JP2008091566A - 絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタ装置 - Google Patents
絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタ装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008091566A JP2008091566A JP2006269877A JP2006269877A JP2008091566A JP 2008091566 A JP2008091566 A JP 2008091566A JP 2006269877 A JP2006269877 A JP 2006269877A JP 2006269877 A JP2006269877 A JP 2006269877A JP 2008091566 A JP2008091566 A JP 2008091566A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon nanotube
- nanotube
- film
- fet
- insulating film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
【課題】カーボンナノチューブFETの電流―電圧特性の変動を解消するカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなるカーボンナノチューブFETを提供すること。
【解決手段】カーボンナノチューブ３と、前記カーボンナノチューブの表面を被覆する絶縁膜とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法において、前記カーボンナノチューブを成長装置内で成長する第１の工程と、前記カーボンナノチューブを前記成長装置から取り出す前に、前記カーボンナノチューブの表面を絶縁膜で被覆する第２の工程とからなる。
【選択図】図３
【解決手段】カーボンナノチューブ３と、前記カーボンナノチューブの表面を被覆する絶縁膜とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法において、前記カーボンナノチューブを成長装置内で成長する第１の工程と、前記カーボンナノチューブを前記成長装置から取り出す前に、前記カーボンナノチューブの表面を絶縁膜で被覆する第２の工程とからなる。
【選択図】図３
Description
本発明は、絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法および当該カーボンナノチューブ構造体からなる電界効果トランジスタ装置に関し、特に、カーボンナノチューブからなる電界効果トランジスタ（field effect transistor:FET）の電流電圧特性の変動を解消するカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタ装置に関する。
（１）カーボンナノチューブ(carbon nanotube:CNT)
カーボンナノチューブは、炭素原子からなる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が円筒上に丸まったナノサイズの自己組織化構造体（自然に形成される特定の構造）である。カーボンナノチューブは、直径が〜1nm長さが数μｍの細長い微小単結晶である。その特異な構造から、物性研究の対象として注目を集めているだけでなく、新素材としても期待されている。
カーボンナノチューブは、炭素原子からなる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が円筒上に丸まったナノサイズの自己組織化構造体（自然に形成される特定の構造）である。カーボンナノチューブは、直径が〜1nm長さが数μｍの細長い微小単結晶である。その特異な構造から、物性研究の対象として注目を集めているだけでなく、新素材としても期待されている。
カーボンナノチューブの直径〜1nmは、固体中の電子の波長と同程度である。このためカーボンナノチューブの電子構造は、円周方向のゾーン・フォールデイング（zone folding）によって円周方向で量子化されている。すなわちカーボンナノチューブは、所謂一次元量子細線である。
このため、カーボンナノチューブを構成するグラフェンシートの電子構造は、本来、π電子によって結合πバンドが満たされたゼロギャップ半導体であるにも拘わらず、その電子構造が量子化されグラフェンシートの丸まり方（カイラリテイー）によって、電子構造は、半導体的になったり金属的なったりする。
半導体的性質を持つカーボンナノチューブには、その一次元性により電子が散乱されることなく走行する所謂バリステイック伝導が期待される。従って、カーボンナノチューブで電界効果トランジスタを作製すれば、ソース・ドレイン間のキャリヤ走行がバリステイック伝導となり、超高速動作や高い電流駆動能力が実現できる。
また、所望の基板上にカーボンナノチューブを配置してゲート酸化膜と電極を形成さえすれば、どのような基板上にでもトランジスタを形成することができる。即ち、単結晶からなる高性能トランジスタは半導体基板上にしか製作することができないという、従来の半導体トランジスタに課されていた制約を、カーボンナノチューブを用いれば取り除くことができる。
以上のような理由からカーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタ（以下、ナノチューブFETと呼ぶ）の研究が活発に行われている（非特許文献１）。
（２）ナノチューブFET
図１５にナノチューブFETの斜視図を、図１６にＡ−Ａ’線断面図を示す。図１５および図１６に図示されたナノチューブFETは、どのような基板の上にでも形成可能なトップゲート型ナノチューブFETである。
図１５にナノチューブFETの斜視図を、図１６にＡ−Ａ’線断面図を示す。図１５および図１６に図示されたナノチューブFETは、どのような基板の上にでも形成可能なトップゲート型ナノチューブFETである。
シリコン(Si)基板1に形成された二酸化珪素(SiO２)からなる絶縁膜2の上に、半導体的性質を持ったカーボンナノチューブ3が配置され、その両端にソース電極4とドレイン電極5が形成されている。更に、ソース電極4とドレイン電極5を除き、SiO２からなるゲート絶縁膜6が基板表面全体に堆積され、その上にゲート電極7が形成されている。
このような構造で、ソース・ドレイン間電流をゲート電圧で制御するFETの基本特性が確認されている。このようなナノチューブFETの多くは、ゲート電圧を負にすると電流が増加するｐチャネルFETとしての特性を示す。
