JP4737473B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
CNTは、現在一般的に半導体装置に使用されているシリコンを上回る高い電子(正孔)移動度(例示;1000〜10000cm2/Vs)を持つ性質がある。このような性質は、電界効果型トランジスタ(FET)などのスイッチングデバイスとして、特に、高い応答速度が求められる画像表示装置等に用いられるスイッチングデバイスとして、大きく期待される。
また、CNTは、半導体装置の製造方法の観点からも利点を有している。CNTを用いて半導体装置を製造するにあたっては、レーザーアブレーション法、アークプラズマ法、化学気相成長法などのバルク成長方法によって作製したCNTを、基板の表面に付着させればよい。この過程において、高いプロセス温度を必要とせず、容易に高移動度トランジスタを作製することができる。
製造時に高いプロセス温度を必要としない、という利点は、特に薄型画像表示装置に対する要求を満たす上で適している。画像表示装置作製における要求の一つとして、装置自体の軽量化や、曲げたり、丸めたりする意味でのフレキシブル化が挙げられる。アクティブマトリックス型の装置については、素子駆動用TFTとして、多結晶シリコンが一般的に用いられる。しかしながら、多結晶シリコンを用いた場合、移動度を高めるために高温(例示300℃以上)アニール処理が必要であるため、プロセス温度を下げられない。
プラスチック基板を使用するためには、プロセス温度を高くても200度、好ましくは120度以下程度に下げる必要がある。従って、基板としては、プラスチック基板ではなく、重くて割れやすいガラス基板が用いられている。そこで、高いアニール処理を必要としない半導体材料として、非常に低いプロセス温度で利用できるほとんど唯一の半導体材料ともいえるCNTが期待されているのである。
また、アクティブマトリックス型の液晶素子、EL素子を用いた画像表示装置の場合の他の課題の一つとして、光リーク電流の抑制が挙げられる。画素のシリコンTFT部分に、バックライトからの光(〜105lx)が侵入すると、光リーク電流が増大してしまう。これを抑えるために、画素トランジスタの部分は金属薄膜で作製した遮光膜で覆う必要がある。しかし、そのため、画素トランジスタの占める面積分だけ開口率が制限されてしまう。
その結果、画像表示装置としては、画素開口率の制限による最大輝度や明るさの変化幅の減少、光のロスによるエネルギー効率低下などが生じ、同時に金属遮光膜の作製プロセスの付加によって、性能対コストの比率が悪化してしまう。これに対して、CNTを用いた半導体装置は、Japanese Journal of Applied Physics誌(44号 4A巻 1592頁 2005年)に記載される様に、光リーク電流が非常に小さい性質を持つ。従って、CNTは、このようなコスト面やリーク電流の課題を解決する手段としても期待されている。
しかしながら、CNTを半導体装置に応用しようとする場合には、CNT製造時に、導電体的性質を持つCNTと、半導体的性質を持つCNTが同時に作製されてしまうという点を考慮しなければならない。作製されたままのCNTを使ってトランジスタを作製した場合、一本でも導電体的なCNTが存在するとソース−ドレイン(S−D)間のリーク電流によって、トランジスタのオン電流とオフ電流比(以下、on/off比と略記する)などのスイッチング特性が悪化してしまうという問題がある。
そのため、成長したCNTから導電体的CNTを除去する試みや、半導体的CNTだけを選択的に成長させる試みなどがなされている。しかし、実際は全ての導電体的CNTを除去することは困難であるのが実情である。例えば、成長後に導電体的CNTと半導体的CNTを分離しようとしても、CNTが静電気や物理吸着によって凝集しやすい上、非常に細くて長い構造を持つので一度凝集すると分離しにくい。
また、成長過程における導電体的CNTと半導体的CNTの作り分けることも、非常に難しい。例えばCNTの成長に用いる金属触媒粒子サイズを0.1nm以下の誤差で揃えた場合でも、CNTのカイラリティにより導電体的か半導体的かが変化してしまう。このように導電体的CNTと半導体的CNTとの分離や、作り分けすることは困難である。従って、CNTを用いて半導体装置を作製する際には、導電体的CNTと半導体的CNTが混合した材料を使っても、on/off比の高いトランジスタを作製できることが望まれる。
