JP2005116618A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板２１と、基板２１を覆う絶縁膜２２と、絶縁膜２２上に配置され、内層カーボンナノチューブ２３と外層カーボンナノチューブ２４ａ〜２４ｃからなるカーボンナノチューブ２５と、内層カーボンナノチューブ２３に接触するソース電極２６及びドレイン電極２７と、外層カーボンナノチューブ２４ｂに接触するゲート電極２８などから構成されている。さらに、ソース電極２６及びドレイン電極２７の外側に、外層カーボンナノチューブ２４ａに接触する分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂが形成された構成とする。ソース電極２６及びドレイン電極２７と内層カーボンナノチューブ２３との接触抵抗を低減し、電流駆動能力を向上する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、カーボンナノチューブを用いたチャネルを有する半導体装置およびその製造方法に関する。

カーボンナノチューブは、グラファイトの１枚面（グラフェンシートと呼ばれる。）を巻いて筒状にした形状をもっており、その直径はおおよそ数ｎｍから十ｎｍの範囲であり、長さは数μｍに及ぶ。したがって、カーボンナノチューブは、アスペクト比（長さ／直径）が１０００程度となり、かかる形状異方性により一次元的電子的性質を有し、１００万Ａ／ｃｍ2の最大電流密度、カーボンナノチューブ１本当たりの抵抗が約６．４５ｋΩ、直径が０．４ｎｍ〜１００ｎｍ程度で制御可能であり、長さ方向の直径の揺らぎが極めて少ないという特徴を有する。

カーボンナノチューブを用いたトランジスタは、これまで多くの提案がなされ、その動作も実験的に証明されてきた。例えば図１に示すトランジスタ１００はカーボンナノチューブ電界効果トランジスタの一例である（非特許文献１参照）。このトランジスタ１００は、シリコン基板１０１上にシリコン酸化膜１０２を介してソース／ドレイン電極１０３Ａ、１０３Ｂが設けられ、ソース／ドレイン電極１０３Ａ、１０３Ｂに両端が接触すると共に、シリコン酸化膜１０２に接するカーボンナノチューブ１０４が設けられている。また、低抵抗のシリコン基板１０１の反対側にゲート電極１０５が設けられている。トランジスタ１００は従来のバックゲート型ＦＥＴの延長上のものである。したがって、従来のＦＥＴの高性能化、高集積化の課題を解決できるものではなく、飛躍的な性能向上は困難であることが推測される。

これに対し、金属的性質を有する外層カーボンナノチューブをゲート電極として、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブをチャネルとするトランジスタが提案されている（特許文献１参照）。このトランジスタは２層カーボンナノチューブという材料特有の構造及び性質を利用したものである。ゲートからのびる電気力線が外に洩れることがなく、さらにゲート電極−チャネル間の距離を、カーボンナノチューブを構成するグラフェンシート間の距離（０．３４ｎｍ）まで縮める事が可能であり、従来の膜厚数ｎｍの積層ゲート絶縁膜と比較すると飛躍的なスケールダウンを図ることができる。さらに、カーボンナノチューブは電子の移動速度が高いことと相まって、電流駆動能力の大幅な向上が期待される。かかるゲート構造は、従来のプレーナゲート構造に対して、サラウンドゲート構造と呼ばれている。
特開２００３−０８６７９６号公報 Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 17, (1998) pp.2447-2449

ところで、サラウンドゲート構造を有するトランジスタを作製する手法として、酸素プラズマにより外層カーボンナノチューブの一部を除去する手法や、ゲート電極−ソース電極間、ゲート電極−ドレイン電極間に電流を流して、外層カーボンナノチューブを除去する手法が提案されている。

前者の手法では、トランジスタを微細化するに従って、金属的性質を有する外層カーボンナノチューブが残留しゲート電極−ソース電極／ドレイン電極間がショートするおそれがある。

また、後者の手法では、外層カーボンナノチューブのみを正確に除去することができるという利点がある。しかし、ソース電極及びドレイン電極では、これらの電極が外層カーボンナノチューブに接触し、内層カーボンナノチューブに直接接触していないため、コンタクト抵抗が大となり、またソース電極／ドレイン電極とチャネル間に容量性のインピーダンスが介在し、高速動作、電流駆動能力の障害になることも考えられる。

そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、基板と、前記基板上に配置され、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブと、金属的性質を有し、前記内層カーボンナノチューブを覆うと共に内層カーボンナノチューブの長さ方向に亘ってそれぞれ分離された第１〜第３の外層カーボンナノチューブとを有するカーボンナノチューブと、前記第２の外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極と、前記ゲート電極の両側に挟むように形成されたソース・ドレイン電極とよりなり、前記ゲート電極に電圧を印加して、内層カーボンナノチューブの電気伝導度を制御する半導体装置であって、前記第１及び第３の外層カーボンナノチューブに接触し、外層カーボンナノチューブを分離するため電流を供給する分離電流供給用電極を備えると共に、前記ソース・ドレイン電極は内層カーボンナノチューブに接触する半導体装置が提供される。

本発明によれば、ゲート電極が第２の外層カーボンナノチューブに接触し、ゲート電極の両側に設けられたソース・ドレイン電極が内層カーボンナノチューブに直接接触している。したがって、内層カーボンナノチューブとソース・ドレイン電極との間のコンタクト抵抗を低減すると共に容量性のインピーダンスの発生を回避することができる。その結果、高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置を実現することができる。

本発明のその他の観点によれば、基板上に、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ及び金属的性質を有する外層カーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブが配置された半導体装置の製造方法であって、前記基板上に前記カーボンナノチューブを配置あるいは形成する工程と、前記外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極と、ゲート電極の両側に、挟むように形成された分離電流供給用電極との間に電圧を印加し、ゲート電極と分離電流供給用電極との間の外層カーボンナノチューブを除去して内層カーボンナノチューブを露出させる工程と、前記露出された内層カーボンナノチューブに接触するソース・ドレイン電極をゲート電極の両側に挟むように形成する工程とを含む半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、カーボンナノチューブを基板に配置して、分離電流供給用電極とゲート電極との間の外層カーボンナノチューブを精度良く除去し、露出した内層カーボンナノチューブにソース・ドレイン電極を形成するので、ソース・ドレイン電極を外層カーボンナノチューブに接触することなく、内層カーボンナノチューブに正確に接触させることができる。また、分離電流供給用電極及びゲート電極に接触している外層カーボンナノチューブ以外の外層カーボンナノチューブを完全に除去することができるので、余分な外層カーボンナノチューブが残留することを回避して、ソース・ドレイン電極と内層カーボンナノチューブとを完全に接触することができるので信頼性を高めることができる。

本発明によれば、サラウンドゲート構造を有し、高速動作、電流駆動能力の優れ、高集積化が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することができる。

まず、本発明の半導体装置の原理を説明する。図２は本発明の半導体装置の基本構造を示す概略図である。図２を参照するに、半導体装置１０は、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ１１と、内層カーボンナノチューブ１１を覆う外層カーボンナノチューブ１２からなる。外層カーボンナノチューブ１２は内層カーボンナノチューブ１１の長手方向の一部分を覆っている。内層カーボンナノチューブ１１は半導体的性質を有する、例えばジグザグ型のカーボンナノチューブが用いられる。外層カーボンナノチューブ１２は金属的性質を有する、例えばアームチェア型のカーボンナノチューブが用いられる。なお、カーボンナノチューブが半導体的性質を有するか、金属的性質を有するか、についてはカーボンナノチューブのカイラリティ（カーボンナノチューブを構成するグラフェンシートの巻き方向）に依存する。なお、カーボンナノチューブには、形成方法により半導体的性質または金属的性質を有するキラル型もある。

半導体装置１０の外層カーボンナノチューブ１２にはゲート電極１３が接触して設けられ、ゲート電極１３の両側に延在する内層カーボンナノチューブ１１にソース電極１４及びドレイン電極１５が接触して設けられる。ゲート電極１３に入力された電圧信号に対応して、外層カーボンナノチューブ１２から内層カーボンナノチューブ１１へ電界が印加され、ソース電極１４及びドレイン電極１５に接続された内層カーボンナノチューブ１１に流れる電流量を制御することができる。半導体装置１０がこのようなサラウンドゲート構造を有しているので、外層カーボンナノチューブ１２から伸びる電気力線が外部に漏れることがなく短チャネル効果の抑制に有効であり、また、ゲート電極とチャネルとの距離を原子間距離の程度まで縮めることが可能であり、チャネルの電子移動速度が速いことと相まって、電流駆動能力の大幅な向上が期待できる。

