JP2009252798A - Carbon nanotube field-effect transistor and its fabrication process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a field effect transistor using a carbon nanotube as a channel and a method for manufacturing the same.
カーボンナノチューブ(以下、「CNT」という)は、カイラリティにより半導体的または金属的な特性を示す、炭素原子からなる管状の物質である。CNTは、数ナノメートルの直径を有し、その電流密度が高いため、一次元伝導の非常に細い配線の形成を可能とし、高速動作の量子デバイスへの応用が期待されている。例えば、半導体的な特性を示すCNTを電界効果トランジスタ(以下「FET」という)のチャネルとする研究が、近年活発に行われている。 A carbon nanotube (hereinafter referred to as “CNT”) is a tubular substance composed of carbon atoms that exhibits semiconducting or metallic properties due to chirality. Since CNT has a diameter of several nanometers and high current density, it enables formation of very thin wiring with one-dimensional conduction, and is expected to be applied to a quantum device operating at high speed. For example, research has been actively conducted in recent years in which CNTs having semiconductor characteristics are used as channels of field effect transistors (hereinafter referred to as “FETs”).
CNTをチャネルとするカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(以下「CNT−FET」という)は、基板上に形成した触媒からCNTを成長させた後にCNTの両端にソース電極およびドレイン電極を形成する方法(直接成長法)や、溶媒に溶かしたCNTを基板上に分散させた後にCNTの両端にソース電極およびドレイン電極を形成する方法(分散法)などにより製造されている。 A carbon nanotube field effect transistor (hereinafter referred to as “CNT-FET”) using a CNT channel is a method in which a CNT is grown from a catalyst formed on a substrate and then a source electrode and a drain electrode are formed on both ends of the CNT (direct growth). Method) or a method in which CNT dissolved in a solvent is dispersed on a substrate and then source and drain electrodes are formed on both ends of the CNT (dispersion method).
例えば、特許文献1には、CNTをチャネルとするn型のCNT−FETが開示されている。この発明では、触媒から成長させたCNTの両端にソース電極およびドレイン電極を形成した後に、CNT上に窒素化合物(例えば、窒化シリコン)の膜を形成することで、n型のチャネルを有するCNT−FETを作製している。
しかしながら、上記従来の製造方法には、優れた電気伝導特性を安定して示すCNT−FETを再現性よく製造することができないという問題がある。 However, the conventional manufacturing method has a problem that a CNT-FET that stably exhibits excellent electrical conduction characteristics cannot be manufactured with good reproducibility.
上記従来の製造方法では、チャネルとなるCNTは、電極を形成する際に洗浄用薬品やパターニングのためのレジストなどに曝されるため、欠陥が形成されたり、レジストの残渣に汚染されたりしてしまう。このようにして形成された欠陥は、CNT−FETの電気伝導特性を劣化させる原因となる。また、欠陥の多いCNTは大気中の酸素や水分子などを吸着しやすくなるため、形成された欠陥は、製造プロセス中で除去しきれない汚染物質とともにCNT−FETのゲートバイアスに対する履歴特性の原因ともなる。 In the above conventional manufacturing method, the CNTs that become the channels are exposed to cleaning chemicals or resists for patterning when the electrodes are formed, so that defects are formed or the resist residues are contaminated. End up. The defects formed in this way cause deterioration of the electrical conduction characteristics of the CNT-FET. In addition, CNTs with many defects are likely to adsorb atmospheric oxygen, water molecules, etc., so the defects formed are the cause of hysteresis characteristics for the gate bias of CNT-FETs along with contaminants that cannot be removed during the manufacturing process. It also becomes.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、優れた電気伝導特性を安定して示すCNT−FETを再現性よく製造することができる方法、およびその方法により製造されたCNT−FETを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and a method capable of producing a CNT-FET stably exhibiting excellent electrical conduction characteristics with good reproducibility, and a CNT-FET produced by the method. The purpose is to provide.
本発明の電界効果トランジスタは、絶縁膜を有する半導体基板と、前記絶縁膜の上に配置されたカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブを被覆する保護膜と、前記保護膜の上にそれぞれ配置され、かつ前記保護膜に形成された接続孔を介して前記カーボンナノチューブにそれぞれ電気的に接続されているソース電極およびドレイン電極と、を有する。 The field effect transistor of the present invention includes a semiconductor substrate having an insulating film, a carbon nanotube disposed on the insulating film, a protective film covering the carbon nanotube, and a protective film covering the carbon nanotube, and A source electrode and a drain electrode, each of which is electrically connected to the carbon nanotube via a connection hole formed in the protective film.
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、絶縁膜を有する半導体基板を準備するステップと、前記半導体基板の絶縁膜上にカーボンナノチューブを配置するステップと、前記カーボンナノチューブ上に保護膜を形成するステップと、前記保護膜のソース電極形成予定領域およびドレイン電極形成予定領域にそれぞれ接続孔を形成して、前記カーボンナノチューブの一部を露出させるステップと、前記接続孔を介して前記カーボンナノチューブに電気的に接続できるように、前記保護膜のソース電極形成予定領域の上にソース電極を形成するステップと、前記接続孔を介して前記カーボンナノチューブに電気的に接続できるように、前記保護膜のドレイン電極形成予定領域の上にドレイン電極を形成するステップと、を含む。 The field effect transistor manufacturing method of the present invention includes a step of preparing a semiconductor substrate having an insulating film, a step of disposing a carbon nanotube on the insulating film of the semiconductor substrate, and a step of forming a protective film on the carbon nanotube. And forming a connection hole in each of the source electrode formation planned region and the drain electrode formation planned region of the protective film to expose a part of the carbon nanotube, and electrically connecting the carbon nanotube through the connection hole Forming a source electrode on the source electrode formation planned region of the protective film so as to be connected to the carbon nanotube, and a drain electrode of the protective film so as to be electrically connected to the carbon nanotube through the connection hole Forming a drain electrode on the region to be formed.
本発明によれば、特別な装置を用いなくても、優れた電気伝導特性を安定して示すCNT−FETを再現性よく製造することができる。したがって、本発明によれば、既存の一般的な製造装置を用いてCNT−FETを大量に歩留まりよく製造することができる。 According to the present invention, a CNT-FET that stably exhibits excellent electrical conduction characteristics can be produced with good reproducibility without using a special apparatus. Therefore, according to the present invention, a large amount of CNT-FETs can be manufactured with a high yield using an existing general manufacturing apparatus.
1.本発明のCNT−FET
本発明の製造方法により製造されるCNT−FET(以下「本発明のCNT−FET」ともいう)は、絶縁膜を有する半導体基板、前記絶縁膜の上に配置されたCNT(チャネル)、前記CNTを被覆する保護膜、前記保護膜の上に配置されたソース電極およびドレイン電極、ならびにゲート電極を有する。
1. CNT-FET of the present invention
A CNT-FET manufactured by the manufacturing method of the present invention (hereinafter also referred to as “CNT-FET of the present invention”) includes a semiconductor substrate having an insulating film, a CNT (channel) disposed on the insulating film, and the CNT , A source electrode and a drain electrode disposed on the protective film, and a gate electrode.