カーボンナノチューブには、グラフェンシート一枚からなる単層ナノチューブ(single wall carbon nanotube, SWNT)と木の年輪のように一層以上のグラフェンシートをまいた多層ナノチューブ（multi wall carbon nanotube, MWNT）がある。半導体的性質を示すものは単層ナノチューブであり、単層ナノチューブであってもカイラリテイーによっては金属的になるものもある。従って、ナノチューブFETを作製するためには、単層ナノチューブから図１５のような構造を作製し、作製した素子の特性を測定して、そこから金属的性質を有するカーボンナノチューブからなるFETを除外する必要がある。
（３）分散法によるナノチューブFETの製造方法
トップゲート型ナノチューブFETの製造方法としては、２つの方法が報告されている。図１７〜２１は、一般的に行われている分散法（非特許文献１）と呼ばれる製造法の工程を示したものである。
トップゲート型ナノチューブFETの製造方法としては、２つの方法が報告されている。図１７〜２１は、一般的に行われている分散法（非特許文献１）と呼ばれる製造法の工程を示したものである。
まず、Fe等炭素と合金を作る金属を触媒として、単層ナノチューブ（以下、単に、カーボンナノチューブと呼ぶ）を成長する。次に、得られたカーボンナノチューブ3を、ジクロロエタンからなる分散液8の中に分散する（図１７(a)）。また、シリコン基板1の表面を熱酸化し、二酸化珪素(SiO２)からなる絶縁膜2を形成する（図１７(b)）。
次に、シリコン基板1上の所望の位置に、カーボンナノチューブを分散させた分散液8を滴下する。分散液が蒸発すると、基板1の上にカーボンナノチューブ3が取り残される（図１８(a)）。このようなカーボンナノチューブの配置方法は、分散法と呼ばれている。
次に、フォトリソグラフィー法を用いて、カーボンナノチューブの両端を含む領域を除いた、基板表面にフォトレジスト膜9を形成する（図１８(b)）。その後、フォトレジスト膜の形成された基板1上にTiを蒸着する。
次に、フォトレジスト膜を溶剤で除去し、カーボンナノチューブの両端を除く他の領域のTi膜10をフォトレジスト膜と共に取り去る(図１９(a))。この様な所謂リフトオフ法によって形成したTi膜10を約800〜900℃で熱処理し、Tiをカーバイド化（TiCxの形成）してTi膜とカーボンナノチューブの接触抵抗を低抵抗化する。低抵抗化された夫々のTi膜は、ソース電極4及びドレイン電極5となる。
次に、基板1の表面全面に、化学気相法（chemical vapor deposition:ＣＶＤ）によって、SiO2からなる絶縁膜11を堆積する（図１９（b））。
次に、ソース電極4及びドレイン電極5間を覆う絶縁膜６（ゲート絶縁膜）の上に、リフトオフ法によってAu/Ti(Ti、Auの順番で形成した二層構造)からなるゲート電極7を形成する（図２０(a)〜（b））。
次に、ソース電極4及びドレイン電極5の上を除きフォトレジスト膜9を形成し（図２１(a)）、ソース電極4及びドレイン電極5の上部を覆っていた絶縁膜を、ドライエッチング法によって除去する。最後に、エッチングマスクとして利用したフォトレジスト膜９を除去して、ナノチューブFETを完成する（図２１(b)）。
（４）架橋法によるナノチューブFETの製造方法
以上の方法はナノチューブFETの製造方法としては一般的であるが、所定の位置にナノチューブFETを形成することができないという欠点がある。この欠点を解消するために、以下に説明する架橋法が開発された（非特許文献１）。図２２〜図２６は、架橋法の製造工程を示したものである。
以上の方法はナノチューブFETの製造方法としては一般的であるが、所定の位置にナノチューブFETを形成することができないという欠点がある。この欠点を解消するために、以下に説明する架橋法が開発された（非特許文献１）。図２２〜図２６は、架橋法の製造工程を示したものである。
まず、Si基板１の表面を熱酸化し、SiO2膜を形成する（図２２(a)）。このSiO2膜の上にフォトレジスト膜9を形成し（図２２（ｂ））、リフトオフ法によってFe膜29を所定の位置に形成する（図２２（c））。Fe膜は、スパッタリング法によって、フォトレジスト膜9の形成された基板1上に堆積される。
次に、熱酸化SiO2膜2上に形成したFe膜を核として、化学気相法によって、カーボンナノチューブ3を成長する。カーボンナノチューブは熱酸化SiO2膜の表面を這うように成長し、ナノチューブFETの製造に適した、基板1に対して横たわった構造が所定の位置に自然に形成される（図２３（a））。
次に、リフトオフ法によってカーボンナノチューブの両端にTi膜10を形成し（図２３（ｂ）および図２４（a））する。このTi膜を約800〜900℃で熱処理し、Tiをカーバイド化（TiCxの形成）してTi膜とカーボンナノチューブの接触抵抗を低抵抗化する。低抵抗化されたTi膜は、夫々ソース電極4及びドレイン電極5となる。
次に、基板1の表面全面に、化学気相法（chemical vapor deposition:ＣＶＤ）によって、SiO2からなる絶縁膜11を堆積する（図２４（b））。
次に、ソース電極4及びドレイン電極5間を覆う絶縁膜６（ゲート絶縁膜）の上に、リフトオフ法によってAu/Tiからなるゲート電極7を形成する（図２５(a)〜（b））。
次に、ソース電極4及びドレイン電極5の上を除きフォトレジスト膜を形成し（図２６(a)）、ソース電極4及びドレイン電極5の上部を覆っていた絶縁膜を、ドライエッチング法によって除去する。最後に、エッチングマスクとして利用したフォトレジスト膜９を除去して、ナノチューブFETを完成する（図２６(b)）。
この方法によれば、ナノチューブFET製作の歩留まりはかなり向上する。
「カーボンナノチューブの基礎と応用」、斎藤理一郎、藤原久典、倍風館、p.62〜p.77。
「カーボンナノチューブの基礎と応用」、斎藤理一郎、藤原久典、倍風館、p.62〜p.77。
図２８及び図２９は、この様にして製造したナノチューブFETの電流―電圧特性である。 図２８の横軸はソース・ドレイン間電圧Vdsであり、縦軸はソース・ドレイン電流Idsである。図中に示されたパラメータVgは、ゲート電圧である。一方、図２９の横軸はゲート電圧Vgであり、縦軸はソース・ドレイン電流Idsである。図２９の電流―電圧特性は、ソース・ドレイン間電圧が−４Ｖ一定の場合の特性である。図２８及び図２９より、ソース・ドレイン間電流をゲート電圧Vgで制御するFETの基本動作を確認することができる。また、図２８及び図２９は、ゲート電圧を負にすると電流が増加するｐチャネルFETとしての特性を示している。
この様にナノチューブFETでは、FETとしての基本動作が確認されている。しかし、従来のナノチューブFETには、ゲート電圧を高くすると電流―電圧特性が変動してしまうという重大な問題がある。
