JP2008235752A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドレインリーク電流の抑制された、カーボンナノチューブをチャネル領域とする高性能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０４で形成されたチャネル領域１０１と、チャネル領域１０１上にゲート絶縁膜１０６を介して形成されたゲート電極１０８と、チャネル領域１０１を挟んで形成されたソース、ドレイン領域１１２、１１４とを有し、ソース、ドレイン領域１１２、１１４のチャネル領域１０１と接合する部分が、チャネル領域１０１よりもバンドギャップの広い半導体材料で形成されている素子を有することを特徴とする半導体装置およびその製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にチャネル領域がカーボンナノチューブで形成されている素子を具備する半導体装置およびその製造方法に関する。

シリコン超集積回路（ＬＳＩ）は、将来の高度情報化社会を支える基盤技術の一つである。集積回路の高機能化には、その構成要素であるＭＩＳ型電界効果トランジスタの高性能化が必要である。素子の高性能化は基本的には比例縮小則（スケーリング）により行われてきたが、近年、種々の物性的限界により素子の超微細化による高性能化だけでなく、素子そのものの動作も困難な状況にある。このような状況を打破するために、シリコンに変わる材料を使ってチャネル領域を形成することにより高性能トランジスタを実現しようという試みが世界中でなされている。

たとえば、ゲルマニウム（Ｇｅ）によってｐ型電界効果トランジスタのチャネル領域を形成しようとする試み、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウム砒素（ＩｎＰ）などの化合物半導体によってｎ型電界効果トランジスタのチャネル領域を形成しようとする試み、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）によってチャネル領域を形成しようとする試みなどがある（以下、カーボンナノチューブトランジスタともいう）。なかでも、カーボンナノチューブでチャネル領域を形成する方法は、微細なゲート長の電界効果トランジスタを実現することが容易であること、ｎ型とｐ型双方の電界効果トランジスタのチャネル領域をひとつの材料で形成できることなどから極めて有望視されている。このため、チャネル領域をカーボンナノチューブで形成し、金属とカーボンナノチューブ（半導体）のショットキー接合をソースおよびドレイン接合とするショットキートランジスタ、また、カリウムをドープすることでｎ型層を作り、ｐｎ接合をソースおよびドレイン接合とするトランジスタなどが精力的に研究されている。

また、量産に適したカーボンナノチューブトランジスタの提案も行われている（例えば、特許文献１）

特開２００４−１６５２９７号公報

もっとも、カーボンナノチューブは、バンドギャップが０．６ｅＶ程度と半導体の中では比較的狭いバンドギャップを有している。このため、チャネル領域がカーボンナノチューブで形成され、金属とカーボンナノチューブ（半導体）の接合をソースおよびドレイン接合とするショットキートランジスタにおいては、ドレイン側からキャリアがチャネル領域側にトンネルすることにより、ドレインリーク電流が増大するという問題があった。すなわち、ショットキートランジスタにおいては金属が電子と正孔両方の供給源となる。このため、ｎ型チャネルトランジスタにおいては正孔が、ｐ型チャネルトランジスタにおいては電子がドレイン側からチャネルへと低いショットキー障壁高さゆえにトンネルしてしまうのである。

一方、ｐｎ接合をソースおよびドレイン接合とするカーボンナノチューブトランジスタの場合には、ショットキートランジスタの場合のようにドレインからのショットキー障壁のトンネルは生じない。しかし、微細なチャネルを有する場合には、バンドを直接トンネルすることによりドレインリーク電流が増大するという問題が生ずる。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、ドレインリーク電流の抑制された、カーボンナノチューブをチャネル領域とする高性能な半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様の半導体装置は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）で形成されたチャネル領域と、前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記チャネル領域を挟んで形成されたソース領域およびドレイン領域と、を有し、前記ソース領域およびドレイン領域の前記チャネル領域と接合する部分が、前記チャネル領域よりもバンドギャップの広い半導体材料で形成されている素子を具備することを特徴とする。

ここで、前記半導体材料が、前記カーボンナノチューブよりも状態密度が高いことが望ましい。

ここで、前記半導体材料が、シリコン（Ｓｉ）であることが望ましい。

ここで、前記半導体材料が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）であることが望ましい。

ここで、前記半導体材料が、ボロンナイトライドナノチューブ（ＢＮＮＴ）であることが望ましい。

ここで、前記半導体材料が、前記カーボンナノチューブよりも直径の小さいカーボンナノチューブであることが望ましい。

ここで、前記ソース領域およびドレイン領域が、不純物偏析半導体層と金属シリサイドによって構成されていることが望ましい。

ここで、前記半導体材料が単結晶であることが望ましい。

そして、前記カーボンナノチューブの前記ソース領域およびドレイン領域側に金属として、アルカリ金属が充填されていることが望ましい。

本発明の第１の態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁層を形成し、前記半導体基板上に、チャネル領域となるカーボンナノチューブを形成し、前記カーボンナノチューブ上にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成し、前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクに前記絶縁層をエッチングすることによって、前記半導体基板を露出させ、前記半導体基板上に、ソース領域およびドレイン領域の一部となる半導体層をエピタキシャル成長により形成し、前記半導体層を前記カーボンナノチューブに接合させることを特徴とする。