図1は、チャネルとなるCNTと、保護膜と、ソース電極およびドレイン電極との位置関係の一例を示すための、本発明のCNT−FETの断面図である。図1において、CNT−FET100は、半導体基板110、ソース電極120およびドレイン電極130、チャネルとなるCNT140、ならびに保護膜150を有する。この例では、半導体基板110は、その片面に絶縁膜112を有している。このCNT−FET100では、図示しないゲート電極に印加された電圧によって、ソース電極120とドレイン電極130との間に流れる電流が制御される。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a CNT-FET of the present invention for illustrating an example of a positional relationship between a CNT serving as a channel, a protective film, and a source electrode and a drain electrode. In FIG. 1, the CNT-FET 100 includes a
後述するように、本発明のCNT−FET100の製造方法は、CNT140を被覆する保護膜150に接続孔152を形成してCNT140の一部を露出させ、保護膜150の上に形成されたソース電極120およびドレイン電極130をその接続孔152を介してそれぞれCNT140に電気的に接続させることを特徴とする。したがって、本発明のCNT−FET100は、ソース電極120およびドレイン電極130が保護膜150の上に配置されており、かつソース電極120およびドレイン電極130が保護膜150に形成された接続孔152を介してそれぞれCNT140に電気的に接続されていることを特徴とする。
As will be described later, in the method of manufacturing the CNT-
[基板について]
本発明のCNT−FETに含まれる基板は、半導体基板であり、少なくともソース電極およびドレイン電極が配置された面が絶縁膜で被覆されている。半導体基板の材質は、特に限定されないが、例えばシリコン、ゲルマニウムなどの14族元素や、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウムリン(InP)などのIII−V化合物、テルル化亜鉛(ZnTe)などのII−VI化合物などである。半導体基板の大きさおよび厚さは、特に限定されず、適宜設定すればよい。絶縁膜の材質は、絶縁性および高い誘電率を有するものであれば特に限定されないが、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタンなどの無機化合物や、アクリル樹脂、ポリイミドなどの有機化合物などである。絶縁膜は、多層構造であってもよく、例えば酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を積層させた2層構造であってもよい。絶縁膜の厚さは、絶縁性を確保しうる厚さであれば特に限定されず、ゲート電極の位置などに応じて適宜設定すればよい。例えば、絶縁膜が酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を積層させた2層構造である場合、酸化シリコン膜の厚さは10nm〜1000nm(例えば80nm)であることが好ましく、窒化シリコン膜の厚さも10nm〜1000nm(例えば100nm)であることが好ましい。絶縁膜は、半導体基板の片面(ソース電極およびドレイン電極が配置された面)のみを被覆していてもよいし、両面を被覆していてもよい。また、絶縁膜は、ソース電極およびドレイン電極が配置された面の全部を被覆していてもよいし、一部(少なくともCNT、ソース電極およびドレイン電極が配置されている領域)を被覆していてもよい。
[Substrate]
The substrate included in the CNT-FET of the present invention is a semiconductor substrate, and at least the surface on which the source electrode and the drain electrode are arranged is covered with an insulating film. The material of the semiconductor substrate is not particularly limited. For example, group 14 elements such as silicon and germanium, III-V compounds such as gallium arsenide (GaAs) and indium phosphide (InP), and II- such as zinc telluride (ZnTe). And VI compounds. The size and thickness of the semiconductor substrate are not particularly limited and may be set as appropriate. The material of the insulating film is not particularly limited as long as it has an insulating property and a high dielectric constant. For example, inorganic compounds such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, and titanium oxide, and organic compounds such as acrylic resin and polyimide are used. It is. The insulating film may have a multilayer structure, for example, a two-layer structure in which a silicon nitride film is stacked on a silicon oxide film. The thickness of the insulating film is not particularly limited as long as the insulating property can be ensured, and may be set as appropriate according to the position of the gate electrode. For example, when the insulating film has a two-layer structure in which a silicon nitride film is stacked on a silicon oxide film, the thickness of the silicon oxide film is preferably 10 nm to 1000 nm (for example, 80 nm), and the thickness of the silicon nitride film Moreover, it is preferable that it is 10 nm-1000 nm (for example, 100 nm). The insulating film may cover only one surface of the semiconductor substrate (the surface on which the source electrode and the drain electrode are disposed) or may cover both surfaces. The insulating film may cover the entire surface on which the source electrode and the drain electrode are disposed, or may cover a part (at least a region in which the CNT, the source electrode and the drain electrode are disposed). Also good.
[チャネルについて]
本発明のCNT−FETにおいて、ソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルは、CNTから構成されている。チャネルを構成するCNTは、単層CNTまたは多層CNTのいずれでもよいが、単層CNTが好ましい。また、ソース電極とドレイン電極との間は、1本のCNTによって接続されていてもよいし、複数本のCNTによって接続されていてもよい。例えば、ソース電極とドレイン電極との間に複数本のCNTが折り重ねられて接続されていたり、CNTのバンドルによってソース電極−ドレイン電極間が接続されていたりしてもよい。
[About channels]
In the CNT-FET of the present invention, the channel connecting the source electrode and the drain electrode is composed of CNTs. The CNT constituting the channel may be either single-wall CNT or multi-wall CNT, but single-wall CNT is preferable. Further, the source electrode and the drain electrode may be connected by a single CNT, or may be connected by a plurality of CNTs. For example, a plurality of CNTs may be folded and connected between the source electrode and the drain electrode, or the source electrode and the drain electrode may be connected by a bundle of CNTs.
[保護膜について]
本発明のCNT−FETにおいて、チャネルとなるCNTは、保護膜により被覆されている。保護膜の材質は、絶縁性を有するものであれば特に限定されず、例えば、酸化シリコンや、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどである。保護膜は、CNTの周囲のみに形成されていてもよいし、基板のCNTが配置される面の全部または一部を被覆するように形成されていてもよい。保護膜の厚さは、チャネルとなるCNTを完全に被覆(保護)することができれば特に限定されないが、10nm〜100nm(例えば20nm)であることが好ましい。
[Protective film]
In the CNT-FET of the present invention, the CNT that becomes the channel is covered with a protective film. The material of the protective film is not particularly limited as long as it has insulating properties, and examples thereof include silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, and titanium oxide. The protective film may be formed only around the CNTs, or may be formed so as to cover all or part of the surface of the substrate on which the CNTs are arranged. The thickness of the protective film is not particularly limited as long as it can completely cover (protect) the CNT serving as a channel, but is preferably 10 nm to 100 nm (for example, 20 nm).
前述の通り、保護膜は、ソース電極またはドレイン電極がCNTに電気的に接続するための接続孔が形成されている。接続孔の位置は、ソース電極またはドレイン電極がCNTに接続しうる位置であれば特に限定されない。例えば、接続孔は、基板上面から見てソース電極またはドレイン電極とCNTとが重なって配置されている位置に基板面と垂直方向に形成されていればよい(図1参照)。ソース電極がCNTに接続するための接続孔とドレイン電極がCNTに接続するための接続孔との間隔は、特に限定されないが、10μm以下であることが好ましい。CNTは欠陥を有することがあるが、その場合であっても長さが10μm以下であれば欠陥を含まない可能性が高いからである。接続孔の大きさ(断面の直径)は、ソース電極およびドレイン電極がそれぞれCNTに電気的に接続しうる大きさであれば特に限定されない。 As described above, the protective film has a connection hole for the source electrode or the drain electrode to be electrically connected to the CNT. The position of the connection hole is not particularly limited as long as the source electrode or the drain electrode can be connected to the CNT. For example, the connection hole may be formed in a direction perpendicular to the substrate surface at a position where the source or drain electrode and the CNT overlap with each other when viewed from the upper surface of the substrate (see FIG. 1). The distance between the connection hole for connecting the source electrode to the CNT and the connection hole for connecting the drain electrode to the CNT is not particularly limited, but is preferably 10 μm or less. This is because CNT may have a defect, but even in that case, if the length is 10 μm or less, there is a high possibility that the CNT does not contain a defect. The size of the connection hole (cross-sectional diameter) is not particularly limited as long as the source electrode and the drain electrode can be electrically connected to the CNT.