図３０は、ゲート電極に-10Ｖを印加して、電流―電圧特性（Vds対Ids）を２度測定した結果である。ゲート電圧が-5V程度の低電圧である場合には、電流―電圧特性は何度測定しても同じような結果が得られる。しかし、ゲート電圧が深い場合には、図３０のように一回目の測定結果12と２回目13の測定結果は大きく異なる。この様な特性はナノチューブFETの動作を不安定にし、ソース電流の変動によるノイズ発生の原因になると考えられる。この様な電流―電圧特性の変動は、ナノチューブFETを電子素子に応用する場合には当然許容されない。
なぜこの様な電流―電圧特性の変動が生じるのかその原因は、今だ解明されていない。しかし、従来のナノチューブFETの造方法では、カーボンナノチューブ表面は、剥き出しのまま電極形成等種々の処理に曝される。従って、製造中にカーボンナノチューブの表面が汚染され、その汚染物質が電流―電圧特性変動の原因になっている可能性がある。従って、以上のような電流―電圧特性の変動は、ナノチューブFETの製造上に何らかの問題があって引き起こされている可能性が深い。
そこで、本発明の目的は、このような電流―電圧特性の変動を解消したカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタを提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明は、以下の様な構成と作用・効果を有する。
（第１の発明）第１の発明は、カーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブの表面を被覆する絶縁膜とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法において、前記カーボンナノチューブを成長装置内で成長する第１の工程と、前記カーボンナノチューブを前記成長装置から取り出す前に、前記カーボンナノチューブの表面を絶縁膜で被覆する第２の工程とからなることを特徴とする。
（第１の発明）第１の発明は、カーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブの表面を被覆する絶縁膜とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法において、前記カーボンナノチューブを成長装置内で成長する第１の工程と、前記カーボンナノチューブを前記成長装置から取り出す前に、前記カーボンナノチューブの表面を絶縁膜で被覆する第２の工程とからなることを特徴とする。
第１の発明によれば、ナノチューブFETの電流―電圧特性を変動させる原因の発生を防ぐことができる。
（第２の発明）第２の発明は、第１の発明において、第１の工程で成長するカーボンナノチューブが、基板に一端のみが接したカーボンナノチューブであることを特徴とする。
第２の発明によれば、ナノチューブFETの電流―電圧特性を変動させる原因の発生を、より完全に防ぐことができる。
（第３の発明）第３の発明は、第１および第２の発明において、前記絶縁膜が、窒化珪素膜であることを特徴とする。
第３の発明によれば、ナノチューブFETの電流―電圧特性を変動させる原因の発生を、最も完全に防ぐことができる。
（第４の発明）第４の発明は、第１乃至第３の発明において、前記第１の工程が、半導体的なカーボンナノチューブの成長が可能な工程であることを特徴とする。
（第５の発明）第５の発明は、第４の発明のカーボンナノチューブ構造体を加工してなり、前記カーボンナノチューブの一端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したソース電極と、前記カーボンナノチューブの他端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間の前記絶縁膜の上に形成したゲート電極からなる電界効果トランジスタ装置であることを特徴とする。
第５の発明によれば、ナノチューブFETの電流―電圧特性の変動を防止することができる。
本発明によれば、ナノチューブFETの電流―電圧特性の変動が解消され、特性の安定したナノチューブFETを作製することができる。また、ゲート酸化膜の形成が不要になるので、ナノチューブFETの製造工程が簡略化される。
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
上述した通り、ナノチューブFETの電流―電圧特性が変動する原因は明らかでない。しかし、従来のナノチューブFETの造方法では、カーボンナノチューブ表面は、ゲート酸化膜6で覆われるまで、剥き出しのまま色々な処理に曝される。従って、製造中にカーボンナノチューブの表面が汚染され、その汚染物質が電流―電圧特性変動の原因になっている可能性がある。
そこで、本発明者は、カーボンナノチューブの表面を成長後直ちに窒化珪素（SixNy 、以下SiNと略す）で覆い、電流―電圧特性の変動を無くすことができるか検討した。その結果、成長後直ちに表面をSiN膜で被覆したカーボンナノチューブから製作したナノチューブFETでは、電流―電圧特性の変動が見られないことが明らかになった。
以下、成長後直ちに表面をSiN膜で覆たカーボンナノチューブ構造体（以下、SiN被覆CNT構造体と呼ぶ）の製造方法、そのようなSiN被覆CNT構造からなるナノチューブFETの製造方法、および製造されたナノチューブFETの特性について説明する。ただし、ナノチューブFETの製造方法としては分散法と架橋法の二通りがあるので、夫々の方法に本発明を適用した場合について説明する。
（１）分散法に適用した場合
図１に、本実施形態に用いるSiN被覆CNT構造体の成長装置の概略を示す。この装置は、基本的には化学気相成長装置である。成長室14は、CNT成長用基板27を担持する試料台15とCNT成長用基板27を加熱するためのヒータ16とを具備している。更に、成長室14は、カーボンナノチューブの原料ガス（アセチレンガス：C2H2ガス）を、CNT成長用基板27に供給する前に部分的に熱分解するフィラメント17を具備している。カーボンナノチューブ成長の原料ガスとしてはC2H2ガスが好ましいが、C2H2,CH4,C2H5OHの何れかであっても良い。
図１に、本実施形態に用いるSiN被覆CNT構造体の成長装置の概略を示す。この装置は、基本的には化学気相成長装置である。成長室14は、CNT成長用基板27を担持する試料台15とCNT成長用基板27を加熱するためのヒータ16とを具備している。更に、成長室14は、カーボンナノチューブの原料ガス（アセチレンガス：C2H2ガス）を、CNT成長用基板27に供給する前に部分的に熱分解するフィラメント17を具備している。カーボンナノチューブ成長の原料ガスとしてはC2H2ガスが好ましいが、C2H2,CH4,C2H5OHの何れかであっても良い。