導電体的CNTと半導体的CNTが混合したCNTを用いた半導体装置の性能を向上する方法として、Science誌(292号(2001年)、706頁)には、選択的焼き切り手法が開示されている。しかしこの手法は、半導体装置の作動電流と比較してかなり大きな電流を流して焼き切り処理をする必要がある。そのため、半導体装置全体に対する負荷が大きいこと、個々の半導体装置に処理を施し安定した特性を得ることが難しいこと、焼き切り処理を施すとトランジスタのオン電流が減少すること、などの問題があることなどから、工業的に現実的な方法とはなっていない。
さらにCNTを用いた半導体装置に関する特許文献として下記特許文献がある。特開2005−93472号公報には、カーボンナノチューブを電流通路に用いた電界効果半導体装置を製造するに際し、カーボンナノチューブの分散液を調整する工程と、その分散液を所定パターンに付着する工程と、その分散液を乾燥することによって、カーボンナノチューブからなる電流通路を形成する工程と、を有する電界効果半導体装置の製造方法が開示されている。この特開2005−93472号公報には、長さが0.1μm以上、10μm以下のカーボンナノチューブを用いることが記載されている。
また特開2003−17508号公報、特開2007−12665号公報には、チャネルと平行方向に複数のカーボンナノチューブによりチャネル層を構成した電界効果トランジスタが記載されている。特開2006−190868号公報には、チャネル層をカーボンナノチューブにより構成した多値の不揮発性記憶装置が記載されている。しかしこれらの上記先行文献には、本発明の課題や、その課題を解決する技術的思想に関する記載がなく、本願発明を示唆するものではない。
本発明の目的は、導電体的CNTが混在していても良好なスイッチング特性を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、低温プロセスにより形成することのできる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明の半導体装置の製造方法は、基板のソース電極とドレイン電極間にカーボンナノチューブを分散させた第1のカーボンナノチューブ膜を形成する工程と、前記第1のカーボンナノチューブ膜をチャネル方向に直交して分断し、第1のカーボンナノチューブパッチを形成する工程と、さらに前記ソース電極とドレイン電極間に第2のカーボンナノチューブ膜を形成する工程と、前記第2のカーボンナノチューブ膜をチャネル方向に直交して分断し、前記第1のカーボンナノチューブパッチの間隔及び前記ソース電極とドレイン電極間の間隔を埋めるように第2のカーボンナノチューブパッチを形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
図2は、図1の半導体装置の特性分布のCNT密度依存性を示すグラフである。
図3A、図3Bは、CNTのパッチ加工を説明する半導体装置の概略図である。
図4は、CNTのパッチ加工を施した半導体装置の模式図である。
図5は、図4の半導体装置の特性分布のCNT密度依存性を示すグラフである。
図6は、CNTのパッチ構造を説明する図である。
図7A、図7B、図7Cは、CNTのパッチ加工を施した半導体装置において、パッチの接続数n=1、5、20におけるCNTの密度とパッチ同士の重なり幅に対する不良割合を示すグラフであり、図7Dはパッチの接続数と半導体装置の不良率の関係を表すグラフである。
図8A、図8B、図8Cは、CNTのパッチ加工を施した半導体装置の作製手順を説明する断面図である。
最初に本発明と対比させるために図1、2を参照して、CNTのパッチ加工を施さないCNTをチャネル層とした半導体装置を説明する。ここでの半導体装置のデバイスは、トランジスタである。図1に示すトランジスタは、ソース(S)−ドレイン(D)(以下、S−Dと略記する)間のチャネル長Lch=100μm、チャネルの幅Lw100μmである。
CNTチャネルとして、長さLcnt=40μmの直線状のCNTを密度0.025本/μmで配置し、チャネルの幅Lwが100μmになるように作製する。図1における両端のコの字型の領域は、ソース(S)電極5、ドレイン(D)電極6である。S−D電極の間に分散する直線状のCNTの内、実線で示すCNTは導電体的CNT、点線で示すCNTは半導体的CNTである。LchやLw、Lcntの大きさは仮のもので、CNTも実際とは異なって直線状に表している。