[ソース電極およびドレイン電極について]
本発明のCNT−FETの保護膜上には、ソース電極およびドレイン電極が配置されている。ソース電極およびドレイン電極の材質は、例えば、金、白金、クロム、チタン、アルミニウム、パラジウム、モリブデンなどの金属、またはポリシリコンなどの半導体である。ソース電極およびドレイン電極は、2種以上の金属で多層構造にされていてもよく、例えばチタンの層に金の層を重ねたものでもよい。ソース電極およびドレイン電極の形状ならびに電極間の間隔は、特に限定されず、目的に応じて適宜設定すればよい。
[About source and drain electrodes]
A source electrode and a drain electrode are disposed on the protective film of the CNT-FET of the present invention. The material of the source electrode and the drain electrode is, for example, a metal such as gold, platinum, chromium, titanium, aluminum, palladium, molybdenum, or a semiconductor such as polysilicon. The source electrode and the drain electrode may have a multilayer structure of two or more kinds of metals. For example, the source electrode and the drain electrode may be formed by stacking a gold layer on a titanium layer. The shape of the source and drain electrodes and the interval between the electrodes are not particularly limited, and may be set as appropriate according to the purpose.
前述したように、ソース電極およびドレイン電極は、保護膜に形成された接続孔を介してそれぞれCNTに電気的に接続している。このとき、ソース電極およびドレイン電極は、CNTの側面にのみ接続していてもよいし(サイドコンタクト構造)、CNTの端面(切断面)にのみ接続していてもよいし(エンドコンタクト構造)、CNTの側面および端面に接続していてもよい。後述するように、保護膜に接続孔を形成する際に、ウェットエッチングにより保護膜のみをエッチングすれば、サイドコンタクト構造のCNT−FETを製造することができ、ドライエッチングにより保護膜だけでなくCNTもエッチングすれば、エンドコンタクト構造のCNT−FETを製造することができる。 As described above, the source electrode and the drain electrode are each electrically connected to the CNT through the connection hole formed in the protective film. At this time, the source electrode and the drain electrode may be connected only to the side surface of the CNT (side contact structure), or may be connected only to the end surface (cut surface) of the CNT (end contact structure), You may connect to the side surface and end surface of CNT. As will be described later, when forming the connection hole in the protective film, if only the protective film is etched by wet etching, a CNT-FET having a side contact structure can be manufactured. If CNT is also etched, a CNT-FET having an end contact structure can be manufactured.
[ゲート電極について]
前述の通り、本発明のCNT−FETはゲート電極を有する。ゲート電極の材質は、例えば、金、白金、クロム、チタン、真鍮、アルミニウムなどの金属である。ゲート電極は、例えば、任意の位置にこれらの金属を蒸着して形成される。また、別個に準備した電極(例えば、金の薄膜)を任意の位置に配置して、ゲート電極としてもよい。ゲート電極が配置される位置は、その電圧によって基板上に配置されたソース電極とドレイン電極との間に流れる電流(ソース−ドレイン電流)を制御できれば特に限定されず、目的に応じて適宜配置すればよい。例えば、本発明のCNT−FETは、ゲート電極の位置によりトップゲート型、サイドゲート型、バックゲート型の各態様を採ることができる。
[About gate electrode]
As described above, the CNT-FET of the present invention has a gate electrode. The material of the gate electrode is, for example, a metal such as gold, platinum, chromium, titanium, brass, and aluminum. The gate electrode is formed by evaporating these metals at an arbitrary position, for example. Alternatively, a separately prepared electrode (for example, a gold thin film) may be arranged at an arbitrary position to serve as a gate electrode. The position at which the gate electrode is disposed is not particularly limited as long as the current (source-drain current) flowing between the source electrode and the drain electrode disposed on the substrate can be controlled by the voltage, and the position is appropriately disposed according to the purpose. That's fine. For example, the CNT-FET of the present invention can adopt a top gate type, a side gate type, and a back gate type depending on the position of the gate electrode.
2.本発明のCNT−FETの製造方法
本発明のCNT−FETの製造方法は、(1)CNTを半導体基板の絶縁膜上に配置した後、かつソース電極およびドレイン電極を形成する前に、CNTを被覆する保護膜を形成すること、ならびに(2)保護膜に形成した接続孔を介してソース電極およびドレイン電極をそれぞれCNTに電気的に接続させることを特徴とする。「CNTの配置」や「ゲート電極の形成」などのステップは、従来の技術を適宜応用して行うことができる。
2. Manufacturing method of CNT-FET of the present invention The manufacturing method of CNT-FET of the present invention is as follows. (1) After CNT is arranged on an insulating film of a semiconductor substrate and before forming a source electrode and a drain electrode, A protective film to be covered is formed, and (2) a source electrode and a drain electrode are electrically connected to the CNTs through connection holes formed in the protective film, respectively. Steps such as “CNT placement” and “gate electrode formation” can be performed by appropriately applying conventional techniques.
[基板の準備]
まず、基板を準備する。基板は、前述の絶縁膜を有する半導体基板であることが好ましい。後述するように、ウェットエッチングを用いて接続孔を形成する際にフッ酸(HF)を含むエッチング液を用いる場合は、絶縁膜は、酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を積層した2層構造であることが好ましい。窒化シリコン膜がウェットエッチングのストッパーとして機能し、絶縁膜および半導体基板がエッチングされることを防ぐことができるからである。この場合、酸化シリコン膜は、半導体基板と窒化シリコン膜との接着性を向上させる機能を有する。
[Preparation of substrate]
First, a substrate is prepared. The substrate is preferably a semiconductor substrate having the aforementioned insulating film. As will be described later, when an etching solution containing hydrofluoric acid (HF) is used when forming the connection hole by wet etching, the insulating film is a two-layer structure in which a silicon nitride film is stacked on a silicon oxide film. It is preferable that This is because the silicon nitride film functions as a wet etching stopper and can prevent the insulating film and the semiconductor substrate from being etched. In this case, the silicon oxide film has a function of improving the adhesion between the semiconductor substrate and the silicon nitride film.
[CNTの配置]
準備した基板の絶縁膜上にチャネルとなるCNTを配置する。CNTを基板上に配置する方法は、前述の直接成長法や分散法などの従来から知られている方法を適宜用いればよい。例えば、CNTを成長させるための触媒層を基板の絶縁膜上の任意の位置に複数形成し、化学気相成長法によりCNTを成長させることで、触媒層間を接続するようにCNTを形成(配置)することができる。このとき、ソース電極の形成予定領域およびドレイン電極の形成予定領域の直下に位置するように触媒層を形成することで、ソース電極とドレイン電極とを容易に接続しうる位置にCNTを配置することができる。
[CNT arrangement]
A CNT to be a channel is disposed on the prepared insulating film of the substrate. As a method for arranging CNTs on a substrate, a conventionally known method such as the above-described direct growth method or dispersion method may be used as appropriate. For example, a plurality of catalyst layers for growing CNTs are formed at arbitrary positions on the insulating film of the substrate, and the CNTs are formed (arranged) by connecting the catalyst layers by growing the CNTs by chemical vapor deposition. )can do. At this time, the CNTs are arranged at positions where the source electrode and the drain electrode can be easily connected by forming the catalyst layer so as to be located immediately below the source electrode formation scheduled region and the drain electrode formation scheduled region. Can do.