このフィラメント17には、成長室14の外部に配置された電源18が電気的に接続されている。更に、成長室14には、上記アセチレン(C2H2)ガスを供給するためのアセチレンガス供給装置19とH2からなるキャリヤガスを供給するための水素ガス供給装置20とからなる第１のガスライン24が接続されている。成長室14には、また、SiNの原料ガスであるシラン（SiH4）を供給するためのシランガス供給装置21と、同じくSiNの原料ガスであるアンモニア（NH3）を供給するためのアンモニアガス供給装置23と、N2からなるキャリヤガスを供給するための窒素ガス供給装置22とからなる第２のガスライン25が接続されている。更に、成長室14には、成長室内を排気するための排気ポンプ26が接続されている。
SiN被覆CNT構造体は、この成長装置14を用いて以下のようにして製造される。
まず、シリコン基板1の表面に熱酸化膜2を形成する（図２（a））。次に、この熱酸化膜2の上に、カーボンナノチューブ成長の触媒となるFe膜29をスパッタ法により１〜5nm堆積し、CNT成長用基板27とする（図２（b））。尚、カーボンナノチューブ成長の触媒としては、通常Fe,Co,Ni,もしくはそれらの合金の内から選択される。但し、最も好ましい触媒はFeである。
次に、このCNT成長用基板27を図１に示した成長装置の試料台15に装着する。その後、成長室内の大気をポンプ26で排気し、第１のガスライン24からキャリヤガス（H2）を供給して成長室内の雰囲気を清浄化する。更に、ヒータ16およびフィラメント17を加熱し、CNT成長用基板27等に付着していたガスを放出させる。尚、ポンプ26は大気の排気後も運転を続け、キャリヤガスや原料ガス等の排気速度を調整して成長室の圧力を一定に保つ。
次に、C2H2ガスとH2ガスの混合ガス（流量比 C2H2：H2＝99:1、但し、90：10 〜 99：1の範囲内の何れかの値であっても良い。）を、第１のガスライン24から供給する。ヒータ16とフィラメント17の加熱を続行し、基板温度は600℃、成長室の圧力は600Paに設定する。C2H2ガスの分子は、まずフィラメント28の熱によって部分的に分解され、CNT成長用基板27上のFe膜の触媒作用によってカーボンナノチューブに変化する。約１０分間の成長後、C2H2/H2混合ガスの供給とフィラメント17の加熱を停止してカーボンナノチューブの成長を終了する。
図３（a）は、この様にしてカーボンナノチューブを成長したCNT成長用基板27の断面図である。カーボンナノチューブ3が表面に直立するように成長している。カーボンナノチューブ3の長さは、約5μｍである。
次に、SiH4ガスとNH3ガスとH2ガスの混合ガス（流量比 SiH4：NH3：H2＝20：20：30）を第２のガスライン25から供給する。基板温度は250℃、成長室の圧力は1Paに設定する。SiH4とNH3はCNT成長用基板27等の熱によって反応して窒化珪素（SixNy、以下SiNと略す）に変化し、カーボンナノチューブ3の表面を覆う。約1〜5分間の成長後、SiH4/NH3/H2混合ガスの供給とヒータ16およびフィラメント28の加熱を停止して、SiN膜の成長を終了する。
図３（ｂ）は、以上のようにしてSiN被覆CNT構造体30を形成したCNT成長用基板27の断面図である。カーボンナノチューブ3の表面は、成長時間に応じて、厚さ10〜100nmのSiN膜によって覆われている。
次に、得られたSiN被覆CNT構造体30を、ジクロロエタンからなる分散液8の中に分散する（図４(a)）。
次に、表面に熱酸化膜2を形成したシリコン基板1上の所望の位置に、SiN被覆CNT構造体30を分散させた分散液8を滴下する。分散液が蒸発すると、基板1上にSiN被覆CNT構造体30が取り残される（図４(b)）。
次に、フォトリソグラフィー法を用いて、SiN被覆CNT構造体30の両端を含む領域を除いた、基板表面上にフォトレジスト膜9を形成する（図５(a)）。その後、このフォトレジスト膜9をマスクとして、SiN被覆CNT構造体30の両端のSiN膜をエッチング除去する（図５(ｂ)）。
次に、フォトレジスト膜9の形成された基板1上にTiを蒸着する。但し、ここで蒸着する金属としては、Pd,Pt,Au等を用いても良い。その後、フォトレジスト膜を溶剤で除去し、SiN被覆CNT構造体30の両端を覆うTi膜を残して他の領域のTi膜10をフォトレジスト膜と共に取り去る(図６(a))。この様なリフトオフ法によって形成したTi膜を約800〜900℃で熱処理して、Tiをカーバイド化（TiCxの形成）し、Ti膜とSiN被覆CNT構造体30の接触抵抗を低抵抗化する。低抵抗化された夫々のTi膜は、ソース電極4及びドレイン電極5となる。
次に、ソース電極4及びドレイン電極5間を除く基板表面にフォトレジスト膜を形成し（図６（b））、リフトオフ法によってAu/Tiからなるゲート電極7を形成する（図７）。
図８は、このようにして作製したナノチューブFETの斜視図である。素子構造上は、基板1の表面全体を覆うゲート酸化膜6が存在しない点で、従来のナノチューブFETと異なる。従って、ゲート酸化膜6の形成工程（図１９（ｂ）、図２１（a））が不用であり、製造工程が簡略化される。
図２７は、以上ようにして作製したナノチューブFETの電流―電圧特性である。図３０に示した従来のナノチューブFETの電流―電圧特性と同様、ゲート電極に-10Ｖを印加して、電流―電圧特性（Vds対Ids）を２度測定した結果している。図３０とは異なり、一回目の測定結果31（実線）と２回目32（白丸）の測定結果32に違いは見られない。この特性は、その後何度測定を繰り返しても変化しなかった。 即ち、成長後直ちに表面をSiN膜で被覆することによって、深いゲート電圧印加によるナノチューブFETの特性変動を解消することができた。
（２）架橋法に適用した場合
まず、シリコン基板1の表面に熱酸化膜2を形成する（図９（a））。次に、この熱酸化膜2の上に、カーボンナノチューブ成長の触媒となるFe膜29をスパッタ法により１〜5nm堆積する（図９（b））。尚、カーボンナノチューブ成長の触媒としては、通常Fe,Co,Ni,もしくはそれらの合金の内から選択されるものであれば良い。但し、最も好ましい触媒はFeである。
まず、シリコン基板1の表面に熱酸化膜2を形成する（図９（a））。次に、この熱酸化膜2の上に、カーボンナノチューブ成長の触媒となるFe膜29をスパッタ法により１〜5nm堆積する（図９（b））。尚、カーボンナノチューブ成長の触媒としては、通常Fe,Co,Ni,もしくはそれらの合金の内から選択されるものであれば良い。但し、最も好ましい触媒はFeである。
次に、このFe膜29上の所定の位置にフォトレジスト膜9を形成する（図１０（a））。その後、フォトレジスト膜9をマスクとしてFe膜及び熱酸化膜2の一部をエッチング除去して、頂上がFe膜で覆われたリッジ33を形成する。図１０（b）は、この様にして形成したCNT成長用基板27の断面図である。リッジ33の高さは0.1μm、幅は100μｍである。尚、リッジ33の高さ及び幅としては、これ以外の寸法であっても良い。
