JP4774665B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素管状体及びその両端の電極からなる単位構造を高密度に多数配列したカーボンナノチューブアレイに適用して好適な半導体装置及びその製造方法に関する。詳しくは、一端部を除く他の部分を保護膜に覆われると共に、基板上に島状に設けられた触媒層の端部から一方向に向けて延在する炭素管状体を備え、この触媒層の端部を荷電粒子線の照射幅により規定することによって、一次元量子細線として動作可能な炭素管状体及びその両端の電極からなる単位構造を高密度に多数配列できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、従来方式の半導体プロセス技術による半導体デバイスの高密度化及び高集積化は限界に近づいている。特に、ゲート長が０．１μｍ未満の半導体デバイスを製造するための微細加工技術は、ＡｒＦレーザによる露光では光学的に限界であることから、Ｆ2レーザ、電子線（ＥＢ）又はＸ線を用いた露光技術への移行期にあるが、ゲート長が０．１μｍ未満の半導体デバイスを生産するための技術として確立された露光技術はない。このため、半導体デバイスの小型化及び高速度化を、微細加工技術の向上に基づく半導体デバイスの高密度化及び高集積化により実現することは困難になりつつある。
【０００３】
カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと記載）は、単層（単一壁）ＣＮＴにおける直径が数ｎｍであることから、自然の一次元電気伝導細線として動作し得る構造を有している。このため、ＣＮＴは、一次元量子細線による超高速動作が可能なナノメートル・サイズの電子デバイス、即ち、ナノデバイスを、露光技術による制限を受けずに実現できる材料として注目され、半導体特性を有するＣＮＴを用いてＦＥＴ（Field Effect Transistor）等の電子デバイスを試作し、このデバイス特性を評価する試みが盛んになされている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００４】
ＣＮＴは、Ｆｅ粒子のような微細な金属触媒を成長起点とし、Ｃ2Ｈ2等を原料ガスとしたＣＶＤ法により成長させ得ることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。この触媒を成長起点とするＣＮＴの合成技術と従来方式の半導体プロセス技術とを組み合わせることによって、ＣＮＴを基板上の特定の位置に配してＣＮＴを用いた電子デバイスを実現する技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１１８２４８号公報（第７−９頁、第１６−１９図及び第２６図）
【非特許文献１】
Ali Javey et al. "Nano Letters", American Chemical Society, 2002, vol.2, No.9, p.929-932
【非特許文献２】
Nobuhide Yoneya et al. "Applied Physics Letters", American Institute of Physics, 16 September 2002, vol.81, No.12, p.2250-2252
【非特許文献３】
O.A.Nerushev et al. "Physica B", Elsevier Science B.V., 2002, No.323, p.51-59
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来方式のＣＮＴを用いた電子デバイスの製造方法によれば、以下のような問題がある。
（１）半導体特性を有するＣＮＴを、特定の位置で定められた方向に向けて正確に配置する効果的な実装技術がない。このため、ＣＮＴはナノメートル・サイズであるにも拘らず試作された素子の大きさは数μｍにも達している。
（２）半導体特性を有するＣＮＴのキャリア濃度を同一基板上で局所的に制御することが困難である。このため、ｐ型又はｎ型の半導体特性を有する多数のＣＮＴを基板上の特定の位置に形成することができない。従って、ｐ型ＦＥＴ及びｎ型ＦＥＴから構成される相補型の回路を工業的に生産することができない。
【０００７】
そこで、この発明は上述した課題を解決したものであって、ＣＮＴの位置、形状及び成長方向を制御すること及びＣＮＴとその両端の電極とからなる単位構造を高密度に多数配列できるようにした半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、荷電粒子線の照射幅により規定される形状及び一端部を有し、基板上に設けられた島状の触媒層と、この触媒層の一端部が露出されて、他の部分を覆った保護膜と、この保護膜から露出された触媒層の一端部から一の方向に向けて設けられた炭素管状体と、この炭素管状体の両端に設けられた電極とを備えるものである。
【０００９】
本発明に係る半導体装置によれば、触媒層が、基板上に島状に設けられ、荷電粒子線の照射幅により規定された形状及び面積である一端部を除いて、他の部分を保護膜により覆われる。この触媒層の端部から一方向に向けて炭素管状体が設けられ、この炭素管状体の両端に電極が設けられる。
【００１０】
従って、触媒層の一端部の位置、形状及び面積が炭素管状体の向き及び径を規定するので、荷電粒子線の照射幅により規定された数ナノメートルの径を有する炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの微小な単位構造を、基板上の特定の位置に高密度に多数配列できる。よって、一次元量子細線として超高速動作が可能な炭素管状体からなる論理回路を搭載した半導体装置を実現できる。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、荷電粒子線の照射幅により規定される島状の触媒層を基板上に形成する工程と、この基板上に形成された触媒層を保護膜により覆う工程と、この触媒層を覆う保護膜を選択的に除去して、少なくとも荷電粒子線の照射幅を有する触媒層の端部を露出する工程と、露出された触媒層の端部から一の方向に向けて炭素管状体を形成する工程と、この炭素管状体の両端に電極を形成する工程とを含むものである。
【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、保護膜から露出する触媒層の端部の位置及び形状を任意に変更できるので、この触媒層の端部を起点として形成される炭素管状体の位置、形状及び成長方向を正確に制御できる。
【００１３】
従って、荷電粒子線の照射幅により規定された数ナノメートルの径を有する炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を、基板上の特定の位置に高密度に多数配列することが容易となる。よって、一次元量子細線を備えて超高速動作が可能な半導体装置を工業的に製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置及びその製造方法の実施形態の一例について説明する。
図１は、本発明の実施形態としての半導体装置１００の構成例を示す模式図である。
この実施形態では、一端部を除く他の部分を保護膜により覆われて基板上に島状に設けられた触媒層と、保護膜に覆われた触媒層の端部から一方向に向けて設けられた炭素管状体としてのカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブの両端に設けられた電極とを備え、このカーボンナノチューブが設けられる触媒層の端部を荷電粒子線の照射幅により規定する。
【００１５】
これによって、数ナノメートルの径を有するカーボンナノチューブとその両端に設けられた電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を基板上の特定の位置に高密度に多数配列できるようにしたものである。
【００１６】
図１に示す半導体装置１００は、カーボンナノチューブ１（以下、ＣＮＴ１と記載）を用いた半導体装置の一例であり、ｎ型の半導体特性を有するＣＮＴ１とその両端に夫々設けられた第１及び第２の電極２，３とからなる単位構造２０ｎが組み込まれたｎ型ＦＥＴ２０ｎと、ｐ型の半導体特性を有するＣＮＴ１とその両端に夫々接続する第１及び第２の電極２，３とからなる単位構造２０ｐが組み込まれたｐ型ＦＥＴ２０ｐとで構成される論理回路が高速動作する半導体装置である。
【００１７】
半導体装置１００では、図１に示すように、Ｓｉ基板６表面に形成されたＳｉＯｘ（酸化シリコン）膜５上に、２つの単位構造２０ｎ，２０ｐが配列したカーボンナノチューブアレイ５０が形成されており、単位構造２０ｎと単位構造２０ｐとの間及びＣＮＴ１上の空隙を埋め込むように、層間絶縁膜９が成膜されている。単位構造２０ｎ，２０ｐの夫々のＣＮＴ１は、保護膜７に覆われた触媒層４の端部から一方向に向けて設けられており、その両端には導電性物質からなる第１及び第２の電極２，３が設けられている。第１の電極２は、触媒層４の表面を覆う保護膜７表面に、導電性物質が更に積層されることにより形成されている。
【００１８】
Ｓｉ基板６は、入力電圧Ｖinを印加するためのバックゲート（Backgate）となる。単位構造２０ｎの第１の電極２は、ｎ型ＦＥＴ２０ｎのドレイン（Drain）電極であり、ドレイン電圧Ｖ-を印加される。単位構造２０ｐの第２の電極３は、ｐ型ＦＥＴ２０ｐのドレイン電極であり、ドレイン電圧Ｖ+を印加される。そして、共用コンタクト（図示せず）が、単位構造２０ｎの第２の電極３及び単位構造２０ｐの第１の電極２と接続して出力電圧Ｖoutを出力する。これにより半導体装置１００は、電圧インバータ回路として動作する。
【００１９】
半導体装置１００は、相補型ＦＥＴによる最も簡単な論理回路の構成例であって、カーボンナノチューブアレイ５０を備えた半導体装置の一例である。より多数の単位構造２０を高密度に配列したカーボンナノチューブアレイ５０を実装することによって、より複雑な論理回路をカーボンナノチューブアレイ５０を用いて構成できる。
【００２０】
半導体装置１００に実装されるカーボンナノチューブアレイ５０は、図２（ａ）に示すように、ＣＮＴ１と、ＣＮＴ１の一方の端部に接続する第１の電極２と、ＣＮＴ１の他方の端部に接続する第２の電極３とからなる単位構造２０が、基板６上の任意の位置に高密度に多数配列されて構成される。また、構造２１のように、２つの単位構造２０に含まれる夫々のＣＮＴ１が交差した形状とすることもできる。このとき構造２１に含まれる２本のＣＮＴ１は、電気的絶縁状態にあるが、ＣＮＴ１の交差位置でアーキング（Arcing）を起こさせたり、この交差位置に電極等を設けることによって、電気的に接続した構造とすることもできる。
【００２１】
カーボンナノチューブアレイ５０が形成される基板６は、従来方式の半導体プロセス技術を利用することができるので、Ｓｉ，ＧａＡｓ又はＩｎＰ等の半導体基板であることが望ましいが、特に半導体基板に限定されるものではなく、石英基板、サファイア基板及びこれらの絶縁基板表面に半導体又は導電性薄膜等が堆積された基板並びにＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板のような積層基板も用いることができる。なお、ポリイミド及びポリカーボネイトのような有機物からなる基板は、カーボンナノチューブアレイ５０の製造に使用する荷電粒子線により基板表面のＣ−Ｃ結合が切断され、カーボン（Ｃ）等による汚染が発生するので、そのまま用いることは好ましくない。