しかしトランジスタ特性を予測するために重要なことは、LchやLwとLcntの関係や、CNT同士やCNTと電極が接続する点がどのように配置し、関係するかである。従ってこの様な仮定は十分これらの要件を満たすものである。ここで重要な点は、CNTが非常に細長い形状を持つために、作製しようとするトランジスタのS−D間距離に対して無視できない長さを持つことである。場合によっては、S−D間距離よりも長いCNTが存在するために、導電体的CNTがS−D間を直接に接続する可能性が高くなる。
図2は、図1の条件のトランジスタについてCNTの密度を変化させたときに、実際のトランジスタがどのような特性を示すか調べたものである。トランジスタの特性予測は、回路シミュレータによって解析する方法で行った。計算機上で実際に分散させたCNTのランダムネットワークに、CNT自身の抵抗、CNT同士やCNTと電極の間の接触抵抗、さらに1本の半導体的CNTが示すon/off比(105と仮定)を割り当てたネットワーク型デバイスとして解析した。
図2の横軸はCNTの密度(本/μm)、縦軸は割合を表す。openと表すプロットは電流が全く流れないトランジスタの割合を示し、shortと表すものは、逆にon/off比が102未満で導電体的CNTによるリーク電流が大きいトランジスタの割合を示す。swhichと表すものは、on/off比が102以上で、半導体的CNTからなる良好な特性を持つトランジスタの割合である。それぞれの割合は、各条件で64個作製したトランジスタの特性を調べてプロットしたものである。
図1で示した密度0.025本/μmのCNTをチャネル層としたトランジスタの場合、図2からほぼ100%がshortの特性を示すことが分かる。実際に図1でも、導電体的CNTが直接S−D間を橋渡ししている様子が分かる。このようにS−D間距離に対してCNTの長さが大きいために、ある一定以上の密度でCNTを分散すると、shortの確率が高くなってしまうことを示している。
さらに図2から、最適な密度は0.006本/μmで、この時92%以上のトランジスタがswitchの特性を示すことが分かる。しかし、0.025から密度を下げたことによって、shortのトランジスタの割合は少なくなったものの、今度はS−D間がCNTでつながっていないopenのトランジスタが出てくる。そのために、100μm×100μmのチャネルに40μmのCNTでは、条件を最適化しても1割弱の不良デバイスが含まれ、実際には製品として使用することは難しい。
図3A、3Bに本発明の半導体装置の概略図を示す。本発明においては、トランジスタのチャネル層をCNT膜で構成する。このCNTのネットワークで構成されるCNT膜をチャネルと直交する方向に分断し、短冊状のCNTパッチとする。複数のCNTパッチを重ね合わせ、トランジスタのチャネルを構成する。チャネル層を複数のCNTパッチにより構成することで、半導体的CNTパッチの確率が高くなる。そのためCNT膜の密度を高くした場合でも、導電体的CNTが直接S−D間を接続する確率を低減できる。
図3Aに示すように、まずソース電極5とドレイン電極6を作製した基板に、第一層目となる短冊状のCNTパッチ1を、お互いが重ならないように配置する。CNTパッチ1は、図に示すようにチャネルと直交する方向に、それぞれが分断され、配置されている。さらに同様にチャネルと直交する方向に分断された第二層目となるCNTパッチ2を、第一層目のパッチやS−D電極の間を埋めるように配置する(図3B)。この様にチャネルに複数のCNTパッチを配置することで、短冊状のCNTパッチが半導体的CNTとなる確率を高くできる。チャネルをチャネルと直交する方向に分断することで、導電体的CNTによって直接S−D間が接続する確率を低減することができる。
図4は、チャネル長Lch=100μmの間に、幅6μmの短冊状のCNTパッチ21枚を、お互いが1μm重なるように配置した場合のトランジスタの一例を示す。この様にソースとドレインを結ぶ方向に対して、垂直にCNT膜を分断してCNTのパッチを作製すると、リーク電流を低減する上で効果的である。図5は、図4の構成のパッチ型トランジスタについて、CNT膜の密度を変化させた場合の、open、short、switchの割合を調べたものである。図2のパッチ加工を施さない場合の結果と比較すると、非常に広い密度領域(約0.016〜0.033本/μm)で、ほぼ100%、switch特性のトランジスタが得られていることが分かる。
実際のCNTパッチは、有限の数のCNTで構成される不均一な膜である。しかし便宜上、ある一定の確率で導電体的(short)、半導体的(switch)もしくは絶縁的(open)な接続をする均質な膜と考えて議論する。絶縁的な接続とは、実際はCNTが接続しない状態を表す。これらのパッチの重ね合わせでS−D間がどのような電気的接続を示すかを予測することができる。