次に、CNT成長用基板を、図１に示した成長装置の試料台15に装着する。その後、成長室内の大気をポンプ26で排気し、第１のガスライン24からキャリヤガス（H2）を供給して成長室内の雰囲気を清浄化する。更に、ヒータ16およびフィラメント17を加熱し、CNT成長用基板27等に付着していたガスを放出させる。尚、ポンプ26は大気の排気後も運転を続け、キャリヤガスや原料ガス等の排気速度を調整して成長室の圧力を一定に保つ。
次に、C2H2ガスとH2ガスの混合ガス（流量比 C2H2：H2＝99:1、但し、90：10 〜 99：1の範囲内の何れかの値であっても良い。）を第１のガスライン24から供給する。ヒータ16とフィラメント17を加熱を続行し、基板温度は600℃、成長室の圧力は600Paに設定する。C2H2ガスの分子は、まずフィラメント28の熱によって部分的に分解され、CNT成長用基板27上でFe膜の触媒作用によって、カーボンナノチューブに変化する。約１０分間の成長後、C2H2/H2混合ガスの供給とフィラメント28の加熱を停止してカーボンナノチューブの成長を終了する。
図１１（a）は、この様にしてカーボンナノチューブを成長したCNT成長用基板27の断面図である。カーボンナノチューブ3は、リッジ頂上のFe膜29から基板表面に水平方向に成長している。カーボンナノチューブ3の長さは、約5μｍである。
次に、SiH4ガスとNH3ガスとH2ガスの混合ガス（流量比 SiH4：NH3：H2＝20：20：30）を第２のガスライン25から供給する。基板温度は250℃、成長室の圧力は1Paに設定する。SiH4とNH3はCNT成長用基板27等の熱によって反応し窒化珪素（SixNy、以下SiNと略す）に変化し、カーボンナノチューブ3の表面を覆う。約1〜5分間の成長後、SiH4/NH3/H2混合ガスの供給とヒータ16およびフィラメント17の加熱を停止して、SiN膜の成長を終了する。
図１１（ｂ）は、以上のようにしてSiN被覆CNT構造体30を形成したCNT成長用基板27の断面図である。カーボンナノチューブ3の表面は、成長時間に応じて、厚さ10〜100nmのSiN膜によって覆われている。
次に、フォトリソグラフィー法を用いて、SiN被覆CNT構造体30の両端を含む領域を除いた、基板表面上にフォトレジスト膜9を形成する（図１２(a)）。その後、このフォトレジスト膜9をマスクとして、SiN被覆CNT構造体30の両端のSiN膜をエッチング除去する（図１２(ｂ)）。
次に、フォトレジスト膜9の形成された基板1上にTiを蒸着する。但し、ここで蒸着する金属としては、Pd,Pt,Au等を用いても良い。
その後、フォトレジスト膜を溶剤で除去し、SiN被覆CNT構造体30の両端のTi膜を残して他の領域のTi膜10をフォトレジスト膜と共に取り去る(図１３(a))。この様なリフトオフ法によって形成したTi膜を約800〜900℃で熱処理して、Tiをカーバイド化（TiCxの形成）し、Ti膜とSiN被覆CNT構造体30の接触抵抗を低抵抗化する。低抵抗化された夫々のTi膜は、ソース電極4及びドレイン電極5となる。
次に、ソース電極4及びドレイン電極5間を除く基板表面にフォトレジスト膜を形成し（図１３（b））、リフトオフ法によってAu/Tiからなるゲート電極7を形成する（図１４）。
このようにして作製したナノチューブFETの構造は、図８に斜視図を示した分散法によるナノチューブFETと殆ど同じである。基板1の表面全体を覆うゲート酸化膜6が存在しない点で、従来のナノチューブFETと素子構造が異なっている。従って、架橋法によってもゲート酸化膜6の形成工程（図２５（ｂ）、図２６（a））が不用であり、製造工程が簡略化される。また、所定の場所にナノチューブFETを形成できる点が、上述した分散法による場合と異なる。従って、分散法による場合に比べ、歩留まりが大幅に向上する。
電流―電圧特性は、図２７に示した分散法によるナノチューブFETの特性と同じであった。すなわち、ゲート電極に高電圧（-10Ｖ）を印加して電流―電圧特性（Vds対Ids）の測定を何度繰り返しても、最初に測定した結果から変化しなかった。
即ち、カーボンナノチューブの成長に架橋法を適用した場合にも、成長後直ちにカーボンナノチューブの表面をSiN膜で被覆することによって、深いゲート電圧印加によるナノチューブFETの特性変動を解消することができる。
ところで、カーボンナノチューブ3は、長さが数μｍと短い間は熱酸化膜2に接触することなく、リッジ33に一端のみが接した状態で成長を続ける。従って、図１１（b）に示すような、CNT成長用基板27に一端のみが接したカーボンナノチューブ3が得られる。しかし、中には成長途中で熱酸化膜2に接してしまうカーボンナノチューブも現れる。この様なカーボンナノチューブに対しても、成長後直ちに表面をSiNで被覆し、ナノチューブFETを作製して、基板に接することなく成長したSiN被覆CNT構造体からなるナノチューブFETとの特性の違いを比較した。
得られたナノチューブFETの特性は、従来のナノチューブFETと本実施形態におけるナノチューブFETの特性の中間であった。即ち、電流―電圧特性は変動するが、その程度は従来のナノチューブFETより小さかった。これは基板表面に付着したH2OやO2等が、成長中のカーボンナノチューブを汚染した結果と考えられる。従って、電流―電圧特性の変動を完全に抑制するためには、カーボンナノチューブの両端以外の本体部分すなわちキャリヤが走行する部分は、SiNで被覆されるまでは、たとえ基板表面であっても接触させてはならないことが分かる。
SiN被覆CNT構造体の両端は、ナノチューブFETの作製過程でSiNが除去されるで種々の不純物によって汚染されると考えられる。しかし、このような汚染は、図２７に示した結果から、電流−電圧特性の変動の原因にはなっていないことは明らかである。
また、基板表面に付着している物質の主なものは、上述したようにH2O又はO2である。H2自体は、カーボンナノチューブの成長雰囲気中にも大量に存在する。従って、酸素原子Oが電流−電圧特性変動の原因の一因と考えられる。この事実に基づけば、カーボンナノチューブの表面を被覆する絶縁膜としては、SiO2やSiNxOy膜のように酸素原子を含む膜ではなくSiNのように酸素原子を含まない絶縁膜の方がより好ましいと考えられる。
更に、SiN膜の厚さは、汚染防止という観点からは上限はないが、厚過ぎるとゲート酸化膜として使用することができない。従って、SiN膜の厚さの上限は、好ましくは500nm以下、更に好ましくは100nm以下、最も好ましくは50nm以下である。また、薄過ぎるとゲート電圧によって絶縁破壊が起きてしまう。従って、SiN膜の厚さの下限は、好ましくは1nm以上、更に好ましくは5nm以上、最も好ましくは10nm以上である。
尚、本実施形態ではカーボンナノチューブを成長する触媒としてFe膜を用いたが、それ以外にもCo,Ni,Pd,Rh,Rtもしくはこれらの合金からなる薄膜であっても良い。さらには、これらの微粒子であっても良い。