【００２２】
このような基板６表面には、図２（ｂ）に示すように、第１絶縁膜５が形成されても良い。この第１絶縁膜５は、例えば基板６が図１に示した半導体装置１００に用いたようなＳｉ基板である場合、熱酸化又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等により成膜されたＳｉＯｘ及びＳｉＮ（窒化シリコン）膜等が採用される。第１絶縁膜５の厚さは、特に限定されるものではないが、従来の半導体プロセス技術で成膜可能な範囲、即ち、１０ｎｍ乃至１μｍ程度で、基板６に造り込まれる他の素子の製造プロセスと整合が取れる範囲であれば良い。
【００２３】
基板６上に第１絶縁膜５が形成された場合、カーボンナノチューブアレイ５０は第１絶縁膜５上に形成される。カーボンナノチューブアレイ５０では、触媒層４が第１絶縁膜５上の任意の位置に複数の島状に配列されており、夫々の触媒層４の表面を保護膜７がＣＮＴ１の成長起点となった部分を除いて覆っている。触媒層４の保護膜７で覆われていない部分にはＣＮＴ１の一方の端部が接続している。第１の電極２は、このＣＮＴ１の端部と接続すると共に保護膜７の表面を覆う導電性物質により構成される。第２の電極３は、ＣＮＴ１の第１の電極２が接続されていない端部に接続された導電性物質により構成される。
【００２４】
このようなカーボンナノチューブアレイ５０において、触媒層４は、ＣＮＴ１の成長起点となる物質であって、特に、Ｆｅ（鉄），Ｃｏ（コバルト）又はＮｉ（ニッケル）のような磁性体であることが望ましい。一方、保護膜７は、ＣＮＴ１の成長を防止する物質であれば、無機物、有機物、金属及びこれらの混合物質又は合成物質のいずれであっても特に制限されるものではないが、触媒層４の表面を均一に覆うことができる薄膜であることが望ましい。
【００２５】
第１及び第２の電極２，３は、Ａｌ（アルミニウム），Ｓｉ（シリコン），Ｔｉ（チタン），Ｃｏ（コバルト），Ｃｕ（銅），Ｍｏ（モリブデン），Ｗ（タングステン），Ｐｔ（白金）及びＡｕ（金）のように、従来方式の半導体装置において電極材料として用いられる金属元素群から選択される１つ以上の元素を含む導電性物質により構成され、ＣＮＴ１の両端部に夫々形成される。
【００２６】
ＣＮＴ１は、単位構造２０が基板６上に高密度に配列されてナノメートル・サイズの電子デバイス、即ち、ナノデバイスとして機能するように、長さが５０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
ＣＮＴ１には、Ｌｉ（リチウム），Ｎａ（ナトリウム），Ｋ（カリウム），Ｒｂ（ルビジウム）及びＣｓ（セシウム）からなるアルカリ金属元素群又はＳｃ（スカンジウム），Ｙ（イットリウム），ランタノイド元素及びアクチノイド元素からなる希土類元素群に含まれる元素が、電子供与体としてドープされてもよい。このような電子供与体は、ＣＮＴ１に内包された状態であっても良い。このときＣＮＴ１はｎ型半導体の特性を有するので、このようなＣＮＴ１を用いた単位構造２０を基板６上の特定の位置に形成することによって、ＣＮＴ１によるｎ型ＦＥＴが基板６上の所定の位置に配される。
【００２８】
ＣＮＴ１は、電子受容体を内包することもできる。電子受容体としては、６０個以上の炭素原子が球殻状又は筒状の網構造を構成するフラーレン（Fullerene）が適当である。ＣＮＴ１に内包されるフラーレンは、更に、１個以上の金属原子を内包することができる。内包された金属原子は、フラーレン内部でイオン化されて金属イオンになっていても良い。この金属原子及び／又は金属イオンは、フラーレン内部に金属のハロゲン化合物として取り込まれた後に金属原子及び／又は金属イオンに還元されることによりフラーレンに内包される。このため、フラーレンに内包される金属原子及び／又は金属イオンは、そのハロゲン化合物が安定な状態を維持できる希土類元素群又は遷移金属元素群から選択され得る。また、ＣＮＴ１に内包されるフラーレンは、希土類元素群又は遷移金属元素群から選択される１つ以上の元素を含む磁性体を内包することもできる。
【００２９】
例えば、ＣＮＴ１に磁性体内包フラーレン等を内包させることによりＣＮＴ１の磁性の有無のような磁気特性を制御すると、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）現象を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）のような次世代のデバイスを、カーボンナノチューブアレイ５０を実装した高集積で小型の半導体装置１００として工業的に実現することも可能である。
【００３０】
なお、ＣＮＴ１は、単層（単一壁）ナノチューブ又は多層（多重壁）ナノチューブのいずれか一方に特に限定されるものではなく、単層ナノチューブ及び多層ナノチューブを、所望のデバイス特性及び集積度に応じて基板６上に配することができる。
【００３１】
カーボンナノチューブアレイ５０をＦＥＴのような電子デバイスとして動作させる場合、ＣＮＴ１には半導体特性を有するＣＮＴが採用されることは自明であるが、カーボンナノチューブアレイ５０は配線としても使用できる。この場合、ＣＮＴ１には導電性（金属性）のＣＮＴが採用される。特に、金属内包フラーレン等を内包させたＣＮＴ１は超伝導特性を有することが期待できるので、配線の微細化及び高密度化による配線遅延等の問題を解決し得る。
【００３２】
このように本実施形態に係る半導体装置１００によれば、ＣＮＴ１とその両端に接続する第１及び第２の電極２，３からなる単位構造２０を高密度に多数配列したカーボンナノチューブアレイ５０をＳｉ基板６上の特定の位置に配することができる。また、カーボンナノチューブアレイ５０のデバイス特性を、ＣＮＴ１に内包させる物質により制御できるので、基板６上の特定の位置に所望のデバイス特性を有するカーボンナノチューブアレイ５０を配置することができる。
【００３３】
従って、一次元量子細線として超高速動作が可能なカーボンナノチューブアレイ５０を実装したナノメートル・サイズの相補型ＦＥＴからなる複雑な論理回路を動作させ得る半導体装置１００を実現できる。
【００３４】
次に、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について、図３乃至図８を参照しながら詳しく説明する。
[第１の製造方法]
この製造方法では、上述したようなＳｉ基板６表面のＳｉＯｘ膜５上にｐ型ＦＥＴ２０ｐとｎ型ＦＥＴ２０ｎとを夫々形成することによって、電圧インバータ回路として動作する半導体装置１００を製造することを前提条件とする。
【００３５】
これを前提条件として、先ず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板６表面にＳｉＯｘ膜５を形成し、このＳｉＯｘ膜５上の任意の位置に、荷電粒子線を用いた加工により複数の島状に触媒層４を配列する。なお、図３には、１つの触媒層４が孤立して堆積された様子を示したが、実際には、このような触媒層４が複数形成され、２つの島状の触媒が一対を構成するように整然と配列される。
【００３６】
この触媒層４の形成に用いる荷電粒子線は、例えば、収束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）装置により生成する。
ＦＩＢ装置は、一般に、液体金属イオンとして公知のＧａイオン（Ｇａ+）等をイオン源として用い、Ｇａ融液等をエミッタ先端に垂らし、これに３０ｋＶ程度の加速電圧をかけることによってイオンを引き出す。このようにして引き出されたＧａイオン等によるビームは、ＦＩＢ装置の鏡筒内で電界により加速されると共に静電レンズ系によりビーム径が絞り込まれて、収束イオンビーム（以下、ＦＩＢと記載）となる。
【００３７】
このようなＦＩＢ装置は、半導体デバイス製造における微細加工プロセス等に利用される。例えば、ＦＩＢを、Ｓｉ基板等の表面に形成された薄膜の所望の位置に照射することによって、この薄膜のＳＩＭ（Scanning Ion Microscopy）像観察及びマスクレスエッチング（Maskless Etching）が可能となる。また、所望する物質の前駆体が含まれた原料ガスを供給しながらＳｉ基板等の表面にＦＩＢを照射することによって、この基板表面の限定された位置に所望の物質を堆積させるマスクレスデポジション（Maskless Deposition）が可能となる。このように、ＦＩＢ装置によれば、マスクレスエッチング及びマスクレスデポジションが可能となるので、任意の物質をサブミクロンのスケールで微細加工することができる。
【００３８】
ＦＩＢ装置は、任意の物質の微細加工をマスクを使用することなく行うため、ＦＩＢ照射による加工位置を正確に特定するための手段が内部に組み込まれている。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）がＦＩＢ装置に組み込まれている場合、ＳＥＭ像観察によりＦＩＢ照射位置を正確に特定することができる。ＳＥＭが組み込まれていない場合、イオンビームの照射により被加工物質に若干の損傷を与えるが、ＳＩＭ像観察によりＦＩＢ照射位置を特定する。現在、市販されているＦＩＢ装置では、分解能が約６ｎｍ程度のＳＩＭ像を観察することができるほどに装置性能が向上している。
【００３９】
このようなＧａをイオン源とするＦＩＢ装置内において、Ｎｉ（ＣＯ）4，Ｆｅ（ＣＯ）5又はＦｅ（ＯＨ）5のようなＮｉ，Ｆｅ又はＣｏ等の金属元素が含まれた原料ガスを供給しながら、Ｓｉ基板６表面に形成されたＳｉＯｘ膜５表面にＦＩＢを照射し、Ｎｉ，Ｆｅ又はＣｏ等の磁性を有する金属からなる触媒層４を、複数の島状に配列されるように堆積する。
【００４０】
触媒層４の形成条件は、ビーム電流が１００乃至２００ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶ程度の設定でＦＩＢを照射しながらＮｉ（ＣＯ）4ガスを原料ガスとして供給する。このとき照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢによるＮｉの堆積速度は、０．５乃至１．０μｍ3／秒程度である。触媒層４の大きさ及び形状は、ＦＩＢのビーム径を１０ｎｍ以下に絞り込むことにより１０ｎｍφ程度の円形島状とすることもできるが、本実施形態においては、ＦＩＢを走査することによって、図３に示すように、短辺の長さが１００ｎｍ程度で、厚さが１０ｎｍ程度の矩形状とする。
【００４１】
触媒層４の形成においては、原料ガスを分解して触媒層４を合成するために必要なエネルギーを、触媒層４を形成する範囲内に限定して与えることができればよいので、ＦＩＢの代わりに電子ビーム（ＥＢ）を用いることも可能である。
【００４２】
次に、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＣＮＴ１の成長を防止する保護膜７を成膜する。この保護膜７としては、例えば、フェナントレン（Phenanthrene：Ｃ14Ｈ10）のような芳香族系炭化水素化合物を原料ガスとして供給しながらＦＩＢを触媒層４表面に向けて照射することによって、触媒層４の全表面をピンホール等の欠陥なく覆うアモルファスカーボン（Ｃ）の薄膜を触媒層４表面に高精度に形成することができる。
【００４３】
