JP2007250904A - 電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタの高周波特性の向上を図るとともに低コストで製造可能とする。
【解決手段】基板１面と平行に形成されたチャネル４を備え、ソース電極とドレイン電極の一方が基板１面と平行にチャネル４と交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブ８若しくは９から成るように構成するか、あるいは、ソース電極とドレイン電極の双方がチャネル４と互いに異なる角度で交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブ８及び９から成るように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は電界効果トランジスタ及びその製造方法に係り、特に、カーボンナノチューブを用いた高周波特性に優れ且つ低コストで製造可能な電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。

近年、電子機器の小型化・高速化の進展に伴って電子機器で用いられるトランジスタに対してもより一層の微細化・高速化が求められており、その実現のために様々なデバイス材料及びこれらの材料を用いたデバイス構造が検討されている。カーボンナノチューブを利用した電界効果トランジスタもその１つであり、カーボンナノチューブの微細な構造やキャリアの高速性を生かことにより従来の電界効果トランジスタに比べてより優れた高周波特性が期待される。

図８はカーボンナノチューブを用いた従来の電界効果トランジスタの一例を示した斜視図である（特許文献１）。同図に示した電界効果トランジスタは、絶縁性の基板３５上に形成されたソース電極３６とドレイン電極３７の間に半導体性カーボンナノチューブ３８を形成しチャネルとして利用するものであり、基板３５の背面に形成した導電膜３９をゲート電極として用いたいわゆるバックゲート構造を有している。

バックゲート構造に代えてトップゲート構造とすることもできる(特許文献２)。トップゲート構造では、基板３５の表面に絶縁膜を介して半導体性カーボンナノチューブ３８と交叉するようにゲート電極を設けるものであり、ゲート電極材としてカーボンナノチューブを用いることができる。

カーボンナノチューブはＣＶＤ法、レーザーアブレーション法等の手段により形成することができる。カーボンナノチューブの径はサブｎｍオーダーと非常に小さく、また、通常の成長方法を用いた場合、図８においてソース電極３６とドレイン電極３７の間で横方向及び縦方向に広がって多数本形成されるが、同図では簡単のため、横方向に並んだ２本のカーボンナノチューブ３８で代表させて示している。以下参照する図面についても同様である。

カーボンナノチューブ内では不純物散乱や格子散乱が抑制されるため電子の飽和速度は通常用いられる結晶ＳｉやＧａＡｓのそれに比べて大きく、従って、上述のようなカーボンナノチューブをチャネルとして用いた電界効果トランジスタは結晶ＳｉやＧａＡｓを用いた場合に比べて高速動作が期待される。
特開２００３−１７５０８号公報 特開２００２−１１８２４８号公報

前述のようにカーボンナノチューブの径は非常に小さく、また、通常の形成方法では、ソース電極とドレイン電極の間に配置し得るカーボンナノチューブの密度を大きくすることも難しい。そのため、カーボンナノチューブをチャネルとして用いた従来の電界効果トランジスタではチャネル抵抗が増大して電力利得を大きくすることができず、これが高周波特性を制限するという問題がある。

また、図８に示したバックゲート構造ではトランジスタのチャネル長は半導体性カーボンナノチューブ３８の長さによって決まり、したがって、高周波特性向上のためにはソース電極３６とドレイン電極３７の間の距離を狭く設定することによりその間に形成される半導体性カーボンナノチューブ３８を短くしなければならない。しかし、通常の可視光によるフォトリソグラフィ技術を用いた場合には、ソース電極３６とドレイン電極３７の間の距離は１μm程度に設定するのが限度であり、さらに短くするためには電子ビーム露光装置等の高価な装置が必要となり製造コストが高くなるという問題がある。

一方、カーボンナノチューブをゲート電極として用いたトップゲート構造の電界効果トランジスタでは、チャネル長はカーボンナノチューブの径によって決められるため容易にチャネル長を短くすることができる。しかし、この構成では、図８に見られるようにソース電極３６とドレイン電極３７間に形成されたカーボンナノチューブ３８の大部分がチャネル抵抗に寄与することになるため電力利得を大きくすることができないという問題が残る。

そこで、本発明はカーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタの高周波特性の向上を図るとともに低コストで製造可能とすることを目的とする。

上記課題は、基板面と平行に形成されたチャネルを備え、ソース電極とドレイン電極の少なくとも一方は、前記基板面と平行に前記チャネルと交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする電界効果トランジスタによって解決される。

