工程を示し、図１（ｋ）は、トップゲートを形成する工程を示す。

本製造方法では、まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板（基板）２の表面に、低誘電層３としての酸化シリコン膜を形成する。そして、図１（ｂ）に示すように、低誘電層３表面のソース電極５及びドレイン電極６が形成される位置に、触媒層４ａ・４ｂを形成する。そして、形成された触媒層４ａ及び４ｂ間に、カーボンナノチューブ（超微細繊維）７を成長させる（成長工程）。

その後、図１（ｃ）に示されるように、触媒層４ａ・４ｂ、及びカーボンナノチューブ７の表面にソース電極５及びドレイン電極６となる電極金属（第１の層）１２を蒸着する（第１の堆積工程）。

そして、図１（ｄ）に示すように、蒸着した電極金属１２の表面にフォトレジスト１３を塗布し、フォトレジスト１３のパターニングを行う（図１（ｅ））。この際、ソース電極５及びドレイン電極６を形成しようとする位置（形成位置）に応じて、パターンを決定し、そのパターンに合わせてフォトレジスト１３のパターンニングを行う。従って、このパターンニングにより、少なくともカーボンナノチューブ７とフォトレジスト１３との間に電極金属１２が形成されるような構成になる。

そして、図１（ｆ）に示すように、フォトレジスト１３のパターンニングを行った電極金属１２の表面に、第２の層１４を形成する（第２の堆積工程）。これにより、第２の層１４は、電極金属１２上におけるソース電極５及びドレイン電極６の形成位置をマスクするように形成されることになる。

このように第２の層１４を形成後、リストオフ（レジスト除去工程）を行う（図１（ｇ））。リストオフにより、電極金属１２の表面に形成されたフォトレジスト１３は、除去されるため、フォトレジスト１１表面に蒸着された第２の層１４もともに、電極金属１２の表面から除去されることになる。さらに、フォトレジスト１３が除去された電極金属１２の表面に酸素アッシングを施す（アッシング段階）ことにより、電極金属１２の表面からフォトレジスト１３が完全に除去される。

そして、図１（ｈ）に示すように、電極金属１２に対し選択的エッチング（エッチング工程）を行う。「選択的エッチング」とは、第２の層を構成する材料に対してはエッチングされず、電極金属１２のみをエッチングすることをいう。

その結果、図１（ｉ）に示すように、図１（ｆ）にて形成したパターンに合わせてソース電極５及びドレイン電極６が形成されるようになる。そして、ソース電極５及びドレイン電極６の上に第２の層１４が形成された構成になる。

次に、図１（ｊ）に示すように、カーボンナノチューブ７を保護する絶縁保護層９を形成する。そして、図１（ｋ）に示すように、絶縁保護層９上にトップゲート１０を形成する。また、適宜シリコン基板２の裏面にバックゲート８を形成することも可能である。なお、絶縁保護層９の材料としては、カーボンナノチューブなどの超微細繊維を保護するのに適した従来の絶縁材料であれば、特に限定されない。ここでは、絶縁保護層９の材料として、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いている。

従来のナノチューブ電界効果トランジスタの製造方法では、カーボンナノチューブの表面にフォトレジストを塗布し、フォトレジストをパターンニングした後、そのパターンになるようにソース電極及びドレイン電極を形成していた。このため、カーボンナノチューブ周辺にフォトレジスト残渣が付着するという問題があった。

しかしながら、本製造方法では、このようなカーボンナノチューブ周辺のフォトレジスト残渣の付着という問題が招来しない。すなわち、上記のように、本製造方法では、触媒層４ａ・４ｂ、及びカーボンナノチューブ７の表面に電極金属１２を蒸着しており、さらに、その上（電極金属１２の表面）にフォトレジスト１３を塗布している。すなわち、カーボンナノチューブ７とフォトレジスト１３との間に電極金属１２が形成されるので、フォトレジスト１３がカーボンナノチューブ７に直接触れることがなく、カーボンナノチューブ周辺にフォトレジスト残渣が付着するということが起こらなくなる。それゆえ、本製造方法では、ヒステリシス特性が小さく（略０ボルト）、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に略一定となる電界効果トランジスタを提供することが可能になる。なお、本製造方法にて製造される電界効果トランジスタにおいて、カーボンナノチューブに残存するレジスト残渣は、カーボンナノチューブに対して、０．１重量％であることが好ましく、０．０１重量％であることがさらに好ましく、０重量％である、すなわち全くレジスト残渣が残存していないことが特に好ましい。