そこで図6のような構成のS−D電極間が、どのような電気的接続を示すかを考える。長さL1とL3で表す領域はそれぞれ1枚のCNTパッチ3とCNTパッチ4で構成され、長さL2で表す領域はCNTパッチ3とCNTパッチ4の2枚のCNTパッチが重なっている領域である。ここではパッチが重なる領域の電気的接続がどのようになっているかを考えるため、L1とL3については長さ0の極限とし、CNTの密度もある一定以上であるとすると、L1、L3領域の電気的接続は、ほぼ100%導電体的接続となる。従ってL2の領域についてのみ考慮すると、S−D間が導電体的な接続となる確率は、長さL2とパッチの密度ρの関数PM(L2,ρ)となる。同様に半導体的な接続となる確率はPS(L2,ρ)となり、S−D間が電気的に接続しない確率は1−PM−PSである。
この様に表すことができるS−D電極対を直列にn個接続する。つまりCNTパッチ数はn+1個、接続点となるパッチの重ね合わせ部(S−D電極対)はn個となる。この場合に、全体として半導体的な接続を示すためには、n個の電極対が全て導電体的か半導体的な接続を持つこと(一つでも接続しない電極対が無いこと)と、n個の電極対の内で少なくとも一つが半導体的接続を示すことが必要である。この確率は(PM+PS)nx(1−PM n)と表すことができる。この確率は、(PM+PS)は限りなく1であり、かつPM<PSの条件の時にnを増やすほど1に近づく。この時、1に足りない分が正常動作しない不良の割合となる。
図7A、7B、7Cは、n=1、5、20の場合について、不良割合の対数値log(1−(PM+PS)nx(1−PM n))を、CNTの密度(Density)と、L2の重なり幅(Overlap width)に対してプロットしたものである。図7Dは、各nの条件で、最少となる不良割合の対数値log(error rate)がどのように変化するかを表すグラフである。
これらのグラフから、nを大きくすると最少となる不良割合が減少し、n=20の場合に最適な条件でデバイスを作製すると、不良となる割合は10−6以下となる。さらにnを増やすことでさらに不良割合を低減することができる。またグラフから明らかな通り、L2の重なり幅を短くすると、最適なCNTの密度は大きくなる傾向がある。従ってオン抵抗や移動度などのデバイス特性を向上するためにCNT密度を大きくする必要がある場合は、L2の重なり幅を短くすると良いことが分かる。
L2の重なり幅が20μm以上では、その関係が逆になり重なりを大きくすると、最適の密度も大きくなる傾向がある。しかし、これはシミュレーションに用いたCNTの長さ40μmに関係している。CNTを短くすると、傾向が反転するL2の重なり幅の値が小さくなり、CNTを長くすると反転する値は大きくなる。これを利用して、デバイス作製の最適条件を決定することも可能である。また、半導体的CNTの割合を高めたCNTを利用することでさらにデバイスの不良率を低減し、オン抵抗、移動度などの特性を向上し、安定させることが可能である。
図8A、8B、8Cは、本発明にかかる半導体装置の作製手順を概略的に示す断面図である。基板11としては、プラスチック材料、セラミック材料、酸化シリコンなどの絶縁材料を用いることができる。基板11の上に、リソグラフィ手法などを用いて予めソース電極12とドレイン電極13とを作製する。これらの電極の作製はCNTパッチの作製の後などでも構わない。
1層目のCNT膜14を形成する。CNT膜は、例えば、レーザーアブレーション、アークディスチャージ、化学気相堆積法(CVD)、HiPCO(high−pressure carbon monoxide)法などの方法を用いて準備することができる。但し、これらの方法に限られるものではなく、結晶性の良いCNTを作製できれば他の方法を用いても構わない。CNTを基板表面に分散する方法には、CVD法などを用いて直接基板上に成長させる方法や、予め成長させたCNT膜を後から基板に付着させる方法がある。直接成長させるには基板を500℃以上の高温にする必要があるので、熱耐性の低い基板を用いる場合は後者の方法を用いると良い。
また、CNTは予め成長条件の最適化や、精製処理を行って、半導体CNTの比率を高めたものを使用しても良い。通常のCNTは、理論的比率の3分の2が半導体CNTであるとされているが、この値を大きくすることによって、PMが減少し、PSが増大するので、より不良の割合を減少させることが容易になる。CNT膜を基板に付着させる方法には、気相でCNTを吹き付けたり降り積もらせたりする方法や、CNTを溶媒などに分散させ、液相を介して付着させる方法を用いることができる。気相で行う場合は、様々な気相成長法で作製したCNTが気相に漂う状態から、気流や静電気力、光圧力、重量などによって基板に誘導し付着させることで、CNTが束(バンドル)になることを防ぐことができるので好ましい。