このようなアモルファスカーボン薄膜では、触媒層４の側表面での堆積速度が上表面と比較して遅い。よって、触媒層４の側表面にも充分な厚さの保護膜７を成膜するため、触媒層４の上表面で厚さが３０ｎｍ程度のアモルファスカーボン薄膜が堆積するような条件を選択する。このとき触媒層４の側表面では、厚さが５ｎｍ程度のアモルファスカーボン薄膜が堆積する。アモルファスカーボン薄膜の堆積条件が、ビーム電流が３００ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶの場合、照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢによるカーボン（Ｃ）の堆積速度は、０．０２乃至０．０４μｍ3／秒程度である。
【００４４】
次に、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、保護膜７で覆われた触媒層４にＦＩＢによるマスクレスエッチングを施し、ＣＮＴ１の成長起点となる露出面に含まれる辺の長さが１０ｎｍ以下になるまで触媒層４を微細化する。ＦＩＢ装置によっては、ビームの安定性及びドリフトによる位置ずれ等を考慮する必要があるため、一度の加工で１０ｎｍ以下に微細化する方法によらず、ＦＩＢによるエッチング、触媒層４の形状確認、再エッチング及び形状の再確認を繰り返す方法を採用する。この方法により触媒層４の露出面に含まれる辺の長さを確実に１０ｎｍ以下の所望の長さに微細化できる。
【００４５】
このとき保護膜７は、ビームが広がったりずれたりしたような場合においても、加工位置以外ではＦＩＢによる照射損傷が触媒層４に入らないように触媒層４を保護する。また、保護膜７は、触媒層４の形状確認の際に用いられるＳＩＭ像観察により触媒層４が損傷することも防ぐ。
【００４６】
このようなＦＩＢによるマスクレスエッチングにおいては、ビーム電流が２０ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶの場合、照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢにより０．５μｍ3／秒程度のエッチング速度が得られるので、エッチングと形状確認とを繰り返す方法を用いても充分に実用的である。ＦＩＢによるマスクレスエッチングの速度は、ＦＩＢの加速電圧及びビーム電流の変更により制御することができるが、実際には、ＦＩＢ装置の仕様によって、加速電圧が１０乃至４０ｋＶ、ビーム電流が１ｐＡ乃至３０ｎＡ程度の範囲において、ＦＩＢの照***度及びＦＩＢによる照射損傷等を鑑みて加速電圧及びビーム電流を設定することによりエッチング速度が決定される。
【００４７】
触媒層４は、ＦＩＢによるマスクレスエッチング後、図５（ｂ）に示すように、ＦＩＢにより削り込まれた方向の面が露出し、この加工方向の辺の長さが１０ｎｍ以下となっている。また、触媒層４は、保護膜７により上表面を保護されているので、触媒層４の厚さは１０ｎｍのままである。即ち、触媒層４のＣＮＴ１を成長させる方向の断面は、１辺の長さが略１０ｎｍの正方形状になっている。
【００４８】
ＣＮＴ１は、成長起点となる触媒層４の形状に依存した形状で合成されるので、触媒層４を１辺の長さが略１０ｎｍの正方形状の断面を有するように加工することによって、この断面と直交する方向に直径が１０ｎｍ未満の単層のＣＮＴ１を１本だけ成長させることが可能となる。
【００４９】
次に、保護膜７を、ＦＩＢでのマスクレスエッチングにより微細化された触媒層４の全表面を覆うように、再び成膜する。そして、ＦＩＢでのマスクレスエッチングによって、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、触媒層４のＣＮＴ１を成長させる方向の表面に成膜された保護膜７を除去して触媒層４を露出させると共に、この保護膜７が除去された触媒層４の露出面から触媒層４を再びエッチングし、触媒層４の露出面の位置を微調整する。なお、図３に示した触媒層４の形成工程において、ＦＩＢのビーム径を１０ｎｍ以下に絞り込むことにより、直径が１０ｎｍ程度の円形島状のように触媒層４が微細に形成された場合、図４に示した保護膜７の形成及び図５に示した触媒層４の微細加工は必要ないので、最初の触媒層４の形成工程の後、この保護膜７の成膜及び触媒層４の露出面の形成を行う。
【００５０】
このようにして加工された触媒層４は、この表面が保護膜７により覆われているが、ＣＮＴ１の成長方向では保護膜７から露出している。保護膜７は、ＣＮＴ１の成長抑制物質であるアモルファスカーボンをＦＩＢを照射しながら堆積させたものであるから、ＣＮＴ１は、触媒層４の保護膜７により覆われた部分からは成長することができない。即ち、触媒層４の全表面を保護膜７で覆った後、ＣＮＴ１を成長させたい方向の保護膜７を除去して触媒層４の露出面を形成することによって、ＣＮＴ１の成長方向を高精度に制御することができる。
【００５１】
従って、触媒層４をＳｉ基板６上に形成する位置と触媒層４が保護膜７から露出する位置とを高精度に制御することによって、Ｓｉ基板６上の特定の位置にＣＮＴ１を特定の方向に向けて正確に配することが可能となる。このとき、触媒層４の露出面を形成する方向は特に限定されず、触媒層４の上表面を覆う保護膜７にＦＩＢを照射して直径が１０ｎｍ未満の開口部を設けることによって、触媒層４の露出面を触媒層４の上表面に取り、ここを成長起点としてＳｉ基板６表面と垂直方向にＣＮＴ１を成長させることもできる。また、触媒層４の上表面を覆う保護膜７の除去面積を大きくし、多数のＣＮＴ１をＳｉ基板６表面と垂直方向に成長させることもできる。
【００５２】
本実施形態では、保護膜７としてアモルファスカーボン薄膜を用いたが、保護膜７は、ＣＮＴ１の成長抑制物質であれば特にその材料を限定されず、無機物、有機物、金属及びこれらの化合物であっても良い。
【００５３】
次に、Ｃ2Ｈ2のような炭素含有物質を原料ガスとした熱ＣＶＤによりＣＮＴ１を合成する。ＣＮＴ１の合成は、内壁が石英で覆われたスチール製の気密チャンバーを用い、石英とスチール製のチャンバー壁との間に設置されたカーボンヒーターによりチャンバー内を７５０℃程度に加熱した状態で、ドライポンプによりチャンバー内を排気しながら、大気圧（１０１３２５Ｐａ）を維持できる流量のＣ2Ｈ2を約３０分間供給することにより行う。このときＣＮＴ１は、図７（ａ）に示すように、触媒層４の露出面を成長起点として、その先端部に触媒４ａが付着した状態で露出面と直交する方向に成長する。
【００５４】
触媒層４としてＮｉ，Ｆｅ及びＣｏのような磁性体を用いた場合、触媒層４の露出面と直交する方向に磁場を印加しながらＣＮＴ１を合成することによって、ＣＮＴ１の先端部に付着した触媒４ａをこの磁場方向に引き付けながらＣＮＴ１を成長させることができる。これによって、ＣＮＴ１の成長方向を磁場方向に規制することができるので、長さが３０ｎｍ以上のＣＮＴ１であっても、曲がることなく直線状に成長させることができる。
【００５５】
ＣＮＴ１の合成は、ＣＮＴ１が所望の長さに成長したときに終了するが、ＣＮＴ１の成長速度にはばらつきがあるため、長さが５０ｎｍ程度のＣＮＴ１を合成する条件であっても、１００ｎｍ程度の長さにまで成長するＣＮＴ１も存在する。このように所望の長さ以上に成長したＣＮＴ１は、ＣＶＤによる合成が終了した後、切断位置８にＦＩＢを照射することにより所望の長さに加工される。
【００５６】
次に、図７（ｂ）に示すように、ｎ型ＦＥＴ２０ｎを構成するＣＮＴ１の成長起点側及び終点側の夫々の端部に導電性物質からなる第１の電極２及び第２の電極３を形成する。ここで、ＣＮＴ１の切断位置８付近のＣ−Ｃ結合がＣＮＴ１切断時のＦＩＢ照射により損傷している可能性があるので、これを修復するためのアニール処理を電極形成前に行っても良い。アニール処理は、気密チャンバー内に電極形成前のＳｉ基板６を載置し、これをＣＮＴ１を構成するカーボンが酸化されないように、１×１０-6Ｐａ以上の高真空を維持しながら４００℃程度まで昇温することにより行う。
【００５７】
第１及び第２の電極２，３の形成は、ＦＩＢ装置によるマスクレスデポジションにより行う。例えば、有機金属ガスのような金属元素を含む原料ガスをＦＩＢ装置内に供給しながらＣＮＴ１の成長起点側及び終点側の夫々の端部にＦＩＢを照射することによって、このＦＩＢが照射された部分に原料ガスに含まれた金属を堆積させる。
【００５８】
ＣＮＴ１の成長起点側では、第１の電極２となる導電性物質が保護膜７の表面を完全に覆うように形成される。これによって、第１の電極２は、触媒層４の露出面であった位置でＣＮＴ１の成長起点側の端部と電気的に接続する。第２の電極３は、ＣＮＴ１の終点側の端部、即ち、ＦＩＢによる切断位置８に形成されたＣＮＴ１の開口部と電気的に接続するように形成される。第２の電極３を構成する導電性物質は、ＣＮＴ１の開口部を充分に覆うことができ、かつ他の配線との接続に際しても抵抗値の上昇及び断線等の欠陥が発生しないように、厚さが１００ｎｍ程度になるように堆積する。これによってｎ型ＦＥＴ２０ｎを完成する。
【００５９】
ＦＩＢ装置による導電性物質のマスクレスデポジションに用いる原料ガスは、例えば、Ｗにより第１及び第２の電極２，３を形成する場合、Ｗ（ＣＯ）6のようにＷを含み、ＦＩＢ照射により分解してＷを堆積させるガスを用いる。堆積条件としては、原料ガスとしてＷ（ＣＯ）6をＦＩＢ装置内に供給しながら、ビーム電流が１００乃至２００ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶ程度の設定で、第１又は第２の電極２，３を形成する位置にＦＩＢを照射する。このとき、照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢにより０．５乃至１．０μｍ3／秒程度のＷの堆積速度が得られる。
【００６０】
第１及び第２の電極２，３として用いるＷ等の導電性物質だけではなく触媒層４として用いるＮｉ等の磁性金属及び保護膜７として用いるアモルファスカーボン薄膜は、全てＦＩＢ又はＥＢのような荷電粒子線を用いたマスクレスデポジションにより堆積する。このような荷電粒子線による薄膜の堆積速度は、荷電粒子をビーム化するときの加速電圧及びビーム電流の変更により制御することができる。実際には、例えば、ＦＩＢ装置では、加速電圧が１０乃至４０ｋＶ、ビーム電流が１ｐＡ乃至３０ｎＡ程度の範囲において、ＦＩＢの照***度及びＦＩＢによる照射損傷等を鑑みて加速電圧及びビーム電流を設定することにより堆積速度が決定される。
【００６１】
次に、単位構造２０ｐを構成するＣＮＴ１に電子受容体を内包させる。上述した熱ＣＶＤにより合成されるＣＮＴ１は通常ｎ型の半導体特性を有する。よって、単位構造２０ｐを構成するＣＮＴ１に電子受容体を内包させることによって、単位構造２０ｐに含まれるＣＮＴ１の半導体特性をｐ型に変更する。
【００６２】
ＣＮＴ１に電子受容体としてフラーレンを内包させる場合、ＦＩＢの照射によりＣＮＴ１の切断位置８に開口部を形成した後、このＣＮＴ１が配置されたＳｉ基板６を内壁が石英で覆われた気密チャンバー内にフラーレンと共に載置し、１×１０-6Ｐａ以上の高真空を維持しながら４００℃程度に加熱する。これによって、フラーレンはＣＮＴ１の開口部からＣＮＴ１内の空隙に浸入し、ＣＮＴ１に内包される。
【００６３】
次に、ｎ型ＦＥＴ２０ｎに含まれるＣＮＴ１の両端に第１及び第２の電極２，３を形成したときと同様にして、電子受容体を内包したＣＮＴ１の両端に第１及び第２の電極２，３を形成する。これによってｐ型ＦＥＴ２０ｐを完成する。
【００６４】
最後に、ｎ型ＦＥＴ２０ｎ及びｐ型ＦＥＴ２０ｐの夫々の第１及び第２の電極２，３の間を埋めて各電極間の電気的絶縁性を保つと共にＣＮＴ１を物理的及び化学的衝撃から保護するため、層間絶縁膜９を成膜する。層間絶縁膜９は、ＳｉＯｘのような従来の半導体デバイスにおいて層間絶縁膜として使用される電気的絶縁性を有する膜を、厚さが１００ｎｍ程度となるように公知のＣＶＤ又は塗布法等により成膜する。