また、本実施形態ではカーボンナノチューブを成長する原料ガスとしてC2H2を用いたが、それ以外に、CH4（メタン）,C2H5OH（エタノール）であっても良い。
以上の実施の形態をまとめると，次の付記のとおりである。
（付記１）カーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブの表面を被覆する絶縁膜とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法において、
カーボンナノチューブを成長装置内で成長する第１の工程と、
前記カーボンナノチューブを前記成長装置から取り出す前に、前記カーボンナノチューブの表面を絶縁膜で被覆する第２の工程とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
カーボンナノチューブを成長装置内で成長する第１の工程と、
前記カーボンナノチューブを前記成長装置から取り出す前に、前記カーボンナノチューブの表面を絶縁膜で被覆する第２の工程とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
（付記２）第１の工程で成長するカーボンナノチューブが、基板に一端のみが接したカーボンナノチューブであることを特徴とする付記１記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
（付記３）前記絶縁膜が、窒化珪素膜であることを特徴とする付記１又は２記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
（付記４）前記絶縁膜の厚さが、1nm乃至500nmであることを特徴とする付記１乃至３記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
（付記５）前記第１の工程が、半導体的なカーボンナノチューブの成長を可能とすることを特徴とする付記１乃至４記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
（付記６）前記第１の工程が、Fe,Co,Ni,Pd,Rh,Rt,及びこれらの合金の何れか一つからなる金属膜を形成した基板にカーボンナノチューを成長する工程であることを特徴とする付記５記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
（付記７）付記５又は６記載のカーボンナノチューブ構造体を加工してなり、
前記カーボンナノチューブの一端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したソース電極と、
前記カーボンナノチューブの他端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間の前記絶縁膜の上に形成したゲート電極からなる電界効果トランジスタ装置。
前記カーボンナノチューブの一端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したソース電極と、
前記カーボンナノチューブの他端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間の前記絶縁膜の上に形成したゲート電極からなる電界効果トランジスタ装置。
本発明は、FETからなる電子装置の製造業およびそのような電子機器を組合わせてなる装置の製造業において利用可能である。
1 シリコン基板
2 絶縁膜
3 カーボンナノチューブ
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 分散液
9 フォトレジスト膜
10 Ti膜
11 絶縁膜
27 CNT成長用基板
29 Fe膜
30 SiN被覆CNT構造体
2 絶縁膜
3 カーボンナノチューブ
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 分散液
9 フォトレジスト膜
10 Ti膜
11 絶縁膜
27 CNT成長用基板
29 Fe膜
30 SiN被覆CNT構造体
Claims (5)
- カーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブの表面を被覆する絶縁膜とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法において、
前記カーボンナノチューブを成長装置内で成長する第１の工程と、
前記カーボンナノチューブを前記成長装置から取り出す前に、前記カーボンナノチューブの表面を絶縁膜で被覆する第２の工程とからなるカーボンナノチューブ構造体の形成方法。 - 第１の工程で成長するカーボンナノチューブが、基板に一端のみが接したカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
- 前記絶縁膜が、窒化珪素膜であることを特徴とする請求項１又は２記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
- 前記第１の工程が、半導体的なカーボンナノチューブの成長が可能な工程であることを特徴とする請求項１乃至３記載のカーボンナノチューブ構造体の形成方法。
- 請求項４記載のカーボンナノチューブ構造体を加工してなり、
前記カーボンナノチューブの一端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したソース電極と、
前記カーボンナノチューブの他端を被覆する前記絶縁膜を除去して形成したドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間の前記絶縁膜の上に形成したゲート電極からなる電界効果トランジスタ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006269877A JP2008091566A (ja) | 2006-09-29 | 2006-09-29 | 絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006269877A JP2008091566A (ja) | 2006-09-29 | 2006-09-29 | 絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008091566A true JP2008091566A (ja) | 2008-04-17 |
Family
ID=39375428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006269877A Pending JP2008091566A (ja) | 2006-09-29 | 2006-09-29 | 絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008091566A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009035472A (ja) * | 2007-07-11 | 2009-02-19 | Nissei Plastics Ind Co | カーボンナノ複合材料及びその製造方法 |