溶液に分散する場合は、溶媒に入れたCNT片を、超音波振動子などを用いて分散することができ、この溶液を基板に塗布することでCNT膜を基板に付着させることができる。塗布方法としては、直接はけなどで塗る方法や、スピンコート、ディップコート、スプレーコート、微少液滴を滴下する方法などを用いることができる。
塗布膜のCNT密度は、溶液中のCNT密度や、回数や速度などの塗布条件で制御することができる。シミュレーションでは、CNTの単位面積あたりの本数で密度を表している。実際にデバイスを作製する場合は、基板に照射したレーザー光の散乱光強度や、基板が透明である場合の透過光強度の測定値と、デバイスを作製して得られるopen、switch、shortなどの割合によって、この塗布の最適条件を得ることができる。
続いて、保護膜15を図8Aのように作製したCNTパッチの形にパターニングする。保護膜には、リフトオフ用レジストなどの有機溶剤に不溶でアルカリ系溶剤に溶解性を持つ有機樹脂や、弱酸や弱アルカリで溶解できる金属薄膜を用いることができる。例えばAl薄膜などは、様々な処理に耐性が高く、弱アルカリで容易に除去することができるためマスク材料として好ましい。
有機樹脂を用いる場合は、有機樹脂パターニング用のフォトレジストなどを露光して得たレジストパターンをマスクとして、アルカリ系溶剤で有機樹脂を窓開けする。その後フォトレジストだけをアセトンなどで除去することで有機樹脂マスクを作製することができる。この場合、有機溶剤を用いるCNT溶液を塗布する場合でも十分パターンが保持されるため非常に有効である。Al薄膜を用いる場合は、30nm〜50nmのAl膜を同じくフォトレジストを用いてパターニングし、フォトレジストの用のアルカリ現像液で、レジストの現像とAl膜の窓開けを同時に行う。その後フォトレジストのみを除去してAlマスクを得ることができる。
作製した保護膜をマスクにして、マスクされていない部分のCNT膜を除去することができる。CNT膜の除去方法には、酸素プラズマ処理、その他の酸化性ガスによるプラズマ処理、オゾン処理、スパッタ処理、強酸処理などの方法を用途に応じて選ぶことができる。
続いて、第二層目となるCNT膜16を塗布し、保護膜17をパターニングする(図8B)。パターニングした保護膜17をマスクに用いて、不要な範囲のCNT膜を除去する。最後に、保護膜15と17をまとめて除去することによって、第二層目となるCNTパッチ18を得た(図8C)。保護膜を除去する方法は適宜選ぶことができる。例えば、有機樹脂とAlのマスクはいずれも、フォトレジスト用現像液などの弱アルカリ溶液で効果的に除去することができる。
トランジスタの変調を行うためのゲート電極は、CNTパッチ14、18の上にさらにゲート絶縁膜を被覆し、その上にゲート電極を作製することができる。もしくは、あらかじめ基板11の上にゲート絶縁膜で被覆したゲート電極を作製しておいて、その上にデバイスを作製することも可能である。この様にして、パッチ加工を施したCNT膜をチャネルとするCNTデバイス(トランジスタ)を作製することができる。
上記したようにCNTトランジスタにおいて、on/off比の特性を悪化させる最大の要因は導電体的CNTパスを流れるリーク電流である。そのリーク電流を抑制するためには、S−D間を直接導電体的CNTで接続しないで、少なくともその一部分を半導体的CNTとする必要がある。S―D電極間が導電体的CNTだけによって直接接続されている場合には、S−D間がshort状態となりリーク電流が流れ、トランジスタのon/off特性が悪くなる。そのためトランジスタのチャネル長を一本のCNTを用いて作製する場合は、必ず半導体的CNTを用いる必要がある。
本発明においては、トランジスタのCNTチャネル層をチャネル方向に直交するように分断し、複数のCNTパッチを用いてS−D間を接続する。複数のCNTパッチを用いてトランジスタを作製する場合は、非常に広いCNT密度領域で、ほぼ100%、switch特性のトランジスタが得られる。このように導電体的CNTが混在している場合にも、チャネル層をチャネル方向に直交する複数のCNTパッチで構成することで、チャネル層の一部のCNTパッチが半導体的CNTパッチとなる確率を高くできる。チャネル層の一部を半導体的CNTパッチにより構成されたトランジスタは、ゲート電圧により変調され、on/off動作を行う。このようにして良好なon/off比を有するトランジスタができる。本発明によれば、良好なon/off比を持つトランジスタを備えた半導体装置及びその製造方法が得られる。