本発明の特徴の一つはソース電極１４及びドレイン電極１５が内層カーボンナノチューブ１１に直接に接触していることである。従来の半導体装置ではソース電極及びドレイン電極は外層カーボンナノチューブに接触していた。したがって、コンタクト抵抗が増大し、ソース−ドレイン電流の電流値が制限されていた。また容量性のインピーダンスが生じるので、電流駆動性、高速動作にとっては障害となっていた。本発明はかかる制限及び障害を回避することができ、電流駆動能力及び高速動作に優れている。以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図３を参照するに、本実施の形態の半導体装置２０は、基板２１と、基板２１を覆う絶縁膜２２と、絶縁膜２２上に配置され、内層カーボンナノチューブ２３と外層カーボンナノチューブ２４ａ〜２４ｃからなるカーボンナノチューブ２５と、内層カーボンナノチューブ２３に接触するソース電極２６及びドレイン電極２７と、外層カーボンナノチューブ２４ｂに接触するゲート電極２８などから構成されている。さらに、ソース電極２６及びドレイン電極２７の外側に、絶縁膜２２に設けられた溝に導電材料が充填され、外層カーボンナノチューブ２４ａ、２４ｃに接触する分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂが形成されている。

基板２１は、材料は限定されないが、例えばシリコン基板からなり、比抵抗が高く絶縁性を有していてもよく、低比抵抗であってもよい。また、不純物が導入されていてもよく、導入されていなくてもよい。

絶縁膜は、材料は限定されないが、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などをＣＶＤ法、スパッタ法などにより基板２１上に堆積させてもよく、基板２１がシリコン基板の場合は熱酸化膜でもよい。

カーボンナノチューブ２５は、内層カーボンナノチューブ２３が半導体的性質を有し、外層カーボンナノチューブ２４ａ〜２４ｃが金属的性質を有する。外層カーボンナノチューブはゲート電極２８及び分離電流供給用電極が接触する部分以外は後述する方法により除去されている。

分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂは、カーボンナノチューブ２５の両端付近に設けられる。絶縁膜に溝を形成し、Ｃｕ、Ａｌなどの導電材料が充填して形成される。分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂは、外層カーボンナノチューブ２４ａ、２４ｃと接触している。分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂと外層カーボンナノチューブを覆う導電膜をさらに形成してもよい。分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂと外層カーボンナノチューブ２４ａ、２４ｃとの密着性がよくなり、接触抵抗を低減することができる。

分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂは、後述する製造方法においてカーボンナノチューブ２５の外層カーボンナノチューブ２４を分離・除去し、内層カーボンナノチューブ２３を露出させるための分離電流を流す際に用いられる。金属的性質を有する外層カーボンナノチューブ２４に所定の電流を流すと外側のカーボンナノチューブから切断できるという特性を利用するものである。

ソース電極２６及びドレイン電極２７は、スパッタ法、蒸着法などにより選択的に形成され、導電材料であれば限定されず、例えばＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔ−Ａｕ合金により形成されている。ソース電極２６及びドレイン電極２７は、内層カーボンナノチューブ２３と直接接触し、オーミック接触を形成していることが好ましい。このような構成により従来のカーボンナノチューブを用いたトランジスタにない低コンタクト抵抗が実現される。

また、ソース電極２６及びドレイン電極２７は、ゲート電極２８に近接して設けること好ましい。例えばソース電極２６−ゲート電極２８間、ドレイン電極２７−ゲート電極２８間の間隙は０．０５μｍ〜１μｍの範囲に設定することが好ましく、この範囲内であれば、間隙は小さいほどよい。ゲート電極２８と接触する外層カーボンナノチューブ２４ｂからの電界からはずれる内層カーボンナノチューブ２３の部分を短小化することができる。なお、ソース電極２６又はドレイン電極２７と、ゲート電極２８又は、ゲート電極２８が接触する外層カーボンナノチューブ２４ｂとの間に、絶縁膜、例えばシリコン窒化膜よりなる絶縁膜を設けてもよい。ソース電極２６又はドレイン電極２７とゲート電極２８又は外層カーボンナノチューブ２４ｂとの接触やリークを回避することができる。