| JP2011099997A (ja) * | 2009-11-06 | 2011-05-19 | Hitachi High-Technologies Corp | プロキシミティ露光装置、プロキシミティ露光装置の基板ロード／アンロード方法、及び表示用パネル基板の製造方法 |
| KR101129930B1 (ko) * | 2010-03-09 | 2012-03-27 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체 소자 및 그의 형성 방법 |
| JP2014060252A (ja) * | 2012-09-18 | 2014-04-03 | Fujitsu Ltd | 放熱材料の製造方法 |
| JP2020040879A (ja) * | 2016-06-08 | 2020-03-19 | エルジー・ケム・リミテッド | 窒化炭素と酸化グラフェンの自己組織化複合体、これを適用した正極及びこれを含むリチウム−硫黄電池 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08204202A (ja) * | 1995-01-24 | 1996-08-09 | Toshiba Corp | 薄膜トランジスタの製造方法 |
| JPH09307112A (ja) * | 1996-05-10 | 1997-11-28 | Sony Corp | 半導体装置 |
| JP2003168745A (ja) * | 2001-11-28 | 2003-06-13 | Ind Technol Res Inst | 集積回路素子の容量を増加させる方法 |
| WO2004094308A1 (en) * | 2003-04-22 | 2004-11-04 | Commissariat A L'energie Atomique | A process for modifying at least one electrical property of a nanotube or a nanowire and a transistor incorporating it. |
| WO2005076381A1 (en) * | 2004-01-29 | 2005-08-18 | International Business Machines Corporation | Vertical nanotube semiconducteur device structures and methods of forming the same |
| WO2005119789A1 (ja) * | 2004-06-01 | 2005-12-15 | Nikon Corporation | 電子デバイス製造方法及び電子デバイス |
| JP2006225258A (ja) * | 2005-02-16 | 2006-08-31 | Samsung Electronics Co Ltd | シリコンナノワイヤおよびその製造方法 |
| JP2006245127A (ja) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Toshiba Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
-
2006
- 2006-09-29 JP JP2006269877A patent/JP2008091566A/ja active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08204202A (ja) * | 1995-01-24 | 1996-08-09 | Toshiba Corp | 薄膜トランジスタの製造方法 |
| JPH09307112A (ja) * | 1996-05-10 | 1997-11-28 | Sony Corp | 半導体装置 |
| JP2003168745A (ja) * | 2001-11-28 | 2003-06-13 | Ind Technol Res Inst | 集積回路素子の容量を増加させる方法 |
| WO2004094308A1 (en) * | 2003-04-22 | 2004-11-04 | Commissariat A L'energie Atomique | A process for modifying at least one electrical property of a nanotube or a nanowire and a transistor incorporating it. |
| WO2005076381A1 (en) * | 2004-01-29 | 2005-08-18 | International Business Machines Corporation | Vertical nanotube semiconducteur device structures and methods of forming the same |
| WO2005119789A1 (ja) * | 2004-06-01 | 2005-12-15 | Nikon Corporation | 電子デバイス製造方法及び電子デバイス |
| JP2006225258A (ja) * | 2005-02-16 | 2006-08-31 | Samsung Electronics Co Ltd | シリコンナノワイヤおよびその製造方法 |
| JP2006245127A (ja) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Toshiba Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009035472A (ja) * | 2007-07-11 | 2009-02-19 | Nissei Plastics Ind Co | カーボンナノ複合材料及びその製造方法 |
| JP2011099997A (ja) * | 2009-11-06 | 2011-05-19 | Hitachi High-Technologies Corp | プロキシミティ露光装置、プロキシミティ露光装置の基板ロード／アンロード方法、及び表示用パネル基板の製造方法 |
| KR101129930B1 (ko) * | 2010-03-09 | 2012-03-27 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체 소자 및 그의 형성 방법 |