まず、基板11には厚さ200μmのポリエチレンナフタレート基板を用いた。基板11にはその他のプラスチック材料、セラミック材料、酸化シリコンなどの絶縁材料を用いることができる。基板11の上に、光学露光を用いて作製したソース電極12とドレイン電極13を作製する。電極材料には、5nmチタン/45nm金の二層金属膜を用いた。第1のCNT膜14は塗布法により形成した。溶液は、レーザーアブレーション法で作製したCNT1μgを、1mlのジクロロエタン溶液に投入し、ヘッド型の超音波攪拌器で10秒間攪拌し作製した。この溶液20μlを、基板に10回スピンコートして、CNT膜14を形成した。
保護膜15には、30nm厚さで蒸着したAl膜を用いた。Al膜の加工には光学露光を用いた。フォトレジストで覆ったCNT膜付き基板を所望の光学マスクを用いて光学露光する。その後2.5%のテトラメチルアンモニウムハイドレート(TMAH)溶液を用いて1分現像すると、Al膜も同時にエッチングすることができ保護膜15を得ることができる。その後、アセトンを用いてフォトレジストを除去する。同様の手順を経て、2層目のCNTパッチ18を加工し、最後に2.5%TMAHを用いてAl保護膜を除去した。
この様にして、S−D間距離100μmの間に、幅9μmのCNTパッチを、1μmの間隔で、第一層、第二層あわせて21枚配置したCNTパッチチャネル層を作製した。この時、n=20となる。トランジスタのチャネル幅にあたる大きさは100μmとした。さらにゲート絶縁膜として、厚さ300nmの水素化シルセスキオキサン(HSQ)膜をスピンコートで作製し、光学露光用の水銀ランプを5分照射して硬化させた。最後にソース、ドレイン電極と同じ手順でゲート電極を作製して、CNTパッチを用いたFETを作製した。以上の手順で作製した100個のFETの正常動作(on/off比103以上)確率は100%で、オン抵抗は平均5×105Ω、最大のon/off比は105程度が得られた。この時の移動度はおよそ50cm・V/s2であった。
また、上記で説明した半導体装置と同じ作製手順を用いて、CNT膜の形成や、CNTパッチのサイズを変更した第2のFETを作製した。第2のFETは、CNT膜を形成するスピンコートの回数を40回に増やし、CNTパッチの幅は6μm、同一層内での隣接パッチの間隔は4μm、パッチ同士の重なりの幅が1μmである。このFETは、オン抵抗が2.5x105Ωとなり、200cm・V/s2の移動度を得ることができた。FETの正常動作確率は100%であった。
本発明では、複数のCNTから構成されるチャネル層を、さらにチャネル方向に直交する複数のCNTパッチに加工し、それらのCNTパッチを重ね合わせたチャネル層を作製する。チャネル層をチャネル方向に直交する複数のCNTパッチで構成することで、チャネル層の一部のCNTパッチが半導体的CNTパッチとなる確率を高くできる。このようにチャネル層の一部を半導体的CNTパッチとすることで、良好なon/off比を持つトランジスタが得られる。またチャネル層としてCNTを使用することから、より低温プロセスにより形成することができる。本発明によれば、良好なon/off比を持つトランジスタを備えた半導体装置及びその製造方法が得られる。
本発明においては、ソース電極及びドレイン電極と、ソース電極と前記ドレイン電極間に設けられたチャネル層と、を具備し、チャネル層は、チャネル方向には、チャネル長よりも短い大きさを持つ(N+1)個(Nは正の整数)のカーボンナノチューブパッチにより構成され、ソース電極とドレイン電極間とを接続している半導体装置が得られる。
本発明の半導体装置は、隣接するカーボンナノチューブパッチは異なる層のカーボンナノチューブパッチにより重なり合うように配置され、その重なり幅は1μm以下とすることができる。また(N+1)個のカーボンナノチューブパッチの少なくとも1つは、半導体的カーボンナノチューブを少なくとも1本以上含み、Nは20以上とすることができる。さらに、パッチを構成するカーボンナノチューブは、半導体的カーボンナノチューブを理論的存在比である3分の2より多く含んでも良い。