以下、本製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタのヒステリシス特性及び電流信号の特性について、実施例を挙げて、具体的に説明する。なお、この実施例では、電極金属１２として、金・チタンの２層からなる金属を使用し、第２の層１４の材料として、白金を使用している。

まず、電流信号の特性について図２に基づいて説明する。図２は、本製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタと従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタとの電流信号の安定性を比較したグラフである。図２においてＡは従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタの電流信号の時間変動を示し、Ｂは本製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタの電気信号の時間変動を示す。

図２に示されるように、従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタ（Ａ）では、電流信号（規格化された電流）が時間的に変動していることがわかる。その時間変動は、２０％となっている。すなわち、電流信号は、始点の電流値を１としたときに、１に対して、＋１０％（１．１倍）、−１０％（０．９倍）となっているので、±１０％、あるいは２０％の変動になっている。

一方、本製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタでは、電流信号（規格化された電流）が時間的に変動しておらず、ほぼ電気信号が安定になっていることがわかる。

次に、ヒステリシス特性について、図３及び図４に基づいて説明する。図３は、従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタのヒステリシス特性を示すグラフである。図４は、本製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタのヒステリシス特性を示すグラフである。

図３に示されるように、従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタでは、ゲートの印加電圧の上昇時と下降時とで、電流曲線が異なり、ヒステリシス特性が数ボルトと大きくなっていることがわかる。

一方、本製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタでは、図４に示されるように、ヒステリシス特性が略０Ｖなっていることがわかる。

以上のように、本製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタは、従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタと比較して、電流信号の安定性に優れ、ヒステリシス特性が略０になり、実用に供するものになっている。

なお、本製造方法において、電極金属１２として金・チタンの２層からなる金属をしているが、電極金属１２としては、ソース電極、またはドレイン電極として従来使用されている金属であれば特に限定されない。例えば、電極金属１２としては、パラジウム（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、またはカルシウム（Ｃａ）が挙げられる。

また、第２の層１４の材料としては、電極金属１２に対し選択的エッチングが可能なものであれば特に限定されない。この第２の層の材料は、電極金属１２の材料に応じて適宜設定可能である。それゆえ、第２の層の材料は、金属であってもよいし、絶縁体であってもよい。

（実施の形態２）
本発明の他の実施形態について図５に基づいて説明すると以下の通りである。なお、説明の便宜上、上記実施の形態１にて説明した図面（図１）と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。また、上記実施の形態１で述べた各種の特徴点については、本実施の形態についても組み合わせて適用し得るものとする。

図５は、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法（以下、本製造方法と記す）の工程を示す断面図であり、図５（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、図５（ｂ）は、ナノチューブを成長させる工程を示し、図５（ｃ）は、絶縁保護層となる絶縁体を形成させる工程を示し、図５（ｄ）は、フォトレジストを塗布しパターニングする工程を示し、図５（ｅ）は、触媒層４ａ・４ｂに形成された絶縁体をエッチングにより除去する工程を示し、図５（ｆ）は、カーボンナノチューブの上に絶縁保護層を形成する工程を示し、図５（ｇ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、図５（ｈ）は、リストオフを行う工程を示し、図５（ｉ）は、トップゲートを形成する工程を示す。

本製造方法では、まず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板２の表面に、低誘電層３としての酸化シリコン膜を形成する。そして、図５（ｂ）に示すように、低誘電層３表面のソース電極５及びドレイン電極６が形成される位置に、触媒層４ａ・４ｂを蒸着により形成する。そして、形成された触媒層４ａ及び４ｂ間に、カーボンナノチューブ（超微細繊維）７を成長させる（成長工程）。

その後、図５（ｃ）に示されるように、触媒層４ａ・４ｂ、及びカーボンナノチューブ７の表面に、絶縁保護層９となる絶縁体を形成させる（絶縁体形成工程）。

そして、図５（ｄ）に示すように、絶縁保護層９となる絶縁体の表面にフォトレジスト１３を塗布し、フォトレジスト１３のパターニングを行う（レジストパターンニング工程）。この際、ソース電極５及びドレイン電極６を形成しようとする位置に応じて、パターンを決定し、そのパターンに合わせてフォトレジスト１３のパターンニングを行う。従って、このパターンニングにより、少なくともカーボンナノチューブ７とフォトレジスト１３との間に、絶縁保護層９となる絶縁体が形成された構成になる。