【００６５】
このような絶縁性の膜が第１及び第２の電極２，３の上表面に成膜された場合、公知のドライエッチング法等を用いた全面エッチバック又はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）のような平坦化方法により除去し、第１及び第２の電極２，３が電気的に接続可能となるようにする。このようにして半導体装置１００を完成する。
【００６６】
この第１の製造方法では、触媒層４の露出面の位置及び面積をＳｉ基板６上で任意に変更することができるので、この触媒層４の露出面を成長起点として合成されるＣＮＴ１の位置、形状及び成長方向を正確に制御できる。従って、ＣＮＴ１及びその両端の電極からなる単位構造２０をＳｉ基板６上の特定の位置に形成することができるので、複数の単位構造２０が配列されることにより電圧インバータ回路のような論理回路として超高速度で動作し得る半導体装置１００を、Ｓｉ基板６上に高密度に多数形成することができる。
【００６７】
また、第１及び第２の電極２，３を形成する前に、ＣＮＴ１の端部から電子供与体又は電子受容体等をＣＮＴ１に内包させることができるので、ＣＮＴ１の内包物によりＣＮＴ１の物理的及び化学的特性を制御できる。よって、ＣＮＴ１を組み込んだ半導体装置のデバイス特性を容易に制御できる。
【００６８】
[第２の製造方法]
ＣＮＴ１を３０ｎｍ以上の長さまで直線状に成長させる別の方法として、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板６表面に形成されたＳｉＯｘ膜５に、ＣＮＴ１の成長方向に沿った溝１０を予め形成しておくこともできる。
この方法では、先ず、単位構造２０を配置する部分のＳｉＯｘ膜５をエッチングして溝１０を形成する。ＳｉＯｘ膜５のエッチングは、ＦＩＢによるマスクレスエッチングを用いることが望ましいが、従来のフォトリソグラフィ法とドライエッチング法とを組み合わせても良い。
【００６９】
次に、ＳｉＯｘ膜５に形成された溝１０の内部に、第１の製造方法と同様にして、保護膜７に覆われた触媒層４を形成する。そして、溝１０内の保護膜７を除去して触媒層４の露出面を形成する。この溝１０内に形成された触媒層４の露出面を成長起点としてＣＮＴ１を合成することによって、溝１０に沿って直線状に成長したＣＮＴ１を得ることができる。この後、第１の製造方法と同様にして、第１及び第２の電極２，３と層間絶縁膜９とを形成して半導体装置１００を完成する。
【００７０】
この第２の製造方法では、１００ｎｍ以上のＣＮＴ１を直線状で形成できるばかりではなく、溝１０の形状を変更することによって、鉤状又は曲線状等の任意の形状のＣＮＴ１を合成することができる。従って、ＣＮＴ１を配線として引き回すような場合に好都合である。
【００７１】
[第３の製造方法]
第１の電極２を形成する前にＣＮＴ１の成長起点側の触媒層４及び保護膜７を除去し、第１の電極２と第２の電極３とを同じ構造とすることもできる。
この場合、第１の製造方法と同様にしてＣＮＴ１の合成工程迄を終了し、第１及び第２の電極２，３を形成する前に、層間絶縁膜９を１００ｎｍ程度の厚さで成膜してＣＮＴ１を保護する。
【００７２】
次に、この層間絶縁膜９の表面にＦＩＢを照射することによって、ＣＮＴ１の両端部の層間絶縁膜９とＣＮＴ１の成長起点側の触媒層４及び保護膜７とをマスクレスエッチングにより除去する。そして、ＣＮＴ１の両端部で層間絶縁膜９に形成された開口部に、ＦＩＢ装置でのマスクレスデポジションにより、第１の製造方法と同様にして、Ｗのような導電性物質を堆積することによって、第１及び第２の電極２，３を形成する。このようにして半導体装置１００を完成する。
【００７３】
この第３の製造方法では、ＦＩＢ装置でのマスクレスエッチングによって、第１及び第２の電極２，３の形成位置にある層間絶縁膜９と共に、この下層のＳｉＯｘ膜５も除去してから第１及び第２の電極２，３を形成することができる。
【００７４】
従って、従来の半導体プロセスによりＳｉＯｘ膜５下層に配線層及びメモリ素子等を予め作り込み、これらと単位構造２０とを第１又は第２の電極２，３により電気的に接続することができる。よって、従来の半導体プロセスによるサブミクロン又はミクロンスケールの比較的大きな基本構造とナノスケールの単位構造２０とを合わせて組み込んだ半導体装置を自在に設計及び製造することができる。
【００７５】
このように、本発明に係る実施形態としての半導体装置の製造方法によれば、ＣＮＴ１を、Ｓｉ基板６上の特定の位置で定められた方向に向けて正確に配置することができるので、ＣＮＴ１と第１及び第２の電極２，３とからなる単位構造２０をＳｉ基板６上の特定の位置に高密度に多数形成することができる。従って、一次元量子細線として超高速動作が可能なカーボンナノチューブアレイ５０を実装した半導体装置を効率的に製造することができる。
【００７６】
ＣＮＴ１に電子供与体、電子受容体又は磁性体内包フラーレン等を内包させることによって、ＣＮＴ１の物理的及び化学的特性を任意に変更することができる。従って、Ｓｉ基板６上の特定の位置に配されたＣＮＴ１を含むカーボンナノチューブアレイ５０のデバイス特性を容易に制御することができるので、ｐ型ＦＥＴ及びｎ型ＦＥＴから構成される相補型回路のように実用的かつ複雑な論理回路を高集積した半導体装置１００を工業的に生産することが可能となる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体装置によれば、荷電粒子線の照射幅により規定される形状及び一端部を有し、基板上に設けられた島状の触媒層と、この触媒層の一端部が露出されて、他の部分を覆った保護膜と、この保護膜から露出された触媒層の一端部から一の方向に向けて設けられた炭素管状体と、この炭素管状体の両端に設けられた電極とを備えるものである。
【００７８】
この構造によって、荷電粒子線の照射幅に依存した径の炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を基板上の特定の位置に高密度に多数配列できるので、一次元量子細線を備えて超高速動作が可能な半導体装置を実現できる。
【００７９】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、基板上の島状の触媒層を覆う保護膜を選択的に除去して少なくとも荷電粒子線の照射幅を有する触媒層の端部を露出し、露出した触媒層の端部から一方向に向けて炭素管状体を形成し、この炭素管状体の両端に電極を形成するものである。
【００８０】
この構成によって、保護膜から露出する触媒層の端部の位置及び形状を任意に変更できるので、この触媒層の端部を起点として形成される炭素管状体の位置、形状及び成長方向を容易に制御できる。
【００８１】
従って、荷電粒子線の照射幅により規定された数ナノメートルの径を有する炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を、基板上の特定の位置に高密度に多数配列できるので、一次元量子細線を備えて超高速動作が可能な半導体装置を工業的に製造することができる。
【００８２】
この発明は、炭素管状体及びその両端の電極からなる単位構造を高密度に多数配列したカーボンナノチューブアレイに適用して極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としての半導体装置１００の構成例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の実施形態としての半導体装置１００に実装されるカーボンナノチューブアレイ５０の構成例を示す図であって、図２（ａ）はカーボンナノチューブアレイ５０の模式的平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線での拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その１）であって、図３（ａ）は模式的平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その２）であって、図４（ａ）は模式的平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その３）であって、図５（ａ）は模式的平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図６】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その４）であって、図６（ａ）は模式的平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥ−Ｅ線断面図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。
【図７】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その５）である。
【図８】本発明の実施形態としての半導体装置１００の別の製造方法を示す工程図であって、図８（ａ）は模式的平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＧ−Ｇ線断面図である。
【符号の説明】
１・・・カーボンナノチューブ、２・・・第１の電極、３・・・第２の電極、４・・・触媒、６・・・基板、７・・・保護膜、５０・・・カーボンナノチューブアレイ、１００・・・半導体装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素管状体及びその両端の電極からなる単位構造を高密度に多数配列したカーボンナノチューブアレイに適用して好適な半導体装置及びその製造方法に関する。詳しくは、一端部を除く他の部分を保護膜に覆われると共に、基板上に島状に設けられた触媒層の端部から一方向に向けて延在する炭素管状体を備え、この触媒層の端部を荷電粒子線の照射幅により規定することによって、一次元量子細線として動作可能な炭素管状体及びその両端の電極からなる単位構造を高密度に多数配列できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、従来方式の半導体プロセス技術による半導体デバイスの高密度化及び高集積化は限界に近づいている。特に、ゲート長が０．１μｍ未満の半導体デバイスを製造するための微細加工技術は、ＡｒＦレーザによる露光では光学的に限界であることから、Ｆ2レーザ、電子線（ＥＢ）又はＸ線を用いた露光技術への移行期にあるが、ゲート長が０．１μｍ未満の半導体デバイスを生産するための技術として確立された露光技術はない。このため、半導体デバイスの小型化及び高速度化を、微細加工技術の向上に基づく半導体デバイスの高密度化及び高集積化により実現することは困難になりつつある。
【０００３】
カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと記載）は、単層（単一壁）ＣＮＴにおける直径が数ｎｍであることから、自然の一次元電気伝導細線として動作し得る構造を有している。このため、ＣＮＴは、一次元量子細線による超高速動作が可能なナノメートル・サイズの電子デバイス、即ち、ナノデバイスを、露光技術による制限を受けずに実現できる材料として注目され、半導体特性を有するＣＮＴを用いてＦＥＴ（Field Effect Transistor）等の電子デバイスを試作し、このデバイス特性を評価する試みが盛んになされている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００４】