本発明においては、基板のソース電極とドレイン電極間にカーボンナノチューブを分散させた第1のカーボンナノチューブ膜を形成する工程と、第1のカーボンナノチューブ膜をチャネル方向に直交して分断し、第1のカーボンナノチューブパッチを形成する工程と、さらにソース電極とドレイン電極間に第2のカーボンナノチューブ膜を形成する工程と、第2のカーボンナノチューブ膜をチャネル方向に直交して分断し、第1のカーボンナノチューブパッチの間隔及びソース電極とドレイン電極間の間隔を埋めるように第2のカーボンナノチューブパッチを形成する工程と、を備えた半導体装置の製造方法が得られる。
本発明の半導体装置の製造方法において、基板はプラスチック材料、セラミック材料、酸化シリコンのいずれかを含む絶縁材料とすることができる。また、カーボンナノチューブは、レーザーアブレーション法、アークディスチャージ法、化学気相堆積法(CVD)、HiPCO(high−pressure carbon monoxide)法のいずれかの方法により作製しても良い。さらに、第1、及び第2のカーボンナノチューブ膜は、カーボンナノチューブを気相で付着させる方法、溶媒などに分散させ、液相を介して付着させる方法のいずれかの方法により作製しても良い。
以上、実施形態及び実施例に基づき本発明を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態及び実施例に制限されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができ、これらの変更例も本願に含まれることはいうまでもない。
この出願は、2007年4月16日に出願された日本出願特願2007−106732号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
Claims (9)
- ソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極間に設けられたチャネル層と、を具備し、前記チャネル層は、チャネル方向には、チャネル長よりも短い大きさを持つ(N+1)個(Nは正の整数)のカーボンナノチューブパッチにより構成され、前記ソース電極と前記ドレイン電極間とを接続していることを特徴とする半導体装置。
- 隣接するカーボンナノチューブパッチは異なる層のカーボンナノチューブパッチにより重なり合うように配置され、その重なり幅は1μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記(N+1)個のカーボンナノチューブパッチの少なくとも1つは、半導体的カーボンナノチューブを少なくとも1本以上含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記Nは、20以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
- パッチを構成するカーボンナノチューブは、半導体的カーボンナノチューブを理論的存在比である3分の2より多く含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。
- 基板のソース電極とドレイン電極間にカーボンナノチューブを分散させた第1のカーボンナノチューブ膜を形成する工程と、前記第1のカーボンナノチューブ膜をチャネル方向に直交して分断し、第1のカーボンナノチューブパッチを形成する工程と、さらに前記ソース電極とドレイン電極間に第2のカーボンナノチューブ膜を形成する工程と、前記第2のカーボンナノチューブ膜をチャネル方向に直交して分断し、前記第1のカーボンナノチューブパッチの間隔及び前記ソース電極とドレイン電極間の間隔を埋めるように第2のカーボンナノチューブパッチを形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記基板は、プラスチック材料、セラミック材料、酸化シリコンのいずれかを含む絶縁材料であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブは、レーザーアブレーション法、アークディスチャージ法、化学気相堆積法(CVD)、HiPCO(high−pressure carbon monoxide)法のいずれかの方法により作製することを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1、及び第2のカーボンナノチューブ膜は、前記カーボンナノチューブを気相で付着させる方法、溶媒などに分散させ、液相を介して付着させる方法のいずれかの方法により作製することを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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