[保護膜の形成]
基板上にCNTを配置した後、基板上のCNTを保護膜で被覆する。保護膜を形成する方法は、特に限定されないが、CNTの熱的損傷および化学的損傷が少ない方法が好ましい。このような方法の例としては、プラズマを用いず、かつ反応温度が低い、触媒CVD法やALD(Atomic Layer Deposition)法などが挙げられる。ALD法では、CNTに吸着している水分子を成膜の過程で除去できるため、CNT−FETの履歴特性を低減させることができる。また、ALD法では、単原子層ずつ保護膜を積層するため、膜の均一性やステップカバレージが高く、CNTの上部側面だけでなく下部側面まで回り込むように保護膜を形成することができる。
[Formation of protective film]
After the CNTs are arranged on the substrate, the CNTs on the substrate are covered with a protective film. The method for forming the protective film is not particularly limited, but a method in which the thermal damage and chemical damage of the CNTs are small is preferable. Examples of such a method include a catalytic CVD method and an ALD (Atomic Layer Deposition) method which do not use plasma and have a low reaction temperature. In the ALD method, water molecules adsorbed on the CNTs can be removed in the course of film formation, so that the hysteresis characteristics of the CNT-FET can be reduced. In addition, in the ALD method, since the protective film is laminated for each monoatomic layer, the uniformity of the film and the step coverage are high, and the protective film can be formed so as to extend not only to the upper side surface but also to the lower side surface.
保護膜の材質は、絶縁性を有するものであれば特に限定されない。例えば、保護膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムまたは酸化チタンからなる膜であればよい。保護膜の厚さは、チャネルとなるCNTを完全に被覆(保護)することができれば特に限定されないが、10nm〜100nm(例えば20nm)であることが好ましい。 The material of the protective film is not particularly limited as long as it has insulating properties. For example, the protective film may be a film made of silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, or titanium oxide. The thickness of the protective film is not particularly limited as long as it can completely cover (protect) the CNT serving as a channel, but is preferably 10 nm to 100 nm (for example, 20 nm).
前述のように、本発明の製造方法は、ソース電極およびドレイン電極を形成するためのプロセスに移る前に、チャネルとなるCNTを保護膜で被覆することを特徴とする。したがって、チャネルとなるCNTは、以後の製造プロセスにおいて物理的および化学的に保護される。この保護膜は、最終的なFETデバイスの保護膜としても機能することができる。 As described above, the manufacturing method of the present invention is characterized in that the CNT to be a channel is covered with the protective film before the process for forming the source electrode and the drain electrode is started. Therefore, the CNT that becomes the channel is physically and chemically protected in the subsequent manufacturing process. This protective film can also function as a protective film for the final FET device.
[接続孔の形成]
CNTを被覆する保護膜を形成した後、基板面に略垂直方向の接続孔を保護膜に形成して、保護膜に被覆されたCNTの一部を露出させる。このCNTの露出部はソース電極との接続部およびドレイン電極との接続部となるため、接続孔は少なくとも2つ(ソース電極用およびドレイン電極用)形成する。接続孔を形成する位置は、ソース電極またはドレイン電極がCNTに接続しうる位置であれば特に限定されず、例えば、ソース電極の形成予定領域およびドレイン電極の形成予定領域であればよい。ソース電極がCNTに接続するための接続孔とドレイン電極がCNTに接続するための接続孔との間隔は、特に限定されないが、10μm以下であることが好ましい。接続孔の大きさ(断面の直径)は、ソース電極およびドレイン電極がそれぞれCNTに電気的に接続しうる大きさであれば特に限定されない。
[Formation of connection holes]
After forming the protective film for covering the CNTs, a connection hole in a direction substantially perpendicular to the substrate surface is formed in the protective film to expose a part of the CNTs covered with the protective film. Since the exposed portion of the CNT becomes a connection portion with the source electrode and a connection portion with the drain electrode, at least two connection holes (for the source electrode and for the drain electrode) are formed. The position where the connection hole is formed is not particularly limited as long as the source electrode or the drain electrode can be connected to the CNT. For example, it may be a region where the source electrode is to be formed and a region where the drain electrode is to be formed. The distance between the connection hole for connecting the source electrode to the CNT and the connection hole for connecting the drain electrode to the CNT is not particularly limited, but is preferably 10 μm or less. The size of the connection hole (cross-sectional diameter) is not particularly limited as long as the source electrode and the drain electrode can be electrically connected to the CNT.
接続孔を形成する方法は、特に限定されず、ウェットエッチングやドライエッチングなどの従来から知られている方法を適宜用いればよい。例えば、酸化シリコンや酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムなどからなる保護膜にウェットエッチングを用いて接続孔を形成する場合は、保護膜表面の接続孔の形成予定領域以外の領域をレジスト膜でマスクした後、フッ酸を含むエッチング液でエッチングすればよい。このとき、基板の絶縁膜が酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を積層した2層構造であれば、窒化シリコン膜がウェットエッチングのストッパーとして機能するため、絶縁膜および半導体基板がエッチングされることを防ぐことができる。このようにウェットエッチングを行うことで、レジスト膜でマスクされていない領域(接続孔の形成予定領域)の保護膜が除去され、この領域の直下に存在するCNTの側面が露出する。また、ドライエッチングを用いて接続孔を形成する場合も同様に、保護膜表面の接続孔の形成予定領域以外の領域をレジスト膜でマスクした後、エッチングすればよい。ドライエッチングを行った場合は、レジスト膜でマスクされていない領域(接続孔の形成予定部位)の保護膜だけでなくCNTも除去されるため、接続孔の側面にCNTの端面(切断面)が露出する。 A method for forming the connection hole is not particularly limited, and a conventionally known method such as wet etching or dry etching may be appropriately used. For example, when forming a connection hole using wet etching on a protective film made of silicon oxide, hafnium oxide, zirconium oxide or the like, after masking a region other than the region where the connection hole is to be formed on the surface of the protective film with a resist film, Etching may be performed with an etchant containing hydrofluoric acid. At this time, if the insulating film of the substrate is a two-layer structure in which a silicon nitride film is laminated on a silicon oxide film, the silicon nitride film functions as a stopper for wet etching, so that the insulating film and the semiconductor substrate are etched. Can be prevented. By performing wet etching in this way, the protective film in the region not masked with the resist film (region where the connection hole is to be formed) is removed, and the side surface of the CNT existing immediately below this region is exposed. Similarly, when the connection hole is formed using dry etching, the region other than the region where the connection hole is to be formed on the surface of the protective film may be masked with a resist film and then etched. When dry etching is performed, not only the protective film in the region not masked by the resist film (parts where connection holes are to be formed), but also CNTs are removed, so that the end surfaces (cut surfaces) of the CNTs are formed on the side surfaces of the connection holes. Exposed.
上記のように、保護膜のみをエッチングする方法で接続孔を形成すれば、接続孔内にCNTの側面が露出し、保護膜およびCNTをエッチングする方法で接続孔を形成すれば、接続孔内にCNTの端面(切断面)が露出する。このことを利用してソース電極およびドレイン電極とCNTとの接続形式を制御することができる。すなわち、接続孔内にCNTの側面が露出した状態でソース電極およびドレイン電極を形成すれば、ソース電極およびドレイン電極は、チャネルとなるCNTの側面にのみ接続することになる(サイドコンタクト構造)。また、接続孔内にCNTの端面が露出した状態でソース電極およびドレイン電極を形成すれば、ソース電極およびドレイン電極は、チャネルとなるCNTの端面(切断面)にのみ接続することになる(エンドコンタクト構造)。 As described above, if the connection hole is formed by etching only the protective film, the side surface of the CNT is exposed in the connection hole, and if the connection hole is formed by etching the protective film and CNT, The end surface (cut surface) of the CNT is exposed to the surface. This can be used to control the connection form of the source and drain electrodes and the CNT. That is, if the source electrode and the drain electrode are formed with the side surface of the CNT exposed in the connection hole, the source electrode and the drain electrode are connected only to the side surface of the CNT that becomes the channel (side contact structure). Further, if the source electrode and the drain electrode are formed with the end face of the CNT exposed in the connection hole, the source electrode and the drain electrode are connected only to the end face (cut face) of the CNT that becomes the channel (end). Contact structure).