ここで、第１の態様の半導体装置の製造方法において、前記半導体層がシリコン層であることが望ましい。

ここで、第１の態様の半導体装置の製造方法において、前記半導体層がシリコンカーバイド層であることが望ましい。

ここで、第１の態様の半導体装置の製造方法において、前記絶縁層をエッチングする前に、前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクに前記カーボンナノチューブをエッチングすることが望ましい。

そして、第１の態様の半導体装置の製造方法において、前記絶縁層をエッチングする前に、前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクに前記カーボンナノチューブをエッチングし、前記カーボンナノチューブをエッチングした後に、前記カーボンナノチューブ内に金属を充填することが望ましい。

本発明の第２の態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁層を形成し、前記半導体基板上に、チャネル領域となるカーボンナノチューブを形成し、前記カーボンナノチューブ上にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成し、前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクに前記カーボンナノチューブを、ボロンナイトライドナノチューブへ置換することを特徴とする。

ここで、第２の態様の半導体装置の製造方法において、前記ボロンナイトライドナノチューブへの置換は、Ｂ_２Ｏ_２ガスおよびＮ_２ガスと前記カーボンナノチューブを反応させることによって行うことが望ましい。

本発明によれば、ドレインリーク電流の抑制された、カーボンナノチューブをチャネル領域とする高性能な半導体装置およびその製造方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施の形態）
本発明に関する第１の実施の形態の半導体装置は、電子をキャリアとするｎ型電界効果トランジスタを有する半導体装置である。そして、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）で形成された電界効果トランジスタのチャネル領域と、このチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、チャネル領域を挟んで形成されたソース領域およびドレイン領域を備えている。さらに、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分が、チャネル領域よりもバンドギャップの広い半導体材料で形成されている。

また、本実施の形態の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分の半導体材料が、チャネル部分のカーボンナノチューブよりも状態密度が高く、バンドギャップの広い例えば、シリコン（Ｓｉ）で形成されている。カーボンナノチューブのバンドギャップは直径依存性があるが、直径１ｎｍ程度では、約０．６ｅＶである。これに対し、シリコンのバンドギャップは、約１．１２ｅＶと広くなっている。

図１は、本実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

まず、本実施の形態の半導体装置は、図１に示すように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０４で形成されたチャネル領域１０１を有する電界効果トランジスタである。このカーボンナノチューブ１０４は、例えば、直径１．５ｎｍの半導体としての特性を有するカーボンナノチューブである。そして、図１（ｂ）に示すように、チャネル領域１０１上には、例えば、ＨｆＯ_２からなるゲート絶縁膜１０６を介して形成されたゲート電極１０８を有している。このゲート電極１０８は、例えば、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）等の金属シリサイドで形成することが可能である。ここで、図１（ｃ）で示すように、ゲート絶縁膜１０６とゲート電極１０８は、チャネル領域１０１のカーボンナノチューブ１０４を取り囲むように形成されている。そして、ゲート電極の両側面には、図１（ｂ）に示すように、例えば、シリコン窒化膜で形成される側壁絶縁膜１１０が形成されている。

さらに、例えば、ヒ素（Ａｓ）等の不純物でｎ型にドープされたシリコンからなるソース領域１１２およびドレイン領域１１４が、チャネル領域１０１を挟んで形成されている。したがって、ソース領域１１２およびドレイン領域１１４のチャネル領域１０１と接合する部分、すなわち、ソース領域１１２およびドレイン領域１１４の側壁絶縁膜１１０近傍の部分が、チャネル領域１０１よりもバンドギャップの広い半導体材料である単結晶シリコンで形成される構造となっている。

ここで、チャネル領域１０１が形成されるカーボンナノチューブ１０４は、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように、半導体基板１００の上に形成された絶縁層１０２上に形成されている。ここで、半導体基板１００は、例えば、単結晶シリコンであり、絶縁層１０２は、例えば、シリコン酸化膜で形成される。

本実施の形態の形態によれば、カーボンナノチューブトランジスタのドレインリーク電流の抑制およびオン電流の増大が可能となる。以下、本実施の形態で得られる作用、効果について図面を用いて説明する。

図２は、本実施の形態の作用、効果を説明するバンド図である。図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）が、それぞれ、ショットキー接合を有するソース領域およびドレイン領域の場合、不純物ドープされたカーボンナノチューブがソース領域およびドレイン領域の場合、および、本実施の形態のソース領域およびドレイン領域の場合の図である。なお、図２は、ｎ型電界効果トランジスタの場合を前提としている。