ゲート電極２８は、スパッタ法、蒸着法などにより選択的に形成され、例えば厚さ１００ｎｍのＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔ−Ａｕ合金、Ａｌ、Ｗ、ポリシリコン等の導電材料により形成されている。ゲート電極２８は外層カーボンナノチューブ２４ｂに接触し、オーミックコンタクトを形成している。ゲート電極２８に電圧可変信号を入力することにより、ソース電極２６及びドレイン電極２７を接続する内層カーボンナノチューブ２３を流れる電流量を制御することができる。

以下、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図４〜図９は第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。

図４の工程では、シリコン基板、セラミックス基板などからなる基板２１表面に、スパッタ法、ＣＶＤ法などにより厚さ２０ｎｍのシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などからなる絶縁膜２２を形成する。なお、基板２１が絶縁性を有する場合は絶縁膜を設けなくてもよい。

図４の工程ではさらに、絶縁膜２２上にレジスト膜（図示せず）を形成し、パターン開口を設けＲＩＥ法により研削して溝２２−１、２２−２を形成する。次いで溝２２−１、２２−２にスパッタ法、蒸着法、めっき法などによりＣｕ、Ａｌなどの導電材料を充填し、分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂを形成する。次いで、レジスト膜を除去し、ＣＭＰ法、エッチング法により、絶縁膜２２と分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂの表面を平坦化する。

次いで図５の工程では、前記絶縁膜２２上に分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂに亘るように内層カーボンナノチューブ２３及び外層カーボンナノチューブ２４よりなるカーボンナノチューブ２５を配置する。多層カーボンナノチューブ２５は、予めアーク放電法、レーザアブレーション法、炭化水素触媒分解法などにより生成し、精製したものを用いることができる。なお、カーボンナノチューブ２５を配置した後、分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂの部分をパターン開口したレジスト膜を形成し、スパッタ法などにより厚さ約１００ｎｍのＴｉ膜等の導電材料により被覆してもよい。外層カーボンナノチューブ２４と分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂとのコンタクト抵抗を一層低減することができる。

次いで図６の工程では、絶縁膜及びカーボンナノチューブ２５上にレジスト膜３１を形成し、ゲート電極２８を形成する開口部３１−１を形成する。次いで、スパッタ法、真空蒸着法などにより厚さ１００ｎｍのＡｕ膜よりなるゲート電極２８を形成する。

次いで図７の工程では、レジスト膜３１を除去し、ゲート電極２８−分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂに電源３２を接続し、ゲート電極２８−分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂ間のカーボンナノチューブ２５に電流を流す。”Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown”（Philip G. Collins et al., Science, vol. 292 pp.706-709 (2001)）に記載されているように、カーボンナノチューブ２５に過電流を流すことにより、ゲート電極２８−分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂ間のカーボンナノチューブ２５が外側の層から１層ずつ焼き切られ、除去される。すなわちゲート電極２８及び分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂが接触する外層カーボンナノチューブ２４ａ〜２４ｃのみが残留し、ゲート電極２８−分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂ間の外層カーボンナノチューブ２４が除去される。

ここで、外層カーボンナノチューブ２４の１層が分離されると１ステップの電流が減少するので、カーボンナノチューブ２５に流れる電流値をモニタすることにより残留する層数を計数できる。そこで、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ２３のみ残留するところで電圧の印加を停止する。

このようにして、図８に示すように、外層カーボンナノチューブ２４はゲート電極２８及び分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂが接触している外層カーボンナノチューブ２４ａ〜２４ｃのみが残り、他の部分の外層カーボンナノチューブは蒸発（燃焼）して除去される。

次いで図９の工程では、図８の構造体を覆うレジスト膜３３を形成し、ゲート電極２８と分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂとの間に開口部３３−１、３３−２を形成する。ついで、スパッタ法、真空蒸着法などにより、内層カーボンナノチューブ２３を覆う厚さ１００ｎｍのＴｉ膜のソース電極２６及びドレイン電極２７を形成する。次いで、レジスト膜３３を除去して、図３に示す本実施の形態の半導体装置が形成される。なお、さらに、層間絶縁膜、配線層（図示せず）などを形成し、公知の方法によりゲート電極２８、ソース電極２６、及びドレイン電極２７にビア等により配線を行う。

本実施の形態に係る製造方法によれば、カーボンナノチューブ２５を基板２１に配置して、ゲート電極２８と分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂとの間の外層カーボンナノチューブ２４を精度良く除去し、ソース電極２６及びドレイン電極２７を形成するので、ゲート電極２８が接触する外層カーボンナノチューブ２４ｂに接触することなく、内層カーボンナノチューブ２３に正確に接触させることができる。