[ソース電極およびドレイン電極の形成]
保護膜に接続孔を形成した後、ソース電極およびドレイン電極を形成する。このとき、ソース電極およびドレイン電極がそれぞれ接続孔を介してCNTに電気的に接続できるようにソース電極およびドレイン電極を形成する。ソース電極およびドレイン電極の材質は、例えば、金、白金、クロム、チタン、アルミニウム、パラジウム、モリブデンなどの金属、またはポリシリコンなどの半導体である。ソース電極およびドレイン電極は、2種以上の金属で多層構造にされていてもよく、例えばチタンの層に金の層を重ねたものでもよい。ソース電極およびドレイン電極の形状ならびに電極間の間隔は、特に限定されず、目的に応じて適宜設定すればよい。
[Formation of source and drain electrodes]
After forming the connection hole in the protective film, the source electrode and the drain electrode are formed. At this time, the source electrode and the drain electrode are formed so that the source electrode and the drain electrode can be electrically connected to the CNT through the connection holes, respectively. The material of the source electrode and the drain electrode is, for example, a metal such as gold, platinum, chromium, titanium, aluminum, palladium, molybdenum, or a semiconductor such as polysilicon. The source electrode and the drain electrode may have a multilayer structure of two or more kinds of metals. For example, the source electrode and the drain electrode may be formed by stacking a gold layer on a titanium layer. The shape of the source and drain electrodes and the interval between the electrodes are not particularly limited, and may be set as appropriate according to the purpose.
ソース電極およびドレイン電極を保護膜の電極形成予定領域に形成する方法は、特に限定されず、従来から知られている方法を適宜用いればよい。例えば、保護膜の電極形成予定領域以外の領域をレジスト膜でマスクし、金や白金、チタン、クロム、アルミニウム、パラジウム、モリブデンなどの金属またはポリシリコンなどの半導体を蒸着させ、レジスト膜を除去(リフトオフ)することでソース電極およびドレイン電極を保護膜上に形成することができる。また、保護膜上に金や白金、チタン、クロム、アルミニウム、パラジウム、モリブデンなどの金属またはポリシリコンなどの半導体を蒸着させ、電極形成予定領域をレジスト膜でマスクした後エッチングを行うことでもソース電極およびドレイン電極を保護膜上に形成することができる。 A method of forming the source electrode and the drain electrode in the electrode formation planned region of the protective film is not particularly limited, and a conventionally known method may be appropriately used. For example, a region other than the electrode formation planned region of the protective film is masked with a resist film, a metal such as gold, platinum, titanium, chromium, aluminum, palladium, molybdenum, or a semiconductor such as polysilicon is deposited, and the resist film is removed ( By performing lift-off, the source electrode and the drain electrode can be formed on the protective film. Alternatively, a metal such as gold, platinum, titanium, chromium, aluminum, palladium, molybdenum, or a semiconductor such as polysilicon is deposited on the protective film, and the electrode formation region is masked with a resist film, and then etching is performed. The drain electrode can be formed on the protective film.
[ゲート電極の配置]
ゲート電極を配置する方法も特に限定されず、従来から知られている方法を適宜用いればよい。例えば、ソース電極およびドレイン電極と同様に、フォトリソグラフィを用いて金属などを蒸着すればよい。また、別個に準備した電極をゲート電極とする場合には、その電極を所望の位置に配置すればよい。
[Arrangement of gate electrode]
A method for arranging the gate electrode is not particularly limited, and a conventionally known method may be appropriately used. For example, similarly to the source electrode and the drain electrode, metal or the like may be deposited using photolithography. In addition, when a separately prepared electrode is used as a gate electrode, the electrode may be disposed at a desired position.
以上のように、本発明の製造方法は、ソース電極およびドレイン電極を基板上に形成する前にCNTを被覆する保護膜を形成するため、製造プロセスにおけるCNTの欠陥の形成やCNTへのレジストによる汚染を抑制することができる。このようにして実現される清浄なCNTチャネルは、CNTの一次元性の電気伝導を最大限に活かし、従来のCNT−FETよりも優れたFET特性を示す。また、このようにして製造される本発明のCNT−FETは、保護膜によりCNTを水分子などの吸着から保護しているため、履歴特性を低減させることができる。すなわち、本発明の製造方法によれば、特別な装置を用いなくても、優れた電気伝導特性を安定して示す本発明のCNT−FETを再現性よく製造することができる。 As described above, in the manufacturing method of the present invention, the protective film that covers CNT is formed before the source electrode and the drain electrode are formed on the substrate. Contamination can be suppressed. The clean CNT channel realized in this way makes the best use of the one-dimensional electrical conduction of CNTs and exhibits FET characteristics superior to those of conventional CNT-FETs. Moreover, since the CNT-FET of the present invention manufactured in this way protects CNTs from adsorption of water molecules and the like by the protective film, the hysteresis characteristics can be reduced. That is, according to the manufacturing method of the present invention, the CNT-FET of the present invention stably exhibiting excellent electrical conduction characteristics can be manufactured with good reproducibility without using a special apparatus.
本発明のCNT−FETを工業的に大量に製造するには、例えば以下のように行えばよい。 In order to industrially produce a large amount of the CNT-FET of the present invention, for example, the following may be performed.
まず、本発明のCNT−FETを複数作製することができる大きさの、絶縁膜を有する半導体基板を準備する。この半導体基板は、略円形で、かつオリエンテーションフラットまたはノッチを有するものが好ましい。以下、オリエンテーションフラットまたはノッチを有する略円形の半導体基板を準備したものとして説明する。 First, a semiconductor substrate having an insulating film having a size capable of producing a plurality of CNT-FETs of the present invention is prepared. The semiconductor substrate is preferably substantially circular and has an orientation flat or notch. In the following description, it is assumed that a substantially circular semiconductor substrate having an orientation flat or notch is prepared.
次に、準備した半導体基板を格子状に区画分けして、本発明のCNT−FETを形成するための領域を形成する。形成された領域の数と同数のCNT−FETが、1枚の基板から形成されることになる。 Next, the prepared semiconductor substrate is partitioned into a lattice shape to form a region for forming the CNT-FET of the present invention. The same number of CNT-FETs as the number of regions formed are formed from one substrate.
次に、格子状に区画分けされた各領域において、CNTを成長させるための触媒層を基板の絶縁膜上に少なくとも2つ形成する。触媒層を形成する位置は、特に限定されないが、基板上面から見てソース電極の形成予定領域およびドレイン電極の形成予定領域内に位置するように形成されることが好ましい。このようにすることで、ソース電極とドレイン電極とを容易に接続しうる位置にCNTを形成することができる。また、各領域で触媒層を形成する位置(すなわち、ソース電極の形成予定領域およびドレイン電極の形成予定領域の位置)は、同一であることが好ましい。このようにすることで、基板のオリエンテーションフラットまたはノッチの位置と、各領域における触媒(各電極の形成予定領域)の位置(すなわち、チャネルとなるCNTの方向)との関係を揃えることができるからである。 Next, at least two catalyst layers for growing CNTs are formed on the insulating film of the substrate in each region partitioned in a lattice pattern. The position where the catalyst layer is formed is not particularly limited, but it is preferably formed so as to be located within the region where the source electrode is to be formed and the region where the drain electrode is to be formed as viewed from the top surface of the substrate. By doing in this way, CNT can be formed in the position which can connect a source electrode and a drain electrode easily. Moreover, it is preferable that the positions where the catalyst layer is formed in each region (that is, the positions of the source electrode formation scheduled region and the drain electrode formation planned region) are the same. By doing so, the relationship between the position of the orientation flat or notch of the substrate and the position of the catalyst (the area where each electrode is to be formed) in each region (that is, the direction of the CNT that becomes the channel) can be made uniform. It is.