そして、図５（ｅ）に示すように、フォトレジスト１３のパターンニングを行った絶縁体に、カーボンナノチューブ７が露出するまでエッチングを施し、カーボンナノチューブ７上に形成された絶縁体を除去する（絶縁保護層形成工程）。具体的には、フッ化水素（ＨＦ）・フッ化水素アンモニウム（ＮＨ_４ＨＦ）を用いてエッチングを行う。その結果、図５（ｆ）に示されるように、カーボンナノチューブ７の上に絶縁保護層９が形成された構成になる。そして、絶縁保護層９の上にフォトレジスト１３が形成されている。

そして、次に、図５（ｇ）に示すように、ソース電極５及びドレイン電極６となる電極金属（第１の層）１２の蒸着を行う（電極形成工程）。これにより、カーボンナノチューブ７、触媒層４ａ・４ｂ及びフォトレジスト１３表面に電極金属１２が形成される。

電極金属１２を蒸着後、リストオフを行う（図５（ｈ））。リストオフにより、絶縁保護層９の上に形成されたフォトレジスト１３は、除去されるため、フォトレジスト１１表面に蒸着された電極金属１２もともに、絶縁保護層９の表面から除去されることになる。

次に、図５（ｉ）に示すように、絶縁保護層９上にトップゲート１０を形成する。また、適宜シリコン基板２の裏面にバックゲート８を形成することも可能である。

本製造方法では、従来の製造方法にみられた、カーボンナノチューブ周辺のフォトレジスト残渣の付着という問題が招来しない。すなわち、上記のように、本製造方法では、触媒層４ａ・４ｂ、及びカーボンナノチューブ７の表面に、絶縁保護層９となる絶縁体を形成させ、さらに、その上（絶縁体の表面）にフォトレジスト１３を塗布している。すなわち、カーボンナノチューブ７とフォトレジスト１３との間に絶縁保護層９となる絶縁体が形成されるので、フォトレジスト１３がカーボンナノチューブ７に直接触れることがなく、カーボンナノチューブ周辺にフォトレジスト残渣が付着するということが起こらなくなる。それゆえ、本製造方法では、ヒステリシス特性が小さく（略０ボルト）、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に略一定となる電界効果トランジスタを提供することが可能になる。

また、本製造方法では、フォトレジスト１３のパターンニングを行った絶縁体に、カーボンナノチューブ７が露出するまでエッチングを施していたが、カーボンナノチューブ７が除去されるまで、エッチングを施してもよい。具体的には、プラズマエッチングを行う。プラズマエッチングはトランジスタ製造において慣用されているものなので、エッチング条件を設定することが容易である。

そして、カーボンナノチューブ７が除去されるまで、エッチングを施した後、ソース電極５及びドレイン電極６となる電極金属（第１の層）１２の蒸着を行う。これにより、完成したナノチューブ電界効果トランジスタは、図６のようになる。図６は、カーボンナノチューブ７が除去されるまで、エッチングを施した結果製造されるナノチューブ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。

図６に示されるように、製造されたナノチューブ電界効果トランジスタは、カーボンナノチューブ７の側方に、ソース電極５及びドレイン電極６が形成されている構成になる。

また、カーボンナノチューブ７が除去されるまで、エッチングを施した後に、金属酸化物からなる薄膜１５、あるいは絶縁物薄膜を形成する薄膜形成工程を含んでいてもよい。

これにより、製造されたナノチューブ電界効果トランジスタは、図７のようになる。図７に示されるように、ソース電極５及びドレイン電極６とカーボンナノチューブ７との間に、金属酸化物からなる薄膜１５が形成された構成になる。薄膜１５の材料としては、例えば酸化アルミニウムが挙げられる。この場合、本電界効果トランジスタは、単一電子トランジスタとして動作する。

（実施の形態３）
本発明のさらに他の実施形態について図７及び図８に基づいて説明すると以下の通りである。なお、説明の便宜上、上記実施の形態１または２にて説明した図面（図１、図５）と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。また、上記実施の形態１，２で述べた各種の特徴点については、本実施の形態についても組み合わせて適用し得るものとする。

上述の実施の形態１，２では、カーボンナノチューブ７は、触媒層４ａ，４ｂから成長させていた。これに対し、本実施形態では、カーボンナノチューブを別のところで成長させるとともに、この別のところで成長させたカーボンナノチューブを基板（シリコン基板２／低誘電層３）へばらまく。