また、ゲート電極２８と分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂとが接触している外層カーボンナノチューブ２４以外の外層カーボンナノチューブを完全に除去することができるので、余分な外層カーボンナノチューブが残留することを回避し、ソース電極２６及びドレイン電極２７と内層カーボンナノチューブ２３とを完全に接触することができるので信頼性を高めることができる。

なお、カーボンナノチューブ２５は外層カーボンナノチューブ２４と内層カーボンナノチューブ２３がそれぞれ１層からなる２層カーボンナノチューブでもよい。外層カーボンナノチューブ２４ｂからのゲート作用をチャネルに、より効果的に及ぼすことができる。

また、図５の工程においてカーボンナノチューブ２５をＣＶＤ法により形成してもよい。図１０及び図１１は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の変形例を示す図である。図１０の工程では、分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂ上に選択的に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、及びこれらの合金からなる触媒層３４a、３４ｂを形成する。ここでは厚さ５０ｎｍのＦｅよりなる触媒層３４a、３４ｂを形成する。

図１０の工程ではさらに、例えばプラズマＣＶＤ法により、プロセスガスとしてアセチレンガス、キャリアガスとして水素ガスを用い、圧力１６０Ｐａ（１２００ｍＴｏｒｒ）、温度７００℃、ＲＦパワーを１００Ｗに設定し、電界Ｅを分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂ同士を結ぶ方向に印加して、６００秒間処理を行う。その結果、図１１に示すように触媒層３４a、３４ｂ間にカーボンナノチューブ２５を形成することができる。なお、触媒層３４a、３４ｂは、分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂ上に形成する替わりに、分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂの外側に形成して、カーボンナノチューブ２５が分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂ間に亘って形成されるようにしてもよい。

図１２は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図１２を参照するに、本変形例の半導体装置４０は、ゲート電極４１が絶縁膜２２に埋め込まれている以外は第１の実施の形態の半導体装置と同様である。

ゲート電極４１は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｔ−Ａｕ合金、Ａｌ、Ｗ、ポリシリコン等の導電材料よりなり、分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂの導電材料と同一であってもよく、異なってもよい。ゲート電極を形成する溝の深さは約１００ｎｍ程度に設定し、溝２２−３は分離電流供給用電極２９ａ、２９ｂに溝２２−１、２２−２と同時に形成することが好ましい。

なお、ゲート電極４１は絶縁膜２２上に形成してもよい。さらに、ゲート電極４１と外層カーボンナノチューブ２４ｂを導電材料によって覆ってもよい。コンタクト抵抗を低減することができる。

本変形例によれば、カーボンナノチューブ２５を配置前にゲート電極４１を形成するので、ゲート電極４１を形成する際のレジスト工程等でのカーボンナノチューブ２５に与える損傷等の影響を回避することができる。

（第２の実施の形態）
図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図１３を参照するに、本実施の形態の半導体装置５０は、基板５１と、基板５１を覆う絶縁膜５２と、絶縁膜５２上に配置され、内層カーボンナノチューブ２３と外層カーボンナノチューブ２４ａ〜２４ｃからなるカーボンナノチューブ２５と、内層カーボンナノチューブ２３に接触するソース電極２６及びドレイン電極２７と、外層カーボンナノチューブ２４ｂに接触するゲート電極２８（以下、「第１ゲート電極２８」という。）、基板５１の反対側に設けられた第２ゲート電極５４などから構成されている。さらに、ソース電極２６及びドレイン電極２７の外側に、絶縁膜５２上の外層カーボンナノチューブ２４ａ、２４ｃを覆う分離電流供給用電極５３ａ、５３ｂが設けられている。

本実施の形態の基板５１は、例えばＰ⁺形のシリコン基板、比抵抗が０．０１Ω・ｃｍ程度の低比抵抗の基板を用いる。

絶縁膜５２は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などからなり、シリコン酸化膜換算膜厚が１ｎｍ〜１００ｎｍに設定される。絶縁膜５２は第２ゲート（第２ゲート電極５４＋基板５１）に対しての内層カーボンナノチューブ２３をチャネルとする絶縁膜として機能する。第２ゲート電極５４に可変電圧信号を入力して、チャネルの電流を駆動する場合はこの範囲で薄い方がよく、シリコン酸化膜換算膜厚が１ｎｍ〜５ｎｍであることが好ましい。また、第２ゲート電極５４に直流バイアス電圧信号を入力して、チャネルソース端あるいはチャネルドレイン端の電位を下げ、チャネル（内層カーボンナノチューブ２３）−ソース電極間あるいはチャネル（内層カーボンナノチューブ２３）−ドレイン電極間の抵抗を低減する場合は、絶縁膜５２は比較的厚くてもよくシリコン酸化膜換算膜厚が１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。