次に、触媒層を形成された基板をCVD炉に入れ、化学気相成長法により基板の各領域において触媒層間を接続するようにCNTを成長させる。複数の基板をCVD炉に設置する場合、基板のオリエンテーションフラットまたはノッチを目印として、各基板の向きを揃えて設置することができる。 Next, the substrate on which the catalyst layer is formed is placed in a CVD furnace, and CNTs are grown so as to connect the catalyst layers in each region of the substrate by chemical vapor deposition. In the case where a plurality of substrates are installed in a CVD furnace, the substrates can be installed with the orientation flats or notches used as marks to align the directions of the substrates.
以降は、各領域において、上述した方法と同様に、保護膜を形成し、接続孔を形成し、ソース電極およびドレイン電極を形成し、ゲート電極を形成し、各素子を切り分けることで、本発明のCNT−FETを工業的に大量に製造することができる。各素子の切り分け(ダイシング)を行うタイミングは、通常は各素子の電気特性を基板単位で確認した後に行うが、これに限定されるわけではない。 Thereafter, in each region, in the same manner as described above, a protective film is formed, a connection hole is formed, a source electrode and a drain electrode are formed, a gate electrode is formed, and each element is separated, thereby the present invention. The CNT-FET can be industrially produced in large quantities. The timing of dividing (dicing) each element is usually performed after confirming the electrical characteristics of each element for each substrate, but is not limited thereto.
このように、本発明のCNT−FETは、一般的に市販されている半導体基板を用いて工業的に大量に製造することができる。 Thus, the CNT-FET of the present invention can be industrially produced in large quantities using a commercially available semiconductor substrate.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施形態により限定されない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
(実施の形態1)
実施の形態1は、半導体基板の両面に絶縁膜を有するバックゲート型のCNT−FETの例を示す。
(Embodiment 1)
The first embodiment shows an example of a back gate type CNT-FET having insulating films on both sides of a semiconductor substrate.
図2は、本発明の実施の形態1に係るCNT−FETの構成を示す断面図である。図2において、CNT−FET200は、半導体基板110、ソース電極120、ドレイン電極130、CNT140、保護膜150、触媒層210およびゲート電極220を有する。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the CNT-FET according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, the CNT-
半導体基板110は、その両面が絶縁膜112で被覆されている、半導体からなる基板である。絶縁膜112は、多層構造であってもよく、例えば酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を積層させた2層構造であってもよい。
The
CNT140は、半導体基板110の絶縁膜112上に配置されている。また、CNT140は、ソース電極120およびドレイン電極130に電気的に接続されており、CNT−FET200のチャネルとして機能する。後述するように、本実施の形態のCNT140は、化学気相成長法により形成されたものであるため、触媒層210と接触している。本実施の形態において、ソース電極120とドレイン電極130との間は、図2に示すように1本のCNT140によって接続されていてもよいし、複数本のCNTによって接続されていてもよい。
The
保護膜150は、CNT140を被覆する絶縁膜である。本実施の形態では、保護膜150は、CNT140だけでなく半導体基板110のCNT140が配置された側の面を広く被覆しており、同じ面に配置された触媒層210も被覆している。また、保護膜150には、ソース電極120およびドレイン電極130とCNT140とを電気的に接続するための接続孔が、ソース電極120およびドレイン電極130の直下でかつCNT140が配置されている領域に形成されている。
The
ソース電極120およびドレイン電極130は、保護膜150上にそれぞれ配置されており、保護膜150に形成されている接続孔を介してCNT140にそれぞれ電気的に接続している。ソース電極120およびドレイン電極130は、図2に示すようにCNT140の側面に接続していてもよいし(サイドコンタクト構造)、端面に接続していてもよい(エンドコンタクト構造)。
The
ゲート電極220は、半導体基板110のCNT140が配置されている面(図2では上向きの面)とは異なる面(図2では下向きの面)の絶縁膜112上に配置されている。このゲート電極220に電圧を印加することにより、ソース電極120とドレイン電極130との間に流れる電流(ソース−ドレイン電流)を制御することができる。
The
以上のように、本実施の形態のCNT−FET200は、保護膜150によりCNT140を水分子などの吸着から保護しているため、履歴特性を低減させることができる。
As described above, since the CNT-
次に、本実施の形態のCNT−FET200を製造する方法を、図3のフローチャートおよび図4の模式図を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the CNT-
まず、ステップS1100では、鏡面研磨されたシリコン基板などの半導体基板110を準備する。
First, in step S1100, a
次に、ステップS1200では、準備した半導体基板110の両面に絶縁膜112を形成する。例えば、鏡面研磨されたシリコン基板を大気雰囲気中で加熱して、シリコン基板(半導体基板110)の両面に酸化シリコン膜(絶縁膜112a)を形成した後、低圧CVD法により酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜(絶縁膜112b)を形成すればよい。図4(A)は、両面に酸化シリコン膜112aを形成した後の半導体基板(シリコン基板)110を示す模式図である。図4(B)は、さらに酸化シリコン膜112aの上に窒化シリコン膜112bを形成した後の半導体基板(シリコン基板)110を示す模式図である。このように、絶縁膜112は、酸化シリコン膜112aの上に窒化シリコン膜112bを積層した二層構造であってもよい。
Next, in step S1200, insulating
次に、ステップS1300では、チャネルとなるCNT140を成長させるための触媒層210を基板110の絶縁膜112上に形成する。触媒層210を形成する位置は、最終的にソース電極120とドレイン電極130とを接続できるようにCNT140を成長させうる位置であれば特に限定されず、例えば、ソース電極120を形成する領域内およびドレイン電極130を形成する領域内であればよい。例えば、シリコン薄膜、アルミニウム薄膜、鉄薄膜およびモリブデン薄膜を、スパッタ法を用いて絶縁膜112上にこの順番で形成した後、エッチングすることで、触媒層210を形成することができる。図4(C)は、絶縁膜112(窒化シリコン膜112b)上に2つの触媒層210を形成した後の様子を示す模式図である。
Next, in step S1300, a
次に、ステップS1400では、触媒層210からCNT140を成長させる。CNT140を成長させる方法は、特に限定されず、例えば低圧CVD法を用いればよい。このとき、1本または複数本のCNT140で触媒層210間を架橋させることが好ましい。図4(D)は、触媒層210からCNT140を成長させた後の様子を示す模式図である。
Next, in step S1400,
次に、ステップS1500では、成長させたCNT140を被覆するように保護膜150を形成する。例えば、触媒CVD法によりCNT140を成長させた半導体基板110の上に酸化シリコンからなる保護膜150を形成すればよい。図4(E)は、半導体基板110のCNT140が配置された側の面の全面に保護膜150を形成した後の様子を示す模式図である。
Next, in step S1500, the
次に、ステップS1600では、保護膜150のソース電極の形成予定領域およびドレイン電極の形成予定領域に接続孔152を形成して、CNT140の一部を露出させる。例えば、酸化シリコンからなる保護膜150表面の接続孔152の形成予定領域以外の領域をレジスト膜でマスクした後、フッ酸を含むエッチング液でウェットエッチングを行えばよい。このとき、基板の絶縁膜112が酸化シリコン膜112aの上に窒化シリコン膜112bを積層した二層構造であれば、窒化シリコン膜112bがウェットエッチングのストッパーとして機能するため、半導体基板110がエッチングされることを防ぐことができる。このようにウェットエッチングを行うことで、レジスト膜でマスクされていない領域(接続孔152の形成予定領域)の保護膜150が除去され、この領域の直下に存在するCNT140の側面が露出する。図4(F)は、保護膜150のソース電極120の形成予定領域およびドレイン電極130の形成予定領域に接続孔152を形成した後の様子を示す模式図である。
Next, in step S1600, the
次に、ステップS1700では、接続孔152を介してCNT140にそれぞれ電気的に接続するように、ソース電極120およびドレイン電極130を保護膜150上に形成する。例えば、スパッタ法を用いて保護膜150上にアルミニウム薄膜を形成した後、エッチングすることで、ソース電極120およびドレイン電極130を形成することができる。図4(G)は、ソース電極120およびドレイン電極130を形成した後の様子を示す模式図である。この例では、CNT140の側面が露出した状態(図4(F)参照)でソース電極120およびドレイン電極130を形成しているので、ソース電極120およびドレイン電極130は、チャネルとなるCNT140の側面にのみ接続することになる(サイドコンタクト構造)。
Next, in step S1700, the
最後に、ステップS1800では、半導体基板110のCNT140を配置していない側の絶縁膜112上にゲート電極220を形成する。例えば、スパッタ法を用いて絶縁膜112(窒化シリコン膜112b)上にアルミニウム薄膜を形成した後、エッチングすることで、ゲート電極220を形成することができる。図4(H)は、ゲート電極220を形成した後の本実施の形態のCNT−FET200を示す模式図である。
Finally, in step S1800, the
以上のように、本実施の形態の製造方法は、ソース電極120およびドレイン電極130を形成するためのステップ(S1700)に移る前に、チャネルとなるCNT140を被覆する保護膜150を形成するため、ソース電極120およびドレイン電極130を形成するステップにおいてCNT140を物理的および化学的に保護することができる。結果として、本実施の形態の製造方法は、CNTの一次元性の電気伝導を最大限に活かした、清浄なCNTチャネルを有するCNT−FETを製造することができる。
As described above, the manufacturing method of the present embodiment forms the
(実施の形態2)
実施の形態2は、さらに第二の保護膜を有するバックゲート型のCNT−FETの例を示す。
(Embodiment 2)
The second embodiment shows an example of a back gate type CNT-FET having a second protective film.