図８は、本製造方法の一例の工程を示す断面図であり、図８（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、図８（ｂ）は、別のところで成長させたカーボンナノチューブを基板（シリコン基板／低誘電層）へばらまく工程を示し、図８（ｃ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、図８（ｄ）は、フォトレジストを塗布する工程を示し、図８（ｅ）は、フォトレジストのパターニングを行う工程を示し、図８（ｆ）は、第２の層を形成する工程を示し、図８（ｇ）は、リストオフを行う工程を示し、図８（ｈ）は、電極金属１２に対し選択的エッチングを行う工程を示し、図８（ｉ）は、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程を示し、図８（ｊ）は、絶縁保護層を形成する工程を示し、図８（ｋ）は、トップゲートを形成する工程を示す。

本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法（以下、本製造方法と記す）では、まず、図８（ａ）に示すように、シリコン基板２の表面に、低誘電層３としての酸化シリコン膜を形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ７’を別のところで成長させ、このカーボンナノチューブ７’を、低誘電層３表面のソース電極５及びドレイン電極６間の電流通路となる位置にばらまく（成長工程）。

以降の工程は、上記図１（ｃ）〜図１（ｋ）に示された工程を同様の工程になるので、説明を省略する。

また、このような成長工程にて、カーボンナノチューブを別のところで成長させるとともに、この別のところで成長させたカーボンナノチューブを基板（シリコン基板２／低誘電層３）へばらまく構成は、図５に示された製造方法にも適用可能である。

図９は、本製造方法の別の例の工程を示す断面図であり、図９（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、図９（ｂ）は、別のところで成長させたカーボンナノチューブを基板（シリコン基板／低誘電層）へばらまく工程を示し、図９（ｃ）は、絶縁保護層となる絶縁体を形成させる工程を示し、図９（ｄ）は、フォトレジストを塗布しパターニングする工程を示し、図９（ｅ）は、触媒層に形成された絶縁体をエッチングにより除去する工程を示し、図９（ｆ）は、カーボンナノチューブの上に絶縁保護層を形成する工程を示し、図９（ｇ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、図９（ｈ）は、リストオフを行う工程を示し、図９（ｉ）は、トップゲートを形成する工程を示す。

すなわち、図９（ａ）に示すように、シリコン基板２の表面に、低誘電層３としての酸化シリコン膜を形成する。そして、図９（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ７’を別のところで成長させ、このカーボンナノチューブ７’を、低誘電層３表面のソース電極５及びドレイン電極６間の電流通路となる位置にばらまく（成長工程）。

以降の工程は、上記図５（ｃ）〜図１（ｉ）に示された工程を同様の工程になるので、説明を省略する。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明においては、ヒステリシス特性が小さく（略０ボルト）、ソース電極あるいはドレイン電極から電流信号が時間的に略一定となる電界効果トランジスタを提供することが可能になるので、工業用超高感度センサ、バイオセンサ等の応用化に役立つ。