図２（ａ）に示すショットキー接合の場合、カーボンナノチューブのチャネル領域は、金属のソース領域およびドレイン領域と接合している。金属は電子と正孔の両方の供給源となるため、左図で示すオフ状態の場合は、正孔がドレイン側からトンネルしてきてしまい、大きなドレインリーク電流が生じてしまうことが問題となる。一方、金属は状態密度がカーボンナノチューブに比較して大きいため、右図に示すオン状態の場合には、チャネル領域に多くのキャリア、ここでは電子を注入することが可能であり、オン電流の増大が期待できる。しかし、ソース側のショットキー障壁による寄生抵抗が、特にトランジスタが微細化してきた場合に、オン電流を制約することになり問題となる。

次に、図２（ｂ）の場合は、カーボンナノチューブのチャネル領域と、ソース領域およびドレイン領域がカーボンナノチューブのｐｎ接合で接合している。左図のオフ状態の場合、チャネル領域が微細になってくると、カーボンナノチューブのバンドギャップが狭いため、ドレイン領域でバンド間を電子や正孔が直接トンネリングして、ドレインリーク電流が発生するという問題が生じる。また、右図のオン状態の場合は、上述のショットキー障壁による寄生抵抗の問題は生じないが、カーボンナノチューブの状態密度が小さいためキャリア量が少なく、大きなオン電流が期待できない。

これに対し、図２（ｃ）の本実施の形態の場合は、カーボンナノチューブよりも、バンドギャップが広く、かつ、状態密度の大きい半導体、例えば、シリコンで形成されている。したがって、左図に示すオフ状態では、ドレイン領域で電子や正孔がトンネルしづらく、オフ状態のドレインリーク電流を抑制できる。また、右図のオン状態では、ショットキー障壁による寄生抵抗もなく、状態密度も大きいためキャリア量も多く、大きなドレイン電流を流すことが可能となる。

なお、本実施の形態において、チャネル領域のカーボンナノチューブの直径は、必ずしも限定されるものではない。しかしながら、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、より望ましくは１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好適である。カーボンナノチューブのバンドギャップは、上述したように、カーボンナノチューブの直径に依存する。そして、直径が１．５ｎｍを下回るとバンドギャップが広がることにより、状態密度が低いことと相まってオン電流が低下し、１ｎｍを下回るとその低下が大きくなってトランジスタの駆動力低下が問題となり得るからである。また、３ｎｍを超えると、カーボンナノチューブのバンドギャップが小さくなり、常温においての半導体としての機能が問題となる懸念があるからである。

そして、図１には、１本のカーボンナノチューブを適用する場合を示しているが、オン電流を増加させるために複数本のカーボンナノチューブを並行に配列させることも可能である。

また、ここでは、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分の半導体材料がシリコンである場合を例に説明した。しかしながら、チャネル領域のカーボンナノチューブよりもバンドギャップの広い半導体材料であれば、必ずしもシリコンに限定されるものではない。例えば、ＩＶ族結晶であるゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（Ｓｉ_ｘＧｅ_１−ｘ）、あるいはＩＩＩ−Ｖ族結晶であるガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムナイトライド（ＩｎＮ）、アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）等その他の半導体材料も適用することが可能である。

また、ここでは、ｎ型電界効果トランジスタを例に説明したが、ｐ型電界効果トランジスタについても、キャリアの電子が正孔に変わるだけであり、ｎ型電界効果トランジスタの場合と同様の作用、効果が得られる。

そして、図１における半導体基板１００、絶縁層１０１、ゲート絶縁膜１０６、ゲート電極１０８、ゲート側壁絶縁膜１１０についても、上記記載の材料に限定されることはなく、公知の材料を適宜選択して使用することが可能である。

次に、図１に示したような本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図３−図７を用いて説明する。

まず、図３（ａ）の平面図、図３（ａ）のＡ−Ａ’断面である図３（ｂ）、図３（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図３（ｃ）、および、図３（ａ）のＣ−Ｃ’断面である図３（ｄ）に示すように、例えば、シリコンからなる半導体基板１００上に、例えば、シリコン酸化膜からなる絶縁層１０２が形成される。そして、絶縁層１０２上に、電界効果トランジスタのチャネル領域となるカーボンナノチューブ１０４が形成される。

ここで、カーボンナノチューブ１０４は、ＣＶＤ（化学気相成長法）法、アーク放電法、レーザーアブレーション法等の公知の技術を適宜選択して形成する。そして、成長時の、温度、圧力、時間等の条件を適宜変更することによって、所望の直径、長さ、電気的特性等に形成することが可能である。また、半導体のカーボンナノチューブは、通常ｐ型半導体の性質を有するため、ｎ型電界効果トランジスタを形成する本実施の形態の場合には、特段のドーピングをすることなく使用することも可能である。もっとも、ｐ型電界効果トランジスタを形成する場合には、例えば、カリウム（Ｋ）等の元素をイオン注入することによって、ｎ型半導体に変換することも可能である。