図5は、本発明の実施の形態2に係るCNT−FETの構成を示す断面図である。図5において、CNT−FET300は、半導体基板110、ソース電極120、ドレイン電極130、CNT140、保護膜150、触媒層210、ゲート電極220および第二の保護膜310を有する。実施の形態1に係るCNT−FETと同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the CNT-FET according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the CNT-
第二の保護膜310は、保護膜150ならびにソース電極120およびドレイン電極130の一部を被覆している。第二の保護膜310の材質は、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタンなどの無機化合物や、アクリル樹脂、ポリイミドなどの有機化合物などである。第二の保護膜310を製造する方法は、特に限定されないが、例えば、実施の形態1のCNT−FETを作製した後に、保護膜150ならびにソース電極120およびドレイン電極130の上に第二の保護膜310を形成し、ソース電極120およびドレイン電極130の一部が露出するようにエッチングすればよい。
The second
本実施の形態のCNT−FETは、封止膜としても機能しうる第二の保護膜310を有するため、実施の形態1の効果に加えて、特性をさらに安定化させることができる。
Since the CNT-FET of the present embodiment has the second
(実施の形態3)
実施の形態1,2では、半導体基板の両面に絶縁膜を有するバックゲート型のCNT−FETの例を示したが、実施の形態3では、半導体基板の片面にのみ絶縁膜を有するバックゲート型のCNT−FETの例を示す。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments, an example of a back gate type CNT-FET having an insulating film on both surfaces of the semiconductor substrate has been shown, but in the third embodiment, a back gate type having an insulating film only on one surface of the semiconductor substrate. An example of the CNT-FET is shown.
図6は、本発明の実施の形態3に係るCNT−FETの構成を示す断面図である。図6において、CNT−FET400は、半導体基板110、ソース電極120、ドレイン電極130、CNT140、保護膜150および触媒層210を有する。実施の形態1に係るCNT−FETと同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the CNT-FET according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 6, the CNT-
半導体基板110は、CNT140が配置されている面(図6では上向きの面)のみが絶縁膜112で被覆されている、半導体からなる基板である。絶縁膜112は、多層構造であってもよく、例えば酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を積層させた二層構造であってもよい。CNT140が配置されていない面(図6では下向きの面)は絶縁膜で被覆されていないため、本実施の形態のCNT−FET400では、半導体基板110の半導体の部分がそのままゲート電極として作用する。半導体基板110の片面のみを絶縁膜112で被覆する方法は、特に限定されないが、例えば半導体基板110の両面に形成された絶縁膜の一方を除去すればよい。
The
以上のように、本実施の形態のCNT−FETは、半導体基板110の半導体からなる部分をそのままゲート電極として作用させることができるため、実施の形態1の効果に加えて、ゲート電圧を効果的に印加することができる。
As described above, the CNT-FET of the present embodiment can act as a gate electrode on the
(実施の形態4)
実施の形態1〜3では、バックゲート型のCNT−FETの例を示したが、実施の形態4では、サイドゲート型のCNT−FETの例を示す。
(Embodiment 4)
In the first to third embodiments, an example of a back gate type CNT-FET is shown, but in the fourth embodiment, an example of a side gate type CNT-FET is shown.
図7は、本発明の実施の形態4に係るCNT−FETの構成を示す断面図である。図7(A),(B)において、CNT−FET500a,bは、半導体基板110、ソース電極120、ドレイン電極130、CNT140、保護膜154、触媒層210およびゲート電極510を有する。実施の形態1に係るCNT−FETと同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a CNT-FET according to Embodiment 4 of the present invention. 7A and 7B, the CNT-
保護膜154は、実施の形態1〜3のCNT−FETの保護膜と同様にCNT140を被覆する絶縁膜であるが、ソース電極120およびドレイン電極130用の接続孔だけでなく、ゲート電極510用の接続孔も形成されている。
The
ゲート電極510は、保護膜154上に配置されており、保護膜154に形成されている接続孔を介して半導体基板110に接続している。ゲート電極510は、図7(A)に示すように半導体基板110の絶縁膜112に接続するように形成されていてもよいし、図7(B)に示すように半導体基板110の半導体からなる部分に接続するように形成されていてもよい。このゲート電極510に電圧を印加することにより、ソース電極120とドレイン電極130との間に流れる電流を制御することができる。
The
本実施の形態のCNT−FET500a,bは、実施の形態1のCNT−FET200とほぼ同様の手順で製造することができる。すなわち、保護膜154に接続孔を形成する際(図3のステップS1600参照)に、ソース電極およびドレイン電極用の接続孔だけでなく、ゲート電極用の接続孔を形成し、ゲート電極510を形成する際(図3のステップS1800参照)に、ゲート電極用の接続孔の上部にゲート電極510を形成すればよい。
The CNT-
以上のように、本実施の形態のCNT−FET500a,bは、実施の形態1のCNT−FETと同様に、保護膜150によりCNT140を水分子などの吸着から保護しているため、履歴特性を低減させることができる。
As described above, since the CNT-
また、本実施の形態のCNT−FET500a,bは、半導体基板の裏面を電極として使用しないため、半導体基板の裏面の状態を気にすることなく製造することができる。バックゲート型のCNT−FETでは、半導体基板の裏面を電極として使用するため、半導体基板をステージなどに載せて加工する際に半導体基板の裏面(ステージに接する面)のゲート絶縁膜に傷や汚れが付いてしまうと、歩留まりが低下する可能性がある。一方、本実施の形態のサイドゲート型のCNT−FETでは、半導体基板の裏面は支持基板としてのみ機能するため、半導体基板の裏面に傷や汚れが付いても歩留まりは低下しない。
In addition, the CNT-
(実施の形態5)
実施の形態5では、半導体基板内に拡散層を有するサイドゲート型のCNT−FETの例を示す。
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, an example of a side gate type CNT-FET having a diffusion layer in a semiconductor substrate is shown.