実施形態１の電界効果トランジスタの製造方法の工程を示す断面図であり、（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、（ｂ）は、ナノチューブを成長させる工程を示し、（ｃ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、（ｄ）は、フォトレジストを塗布する工程を示し、（ｅ）は、フォトレジストのパターニングを行う工程を示し、（ｆ）は、第２の層を形成する工程を示し、（ｇ）は、リストオフを行う工程を示し、（ｈ）は、電極金属１２に対し選択的エッチングを行う工程を示し、（ｉ）は、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程を示し、（ｊ）は、絶縁保護層を形成する工程を示し、（ｋ）は、トップゲートを形成する工程を示す。本発明の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタと従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタとの電流信号の安定性を比較したグラフである。従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタのヒステリシス特性を示すグラフである。本発明の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタのヒステリシス特性を示すグラフである。実施形態２の電界効果トランジスタの製造方法の工程を示す断面図であり、（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、（ｂ）は、ナノチューブを成長させる工程を示し、（ｃ）は、絶縁保護層となる絶縁体を形成させる工程を示し、（ｄ）は、フォトレジストを塗布しパターニングする工程を示し、（ｅ）は、触媒層に形成された絶縁体をエッチングにより除去する工程を示し、（ｆ）は、カーボンナノチューブの上に絶縁保護層を形成する工程を示し、（ｇ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、（ｈ）は、リストオフを行う工程を示し、（ｉ）は、トップゲートを形成する工程を示す。カーボンナノチューブが除去されるまで、エッチングを施した結果製造されるナノチューブ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。カーボンナノチューブが除去されるまで、エッチングを施した後に、金属酸化物からなる金属薄膜を形成した結果製造されるナノチューブ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。実施形態３の電界効果トランジスタの製造方法の工程を示す断面図であり、（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、（ｂ）は、別のところで成長させたカーボンナノチューブを基板（シリコン基板／低誘電層）へばらまく工程を示し、（ｃ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、（ｄ）は、フォトレジストを塗布する工程を示し、（ｅ）は、フォトレジストのパターニングを行う工程を示し、（ｆ）は、第２の層を形成する工程を示し、（ｇ）は、リストオフを行う工程を示し、（ｈ）は、電極金属１２に対し選択的エッチングを行う工程を示し、（ｉ）は、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程を示し、（ｊ）は、絶縁保護層を形成する工程を示し、（ｋ）は、トップゲートを形成する工程を示す。実施形態３の電界効果トランジスタの製造方法の工程を示す断面図であり、（ａ）は、低誘電層を形成する工程を示し、（ｂ）は、別のところで成長させたカーボンナノチューブを基板（シリコン基板／低誘電層）へばらまく工程を示し、（ｃ）は、絶縁保護層となる絶縁体を形成させる工程を示し、（ｄ）は、フォトレジストを塗布しパターニングする工程を示し、（ｅ）は、触媒層に形成された絶縁体をエッチングにより除去する工程を示し、（ｆ）は、カーボンナノチューブの上に絶縁保護層を形成する工程を示し、（ｇ）は、電極金属を蒸着する工程を示し、（ｈ）は、リストオフを行う工程を示し、（ｉ）は、トップゲートを形成する工程を示す。ナノチューブ電界効果トランジスタの構成を示す斜視図である。従来のナノチューブ電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。従来の製造方法により製造されたナノチューブ電界効果トランジスタの問題点を説明するための説明図である。

符号の説明

１ナノチューブ電界効果トランジスタ
２基板
３低誘電層
４ａ触媒層
４ｂ触媒層
５ソース電極
６ドレイン電極
７，７’ カーボンナノチューブ（超微細繊維）
８バックゲート
９絶縁保護層
１０トップゲート
１１フォトレジスト
１２電極金属（ソース電極及びドレイン電極の金属材料からなる第１の層）
１３フォトレジスト（レジスト）
１４第２の層
１５薄膜

Claims

基板と、基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になり、かつ超微細繊維で構成されたチャネルと、上記チャンネルを保護する絶縁保護層とを備えた電界効果トランジスタの製造方法であって、
ソース電極及びドレイン電極の設置位置にそれぞれ触媒層を形成し、その触媒層から超微細繊維を成長させる成長工程と、
触媒層及び超微細繊維上に、上記絶縁保護層となる絶縁体を形成する絶縁体形成工程と、
上記絶縁体上にレジストを塗布し、そのレジストを、ソース電極及びドレイン電極の設置位置を除くように形成するレジストパターンニング工程と、
レジストパターンに応じて上記絶縁体を、少なくとも下層の超微細繊維が露出するまでエッチングし、絶縁保護層を形成する絶縁保護層形成工程と、
ソース電極及びドレイン電極の金属材料からなる第１の層を堆積し、ソース電極及びドレイン電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
上記絶縁保護層形成工程で、下層の超微細繊維が除去されるまでエッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
上記絶縁保護層形成工程後に、金属酸化物からなる薄膜、あるいは絶縁物薄膜を形成する薄膜形成工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
上記超微細繊維がナノチューブ状構造体であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
上記ナノチューブ構造体がカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
請求項１〜５の何れか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法により製造された電界効果トランジスタ。
基板と、
基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、
上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になり、かつ超微細繊維で構成されたチャネルとを備え、
上記のソース電極及びドレイン電極の下側に、上記超微細繊維を成長させるための触媒層が形成されているとともに、
上記ソース電極及びドレイン電極の上側には、ソース電極及びドレイン電極をマスクする第２の層が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の電界効果トランジスタ。
基板と、
基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、
上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になり、かつ超微細繊維で構成されたチャネルとを備え、
上記チャンネルの上方に、上記ソース電極及びドレイン電極が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の電界効果トランジスタ。
上記ソース電極及びドレイン電極と上記チャンネルとの間に、金属酸化物からなる薄膜、あるいは絶縁物薄膜が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電界効果トランジスタ。