JP5099010B2 - n型半導体カーボンナノ材料の製造方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、均質で安定なn型半導体カーボンナノ材料の製造方法を提供することを目的とする。
図1はn型半導体カーボンナノ材料の構成例を示す図である。なお、図1では、カーボンナノ材料の要部を展開図によって図示している。
図2は化学処理装置の原理図である。
図3はVUVランプ周辺部の一例を示す図である。
図4はVUVランプ周辺部の別の例を示す図である。なお、図4では、基板20上のカーボンナノ材料20bとしてグラフェンシートを例示している。
また、ウェットプロセスによる半導体カーボンナノ材料のn型化に比べ、不純物の混入を効果的に抑制することができ、さらに、環境負荷も低く抑えることができる。さらにまた、ウェットプロセスの場合には、処理時の、特にカーボンナノチューブ同士のバンドル化の問題が避けられなかったが、上記のようなドライプロセスの場合には、処理時のそのような問題も回避することができる。
また、このようなドライプロセスによるn型半導体カーボンナノ材料の作製では、反応性物質の構造やそれを用いたときの反応条件を細かく変化させることが可能であり、それによって、反応あるいはn型半導体カーボンナノ材料の特性を制御することができる。
例えば、nチャネルFETを作製する場合には、まず、ソース電極−ドレイン電極間でチャネルとなる領域(チャネル領域)に半導体カーボンナノ材料を形成し、それを所定の官能基を有する物質を含むガス状物質と反応させてn型半導体カーボンナノ材料とし、これをチャネルとして使用する。このような方法は、トップゲート構造、バックゲート構造の、いずれのnチャネルFETの作製にも適用することができる。
ここで、上記のようなn型半導体カーボンナノ材料のFETへの適用例について説明する。
この図5に示すnチャネルFET30は、絶縁性基板、例えばサファイア基板31上に、触媒作用のあるソース電極32と、このソース電極32に対向するように設けられたドレイン電極33とを有し、ソース電極32−ドレイン電極33間に、チャネルとなるn型半導体カーボンナノ材料34が設けられている。n型半導体カーボンナノ材料34は、絶縁膜、例えばSOG(Spin On Glass)膜35によって埋め込まれている。SOG膜35の、n型半導体カーボンナノ材料34の表面を覆う部分は、ゲート絶縁膜35aとして機能し、このゲート絶縁膜35a上にゲート電極36が設けられている。また、サファイア基板31の裏面には、接地電極37が設けられている。
ここで、図6はソース電極形成プロセスの断面模式図、図7はドレイン電極形成プロセスの断面模式図、図8は半導体カーボンナノチューブ成長プロセスの断面模式図、図9は半導体カーボンナノチューブのn型化プロセスの断面模式図、図10はソース電極−ドレイン電極形成プロセスの断面模式図、図11は半導体グラフェンシート成長およびn型化プロセスの断面模式図、図12は絶縁膜形成プロセスの断面模式図、図13はゲート電極形成プロセスの断面模式図である。
まず、図6に示すように、サファイア基板31上に、レジストパターン(図示を省略)をマスクとして、スパッタ法により、例えば厚さ5nmのアルミニウム(Al)膜32aおよび例えば厚さ1nmの鉄(Fe)膜32bを順次堆積させた後、レジストパターンを除去し、ソース電極32を形成する。なお、Fe膜32bは、カーボンナノチューブ34a成長時の触媒となる。
まず、図10に示すように、絶縁体、例えば、サファイア基板31上に、レジストパターン(図示を省略)をマスクとして、スパッタ法により、例えば厚さ3nmの金(Au)膜を堆積させて、ソース電極32cとドレイン電極33cとを例えば5μmの間隔をあけて形成し、ソース電極32cとドレイン電極33cとの間に例えば厚さが1nmのFe膜32bを形成する。
また、図14はバックゲート型カーボンナノ材料FETの構成例であって、(A)は斜視模式図、(B)は断面模式図である。
なお、処理するカーボンナノチューブは、単層ナノチューブ(Single Wall carbon NanoTube,SWNT)であるか、二層ナノチューブ(Double Wall carbon NanoTube,DWNT)であるか、あるいは多層ナノチューブ(Multi Wall carbon NanoTube,MWNT)であるかを問わない。また、処理するカーボンナノチューブは、基板上に直接成長させたもののほか、形成後のカーボンナノチューブを基板上に塗布または分散させたもの等、半導体装置の製造プロセスに適合する、あらゆる形態のものを用いることが可能である。
上記図2および図3に示した化学処理装置10を用い、VUVランプ11として、光出力30mW/cm2、発光長400nm、強度ピーク波長172nmのVUVを発生するXeエキシマUVランプを用いた。