図8は、本発明の実施の形態5に係るCNT−FETの構成を示す断面図である。図8において、CNT−FET600は、半導体基板610、ソース電極120、ドレイン電極130、CNT140、保護膜154、触媒層210およびゲート電極510を有する。実施の形態4に係るCNT−FETと同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the CNT-FET according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 8, the CNT-
CNT140は、n型の半導体的特性を示し、CNT−FET600のn型のチャネルとして機能する。n型の半導体的特性を示すチャネルを作製する方法は、特に限定されないが、例えば保護膜154を窒化シリコン膜とすればよい(例えば、特開2006−222279号公報参照)。
The
半導体基板610は、n型の半導体からなる基板であり、その表面に絶縁膜112を有する。また、半導体基板610は、CNT140が配置されている側の領域にp型の拡散層620を有する。p型の拡散層を有する半導体基板の作製方法は、イオン注入法などの従来から知られている方法を適宜用いればよい。
The
なお、本実施の形態では、p型の拡散層を有するn型の半導体基板と、n型のチャネルとを有する構成例を示したが、n型の拡散層を有するp型の半導体基板と、p型のチャネルとを有する構成としても同様の効果を得ることができる。 Note that although an example of a configuration including an n-type semiconductor substrate having a p-type diffusion layer and an n-type channel has been described in this embodiment, a p-type semiconductor substrate having an n-type diffusion layer, A similar effect can be obtained with a configuration having a p-type channel.
本実施の形態のCNT−FET600は、CNTの直下に拡散層を有するため、実施の形態4の効果に加えて、CNTの感度を向上させることができる。例えば、ゲート電極上に抗体を固定化してCNT−FETをバイオセンサとして使用する場合に、本実施の形態のCNT−FETは、CNTの感度(ゲート電極上で生じた抗原抗体反応に対する電流変化率)が高いため、高感度に抗原(被検出物質)を検出することができる。また、本実施の形態のCNT−FET600は、拡散層の不純物濃度を調整することで、CNTの感度特性を調整することもできる。
Since the CNT-
本発明は、優れた電気伝導特性を安定して示すCNT−FETを再現性よく製造することができるので、CNT−FETを含む集積デバイスやセンサなどの製造に有用である。 The present invention can produce a CNT-FET stably exhibiting excellent electrical conduction characteristics with good reproducibility, and is useful for the production of integrated devices and sensors including the CNT-FET.
100,200,300,400,500a,500b,600 CNT−FET
110,610 半導体基板
112 絶縁膜
112a 酸化シリコン膜
112b 窒化シリコン膜
120 ソース電極
130 ドレイン電極
140 CNT
150,154 保護膜
152 接続孔
210 触媒層
220,510 ゲート電極
310 第二の保護膜
620 拡散層
100, 200, 300, 400, 500a, 500b, 600 CNT-FET
110, 610
150, 154
Claims (11)
前記絶縁膜の上に配置されたカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブを被覆する保護膜と、
前記保護膜の上にそれぞれ配置され、かつ前記保護膜に形成された接続孔を介して前記カーボンナノチューブにそれぞれ電気的に接続されているソース電極およびドレイン電極と、
を有する、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタ。 A semiconductor substrate having an insulating film;
Carbon nanotubes disposed on the insulating film;
A protective film covering the carbon nanotube;
A source electrode and a drain electrode that are respectively disposed on the protective film and electrically connected to the carbon nanotubes via connection holes formed in the protective film;
A field effect transistor having a carbon nanotube as a channel.
前記半導体基板の絶縁膜上にカーボンナノチューブを配置するステップと、
前記カーボンナノチューブ上に保護膜を形成するステップと、
前記保護膜のソース電極形成予定領域およびドレイン電極形成予定領域にそれぞれ接続孔を形成して、前記カーボンナノチューブの一部を露出させるステップと、
前記接続孔を介して前記カーボンナノチューブに電気的に接続できるように、前記保護膜のソース電極形成予定領域の上にソース電極を形成するステップと、
前記接続孔を介して前記カーボンナノチューブに電気的に接続できるように、前記保護膜のドレイン電極形成予定領域の上にドレイン電極を形成するステップと、
を含む、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタの製造方法。 Preparing a semiconductor substrate having an insulating film;
Disposing carbon nanotubes on the insulating film of the semiconductor substrate;
Forming a protective film on the carbon nanotube;
Forming a connection hole in each of a source electrode formation planned region and a drain electrode formation planned region of the protective film to expose a part of the carbon nanotube;
Forming a source electrode on the source electrode formation planned region of the protective film so that it can be electrically connected to the carbon nanotube through the connection hole;
Forming a drain electrode on the drain electrode formation planned region of the protective film so that it can be electrically connected to the carbon nanotube via the connection hole;
A method for manufacturing a field effect transistor using a carbon nanotube as a channel, comprising:
前記半導体基板の絶縁膜上に少なくとも2つの触媒層を形成するステップと、
前記触媒層間を接続するように、化学気相成長法によりカーボンナノチューブを成長させるステップと、
を含む、請求項5に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 The step of arranging the carbon nanotubes comprises:
Forming at least two catalyst layers on the insulating film of the semiconductor substrate;
Growing carbon nanotubes by chemical vapor deposition so as to connect the catalyst layers;
The manufacturing method of the field effect transistor of Claim 5 containing this.
前記半導体基板を格子状に区画分けして、電界効果トランジスタを1つ形成するための領域を複数形成するステップと、
前記領域のそれぞれにおいて、前記半導体基板の絶縁膜上に少なくとも2つの触媒層を形成するステップと、
前記領域のそれぞれにおいて、化学気相成長法により触媒層からカーボンナノチューブを成長させて、前記触媒層間を接続するように前記カーボンナノチューブを配置するステップと、
前記領域のそれぞれにおいて、前記カーボンナノチューブ上に保護膜を形成するステップと、
前記領域のそれぞれにおいて、前記保護膜のソース電極形成予定領域およびドレイン電極形成予定領域にそれぞれ接続孔を形成して、前記カーボンナノチューブの一部を露出させるステップと、
前記領域のそれぞれにおいて、前記接続孔を介して前記カーボンナノチューブに電気的に接続できるように、前記保護膜のソース電極形成予定領域の上にソース電極を形成するステップと、
前記領域のそれぞれにおいて、前記接続孔を介して前記カーボンナノチューブに電気的に接続できるように、前記保護膜のドレイン電極形成予定領域の上にドレイン電極を形成するステップと、
を含む、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタの製造方法。 Providing a substantially circular semiconductor substrate having an orientation flat or notch and having an insulating film;
Partitioning the semiconductor substrate into a grid and forming a plurality of regions for forming one field effect transistor;
Forming at least two catalyst layers on the insulating film of the semiconductor substrate in each of the regions;
In each of the regions, growing carbon nanotubes from a catalyst layer by chemical vapor deposition and arranging the carbon nanotubes to connect the catalyst layers;
Forming a protective film on the carbon nanotubes in each of the regions;
In each of the regions, forming a connection hole in each of the source electrode formation planned region and the drain electrode formation planned region of the protective film, exposing a part of the carbon nanotubes;
In each of the regions, forming a source electrode on the source electrode formation planned region of the protective film so that it can be electrically connected to the carbon nanotube through the connection hole;
Forming a drain electrode on the drain electrode formation planned region of the protective film so as to be electrically connected to the carbon nanotube via the connection hole in each of the regions;
A method for manufacturing a field effect transistor using a carbon nanotube as a channel, comprising:
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