ＣＮＴは、Ｆｅ粒子のような微細な金属触媒を成長起点とし、Ｃ2Ｈ2等を原料ガスとしたＣＶＤ法により成長させ得ることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。この触媒を成長起点とするＣＮＴの合成技術と従来方式の半導体プロセス技術とを組み合わせることによって、ＣＮＴを基板上の特定の位置に配してＣＮＴを用いた電子デバイスを実現する技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１１８２４８号公報（第７−９頁、第１６−１９図及び第２６図）
【非特許文献１】
Ali Javey et al. "Nano Letters", American Chemical Society, 2002, vol.2, No.9, p.929-932
【非特許文献２】
Nobuhide Yoneya et al. "Applied Physics Letters", American Institute of Physics, 16 September 2002, vol.81, No.12, p.2250-2252
【非特許文献３】
O.A.Nerushev et al. "Physica B", Elsevier Science B.V., 2002, No.323, p.51-59
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来方式のＣＮＴを用いた電子デバイスの製造方法によれば、以下のような問題がある。
（１）半導体特性を有するＣＮＴを、特定の位置で定められた方向に向けて正確に配置する効果的な実装技術がない。このため、ＣＮＴはナノメートル・サイズであるにも拘らず試作された素子の大きさは数μｍにも達している。
（２）半導体特性を有するＣＮＴのキャリア濃度を同一基板上で局所的に制御することが困難である。このため、ｐ型又はｎ型の半導体特性を有する多数のＣＮＴを基板上の特定の位置に形成することができない。従って、ｐ型ＦＥＴ及びｎ型ＦＥＴから構成される相補型の回路を工業的に生産することができない。
【０００７】
そこで、この発明は上述した課題を解決したものであって、ＣＮＴの位置、形状及び成長方向を制御すること及びＣＮＴとその両端の電極とからなる単位構造を高密度に多数配列できるようにした半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、荷電粒子線の照射幅により規定される形状及び一端部を有し、基板上に設けられた島状の触媒層と、この触媒層の一端部が露出されて、他の部分を覆った保護膜と、この保護膜から露出された触媒層の一端部から一の方向に向けて設けられた炭素管状体と、この炭素管状体の両端に設けられた電極とを備えるものである。
【０００９】
本発明に係る半導体装置によれば、触媒層が、基板上に島状に設けられ、荷電粒子線の照射幅により規定された形状及び面積である一端部を除いて、他の部分を保護膜により覆われる。この触媒層の端部から一方向に向けて炭素管状体が設けられ、この炭素管状体の両端に電極が設けられる。
【００１０】
従って、触媒層の一端部の位置、形状及び面積が炭素管状体の向き及び径を規定するので、荷電粒子線の照射幅により規定された数ナノメートルの径を有する炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの微小な単位構造を、基板上の特定の位置に高密度に多数配列できる。よって、一次元量子細線として超高速動作が可能な炭素管状体からなる論理回路を搭載した半導体装置を実現できる。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、荷電粒子線の照射幅により規定される島状の触媒層を基板上に形成する工程と、この基板上に形成された触媒層を保護膜により覆う工程と、この触媒層を覆う保護膜を選択的に除去して、少なくとも荷電粒子線の照射幅を有する触媒層の端部を露出する工程と、露出された触媒層の端部から一の方向に向けて炭素管状体を形成する工程と、この炭素管状体の両端に電極を形成する工程とを含むものである。
【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、保護膜から露出する触媒層の端部の位置及び形状を任意に変更できるので、この触媒層の端部を起点として形成される炭素管状体の位置、形状及び成長方向を正確に制御できる。
【００１３】
従って、荷電粒子線の照射幅により規定された数ナノメートルの径を有する炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を、基板上の特定の位置に高密度に多数配列することが容易となる。よって、一次元量子細線を備えて超高速動作が可能な半導体装置を工業的に製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体装置及びその製造方法の実施形態の一例について説明する。
図１は、本発明の実施形態としての半導体装置１００の構成例を示す模式図である。
この実施形態では、一端部を除く他の部分を保護膜により覆われて基板上に島状に設けられた触媒層と、保護膜に覆われた触媒層の端部から一方向に向けて設けられた炭素管状体としてのカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブの両端に設けられた電極とを備え、このカーボンナノチューブが設けられる触媒層の端部を荷電粒子線の照射幅により規定する。
【００１５】
これによって、数ナノメートルの径を有するカーボンナノチューブとその両端に設けられた電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を基板上の特定の位置に高密度に多数配列できるようにしたものである。
【００１６】
図１に示す半導体装置１００は、カーボンナノチューブ１（以下、ＣＮＴ１と記載）を用いた半導体装置の一例であり、ｎ型の半導体特性を有するＣＮＴ１とその両端に夫々設けられた第１及び第２の電極２，３とからなる単位構造２０ｎが組み込まれたｎ型ＦＥＴ２０ｎと、ｐ型の半導体特性を有するＣＮＴ１とその両端に夫々接続する第１及び第２の電極２，３とからなる単位構造２０ｐが組み込まれたｐ型ＦＥＴ２０ｐとで構成される論理回路が高速動作する半導体装置である。
【００１７】
半導体装置１００では、図１に示すように、Ｓｉ基板６表面に形成されたＳｉＯｘ（酸化シリコン）膜５上に、２つの単位構造２０ｎ，２０ｐが配列したカーボンナノチューブアレイ５０が形成されており、単位構造２０ｎと単位構造２０ｐとの間及びＣＮＴ１上の空隙を埋め込むように、層間絶縁膜９が成膜されている。単位構造２０ｎ，２０ｐの夫々のＣＮＴ１は、保護膜７に覆われた触媒層４の端部から一方向に向けて設けられており、その両端には導電性物質からなる第１及び第２の電極２，３が設けられている。第１の電極２は、触媒層４の表面を覆う保護膜７表面に、導電性物質が更に積層されることにより形成されている。
【００１８】
Ｓｉ基板６は、入力電圧Ｖinを印加するためのバックゲート（Backgate）となる。単位構造２０ｎの第１の電極２は、ｎ型ＦＥＴ２０ｎのドレイン（Drain）電極であり、ドレイン電圧Ｖ-を印加される。単位構造２０ｐの第２の電極３は、ｐ型ＦＥＴ２０ｐのドレイン電極であり、ドレイン電圧Ｖ+を印加される。そして、共用コンタクト（図示せず）が、単位構造２０ｎの第２の電極３及び単位構造２０ｐの第１の電極２と接続して出力電圧Ｖoutを出力する。これにより半導体装置１００は、電圧インバータ回路として動作する。
【００１９】
半導体装置１００は、相補型ＦＥＴによる最も簡単な論理回路の構成例であって、カーボンナノチューブアレイ５０を備えた半導体装置の一例である。より多数の単位構造２０を高密度に配列したカーボンナノチューブアレイ５０を実装することによって、より複雑な論理回路をカーボンナノチューブアレイ５０を用いて構成できる。
【００２０】
半導体装置１００に実装されるカーボンナノチューブアレイ５０は、図２（ａ）に示すように、ＣＮＴ１と、ＣＮＴ１の一方の端部に接続する第１の電極２と、ＣＮＴ１の他方の端部に接続する第２の電極３とからなる単位構造２０が、基板６上の任意の位置に高密度に多数配列されて構成される。また、構造２１のように、２つの単位構造２０に含まれる夫々のＣＮＴ１が交差した形状とすることもできる。このとき構造２１に含まれる２本のＣＮＴ１は、電気的絶縁状態にあるが、ＣＮＴ１の交差位置でアーキング（Arcing）を起こさせたり、この交差位置に電極等を設けることによって、電気的に接続した構造とすることもできる。
【００２１】
カーボンナノチューブアレイ５０が形成される基板６は、従来方式の半導体プロセス技術を利用することができるので、Ｓｉ，ＧａＡｓ又はＩｎＰ等の半導体基板であることが望ましいが、特に半導体基板に限定されるものではなく、石英基板、サファイア基板及びこれらの絶縁基板表面に半導体又は導電性薄膜等が堆積された基板並びにＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板のような積層基板も用いることができる。なお、ポリイミド及びポリカーボネイトのような有機物からなる基板は、カーボンナノチューブアレイ５０の製造に使用する荷電粒子線により基板表面のＣ−Ｃ結合が切断され、カーボン（Ｃ）等による汚染が発生するので、そのまま用いることは好ましくない。
【００２２】
このような基板６表面には、図２（ｂ）に示すように、第１絶縁膜５が形成されても良い。この第１絶縁膜５は、例えば基板６が図１に示した半導体装置１００に用いたようなＳｉ基板である場合、熱酸化又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等により成膜されたＳｉＯｘ及びＳｉＮ（窒化シリコン）膜等が採用される。第１絶縁膜５の厚さは、特に限定されるものではないが、従来の半導体プロセス技術で成膜可能な範囲、即ち、１０ｎｍ乃至１μｍ程度で、基板６に造り込まれる他の素子の製造プロセスと整合が取れる範囲であれば良い。
【００２３】
基板６上に第１絶縁膜５が形成された場合、カーボンナノチューブアレイ５０は第１絶縁膜５上に形成される。カーボンナノチューブアレイ５０では、触媒層４が第１絶縁膜５上の任意の位置に複数の島状に配列されており、夫々の触媒層４の表面を保護膜７がＣＮＴ１の成長起点となった部分を除いて覆っている。触媒層４の保護膜７で覆われていない部分にはＣＮＴ１の一方の端部が接続している。第１の電極２は、このＣＮＴ１の端部と接続すると共に保護膜７の表面を覆う導電性物質により構成される。第２の電極３は、ＣＮＴ１の第１の電極２が接続されていない端部に接続された導電性物質により構成される。
【００２４】
このようなカーボンナノチューブアレイ５０において、触媒層４は、ＣＮＴ１の成長起点となる物質であって、特に、Ｆｅ（鉄），Ｃｏ（コバルト）又はＮｉ（ニッケル）のような磁性体であることが望ましい。一方、保護膜７は、ＣＮＴ１の成長を防止する物質であれば、無機物、有機物、金属及びこれらの混合物質又は合成物質のいずれであっても特に制限されるものではないが、触媒層４の表面を均一に覆うことができる薄膜であることが望ましい。
【００２５】