次に、図４（ａ）の平面図、図４（ａ）のＡ−Ａ’断面である図４（ｂ）、図４（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図４（ｃ）、および、図４（ａ）のＣ−Ｃ’断面である図４（ｄ）に示すように、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、例えば、ＨｆＯ_２からなるゲート絶縁膜１０６をカーボンナノチューブ１０４上に成膜する。そして、ゲート絶縁膜１０６の上に、例えば、スパッタ法等により、例えば、ニッケルシリサイドからなるゲート電極１０８用の材料を堆積する。その後、公知のリソグラフィーおよびＲＩＥ等により、ゲート電極１０８およびゲート絶縁膜１０６をパターニングする。その後に、例えば、ＬＰＣＶＤ法により、例えば、シリコン窒化膜を堆積し、ＲＩＥ法によりエッチングすることで、ゲート電極１０８の両側面に側壁絶縁膜１１０を形成する。

次に、図５（ａ）の平面図、図５（ａ）のＡ−Ａ’断面である図５（ｂ）、図５（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図５（ｃ）、および、図５（ａ）のＣ−Ｃ’断面である図５（ｄ）に示すように、リソグラフィーとＲＩＥ法を用い、ゲート電極１０８、側壁絶縁膜１１０、および、カーボンナノチューブ１０４をマスクに絶縁層１０２をエッチングする。こうして、半導体基板１００が露出した開口部１１８を形成する。

次に、図６（ａ）の平面図、図６（ａ）のＡ−Ａ’断面である図６（ｂ）、図６（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図６（ｃ）、および、図６（ａ）のＣ−Ｃ’断面である図６（ｄ）に示すように、開口部１１８部分で露出した半導体基板１００上に、公知のエピタキシャル成長により、例えば、半導体基板と同一材料である単結晶シリコンを半導体層１２２、１２４として形成する。ここで、半導体層１２２、１２４は、後に、それぞれ、ソース領域およびドレイン領域の一部となる。そして、この半導体層１２２、１２４は、側壁絶縁膜１１０の両側で、カーボンナノチューブ１０４を包むように接合される。

次に、図７（ａ）の平面図、図７（ａ）のＡ−Ａ’断面である図７（ｂ）、図７（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図７（ｃ）、および、図７（ａ）のＣ−Ｃ’断面である図７（ｄ）に示すように、例えば、イオン注入法により、例えば、ヒ素（Ａｓ）を半導体層１２２、１２４に導入して、ｎ型のソース領域１１２およびドレイン領域１１４を形成する。

なお、ここでは、イオン注入により、半導体層１２２、１２４をｎ型のソース領域１１２およびドレイン領域１１４にする方法を示した。しかしながら、例えば、半導体層１２２、１２４をエピタキシャル成長させる際に、不純物を導入することにより、ｎ型のｎ型のソース領域１１２およびドレイン領域１１４とする方法であってもかまわない。

本実施の形態の半導体装置の製造方法により、ドレインリーク電流の抑制、オン電流の増大が可能となるカーボンナノチューブトランジスタを容易に製造することが可能となる。

（第２の実施の形態）
本発明に関する第２の実施の形態の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分の半導体材料が、多結晶もしくはアモルファスであること以外は、基本的に第１の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

図８は、本実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図である。図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図８（ｃ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

本実施の形態の半導体装置は、図８（ｂ）に示すように、例えば、ヒ素（Ａｓ）等の不純物でｎ型にドープされた、多結晶またはアモルファスのシリコンからなるソース領域１２６およびドレイン領域１２８が、チャネル領域１０１を挟んで形成されている。

第１の実施の形態で説明した単結晶半導体のソース領域およびドレイン領域は、その材料固有のバンドギャップを安定して実現できるという観点では望ましい材料である。しかし、多結晶またはアモルファスの半導体の成膜は、単結晶のように種結晶を必要とせずに、行うことが可能である。したがって、本実施の形態の半導体装置は、単結晶半導体をソース領域およびドレイン領域とする場合に比較して、より簡単に製造できるという利点がある。また、製造方法上、半導体基板とソース領域およびドレイン領域間に接合が存在する構造とならない。したがって、基板との接合容量が低減されて高速化に寄与するという利点もある。

（第３の実施の形態）
本発明に関する第３の実施の形態の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分の半導体材料が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）であること以外は、第１の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

図９は、本実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図である。図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

本実施の形態の半導体装置は、図９（ｂ）に示すように、ヒ素（Ａｓ）等の不純物で、ｎ型にドープされたシリコンカーバイドからなるソース領域１３２およびドレイン領域１３４が、チャネル領域１０１を挟んで形成されている。