実施例1で用いたのと同じ化学処理装置10を用い、試料として、Siウエハ(p型,(100)面)上にSWNTを形成したものを用いた。SWNTは、Siウエハ上にアーク放電法により生成した。その後、実施例1と同条件のベーク処理を行った。
<実施例3>
実施例2で用いたのと同じ化学処理装置10を用い、試料として、チャネルをSWNTで構成したFETを用いた。このような化学処理装置10および試料を用い、実施例1,2と同じ組成および流量の反応性ガスを反応性ガス導入路14に導入し、SWNTの処理を行った。
上記図2および図4に示した化学処理装置10を用い、VUVランプ11として、光出力30mW/cm2、発光長400nm、強度ピーク波長172nmのVUVを発生するXeエキシマUVランプを用いた。
実施例4で用いたのと同じ化学処理装置10を用い、試料として、Siウエハ(p型,(100)面)上にSWNTを形成したものを用いた。SWNTは、Siウエハ上にアーク放電法により生成した。その後、実施例4と同条件のベーク処理を行った。
実施例5で用いたのと同じ化学処理装置10を用い、試料として、チャネルをSWNTで構成したFETを用いた。このような化学処理装置10および試料を用い、実施例4,5と同じ組成および流量の反応性ガスを反応室12に導入し、Siウエハ上のSWNTの処理を行った。
グラフェンシートは、安価で、電子移動度が大きく、バンドルが生じないために安定である。そして、カーボンナノチューブよりも取り扱いが容易であり、プレーナ型トランジスタに作りこみやすいという利点がある。なお、処理するグラフェンシートは、単層または多層のグラフェンシートであるかを問わない。また、処理するグラフェンシートは、基板上に直接成長させたもののほか、形成後のグラフェンシートを基板上に塗布または分散させたもの等、半導体装置の製造プロセスに適合する、あらゆる形態のものを用いることが可能である。
1a,20a,20b カーボンナノ材料
10 化学処理装置
11 VUVランプ
12 反応室
13 ステージ
14 反応性ガス導入路
14a 噴射口
15,16a 冷媒流路
16 金属ブロック
20 基板
30,40 nチャネルFET
31 サファイア基板
32,32c,44 ソース電極
32a Al膜
32b Fe膜
33,33c,45 ドレイン電極
34a カーボンナノチューブ
34b 反応性ガス
34c グラフェンシート
35 SOG膜
35a ゲート絶縁膜
36 ゲート電極
36a,36c Ti膜
36b Pt層
37 接地電極
41 Si基板
42 バックゲート用金属層
43 SiO2膜
47 パシベーション膜
Claims (7)
- n型半導体カーボンナノ材料の製造方法において、
半導体性を有するカーボンナノ材料の表面で、電子供与性基となる官能基を有する物質を含むガス状物質から解離して前記官能基のラジカルを発生させ、前記ラジカルと前記カーボンナノ材料とを反応させ、前記カーボンナノ材料に前記官能基を共有結合させることを特徴とするn型半導体カーボンナノ材料の製造方法。 - 前記カーボンナノ材料が、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノリボン、あるいはグラフェンシートおよびその積層体であることを特徴とする請求項1記載のn型半導体カーボンナノ材料の製造方法。
- 前記官能基は、アミノ基、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルキル基、エーテル結合を含むアルキル基、またはヒドロキシル基であることを特徴とする請求項1記載のn型半導体カーボンナノ材料の製造方法。
- 前記ガス状物質と前記カーボンナノ材料とを反応させる際には、
前記ガス状物質に含まれる前記物質からの前記官能基の解離に要するエネルギーを供給することを特徴とする請求項1記載のn型半導体カーボンナノ材料の製造方法。 - 前記エネルギーは、VUVであることを特徴とする請求項4記載のn型半導体カーボンナノ材料の製造方法。
- カーボンナノ材料を用いた半導体装置の製造方法において、
チャネル領域に半導体性を有するカーボンナノ材料を形成する工程と、
形成された前記カーボンナノ材料の表面で、電子供与性基となる官能基を有する物質を含むガス状物質から解離して前記官能基のラジカルを発生させ、前記ラジカルと前記カーボンナノ材料と反応させ、前記カーボンナノ材料に前記官能基を共有結合させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記カーボンナノ材料が、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノリボン、あるいはグラフェンシートおよびその積層体であることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
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