| US8357927B2 (en) | 2010-03-09 | 2013-01-22 | Hynix Semiconductor Inc. | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
| JP2014060252A (ja) * | 2012-09-18 | 2014-04-03 | Fujitsu Ltd | 放熱材料の製造方法 |
| JP2020040879A (ja) * | 2016-06-08 | 2020-03-19 | エルジー・ケム・リミテッド | 窒化炭素と酸化グラフェンの自己組織化複合体、これを適用した正極及びこれを含むリチウム−硫黄電池 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4891550B2 (ja) | ｎ型トランジスタ、ｎ型トランジスタセンサ及びｎ型トランジスタ用チャネルの製造方法 | |
| TWI479547B (zh) | 薄膜電晶體之製備方法及頂閘極式薄膜電晶體 | |
| Li et al. | All-carbon electronic devices fabricated by directly grown single-walled carbon nanotubes on reduced graphene oxide electrodes | |
| US8685843B2 (en) | Direct growth of graphene on substrates | |
| US6764874B1 (en) | Method for chemical vapor deposition of single walled carbon nanotubes | |
| US20160284813A1 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
| WO2009144902A1 (ja) | 電界効果トランジスタおよびその製造方法 | |
| JP2012235129A5 (ja) | ||
| KR20180100617A (ko) | 대규모 전자 디바이스들을 위한 전자적으로 순수한 단일 키랄성 반도체성 단일-벽 탄소 나노튜브 | |
| TWI552191B (zh) | Connection structure and manufacturing method thereof, semiconductor device | |
| Ohno et al. | Position-controlled carbon nanotube field-effect transistors fabricated by chemical vapor deposition using patterned metal catalyst | |
| JP2008091566A (ja) | 絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブ構造体の製造方法及びその構造体からなる電界効果トランジスタ装置 | |
| US20080296558A1 (en) | Method of Synthesizing Y-Junction Single-Walled Carbon Nanotubes and Products Formed Thereby | |
| Peng et al. | Gate modulation in carbon nanotube field effect transistors-based NH3 gas sensors | |
| WO2015133387A1 (ja) | カーボンナノチューブアレイ、材料、電子機器、カーボンナノチューブアレイの製造方法および電界効果トランジスタの製造方法 | |
| Lin et al. | Growth of Semiconducting Single‐Walled Carbon Nanotubes Array by Precisely Inhibiting Metallic Tubes Using ZrO2 Nanoparticles | |
| US20080023839A9 (en) | Molybdenum-based electrode with carbon nanotube growth | |
| WO2012029234A1 (ja) | カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタ及びその製造方法 | |
| Zhang et al. | Carbon nanotubes: from growth, placement and assembly control to 60mV/decade and sub-60 mV/decade tunnel transistors | |
| Shiau et al. | Growth of a single-wall carbon nanotube film and its patterning as an n-type field effect transistor device using an integrated circuit compatible process | |
| Wang et al. | Photochlorination to prepare semiconducting single-walled carbon nanotube and its intramolecular junction | |
| JP5015438B2 (ja) | 薄膜トランジスタおよびその製造方法 | |
| JP2005101424A (ja) | 電界効果半導体装置の製造方法 | |
| US20200123007A1 (en) | Enriched synthesis of semiconducting nanotubes | |
| Narasimhamurthy et al. | Fabrication of carbon nanotube field effect transistor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090611 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120612 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130212 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130415 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20130507 |