シリコンカーバイドのバンドギャップは、２．３６ｅＶ〜３．３３ｅＶとシリコンに対して２〜３倍と広くなっている。したがって、本実施の形態の形態によれば、カーボンナノチューブのトンネリングによるドレインリーク電流を一層抑制することが可能となる。

なお、シリコンカーバイドからなるソース領域１３２およびドレイン領域１３４の形成は、第１の実施の形態で、図６を参照して例示した、シリコンのエピタキシャル成長にかえて、シリコンカーバイドをエピタキシャル成長させることによって形成可能である。あるいは、エピタキシャル成長したシリコンに炭素（Ｃ）をイオン注入した後に熱処理を施すことによって形成することも考えられる。

（第４の実施の形態）
本発明に関する第４の実施の形態の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分が、カーボンナノチューブの断面部分にもあり、カーボンナノチューブのソース領域およびドレイン領域側に金属が充填されていること以外は、第１の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

図１０は、本実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図である。図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）のＢ−Ｂ’断面図、図１０（ｄ）は、図１０（ａ）のＤ−Ｄ’断面図であるである。

本実施の形態の半導体装置は、図１０（ｂ）に示すように、例えば、ヒ素（Ａｓ）等の不純物でｎ型にドープされた単結晶シリコンからなるソース領域１１２およびドレイン領域１１４を有している。そして、このソース領域１１２およびドレイン領域１１４がチャネル領域を形成するカーボンナノチューブ１０４の断面部分で接合している。さらに、図１０（ｂ）および図１０（ｄ）に示すように、その接合部分のカーボンナノチューブ１０４内部、いいかえれば、カーボンナノチューブ１０４のソース領域１１２およびドレイン領域１１４側の内部に、例えば、カリウム（Ｋ）等の金属１３８が充填されている。なお、図では接合部分近傍のみに金属１３８を充填した状態を示しているが、カーボンナノチューブ全域にわたって、内部に金属１３８を充填することも本発明は排除するわけではない。

本実施の形態によれば、カーボンナノチューブの、ソース領域およびドレイン領域との接合部分内部に金属を充填させることにより、カーボンナノチューブの電気伝導特性や、物性を調整することが可能になる。したがって、カーボンナノチューブのトンネル電流を抑制した上で、所望の特性に調整可能なカーボンナノチューブトランジスタを提供することが可能となる。なお、この場合の特性とは、例えば、接触抵抗低減による寄生抵抗の削減や、接合部での状態密度向上によるオン電流の増加、あるいは、耐熱性の向上などである。

また、カーボンナノチューブに充填する金属としては、例示したカリウム等アルカリ金属であることが望ましい。しかし、例えば、Ｆｅ等の遷移金属あるいはその他の金属であってもかまわない。

次に、図１０に示したような本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図１１−図１３を用いて説明する。ここで、図４に示す側壁絶縁膜を形成する工程までは、第１の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。

図１１（ａ）の平面図、図１１（ａ）のＡ−Ａ’断面である図１１（ｂ）、図１１（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図１１（ｃ）、および、図１１（ａ）のＤ−Ｄ’断面である図１１（ｄ）に示すように、側壁絶縁膜１１０の加工後に、ゲート電極１０８および側壁絶縁膜１１０をマスクに、例えば、ＲＩＥ法を用い、カーボンナノチューブ１０４をエッチングする。その後、例えば、カリウムからなる金属１３８を、例えば、ＣＶＤ法により、カーボンナノチューブ１０４の断面部から、カーボンナノチューブ１０４の内部に充填する。

次に、図１２（ａ）の平面図、図１２（ａ）のＡ−Ａ’断面である図１２（ｂ）、図１２（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図１２（ｃ）、および、図１２（ａ）のＤ−Ｄ’断面である図１２（ｄ）に示すように、リソグラフィーとＲＩＥ法を用い、ゲート電極１０８、側壁絶縁膜１１０をマスクに絶縁層１０２をエッチングする。こうして、半導体基板１００が露出した開口部１１８を形成する。

次に、図１３（ａ）の平面図、図１３（ａ）のＡ−Ａ’断面である図１３（ｂ）、図１３（ａ）のＢ−Ｂ’断面である図１３（ｃ）、および、図１３（ａ）のＤ−Ｄ’断面である図１３（ｄ）に示すように、開口部１１８部分で露出した半導体基板１００上に、公知のエピタキシャル成長により、例えば、半導体基板と同一材料である単結晶シリコンを半導体層１２２、１２４として形成する。ここで、半導体層１２２、１２４は、後に、それぞれ、ソース領域およびドレイン領域の一部となる。そして、この半導体層１２２、１２４は、側壁絶縁膜１１０の両側で、カーボンナノチューブ１０４の断面部と接合される。その後、例えば、イオン注入法により、例えば、ヒ素（Ａｓ）を半導体層１２２、１２４に導入して、図１０に示すように、ｎ型のソース領域１１２およびドレイン領域１１４を形成する。