あるいは、上記課題は、前記ソース電極と前記ドレイン電極は、それぞれ前記チャネルと互いに異なる角度で交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする上記電界効果トランジスタによって解決される。

あるいは、上記課題は、ゲート電極は、前記基板面と平行に絶縁膜を介して前記チャネル及び前記金属性カーボンナノチューブと交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする上記電界効果トランジスタによって解決される。

あるいは、上記課題は、前記チャネルは半導体性カーボンナノチューブからなることを特徴とする上記電界効果トランジスタによって解決される。

あるいは、上記課題は、基板面と平行にチャネルを形成する工程と、前記基板面と平行に前記チャネルと交叉するように金属性カーボンナノチューブを形成しソース電極及び／又はドレイン電極とすることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法によって解決される。

図１は本発明に係る電界効果トランジスタの構成を示す斜視図であり、基板１上で仮ソース電極２と仮ドレイン電極３の間に半導体性カーボンナノチューブから成るチャネル４が形成されている。そして、チャネル４と交叉するように電極６と電極７からそれぞれ金属性カーボンナノチューブ８、９が形成されている。ここに示した電界効果トランジスタは、基板１の背面に形成された導電膜５をゲート電極として用いるバックゲート構造を有している。

図１に見られるように、本発明に係る電界効果トランジスタでは、チャネル長は金属性カーボンナノチューブ８、９がチャネル４と交叉する２点間の距離Ｌによって決まる。距離Ｌはチャネル４に対する電極６、７の相対的な配置位置や電極６、７から形成される金属性カーボンナノチューブ８、９の形成方向を制御することにより決められ、これは仮ソース電極２と仮ドレイン電極３の間に配置されているチャネル４の長さに比べて充分短かくすることができる。即ち、電極６、７の相対的な配置位置や金属性カーボンナノチューブ８、９の形成方向を制御して距離Ｌをサブミクロンオーダの値に設定する上で必要なパターン精度は距離Ｌを直接サブミクロンオーダの値に設定する場合に必要となるパターン精度に比べて緩やかであり、したがって、電子ビーム描画装置等の高価な設備を用いることなく、通常の可視光によるフォトリソグラフィ設備を用いて容易にチャネル長となる距離Ｌをサブミクロンオーダの値に設定することができる。

また、半導体性カーボンナノチューブに比べて金属性カーボンナノチューブの抵抗は充分小さく、したがって、図１の電界効果トランジスタで金属性カーボンナノチューブ８、９をソース・ドレイン電極とした場合にチャネル抵抗を増大させることなく大きな電力利得を得ることができる。

以上のような本発明の効果は、半導体性カーボンナノチューブをチャネルに用いた場合に限らず通常の半導体層をチャネルとしたときにも同様にして得られるものである。また、電極６と電極７の一方のみから金属性カーボンナノチューブを形成してソース電極あるいはドレイン電極とし、仮ソース電極２、仮ドレイン電極３のいずれかをこれに対応したドレイン電極あるいはソース電極としたときにも同様に本発明の効果を得ることができる。

金属性カーボンナノチューブをソース電極あるいはドレイン電極として用いることによって、サブミクロンオーダのチャネル長を有する電界効果トランジスタを通常の可視光によるフォトリソグラフィ装置を用いて実現した。

最初に、本発明に係る電界効果トランジスタにおいてチャネルとして用いられるカーボンナノチューブの形成方法について図２（ａ）−（ｃ）を参照して説明する。まず、図２（ａ）に示したように、シリコン基板１０上に熱酸化法により膜厚２００nmのシリコン酸化膜１１を形成する。そして、周知のリフトオフ法を用いてシリコン酸化膜１１の上に膜厚５nmのＡｌ膜１２及び膜厚１nmのＦｅ膜１３からなる仮ソース電極１４を形成する。Ｆｅ膜１３はカーボンナノチューブの成長に対する触媒作用を有する。

ついで、図１（ｂ）に示したように、仮ソース電極１４から所定距離、例えば、５μm離れた位置に膜厚６nmのＡｌ膜を前述したリフトオフ法により形成し仮ドレイン電極１５とする。

ついで、図２（c）に示したように、仮ソース電極１４から仮ドレイン電極１５に向けて半導体性カーボンナノチューブ１６を成長させチャネルとする。半導体性カーボンナノチューブ１６は、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Ａｒガスを用いるＣＶＤ法により成長させた。ここで、圧力を１００ Ｐａ、基板温度を６００℃に設定し仮ソース電極１４と仮ドレイン電極１５の間に直流電圧を印加すると、仮ソース電極１４の表面に形成されているＦｅ膜１３上でカーボンナノチューブが成長を開始し電界方向に沿ってシリコン基板１０の面に平行に成長を続け、仮ドレイン電極１５へ達っした後停止する。