第１及び第２の電極２，３は、Ａｌ（アルミニウム），Ｓｉ（シリコン），Ｔｉ（チタン），Ｃｏ（コバルト），Ｃｕ（銅），Ｍｏ（モリブデン），Ｗ（タングステン），Ｐｔ（白金）及びＡｕ（金）のように、従来方式の半導体装置において電極材料として用いられる金属元素群から選択される１つ以上の元素を含む導電性物質により構成され、ＣＮＴ１の両端部に夫々形成される。
【００２６】
ＣＮＴ１は、単位構造２０が基板６上に高密度に配列されてナノメートル・サイズの電子デバイス、即ち、ナノデバイスとして機能するように、長さが５０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
ＣＮＴ１には、Ｌｉ（リチウム），Ｎａ（ナトリウム），Ｋ（カリウム），Ｒｂ（ルビジウム）及びＣｓ（セシウム）からなるアルカリ金属元素群又はＳｃ（スカンジウム），Ｙ（イットリウム），ランタノイド元素及びアクチノイド元素からなる希土類元素群に含まれる元素が、電子供与体としてドープされてもよい。このような電子供与体は、ＣＮＴ１に内包された状態であっても良い。このときＣＮＴ１はｎ型半導体の特性を有するので、このようなＣＮＴ１を用いた単位構造２０を基板６上の特定の位置に形成することによって、ＣＮＴ１によるｎ型ＦＥＴが基板６上の所定の位置に配される。
【００２８】
ＣＮＴ１は、電子受容体を内包することもできる。電子受容体としては、６０個以上の炭素原子が球殻状又は筒状の網構造を構成するフラーレン（Fullerene）が適当である。ＣＮＴ１に内包されるフラーレンは、更に、１個以上の金属原子を内包することができる。内包された金属原子は、フラーレン内部でイオン化されて金属イオンになっていても良い。この金属原子及び／又は金属イオンは、フラーレン内部に金属のハロゲン化合物として取り込まれた後に金属原子及び／又は金属イオンに還元されることによりフラーレンに内包される。このため、フラーレンに内包される金属原子及び／又は金属イオンは、そのハロゲン化合物が安定な状態を維持できる希土類元素群又は遷移金属元素群から選択され得る。また、ＣＮＴ１に内包されるフラーレンは、希土類元素群又は遷移金属元素群から選択される１つ以上の元素を含む磁性体を内包することもできる。
【００２９】
例えば、ＣＮＴ１に磁性体内包フラーレン等を内包させることによりＣＮＴ１の磁性の有無のような磁気特性を制御すると、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）現象を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）のような次世代のデバイスを、カーボンナノチューブアレイ５０を実装した高集積で小型の半導体装置１００として工業的に実現することも可能である。
【００３０】
なお、ＣＮＴ１は、単層（単一壁）ナノチューブ又は多層（多重壁）ナノチューブのいずれか一方に特に限定されるものではなく、単層ナノチューブ及び多層ナノチューブを、所望のデバイス特性及び集積度に応じて基板６上に配することができる。
【００３１】
カーボンナノチューブアレイ５０をＦＥＴのような電子デバイスとして動作させる場合、ＣＮＴ１には半導体特性を有するＣＮＴが採用されることは自明であるが、カーボンナノチューブアレイ５０は配線としても使用できる。この場合、ＣＮＴ１には導電性（金属性）のＣＮＴが採用される。特に、金属内包フラーレン等を内包させたＣＮＴ１は超伝導特性を有することが期待できるので、配線の微細化及び高密度化による配線遅延等の問題を解決し得る。
【００３２】
このように本実施形態に係る半導体装置１００によれば、ＣＮＴ１とその両端に接続する第１及び第２の電極２，３からなる単位構造２０を高密度に多数配列したカーボンナノチューブアレイ５０をＳｉ基板６上の特定の位置に配することができる。また、カーボンナノチューブアレイ５０のデバイス特性を、ＣＮＴ１に内包させる物質により制御できるので、基板６上の特定の位置に所望のデバイス特性を有するカーボンナノチューブアレイ５０を配置することができる。
【００３３】
従って、一次元量子細線として超高速動作が可能なカーボンナノチューブアレイ５０を実装したナノメートル・サイズの相補型ＦＥＴからなる複雑な論理回路を動作させ得る半導体装置１００を実現できる。
【００３４】
次に、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について、図３乃至図８を参照しながら詳しく説明する。
[第１の製造方法]
この製造方法では、上述したようなＳｉ基板６表面のＳｉＯｘ膜５上にｐ型ＦＥＴ２０ｐとｎ型ＦＥＴ２０ｎとを夫々形成することによって、電圧インバータ回路として動作する半導体装置１００を製造することを前提条件とする。
【００３５】
これを前提条件として、先ず、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板６表面にＳｉＯｘ膜５を形成し、このＳｉＯｘ膜５上の任意の位置に、荷電粒子線を用いた加工により複数の島状に触媒層４を配列する。なお、図３には、１つの触媒層４が孤立して堆積された様子を示したが、実際には、このような触媒層４が複数形成され、２つの島状の触媒が一対を構成するように整然と配列される。
【００３６】
この触媒層４の形成に用いる荷電粒子線は、例えば、収束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）装置により生成する。
ＦＩＢ装置は、一般に、液体金属イオンとして公知のＧａイオン（Ｇａ+）等をイオン源として用い、Ｇａ融液等をエミッタ先端に垂らし、これに３０ｋＶ程度の加速電圧をかけることによってイオンを引き出す。このようにして引き出されたＧａイオン等によるビームは、ＦＩＢ装置の鏡筒内で電界により加速されると共に静電レンズ系によりビーム径が絞り込まれて、収束イオンビーム（以下、ＦＩＢと記載）となる。
【００３７】
このようなＦＩＢ装置は、半導体デバイス製造における微細加工プロセス等に利用される。例えば、ＦＩＢを、Ｓｉ基板等の表面に形成された薄膜の所望の位置に照射することによって、この薄膜のＳＩＭ（Scanning Ion Microscopy）像観察及びマスクレスエッチング（Maskless Etching）が可能となる。また、所望する物質の前駆体が含まれた原料ガスを供給しながらＳｉ基板等の表面にＦＩＢを照射することによって、この基板表面の限定された位置に所望の物質を堆積させるマスクレスデポジション（Maskless Deposition）が可能となる。このように、ＦＩＢ装置によれば、マスクレスエッチング及びマスクレスデポジションが可能となるので、任意の物質をサブミクロンのスケールで微細加工することができる。
【００３８】
ＦＩＢ装置は、任意の物質の微細加工をマスクを使用することなく行うため、ＦＩＢ照射による加工位置を正確に特定するための手段が内部に組み込まれている。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）がＦＩＢ装置に組み込まれている場合、ＳＥＭ像観察によりＦＩＢ照射位置を正確に特定することができる。ＳＥＭが組み込まれていない場合、イオンビームの照射により被加工物質に若干の損傷を与えるが、ＳＩＭ像観察によりＦＩＢ照射位置を特定する。現在、市販されているＦＩＢ装置では、分解能が約６ｎｍ程度のＳＩＭ像を観察することができるほどに装置性能が向上している。
【００３９】
このようなＧａをイオン源とするＦＩＢ装置内において、Ｎｉ（ＣＯ）4，Ｆｅ（ＣＯ）5又はＦｅ（ＯＨ）5のようなＮｉ，Ｆｅ又はＣｏ等の金属元素が含まれた原料ガスを供給しながら、Ｓｉ基板６表面に形成されたＳｉＯｘ膜５表面にＦＩＢを照射し、Ｎｉ，Ｆｅ又はＣｏ等の磁性を有する金属からなる触媒層４を、複数の島状に配列されるように堆積する。
【００４０】
触媒層４の形成条件は、ビーム電流が１００乃至２００ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶ程度の設定でＦＩＢを照射しながらＮｉ（ＣＯ）4ガスを原料ガスとして供給する。このとき照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢによるＮｉの堆積速度は、０．５乃至１．０μｍ3／秒程度である。触媒層４の大きさ及び形状は、ＦＩＢのビーム径を１０ｎｍ以下に絞り込むことにより１０ｎｍφ程度の円形島状とすることもできるが、本実施形態においては、ＦＩＢを走査することによって、図３に示すように、短辺の長さが１００ｎｍ程度で、厚さが１０ｎｍ程度の矩形状とする。
【００４１】
触媒層４の形成においては、原料ガスを分解して触媒層４を合成するために必要なエネルギーを、触媒層４を形成する範囲内に限定して与えることができればよいので、ＦＩＢの代わりに電子ビーム（ＥＢ）を用いることも可能である。
【００４２】
次に、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＣＮＴ１の成長を防止する保護膜７を成膜する。この保護膜７としては、例えば、フェナントレン（Phenanthrene：Ｃ14Ｈ10）のような芳香族系炭化水素化合物を原料ガスとして供給しながらＦＩＢを触媒層４表面に向けて照射することによって、触媒層４の全表面をピンホール等の欠陥なく覆うアモルファスカーボン（Ｃ）の薄膜を触媒層４表面に高精度に形成することができる。
【００４３】
このようなアモルファスカーボン薄膜では、触媒層４の側表面での堆積速度が上表面と比較して遅い。よって、触媒層４の側表面にも充分な厚さの保護膜７を成膜するため、触媒層４の上表面で厚さが３０ｎｍ程度のアモルファスカーボン薄膜が堆積するような条件を選択する。このとき触媒層４の側表面では、厚さが５ｎｍ程度のアモルファスカーボン薄膜が堆積する。アモルファスカーボン薄膜の堆積条件が、ビーム電流が３００ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶの場合、照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢによるカーボン（Ｃ）の堆積速度は、０．０２乃至０．０４μｍ3／秒程度である。
【００４４】
次に、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、保護膜７で覆われた触媒層４にＦＩＢによるマスクレスエッチングを施し、ＣＮＴ１の成長起点となる露出面に含まれる辺の長さが１０ｎｍ以下になるまで触媒層４を微細化する。ＦＩＢ装置によっては、ビームの安定性及びドリフトによる位置ずれ等を考慮する必要があるため、一度の加工で１０ｎｍ以下に微細化する方法によらず、ＦＩＢによるエッチング、触媒層４の形状確認、再エッチング及び形状の再確認を繰り返す方法を採用する。この方法により触媒層４の露出面に含まれる辺の長さを確実に１０ｎｍ以下の所望の長さに微細化できる。
【００４５】
このとき保護膜７は、ビームが広がったりずれたりしたような場合においても、加工位置以外ではＦＩＢによる照射損傷が触媒層４に入らないように触媒層４を保護する。また、保護膜７は、触媒層４の形状確認の際に用いられるＳＩＭ像観察により触媒層４が損傷することも防ぐ。
【００４６】
このようなＦＩＢによるマスクレスエッチングにおいては、ビーム電流が２０ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶの場合、照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢにより０．５μｍ3／秒程度のエッチング速度が得られるので、エッチングと形状確認とを繰り返す方法を用いても充分に実用的である。ＦＩＢによるマスクレスエッチングの速度は、ＦＩＢの加速電圧及びビーム電流の変更により制御することができるが、実際には、ＦＩＢ装置の仕様によって、加速電圧が１０乃至４０ｋＶ、ビーム電流が１ｐＡ乃至３０ｎＡ程度の範囲において、ＦＩＢの照***度及びＦＩＢによる照射損傷等を鑑みて加速電圧及びビーム電流を設定することによりエッチング速度が決定される。