本実施の形態の半導体装置の製造方法により、ドレインリーク電流の抑制、オン電流の増大が可能であるとともに、所望の特性に調整可能なカーボンナノチューブトランジスタを容易に製造することができる。

また、本実施の形態においては、カーボンナノチューブの内部に金属を充填する形態について説明した。しかしながら、本発明においては、金属を充填しない場合の、上記構成および製造方法を実施の形態として除外するものではない。

（第５の実施の形態）
本発明に関する第５の実施の形態の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分の半導体材料が、チャネル領域のカーボンナノチューブよりも直径の小さいカーボンナノチューブで形成されていること以外は、基本的に第１の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

図１４は、本実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図である。図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１４（ｃ）は、図１４（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

本実施の形態の半導体装置は、図１４（ｂ）に示すように、ソース領域およびドレイン領域が、それぞれ、ソース領域のカーボンナノチューブ１４６とソース電極１４２、ドレイン領域のカーボンナノチューブ１４８とドレイン電極１４４によって形成されている。ソース領域のカーボンナノチューブ１４６、および、ドレイン領域のカーボンナノチューブ１４８は、例えば、カリウム等のアルカリ金属やＦｅ等の遷移金属により、ｎ型にドープされている。したがて、チャネル領域１０１のカーボンナノチューブと、ソース領域のカーボンナノチューブ１４６およびレイン領域のカーボンナノチューブ１４８の間にはｐｎ接合が形成されている。

ここで、例えば、チャネル領域１０１のカーボンナノチューブの直径は１．５ｎｍ、ソース領域およびドレイン領域のカーボンナノチューブの直径は１．０ｎｍである。また、また、ソース電極１４２およびドレイン電極１４４は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）で形成されている。ただし、カーボンナノチューブの直径、および、ソース電極およびドレイン電極の材料は、適宜選択することが可能である。

上述のように、カーボンナノチューブのバンドギャプは、カーボンナノチューブの直径に依存し、直径が細くなるにつれ、バンドギャップが広がる傾向にある。したがって、チャネル領域のカーボンナノチューブの直径よりも、チャネル領域に接合する部分のソース領域およびドレイン領域のカーボンナノチューブの直径が細い本実施の形態によれば、カーボンナノチューブのトンネル電流を、直径が等しい場合に比べ、抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態の半導体装置は、カーボンナノチューブを形成する際に、以下記述する方法によることで製造が可能である。

まず、生成したカーボンナノチューブを切断する。切断の方法は、例えば、高温フッ素ガスにさらして欠陥を作り、ヒドラジン（Ｈ_２ＮＮＨ_２）によってフッ素を除去する。ここに硫酸＋過酸化水素水で欠陥を酸化することによってカーボンナノチューブは切断される。このようにして、端に官能基（−ＣＯ_２Ｈ）が付加して開口した短いカーボンナノチューブを得ることができる。次に、切断したカーボンナノチューブの両端に触媒となる金属微粒子を付加する。これは、例えば、［Ｆｅ（ＮＯ_３）_３］を含む溶媒に溶かし、溶媒を蒸発させることで、カーボンナノチューブ両端の官能基にＦｅＯ微粒子を弱く結合させる。そして、ＦｅＯ微粒子が弱く結合したカーボンナノチューブを水素雰囲気中で熱処理することにより、カーボンナノチューブの両端にＦｅ微粒子を付加することが可能となる。

この後、上述のように、例えば、公知のＣＶＤ法によって、カーボンナノチューブ両端の触媒であるＦｅ微粒子から、さらにカーボンナノチューブを成長させる。ここで、成長させるカーボンナノチューブの直径は、触媒粒子の大きさ、雰囲気ガス圧や温度によって制御することが可能である。例えば、触媒粒子であるＦｅ微粒子の大きさは、［Ｆｅ（ＮＯ_３）_３］の濃度によって調整することができる。

以上のようにして形成したカーボンナノチューブを、第１の実施の形態の製造方法の図３に示したと同様に、半導体基板上の絶縁層上に形成した後、第１の実施の形態の製造方法と同様の方法で本実施の形態の半導体装置を製造できる。ただし、上記のように、ソース電極およびドレイン電極に金属を形成する場合には、第１の実施の形態におけるシリコンのエピタキシャル成長にかえて、公知の金属電極形成法によればよい。

また、本実施の形態の半導体装置を製造する際、チャネル領域よりも直径の細いソース領域およびドレイン領域のカーボンナノチューブをゲート電極に対して自己整合的に製造することも可能である。

具体的には、第４の実施の形態の説明における図１１で説明したように、側壁絶縁膜１１０の加工後に、ゲート電極１０８および側壁絶縁膜１１０をマスクに、カーボンナノチューブ１０４をエッチングする。