上述したカーボンナノチューブの成長に際し、基板温度を上昇させたとき仮ソース電極１４の表面でＦｅ膜１３は下地となるＡｌ膜１２に対する濡れ性に影響されて粒子状に細かく分離される。そして、分離された各Ｆｅ粒子を成長基点として多数のカーボンナノチューブが仮ソース電極１４から仮ドレイン電極１５に向けて成長することになる。仮ソース電極１４の表面におけるＦｅ粒子の径はＡｌ膜１２に対する濡れ性以外にもＦｅ膜１３の膜厚、基板温度等の要因によって左右される。一般には、触媒となるＦｅ粒子の径が小さい場合成長したカーボンナノチューブは半導体的性質を有するようになり、粒子径が大きくなると金属的性質を帯びるようになる。ここでは、カーボンナノチューブをチャネルとして用いるためＦｅ膜１３の膜厚を１nmと薄く設定しており、これによってＦｅ粒子の径を小さくし半導体性カーボンナノチューブ１６を形成させる。

なお、図２（c）に見られるように、仮ソース電極１４の表面で成長を開始したカーボンナノチューブは、実際には、図中点線で示したように、下方向に向けて成長した後下地酸化膜１１に沿って成長し仮ドレイン電極１９に達した後成長を停止するが、ここでは、簡単のため、カーボンナノチューブ１６は仮ソース電極１４と仮ドレイン電極１５の間で直線状に成長するように描いている。以下参照する図面についても同様である。

次に、形成したカーボンナノチューブ１６をチャネルとする電界効果トランジスタの製造方法について説明する。図３（ａ）は図２で説明した方法を用いシリコン基板上にチャネルとして形成された半導体性カーボンナノチューブを示す斜視図であり、図２と同一のものには同一番号を振ってある。

図２で説明した工程に続いて図３（ｂ）に示したように、膜厚１０nmのＴａ膜からなる電界印加用電極１７、１８、１９を周知のリフトオフ法を用いて形成し、さらに、膜厚５nmのＡｌ膜と膜厚３nmのＦｅ膜からなる触媒電極２０を同様なリフトオフ法を用いて形成する。同図に見られるように、電界印加用電極１７はチャネルとなるカーボンナノチューブ１６の形成方向を挟んで一方の側に配置し、電界印加用電極１８、１９はその反対側に配置する。また、触媒電極２０はカーボンナノチューブ１６の形成方向を挟んで電界印加用電極１７と同じ側で且つ電界印加用電極１７と電界印加用電極１８、及び電界印加用電極１７と電界印加用電極１９を結ぶ線上に配置する。

ついで、図４（ａ）に示したように、ＣＶＤ法を用いて触媒電極２０からカーボンナノチューブを成長させる。ここで、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Ａｒガスを用い圧力を１００ Ｐａ、成長温度を６００℃に設定する。そして、電界印加用電極１７を接地し電界印加用電極１８、１９に直流電圧を印加すると、触媒電極２０上で成長を開始したカーボンナノチューブ２１、２２はそれぞれ電界印加用電極１７、１８間及び電界印加用電極１７、１９間に生じた電界に沿って成長しチャネルとなるカーボンナノチューブ１６と交叉し、さらに成長を続け電界印加用電極１８、１９に達したときに成長を停止する。

前述のようにチャネルとして用いるカーボンナノチューブの形成に際しては、触媒となるＦｅ膜の膜厚を１nmと薄くすることにより半導体的性質を持たせたのに対し、ここでは触媒電極２０の表面に形成するＦｅ膜の膜厚を３nmと厚くしてＦｅ粒子の径を大きくすることにより金属性カーボンナノチューブ２１、２２を成長させた。

ついで、図４（ｂ）に示したように、触媒電極２０とその上のカーボンナノチューブ２１、２２の一部及び電界印加用電極１７をイオンミリングにより除去する。これにより金属性カーボンナノチューブ２１、２２を分離してそれぞれをソース電極及びドレイン電極とする。実際に金属性カーボンナノチューブ２１、２２をソース電極、ドレイン電極として用いるためには、それぞれの端部に導電膜パターンを形成して内部回路と接続させるが、同図では省略してある。