第２ゲート電極５４は基板５１の裏面に、スパッタ法、真空蒸着法により、例えばＴｉ膜（厚さ１０ｎｍ）、Ａｕ膜（厚さ３００ｎｍ）をこの順に積層した積層膜よりなりなる。第２ゲート電極５４は、基板５１と共に第２ゲートとして機能する。第２ゲート電極５４は、基板５１の主面に絶縁膜５２を形成する前に行ってもよく、絶縁膜５２を形成した後に行ってもよい。

分離電流供給用電極５３ａ、５３ｂは、スパッタ法などにより、レジスト膜をパターニングして、例えばＴｉ膜（厚さ１００ｎｍ）を絶縁膜５２上に配置したカーボンナノチューブ２５を覆うように形成する。形成方法及び材料はゲート電極と同時にレジスト膜に開口部を設けて、スパッタ法等により形成すればよい。なお、分離電流供給用電極５３ａ、５３ｂを設ける部分に厚さ１５０ｎｍの絶縁膜５２を設け、第１の実施の形態と同様に絶縁膜５２に深さ１００ｎｍの溝を形成し、Ｔｉなどの導電材料を充填して分離電流供給用電極５３ａ、５３ｂとしてもよい。

本実施の形態によれば、ソース電極と第１ゲート電極との間及び第１ゲート電極とドレイン電極との間の内層カーボンナノチューブ２３に第２ゲート電極５４に印加した電圧によりゲート作用を働かせて、内層カーボンナノチューブ２３のキャリア密度を向上させて電気伝導度を向上させることができる。

図１４は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図１４を参照するに、基板６１と、基板６１の表面に埋め込まれた第２ゲート電極６２と、基板６１及び第２ゲート電極６２を覆う絶縁膜５２と、絶縁膜５２上に配置され、内層カーボンナノチューブ２３と外層カーボンナノチューブ２４ａ〜２４ｃからなるカーボンナノチューブ２５と、内層カーボンナノチューブ２３に接触するソース電極２６及びドレイン電極２７と、外層カーボンナノチューブ２４ｂに接触する第１ゲート電極２８などから構成されている。さらに、ソース電極２６及びドレイン電極２７の外側に、絶縁膜５２上の外層カーボンナノチューブ２４ａ、２４ｃを覆う分離電流供給用電極５３ａ、５３ｂが設けられている。

本変形例の半導体装置６０は、第２ゲート電極６２が基板６１に埋め込まれ、絶縁性の基板６１が用いられている以外は第２の実施の形態の半導体装置と同様である。

基板６１は、比抵抗の高い、すなわち絶縁性の基板であれば特に限定されない。例えば、不純物イオンが導入されていない、あるいは不純物イオンの導入量の少ないシリコン基板を用いることができる。

第２ゲート電極６２は第２の実施の形態の第２ゲート電極５４と同様の材料を用いることができ、少なくともソース電極２６〜ドレイン電極２７間のカーボンナノチューブに対向する幅に亘って形成されている。

第２ゲート電極６２には、上述したように直流バイアス電圧信号又は可変電圧信号が入力されて、第２の実施の形態と同様の効果を奏すると共に、第２の実施の形態と比較して、第２ゲート電極６２によるゲート容量を低減することができる。したがって、高速動作に対応することができる。

以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、第１の実施の形態の変形例と、第２の実施の形態又は第２の実施の形態の変形例を組み合わせてもよい。

なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１） 基板と、
前記基板上に配置され、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブと、金属的性質を有し、前記内層カーボンナノチューブを覆うと共に内層カーボンナノチューブの長さ方向に亘ってそれぞれ分離された第１〜第３の外層カーボンナノチューブとを有するカーボンナノチューブと、
前記第２の外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に挟むように形成されたソース・ドレイン電極とよりなり、
前記ゲート電極に電圧を印加して、内層カーボンナノチューブの電気伝導度を制御する半導体装置であって、
前記第１及び第３の外層カーボンナノチューブに接触し、外層カーボンナノチューブを分離するため電流を供給する分離電流供給用電極を備えると共に、
前記ソース・ドレイン電極は内層カーボンナノチューブに接触することを特徴とする半導体装置。
（付記２） 前記ソース・ドレイン電極が内層カーボンナノチューブとオーミック接触を形成していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
（付記３） 前記ソース・ドレイン電極とゲート電極との間に更に電極間絶縁膜を備えることを特徴とする付記１または２記載の半導体装置。
（付記４） 前記ゲート電極が、基板と第２の外層カーボンナノチューブとの間に設けられていることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記５） 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、前記基板の裏面に他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記６） 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、
前記基板と絶縁膜との間に、前記カーボンナノチューブに電界を印加する他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
（付記７） 前記カーボンナノチューブは外層カーボンナノチューブ及び内層カーボンナノチューブが各々１層からなること特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項半導体装置。
（付記８） 基板上に、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ及び金属的性質を有する外層カーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブが配置された半導体装置の製造方法であって、
前記基板上に前記カーボンナノチューブを配置あるいは形成する工程と、
前記外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と、ゲート電極の両側に、挟むように形成された分離電流供給用電極との間に電圧を印加し、ゲート電極と分離電流供給用電極との間の外層カーボンナノチューブを除去して内層カーボンナノチューブを露出させる工程と、
前記露出された内層カーボンナノチューブに接触するソース・ドレイン電極をゲート電極の両側に挟むように形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記９） 前記カーボンナノチューブは、基板上に触媒層を形成し、ＣＶＤ法を用いて該触媒層を核として成長されてなることを特徴とする付記８記載の半導体装置の製造方法。

従来の半導体装置の要部断面図である。 本発明の半導体装置の基本構造を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程（その１）を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程（その２）を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程（その３）を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程（その４）を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程（その５）を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程（その６）を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の変形例（その１）を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の変形例（その２）を示す図である。 第１の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。 第２の実施の形態の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。

符号の説明

１０、２０、４０、５０、６０ 半導体装置
１１、２３ 内層カーボンナノチューブ
１２、２４、２４ａ〜２４ｃ 外層カーボンナノチューブ
１３、２８、４１ ゲート電極
１４、２６ ソース電極
１５、２７ ドレイン電極
２１、５１、６１ 基板
２２、５２ 絶縁膜
２５ カーボンナノチューブ
２９ａ、２９ｂ、５３ａ、５３ｂ 分離電流供給用電極
５４、６２ 第２ゲート電極

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に配置され、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブと、金属的性質を有し、前記内層カーボンナノチューブを覆うと共に内層カーボンナノチューブの長さ方向に亘ってそれぞれ分離された第１〜第３の外層カーボンナノチューブとを有するカーボンナノチューブと、
   前記第２の外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極と、
   前記ゲート電極の両側に挟むように形成されたソース・ドレイン電極とよりなり、
   前記ゲート電極に電圧を印加して、内層カーボンナノチューブの電気伝導度を制御する半導体装置であって、
   前記第１及び第３の外層カーボンナノチューブに接触し、外層カーボンナノチューブを分離するため電流を供給する分離電流供給用電極を備えると共に、
   前記ソース・ドレイン電極は内層カーボンナノチューブに接触することを特徴とする半導体装置。
2. 前記ソース・ドレイン電極が内層カーボンナノチューブとオーミック接触を形成していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、前記基板の裏面に他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記基板表面に絶縁膜を更に備え、
   前記基板と絶縁膜との間に、前記カーボンナノチューブに電界を印加する他のゲート電極をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
5. 基板上に、半導体的性質を有する内層カーボンナノチューブ及び金属的性質を有する外層カーボンナノチューブよりなるカーボンナノチューブが配置された半導体装置の製造方法であって、
   前記基板上に前記カーボンナノチューブを配置あるいは形成する工程と、
   前記外層カーボンナノチューブに接触するゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極と、ゲート電極の両側に、挟むように形成された分離電流供給用電極との間に電圧を印加し、ゲート電極と分離電流供給用電極との間の外層カーボンナノチューブを除去して内層カーボンナノチューブを露出させる工程と、
   前記露出された内層カーボンナノチューブに接触するソース・ドレイン電極をゲート電極の両側に挟むように形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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