その後、上述した方法で、露出したカーボンナノチューブ１０４の両端にＦｅ微粒子を付加する。そして、例えば、公知のＣＶＤ法によって、カーボンナノチューブ両端の触媒であるＦｅ微粒子から、成長条件を制御して、チャネル領域のカーボンナノチューブよりも直径の細いカーボンナノチューブを成長させる。

その後は、例えば、第１の実施の形態の製造方法で図５〜図７を用いて説明したと同様の製造工程を経ることで本実施の形態の半導体装置を自己整合的に製造することが可能である。ここで、ソース電極およびドレイン電極に金属を形成する場合には、第１の実施の形態におけるシリコンのエピタキシャル成長にかえて、公知の金属電極形成法によればよい点については、先に記載した本実施の形態の製造方法と同様である。

（第６の実施の形態）
本発明に関する第６の実施の形態の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域のチャネル領域と接合する部分の半導体材料が、ボロンナイトライドナノチューブ（ＢＮＮＴ）であること以外は、基本的に、第１および第５の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

図１５は、本実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図である。図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

本実施の形態の半導体装置は、図１５（ｂ）に示すように、ソース領域およびドレイン領域が、ボロンナイトライドナノチューブ１４０とソース電極１４２、ボロンナイトライドナノチューブ１４０とドレイン電極１４４によって形成されている。ここで、ボロンナイトライドナノチューブ１４０は、例えば、カリウム等のアルカリ金属やＦｅ等の遷移金属により、ｎ型にドープされている。そして、ソース電極１４２およびドレイン電極１４４は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）で形成されている。

ボロンナイトライドナノチューブのバンドギャップは、６．１ｅＶとシリコンに対して約６倍と広くなっている。したがって、本実施の形態の形態によれば、カーボンナノチューブのトンネリングによるドレインリーク電流を一層抑制することが可能となる。

なお、ボロンナイトライドナノチューブ１４０の形成は、第１の実施の形態で、図４を参照して説明した側壁絶縁膜１１０形成の後に、ゲート電極１０８および側壁絶縁膜１１０をマスクにカーボンナノチューブ１０４の露出部分を、ボロンナイトライドナノチューブへ置換することによって形成可能である。より具体的には、例えば、カーボンナノチューブ１０４が露出した状態で、Ｂ_２Ｏ_２ガスおよびＮ_２ガス雰囲気下で熱処理を施すことにより、Ｂ_２Ｏ_２ガスおよびＮ_２ガスとカーボンナノチューブを反応させ、ボロンナイトライドナノチューブへと置換する。

ここで、ボロンナイトライドナノチューブのバンドギャップは、その直径に依存し、直径が細くなるほどバンドギャップが狭くなる。したがって、ボロンナイトライドナノチューブ径を調整することにより、ドレインリーク特性上およびオン電流特性上、最適な特性のカーボンナノチューブトランジスタを提供することが可能である。

そして、例えば、第５の実施の形態の製造方法で示したように、ソース領域およびドレイン領域の直径が、チャネル領域と異なるカーボンナノチューブを形成して、そのソース領域およびドレイン領域をボロンナイトライドナノチューブに置換することで、カーボンナノチューブトランジスタの特性最適化を図ることが可能となる。

（第７の実施の形態）
本発明に関する第７の実施の形態の半導体装置は、ソース領域およびドレイン領域が、不純物偏析半導体層と金属シリサイドによって構成されていること以外は、基本的に、第１の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

図１６は、本実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図である。図１６（ａ）は平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１６（ｃ）は、図１６（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

本実施の形態の半導体装置は、図１６（ｂ）に示すように、ソース領域およびドレイン領域が、不純物偏析半導体層１６２、１６４および金属シリサイド層１７２、１７４で形成されている。すなわち、本実施の形態のカーボンナノチューブトランジスタは、いわゆる、不純物偏析ショットキートランジスタとなっている。

ここで、不純物偏析半導体層１６２、１６４とは、例えば、ヒ素（Ａｓ）等の不純物により高濃度にドープされた、薄い不純物層をいう。この不純物偏析半導体層は、金属シリサイド層１７２、１７４との界面におけるｎ型不純物濃度が８×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であって、界面から深さ２０ｎｍにおけるｎ型不純物濃度が、界面におけるｎ型不純物濃度の１／１０以下である。

不純物偏析ショットキートランジスタは、厚さの薄い高濃度の不純物偏析半導体層を金属シリサイド層の電極界面に有することにより、実効的なショットキー障壁高さを低下させ電極の寄生抵抗を低減させる。したがって、本実施の形態の形態によれば、カーボンナノチューブトランジスタのドレインリーク電流を抑制するとともに、オン電流の大きな高性能なカーボンナノチューブトランジスタを実現することが可能となる。