ついで、シリコン基板１０の背面に膜厚１０nmのＴｉ膜と膜厚１００nmのＡｕ膜を蒸着法によって堆積させゲート電極２３とする。

図５は図４（ａ）に示した電界効果トランジスタの平面図であり、金属性カーボンナノチューブ２１、２２がそれぞれ電界印加用電極１７と電界印加用電極１８、１９の間に生じた電界方向に沿って形成される様子を示している。ここで、電界効果トランジスタのチャネル長は半導体性カーボンナノチューブ１６に対して金属性カーボンナノチューブ２１、２２がそれぞれ交叉する２点の間の距離Ｌによって決められ、距離Ｌは電界印加用電極１８、１９間の距離Ｌ１、半導体カーボンナノチューブ１６と電界印加用電極１７の間の距離Ｌ２、半導体カーボンナノチューブ１６と電界印加用電極１９の間の距離Ｌ３によって制御される。

例えばＬ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ２μmに設定すればＬ＝１μmとなり、また、Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ２μm、Ｌ３を１８μmに設定すればＬ＝０.２μmとすることができる。即ち、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ可視光を光源として用いるフォトリソグラフィ装置で設定可能な値にした場合においてもソース・ドレイン間距離Ｌを容易にサブミクロンオーダの値に制御することができる。

上記実施例ではソース電極とドレイン電極の両方を金属性カーボンナノチューブで構成する場合について述べたが、ソース電極とドレイン電極の一方のみ金属性カーボンナノチューブ２１又は２２で構成させ、仮ソース電極１４あるいは仮ドレイン電極１５をもう一方の電極として用いるようにしてもよい。

また、上記実施例では半導体性カーボンナノチューブをチャネルとして用いる場合について述べたが、通常の半導体層をチャネルとして用いることもできる。

実施例１で述べた電界効果トランジスタはシリコン基板１０の背面を全面ゲート電極とした構造となっているため製造工程は簡易化されるもののゲート寄生容量が大きくなり、高周波特性を劣化させる恐れがある。これを避けるため、以下述べるようにゲート電極をシリコン基板１０の表面に形成したトップゲート構造とすることができる。

本実施例では、図４（ｂ）においてシリコン基板１０の背面にゲート電極２３を形成するまでは実施例１と同じ工程を用いる。その後、図６（ａ）に示したように、チャネルとなる半導体性カーボンナノチューブ１６が形成されているシリコン基板１０の表面に膜厚５０nmの絶縁膜２４をＳＯＧ法により形成する。そして、絶縁膜２４上にリフトオフ法を用いて膜厚１０nmのＴａ膜からなる電界印加用電極２５、２６を形成する。ここで、電界印加用電極２５、２６は絶縁膜２４の下に形成されている半導体性カーボンナノチューブ１６を挟んでその両側に配置する。また、膜厚５nmのＡｌ膜と膜厚３nmのＦｅ膜を積層したものからなる触媒電極２７を絶縁膜２４上で半導体性カーボンナノチューブ１６を挟んで電界印加用電極２５が形成されている側に形成する。

ついで、図６（ｂ）に示したように、電界印加用電極２５、２６間に電圧を印加した状態で前述と同様のＣＶＤ法により金属性カーボンナノチューブ２８を形成しゲート電極とする。

上記構成では、ゲート電極となる金属性カーボンナノチューブ２８の形成位置の設定には実施例１に比べてより高いパターン精度が必要となるものの、チャネル長は金属性カーボンナノチューブ２８の径によって決まるため実施例１に比べてチャネル長をより短く且つゲート寄生容量を小さくすることができる。

次に、図７（ａ）、（ｂ）を参照して本発明の他の実施例に係る電界効果トランジスタの形成方法について述べる。

チャネルとなる半導体性カーボンナノチューブを形成するまでの工程は図３（ａ）に示した工程と同一である。本実施例は実施例１に比べて電界印加用電極と触媒電極の配置が異なっており、図７（ａ）に示すように、半導体性カーボンナノチューブ１６を形成した後、半導体性カーボンナノチューブ１６を挟んで両側にそれぞれ電界印加用電極２９、３０を形成するとともに、半導体性カーボンナノチューブ１６を挟んで一方の側に２つの触媒電極３１、３２を形成する。ここで、電圧印加用電極２９、３０及び触媒電極３１、３２の材料は実施例１と同一のものを用いる。