【００４７】
触媒層４は、ＦＩＢによるマスクレスエッチング後、図５（ｂ）に示すように、ＦＩＢにより削り込まれた方向の面が露出し、この加工方向の辺の長さが１０ｎｍ以下となっている。また、触媒層４は、保護膜７により上表面を保護されているので、触媒層４の厚さは１０ｎｍのままである。即ち、触媒層４のＣＮＴ１を成長させる方向の断面は、１辺の長さが略１０ｎｍの正方形状になっている。
【００４８】
ＣＮＴ１は、成長起点となる触媒層４の形状に依存した形状で合成されるので、触媒層４を１辺の長さが略１０ｎｍの正方形状の断面を有するように加工することによって、この断面と直交する方向に直径が１０ｎｍ未満の単層のＣＮＴ１を１本だけ成長させることが可能となる。
【００４９】
次に、保護膜７を、ＦＩＢでのマスクレスエッチングにより微細化された触媒層４の全表面を覆うように、再び成膜する。そして、ＦＩＢでのマスクレスエッチングによって、図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、触媒層４のＣＮＴ１を成長させる方向の表面に成膜された保護膜７を除去して触媒層４を露出させると共に、この保護膜７が除去された触媒層４の露出面から触媒層４を再びエッチングし、触媒層４の露出面の位置を微調整する。なお、図３に示した触媒層４の形成工程において、ＦＩＢのビーム径を１０ｎｍ以下に絞り込むことにより、直径が１０ｎｍ程度の円形島状のように触媒層４が微細に形成された場合、図４に示した保護膜７の形成及び図５に示した触媒層４の微細加工は必要ないので、最初の触媒層４の形成工程の後、この保護膜７の成膜及び触媒層４の露出面の形成を行う。
【００５０】
このようにして加工された触媒層４は、この表面が保護膜７により覆われているが、ＣＮＴ１の成長方向では保護膜７から露出している。保護膜７は、ＣＮＴ１の成長抑制物質であるアモルファスカーボンをＦＩＢを照射しながら堆積させたものであるから、ＣＮＴ１は、触媒層４の保護膜７により覆われた部分からは成長することができない。即ち、触媒層４の全表面を保護膜７で覆った後、ＣＮＴ１を成長させたい方向の保護膜７を除去して触媒層４の露出面を形成することによって、ＣＮＴ１の成長方向を高精度に制御することができる。
【００５１】
従って、触媒層４をＳｉ基板６上に形成する位置と触媒層４が保護膜７から露出する位置とを高精度に制御することによって、Ｓｉ基板６上の特定の位置にＣＮＴ１を特定の方向に向けて正確に配することが可能となる。このとき、触媒層４の露出面を形成する方向は特に限定されず、触媒層４の上表面を覆う保護膜７にＦＩＢを照射して直径が１０ｎｍ未満の開口部を設けることによって、触媒層４の露出面を触媒層４の上表面に取り、ここを成長起点としてＳｉ基板６表面と垂直方向にＣＮＴ１を成長させることもできる。また、触媒層４の上表面を覆う保護膜７の除去面積を大きくし、多数のＣＮＴ１をＳｉ基板６表面と垂直方向に成長させることもできる。
【００５２】
本実施形態では、保護膜７としてアモルファスカーボン薄膜を用いたが、保護膜７は、ＣＮＴ１の成長抑制物質であれば特にその材料を限定されず、無機物、有機物、金属及びこれらの化合物であっても良い。
【００５３】
次に、Ｃ2Ｈ2のような炭素含有物質を原料ガスとした熱ＣＶＤによりＣＮＴ１を合成する。ＣＮＴ１の合成は、内壁が石英で覆われたスチール製の気密チャンバーを用い、石英とスチール製のチャンバー壁との間に設置されたカーボンヒーターによりチャンバー内を７５０℃程度に加熱した状態で、ドライポンプによりチャンバー内を排気しながら、大気圧（１０１３２５Ｐａ）を維持できる流量のＣ2Ｈ2を約３０分間供給することにより行う。このときＣＮＴ１は、図７（ａ）に示すように、触媒層４の露出面を成長起点として、その先端部に触媒４ａが付着した状態で露出面と直交する方向に成長する。
【００５４】
触媒層４としてＮｉ，Ｆｅ及びＣｏのような磁性体を用いた場合、触媒層４の露出面と直交する方向に磁場を印加しながらＣＮＴ１を合成することによって、ＣＮＴ１の先端部に付着した触媒４ａをこの磁場方向に引き付けながらＣＮＴ１を成長させることができる。これによって、ＣＮＴ１の成長方向を磁場方向に規制することができるので、長さが３０ｎｍ以上のＣＮＴ１であっても、曲がることなく直線状に成長させることができる。
【００５５】
ＣＮＴ１の合成は、ＣＮＴ１が所望の長さに成長したときに終了するが、ＣＮＴ１の成長速度にはばらつきがあるため、長さが５０ｎｍ程度のＣＮＴ１を合成する条件であっても、１００ｎｍ程度の長さにまで成長するＣＮＴ１も存在する。このように所望の長さ以上に成長したＣＮＴ１は、ＣＶＤによる合成が終了した後、切断位置８にＦＩＢを照射することにより所望の長さに加工される。
【００５６】
次に、図７（ｂ）に示すように、ｎ型ＦＥＴ２０ｎを構成するＣＮＴ１の成長起点側及び終点側の夫々の端部に導電性物質からなる第１の電極２及び第２の電極３を形成する。ここで、ＣＮＴ１の切断位置８付近のＣ−Ｃ結合がＣＮＴ１切断時のＦＩＢ照射により損傷している可能性があるので、これを修復するためのアニール処理を電極形成前に行っても良い。アニール処理は、気密チャンバー内に電極形成前のＳｉ基板６を載置し、これをＣＮＴ１を構成するカーボンが酸化されないように、１×１０-6Ｐａ以上の高真空を維持しながら４００℃程度まで昇温することにより行う。
【００５７】
第１及び第２の電極２，３の形成は、ＦＩＢ装置によるマスクレスデポジションにより行う。例えば、有機金属ガスのような金属元素を含む原料ガスをＦＩＢ装置内に供給しながらＣＮＴ１の成長起点側及び終点側の夫々の端部にＦＩＢを照射することによって、このＦＩＢが照射された部分に原料ガスに含まれた金属を堆積させる。
【００５８】
ＣＮＴ１の成長起点側では、第１の電極２となる導電性物質が保護膜７の表面を完全に覆うように形成される。これによって、第１の電極２は、触媒層４の露出面であった位置でＣＮＴ１の成長起点側の端部と電気的に接続する。第２の電極３は、ＣＮＴ１の終点側の端部、即ち、ＦＩＢによる切断位置８に形成されたＣＮＴ１の開口部と電気的に接続するように形成される。第２の電極３を構成する導電性物質は、ＣＮＴ１の開口部を充分に覆うことができ、かつ他の配線との接続に際しても抵抗値の上昇及び断線等の欠陥が発生しないように、厚さが１００ｎｍ程度になるように堆積する。これによってｎ型ＦＥＴ２０ｎを完成する。
【００５９】
ＦＩＢ装置による導電性物質のマスクレスデポジションに用いる原料ガスは、例えば、Ｗにより第１及び第２の電極２，３を形成する場合、Ｗ（ＣＯ）6のようにＷを含み、ＦＩＢ照射により分解してＷを堆積させるガスを用いる。堆積条件としては、原料ガスとしてＷ（ＣＯ）6をＦＩＢ装置内に供給しながら、ビーム電流が１００乃至２００ｐＡ、加速電圧が３０ｋＶ程度の設定で、第１又は第２の電極２，３を形成する位置にＦＩＢを照射する。このとき、照射量が１ｎＡの垂直入射のＦＩＢにより０．５乃至１．０μｍ3／秒程度のＷの堆積速度が得られる。
【００６０】
第１及び第２の電極２，３として用いるＷ等の導電性物質だけではなく触媒層４として用いるＮｉ等の磁性金属及び保護膜７として用いるアモルファスカーボン薄膜は、全てＦＩＢ又はＥＢのような荷電粒子線を用いたマスクレスデポジションにより堆積する。このような荷電粒子線による薄膜の堆積速度は、荷電粒子をビーム化するときの加速電圧及びビーム電流の変更により制御することができる。実際には、例えば、ＦＩＢ装置では、加速電圧が１０乃至４０ｋＶ、ビーム電流が１ｐＡ乃至３０ｎＡ程度の範囲において、ＦＩＢの照***度及びＦＩＢによる照射損傷等を鑑みて加速電圧及びビーム電流を設定することにより堆積速度が決定される。
【００６１】
次に、単位構造２０ｐを構成するＣＮＴ１に電子受容体を内包させる。上述した熱ＣＶＤにより合成されるＣＮＴ１は通常ｎ型の半導体特性を有する。よって、単位構造２０ｐを構成するＣＮＴ１に電子受容体を内包させることによって、単位構造２０ｐに含まれるＣＮＴ１の半導体特性をｐ型に変更する。
【００６２】
ＣＮＴ１に電子受容体としてフラーレンを内包させる場合、ＦＩＢの照射によりＣＮＴ１の切断位置８に開口部を形成した後、このＣＮＴ１が配置されたＳｉ基板６を内壁が石英で覆われた気密チャンバー内にフラーレンと共に載置し、１×１０-6Ｐａ以上の高真空を維持しながら４００℃程度に加熱する。これによって、フラーレンはＣＮＴ１の開口部からＣＮＴ１内の空隙に浸入し、ＣＮＴ１に内包される。
【００６３】
次に、ｎ型ＦＥＴ２０ｎに含まれるＣＮＴ１の両端に第１及び第２の電極２，３を形成したときと同様にして、電子受容体を内包したＣＮＴ１の両端に第１及び第２の電極２，３を形成する。これによってｐ型ＦＥＴ２０ｐを完成する。
【００６４】
最後に、ｎ型ＦＥＴ２０ｎ及びｐ型ＦＥＴ２０ｐの夫々の第１及び第２の電極２，３の間を埋めて各電極間の電気的絶縁性を保つと共にＣＮＴ１を物理的及び化学的衝撃から保護するため、層間絶縁膜９を成膜する。層間絶縁膜９は、ＳｉＯｘのような従来の半導体デバイスにおいて層間絶縁膜として使用される電気的絶縁性を有する膜を、厚さが１００ｎｍ程度となるように公知のＣＶＤ又は塗布法等により成膜する。
【００６５】
このような絶縁性の膜が第１及び第２の電極２，３の上表面に成膜された場合、公知のドライエッチング法等を用いた全面エッチバック又はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）のような平坦化方法により除去し、第１及び第２の電極２，３が電気的に接続可能となるようにする。このようにして半導体装置１００を完成する。
【００６６】
この第１の製造方法では、触媒層４の露出面の位置及び面積をＳｉ基板６上で任意に変更することができるので、この触媒層４の露出面を成長起点として合成されるＣＮＴ１の位置、形状及び成長方向を正確に制御できる。従って、ＣＮＴ１及びその両端の電極からなる単位構造２０をＳｉ基板６上の特定の位置に形成することができるので、複数の単位構造２０が配列されることにより電圧インバータ回路のような論理回路として超高速度で動作し得る半導体装置１００を、Ｓｉ基板６上に高密度に多数形成することができる。
【００６７】
また、第１及び第２の電極２，３を形成する前に、ＣＮＴ１の端部から電子供与体又は電子受容体等をＣＮＴ１に内包させることができるので、ＣＮＴ１の内包物によりＣＮＴ１の物理的及び化学的特性を制御できる。よって、ＣＮＴ１を組み込んだ半導体装置のデバイス特性を容易に制御できる。
【００６８】
[第２の製造方法]
ＣＮＴ１を３０ｎｍ以上の長さまで直線状に成長させる別の方法として、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板６表面に形成されたＳｉＯｘ膜５に、ＣＮＴ１の成長方向に沿った溝１０を予め形成しておくこともできる。
この方法では、先ず、単位構造２０を配置する部分のＳｉＯｘ膜５をエッチングして溝１０を形成する。ＳｉＯｘ膜５のエッチングは、ＦＩＢによるマスクレスエッチングを用いることが望ましいが、従来のフォトリソグラフィ法とドライエッチング法とを組み合わせても良い。
【００６９】