なお、不純物偏析半導体層１６２、１６４の不純物分布を上記のように規定する理由は、上記界面の不純物濃度範囲を、下回ると実効的なショットキー障壁高さの低下が十分に期待できないからである。また、界面における不純物濃度が１／１０以下になる深さが２０ｎｍより深くなると、不純物偏析半導体層自体の寄生抵抗による特性劣化、および、ショートチャネル効果による特性劣化が懸念されるからである。

本実施の形態の半導体装置は以下のようにして製造可能である。まず、第１の実施の形態で、図６を参照して説明したように、公知のエピタキシャル成長により、半導体基板と同一材料である単結晶シリコンを半導体層１２２、１２４として形成したのちに、例えば、ヒ素（Ａｓ）をイオン注入により半導体層１２２、１２４に導入する。このとき、後に形成される、例えば、ニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）からなる金属シリサイド層１７２、１７４の膜厚よりも浅い位置にｐｎ接合ができるように設定する。そして、公知の、金属シリサイド形成法により、金属シリサイド層１７２、１７４を形成する。この際に、不純物、例えばヒ素が、金属のシリサイド化によって金属シリサイドの界面に偏析し、不純物偏析半導体層１６２、１６４が形成される。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、半導体装置、半導体装置の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体装置、半導体装置の製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

実施の形態においては、主に、ｎ型電界効果トランジスタを例に説明したが、ｐ型電界効果トランジスタについても、キャリアの電子が正孔に変わるだけであり、ｎ型電界効果トランジスタの場合と同様の作用、効果が得られる。

また、カーボンナノチューブに関しては、単層ナノチューブまたは多層のカーボンナノチューブのいずれをも適用することも可能である。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置、半導体装置の製造方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

第１の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図。 第１の実施の形態の作用、効果を説明するバンド図。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第２の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図。 第３の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図。 第４の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図。 第４の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第４の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第４の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す図。 第５の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図。 第６の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図。 第７の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す図。

符号の説明

１００ 半導体基板
１０２ 絶縁層
１０４ カーボンナノチューブ
１０６ ゲート絶縁膜
１０８ ゲート電極
１１０ 側壁絶縁膜
１１２ ソース領域
１１４ ドレイン領域
１３８ 金属
１４０ ボロンナイトライドナノチューブ
１６２ 不純物偏析層
１６４ 不純物偏析層
１７２ 金属シリサイド層
１７４ 金属シリサイド層

Claims (17)

1. カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）で形成されたチャネル領域と、
   前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
   前記チャネル領域を挟んで形成されたソース領域およびドレイン領域と、を有し、
   前記ソース領域およびドレイン領域の前記チャネル領域と接合する部分が、前記チャネル領域よりもバンドギャップの広い半導体材料で形成されている素子を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体材料が、前記カーボンナノチューブよりも状態密度が高いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記半導体材料が、シリコン（Ｓｉ）であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記半導体材料が、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記半導体材料が、ボロンナイトライドナノチューブ（ＢＮＮＴ）であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 前記半導体材料が、前記カーボンナノチューブよりも直径の小さい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記載の半導体装置。
7. 前記ソース領域およびドレイン領域が、不純物偏析半導体層と金属シリサイドによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
8. 前記半導体材料が単結晶であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
9. 前記カーボンナノチューブの前記ソース領域およびドレイン領域側に金属が充填されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
10. 前記金属がアルカリ金属であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
11. 半導体基板上に絶縁層を形成し、
    前記半導体基板上に、チャネル領域となるカーボンナノチューブを形成し、
    前記カーボンナノチューブ上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成し、
    前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクに前記絶縁層をエッチングすることによって、前記半導体基板を露出させ、
    前記半導体基板上に、ソース領域およびドレイン領域の一部となる半導体層をエピタキシャル成長により形成し、
    前記半導体層を前記カーボンナノチューブに接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 前記半導体層がシリコン層であることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記半導体層がシリコンカーバイド層であることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記絶縁層をエッチングする前に、前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクに前記カーボンナノチューブをエッチングすることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記カーボンナノチューブをエッチングした後に、前記カーボンナノチューブ内に金属を充填することを特徴とする請求項１４記載の半導体装置の製造方法。
16. 半導体基板上に絶縁層を形成し、
    前記半導体基板上に、チャネル領域となるカーボンナノチューブを形成し、
    前記カーボンナノチューブ上にゲート絶縁膜を形成し、
    前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成し、
    前記ゲート電極および前記側壁絶縁膜をマスクに前記カーボンナノチューブを、ボロンナイトライドナノチューブへ置換することを特徴とする半導体装置の製造方法。
17. 前記ボロンナイトライドナノチューブへの置換は、Ｂ_２Ｏ_２ガスおよびＮ_２ガスと前記カーボンナノチューブを反応させることによって行うことを特徴とする請求項１６記載の半導体装置の製造方法。

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