ついで、図７（ｂ）に示したように、電界印加用電極２９、３０間に電圧を印加し、前述と同様のＣＶＤ法を用いると、触媒電極３１、３２でそれぞれ成長を開始した金属性カーボンナノチューブ３３、３４は電界印加用電極２９、３０間に生じた電界方向に沿って成長し電界印加用電極２９に達したときに成長を停止する。その後、電界印加用電極２９、３０をイオンミリングにより除去し、さらに、電極２９近傍の金属性カーボンナノチューブ３３、３４を部分的に除去すると、金属性カーボンナノチューブ３３、３４が分離されてそれぞれソース電極、ドレイン電極として用いることができる。

ゲート電極は実施例１と同様に、シリコン基板１０の背面に形成した導電膜を用いることもでき、あるいは、実施例２と同様な製造工程を経てトップゲート構造とすることもできる。
(付記１) 基板面と平行に形成されたチャネルを備え、ソース電極とドレイン電極の少なくとも一方は、前記基板面と平行に前記チャネルと交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする電界効果トランジスタ。
(付記２) 前記ソース電極と前記ドレイン電極は、それぞれ前記チャネルと互いに異なる角度で交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする上記電界効果トランジスタ。
(付記３) ゲート電極は、前記基板面と平行に絶縁膜を介して前記チャネル及び前記金属性カーボンナノチューブと交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする上記電界効果トランジスタ。
(付記４) 前記チャネルは半導体性カーボンナノチューブからなることを特徴とする上記電界効果トランジスタ。
(付記５) 基板面と平行にチャネルを形成する工程と、前記基板面と平行に前記チャネルと交叉するように金属性カーボンナノチューブを形成しソース電極及び／又はドレイン電極とすることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
(付記６) 前記チャネルと互いに異なる角度で交叉する２つの金属性カーボンナノチューブを形成し、一方の金属性カーボンナノチューブをソース電極、他方の金属性カーボンナノチューブをドレイン電極とすることを特徴とする上記電界効果トランジスタの製造方法。
(付記７) 前記基板面と平行に絶縁膜を介して前記チャネル及び前記金属性カーボンナノチューブと交叉するように金属性カーボンナノチューブを形成しゲート電極とすることを特徴とする上記電界効果トランジスタの製造方法。
(付記８) 基板面と平行に半導体性カーボンナノチューブを形成しチャネルとすることを特徴とする上記電界効果トランジスタの製造方法。

本発明に係る電界効果トランジスタの構成を示す斜視図。 （ａ）−（ｃ）カーボンナノチューブの形成方法を示す工程断面図。 （ａ）、（ｂ）実施例１に係る電界効果トランジスタの製造方法を示す斜視図（その１）。 （ａ）、（ｂ）実施例１に係る電界効果トランジスタの製造方法を示す斜視図（その２）。 実施例１に係る電界効果トランジスタの平面図。 （ａ）、（ｂ）実施例２に係る電界効果トランジスタの製造方法を示す斜視図。 （ａ）、（ｂ）実施例３に係る電界効果トランジスタの製造方法を示す斜視図。 カーボンナノチューブを用いた従来の電界効果トランジスタを示す斜視図。

符号の説明

１、３５ 基板
２、１４ 仮ソース電極
３、１５ 仮ドレイン電極
４ チャネル
５、２３、３９ 導電膜
６、７ 電極
８、９、２１、２２、２８、３３、３４ 金属性カーボンナノチューブ
１０ シリコン基板
１１ シリコン酸化膜
１２ Ａｌ膜
１３ Ｆｅ膜
１６、３８ 半導体性カーボンナノチューブ
１７、１８、１９、２５、２６、２９、３０ 電界印加用電極
２０、２７、３１、３２ 触媒電極
２４ 絶縁膜
３６ ソース電極
３７ ドレイン電極

Claims (5)

1. 基板面と平行に形成されたチャネルを備え、ソース電極とドレイン電極の少なくとも一方は、前記基板面と平行に前記チャネルと交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 前記ソース電極と前記ドレイン電極は、それぞれ前記チャネルと互いに異なる角度で交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
3. ゲート電極は、前記基板面と平行に絶縁膜を介して前記チャネル及び前記金属性カーボンナノチューブと交叉するように形成された金属性カーボンナノチューブから成ることを特徴とする請求項１乃至２記載の電界効果トランジスタ。
4. 前記チャネルは半導体性カーボンナノチューブからなることを特徴とする請求項１乃至３記載の電界効果トランジスタ。
5. 基板面と平行にチャネルを形成する工程と、
   前記基板面と平行に前記チャネルと交叉するように金属性カーボンナノチューブを形成しソース電極及び／又はドレイン電極とすることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。

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