次に、ＳｉＯｘ膜５に形成された溝１０の内部に、第１の製造方法と同様にして、保護膜７に覆われた触媒層４を形成する。そして、溝１０内の保護膜７を除去して触媒層４の露出面を形成する。この溝１０内に形成された触媒層４の露出面を成長起点としてＣＮＴ１を合成することによって、溝１０に沿って直線状に成長したＣＮＴ１を得ることができる。この後、第１の製造方法と同様にして、第１及び第２の電極２，３と層間絶縁膜９とを形成して半導体装置１００を完成する。
【００７０】
この第２の製造方法では、１００ｎｍ以上のＣＮＴ１を直線状で形成できるばかりではなく、溝１０の形状を変更することによって、鉤状又は曲線状等の任意の形状のＣＮＴ１を合成することができる。従って、ＣＮＴ１を配線として引き回すような場合に好都合である。
【００７１】
[第３の製造方法]
第１の電極２を形成する前にＣＮＴ１の成長起点側の触媒層４及び保護膜７を除去し、第１の電極２と第２の電極３とを同じ構造とすることもできる。
この場合、第１の製造方法と同様にしてＣＮＴ１の合成工程迄を終了し、第１及び第２の電極２，３を形成する前に、層間絶縁膜９を１００ｎｍ程度の厚さで成膜してＣＮＴ１を保護する。
【００７２】
次に、この層間絶縁膜９の表面にＦＩＢを照射することによって、ＣＮＴ１の両端部の層間絶縁膜９とＣＮＴ１の成長起点側の触媒層４及び保護膜７とをマスクレスエッチングにより除去する。そして、ＣＮＴ１の両端部で層間絶縁膜９に形成された開口部に、ＦＩＢ装置でのマスクレスデポジションにより、第１の製造方法と同様にして、Ｗのような導電性物質を堆積することによって、第１及び第２の電極２，３を形成する。このようにして半導体装置１００を完成する。
【００７３】
この第３の製造方法では、ＦＩＢ装置でのマスクレスエッチングによって、第１及び第２の電極２，３の形成位置にある層間絶縁膜９と共に、この下層のＳｉＯｘ膜５も除去してから第１及び第２の電極２，３を形成することができる。
【００７４】
従って、従来の半導体プロセスによりＳｉＯｘ膜５下層に配線層及びメモリ素子等を予め作り込み、これらと単位構造２０とを第１又は第２の電極２，３により電気的に接続することができる。よって、従来の半導体プロセスによるサブミクロン又はミクロンスケールの比較的大きな基本構造とナノスケールの単位構造２０とを合わせて組み込んだ半導体装置を自在に設計及び製造することができる。
【００７５】
このように、本発明に係る実施形態としての半導体装置の製造方法によれば、ＣＮＴ１を、Ｓｉ基板６上の特定の位置で定められた方向に向けて正確に配置することができるので、ＣＮＴ１と第１及び第２の電極２，３とからなる単位構造２０をＳｉ基板６上の特定の位置に高密度に多数形成することができる。従って、一次元量子細線として超高速動作が可能なカーボンナノチューブアレイ５０を実装した半導体装置を効率的に製造することができる。
【００７６】
ＣＮＴ１に電子供与体、電子受容体又は磁性体内包フラーレン等を内包させることによって、ＣＮＴ１の物理的及び化学的特性を任意に変更することができる。従って、Ｓｉ基板６上の特定の位置に配されたＣＮＴ１を含むカーボンナノチューブアレイ５０のデバイス特性を容易に制御することができるので、ｐ型ＦＥＴ及びｎ型ＦＥＴから構成される相補型回路のように実用的かつ複雑な論理回路を高集積した半導体装置１００を工業的に生産することが可能となる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体装置によれば、荷電粒子線の照射幅により規定される形状及び一端部を有し、基板上に設けられた島状の触媒層と、この触媒層の一端部が露出されて、他の部分を覆った保護膜と、この保護膜から露出された触媒層の一端部から一の方向に向けて設けられた炭素管状体と、この炭素管状体の両端に設けられた電極とを備えるものである。
【００７８】
この構造によって、荷電粒子線の照射幅に依存した径の炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を基板上の特定の位置に高密度に多数配列できるので、一次元量子細線を備えて超高速動作が可能な半導体装置を実現できる。
【００７９】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、基板上の島状の触媒層を覆う保護膜を選択的に除去して少なくとも荷電粒子線の照射幅を有する触媒層の端部を露出し、露出した触媒層の端部から一方向に向けて炭素管状体を形成し、この炭素管状体の両端に電極を形成するものである。
【００８０】
この構成によって、保護膜から露出する触媒層の端部の位置及び形状を任意に変更できるので、この触媒層の端部を起点として形成される炭素管状体の位置、形状及び成長方向を容易に制御できる。
【００８１】
従って、荷電粒子線の照射幅により規定された数ナノメートルの径を有する炭素管状体とその両端の電極からなるナノメートル・サイズの単位構造を、基板上の特定の位置に高密度に多数配列できるので、一次元量子細線を備えて超高速動作が可能な半導体装置を工業的に製造することができる。
【００８２】
この発明は、炭素管状体及びその両端の電極からなる単位構造を高密度に多数配列したカーボンナノチューブアレイに適用して極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としての半導体装置１００の構成例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の実施形態としての半導体装置１００に実装されるカーボンナノチューブアレイ５０の構成例を示す図であって、図２（ａ）はカーボンナノチューブアレイ５０の模式的平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線での拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その１）であって、図３（ａ）は模式的平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その２）であって、図４（ａ）は模式的平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その３）であって、図５（ａ）は模式的平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図６】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その４）であって、図６（ａ）は模式的平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥ−Ｅ線断面図であり、図６（ｃ）は図６（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。
【図７】本発明の実施形態としての半導体装置１００の製造方法を示す工程図（その５）である。
【図８】本発明の実施形態としての半導体装置１００の別の製造方法を示す工程図であって、図８（ａ）は模式的平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＧ−Ｇ線断面図である。
【符号の説明】
１・・・カーボンナノチューブ、２・・・第１の電極、３・・・第２の電極、４・・・触媒、６・・・基板、７・・・保護膜、５０・・・カーボンナノチューブアレイ、１００・・・半導体装置
Claims (16)
- 基板に荷電粒子線を照射しながら金属元素が含まれた原料ガスを供給することにより前記基板上に前記金属元素を堆積させて前記金属元素からなる島状の触媒層を形成する工程と、
前記触媒層を炭素管状体の成長を防止する保護膜により覆う工程と、
前記保護膜および前記触媒層を荷電粒子線の照射によるマスクレスエッチングにより選択的に除去することにより前記触媒層の一端部を露出させ、この際、この露出した一端部の前記マスクレスエッチングによる加工方向の辺の長さが１０ｎｍ以下となるようにする工程と、
前記触媒層の前記一端部から一の方向に向けて炭素管状体を形成する工程と、
前記炭素管状体の両端に電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法。 - 前記保護膜を、前記炭素管状体の成長抑制物質の前駆体が含まれた原料ガスを前記荷電粒子線の照射下に供給することにより成膜する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記保護膜はアモルファスカーボン膜である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記電極を、金属元素が含まれた原料ガスを荷電粒子線の照射下に供給することにより前記金属元素を堆積させることにより形成する請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記炭素管状体の一端部より荷電粒子線を照射することにより当該炭素管状体の長さを制御する工程が前記電極を形成する工程の前に実施される請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記炭素管状体を形成する工程は、前記一の方向に印加された磁場の下で行われる請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記荷電粒子線は収束イオンビームである請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記荷電粒子線は電子ビームである請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記炭素管状体に電子供与体を内包させるか又は含有させる請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記電子供与体は、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ及びＣｓからなるアルカリ金属元素群又はＳｃ，Ｙ，ランタノイド元素及びアクチノイド元素からなる希土類元素群から選択されるいずれか１つ以上の元素を含む請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記炭素管状体に電子受容体を内包させる請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記電子受容体は、６０個以上の炭素原子からなる球殻状又は筒状の炭素分子である請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記炭素分子は、１個以上の金属原子及び／又は金属イオンを内包している請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属原子及び／又は金属イオンは、希土類元素群又は遷移金属元素群から選択される１つ以上の元素を含む請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記炭素分子は、希土類元素群又は遷移金属元素群から選択される１つ以上の元素を含む磁性体を内包している請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記触媒層は磁性体からなる請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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