カーボンナノチューブ及びその配置方法と、これを用いた電界効果トランジスタとその製造方法及び半導体装置
【課題】カーボンナノチューブをトランジスタ等の半導体装置の所定位置により精度良く配置することが可能なカーボンナノチューブ及びその配置方法と、これを用いた電界効果トランジスタとその製造方法及び半導体装置を提供する。
【解決手段】カーボンナノチューブ１の少なくとも一端に、官能基３を有する構成とする。特定の導電性材料と選択的に作用する官能基を結合することによって、選択的にカーボンナノチューブを配置することが可能となる。
【解決手段】カーボンナノチューブ１の少なくとも一端に、官能基３を有する構成とする。特定の導電性材料と選択的に作用する官能基を結合することによって、選択的にカーボンナノチューブを配置することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に半導体特性を有するカーボンナノチューブ及びその配置方法と、これを用いた電界効果トランジスタとその製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体トランジスタが１９４７年に発明されて以来、シリコン素材のマイクロエレクトロニクスは略指数関数的に成長してきた。しかしながら、近い将来この成長が続かなくなると予測されている。これは、集積度がナノメータースケールに近づくと、確実に設計通りの機能を有する構造としては、物理的な限界に達するためである。また同時に、指数関数的に上がり続ける製造コストが集積度を阻害しているという現状がある。
これに対し、比較的安くかつ自己整合的に構成することが可能な単分子デバイスによる分子エレクトロニクスの分野が、このような原理上のシリコン技術の限界を乗り越える技術として注目されている。
【０００３】
この分子エレクトロニクスの分野において、近年益々注目される分子構造として、フラーレンやカーボンナノチューブが挙げられる。例えば、一枚のグラフェンシートをチューブ型に巻いて円筒形に形成され、直径がナノメータースケールとされる単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ：Single Walled carbon Nano Tube）は、１９９０年代の早い時期に発見されて以来、エレクトロニクス分野に好適な各種特性が積極的に研究されてきた。
このＳＷＮＴは、チューブの輪郭を形作る炭素分子のスパイラル状格子の角度及びキラリティ（対掌性）に依存して、金属又は半導体の性質を呈する。そして、ＳＷＮＴの電子的性能は、最良の金属又は半導体を凌ぐと予測されている。
１９９８年に、室温で、単一のＳＷＮＴを用いたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が実現された（非特許文献１参照。）
また、論理ゲートとして最も単純な構成のインバーターも、１つ又は２つのカーボンナノチューブによるユニポーラ型又は相補型構成のＦＥＴを用いて実現された。更に、他の論理ゲートとして、ＮＯＲ、ＡＮＤ、ＳＲＡＭ（Static RAM）が相補型又は多重相補型モードを利用して構成された。発振周波数２２０Ｈｚに至るリング発振器もアレイ状のｐ型又はｎ型のカーボンナノチューブＦＥＴを用いて作製された（非特許文献２及び３参照。）。
【０００４】
上述のＳＷＮＴによるトランジスタやこれを用いた基本的な論理回路は、主に２通りの方法により作製されている。１つの方法は、溶媒にＳＷＮＴを分散して、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を走査して予めパターニングされた電極に各カーボンナノチューブを配置する方法である（上記非特許文献1及び２参照。）。
この場合、典型的には、レーザアブレーションにより形成されたＳＷＮＴを、ダイクロロエタン懸濁液からウエファ上に分散する。そして、ＡＦＭによって直径が略１ｎｍ程度のＳＷＮＴをゲート電極の上に配置する。その後、このナノチューブ上に、リソグラフィ技術を適用した選択的なＡｕの蒸着によって、コンタクト電極及び配線を形成する。このような方法を用いて、バックゲート構造による２０ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）のホール移動度を達成している例もある（例えば非特許文献４参照。）。
また、トップゲート型のＦＥＴとして、ゲート電極にＣＮＴを用いることによって２３２１Ｓ／ｍという高い相互コンダクタンスを達成した例も報告されている（例えば非特許文献５参照。）。
【０００５】
一方、第２の方法として、ＣＶＤ（化学的気相成長法）により、予めパターニングされた電極パターンの上に、直接的にＳＷＮＴを成長させる例も報告されている（例えば非特許文献６及び７参照。）。
この方法による場合は、例えば相互コンダクタンスやキャリアの移動度というトランジスタの重要な特性において、それぞれ相互コンダクタンスが６０００Ｓ／ｍ、キャリアの移動度が３０００ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）という値を達成し、シリコン半導体のそれと比べて一桁上の特性を得ている。
特に、キャリアの移動度については、同様の方法によって作製したトランジスタにおいて、長さ３００μｍの半導体ＣＮＴをチャネルに用いることにより、キャリアの移動度が７９０００ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）に達した例も報告されている（例えば非特許文献８参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】Tans, S.J. et al., Nature, 1998, Vol.393, p.49
【非特許文献２】Bachtold, A. et al., Science, 2001, Vol.294, p.1317
【非特許文献３】Derycke, V. et al., Nano Letters, 2002, Vol.2, p.929
【非特許文献４】Martel, R. et al, Applied Physics Letters, 1998, Vol.73, p.2447
【非特許文献５】Wind, S.J.etal., Applied Physics Letters, 2002, Vol.80, p.3817
【非特許文献６】Javey, A. et al., Nature, 2003, Vol.424, p.654
【非特許文献７】Tseng, Y. et al., Nano Letters, 2004, Vol.1, p.123
【非特許文献８】Durkop, T. et al., Nano Letters, 2004, Vol.4, p.35
【非特許文献９】Tseng, Y. et al., Nano Letters, 2004, Vol.4, p.123
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のＡＦＭを用いる第１の方法によって作製する場合は、多数のＣＮＴを手動でデバイス上に配置するという非実用的な手法であり、ＣＰＵ（Central processing unit）チップのメモリのような半導体装置への適用は困難である。
更に、ＣＶＤによる場合は、高温でのプロセスであることから、大量の電極上に良好な精度をもって配置することは困難であり、集積回路への応用には問題がある。実際、ＣＶＤにより作製する方法を利用して、シリコンＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）デバイスの一部にＳＷＮＴを組み込んだ集積回路を形成した例では、アライメント精度の悪さにより、約２０００本のＣＮＴのうち１％のＣＮＴのみしかバックゲートとして機能していなかったという例も報告されている（例えば非特許文献９参照。）。
【０００８】
上述の問題に鑑みて、本発明は、近年優れた半導体特性が注目されているカーボンナノチューブを電界効果トランジスタ等に用いて集積回路を作製する場合に、所定の位置上により精度良く配置することが可能なカーボンナノチューブ及びその配置方法と、これを用いた電界効果トランジスタとその製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明によるカーボンナノチューブは、少なくとも一端に、官能基を有することを特徴とする。
また、本発明は、上述のカーボンナノチューブにおいて、両端に、官能基を有することを特徴とする。
更に、本発明は、上述のカーボンナノチューブにおいて、その両端の官能基が、異なる官能基とされたことを特徴とする。
また、本発明は、上述の各カーボンナノチューブにおいて、その一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明によるカーボンナノチューブの配置方法は、半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る電極上に塗布して、上記電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明による電界効果トランジスタは、ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタであって、半導体特性を有するカーボンナノチューブが、少なくとも上記チャネルの構成材料とされたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による電界効果トランジスタの製造方法は、ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタの製造方法であって、半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る上記ソース電極及びドレイン電極上に塗布して、上記ソース電極及びドレイン電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置することを特徴とする。
更に、本発明による半導体装置は、半導体特性を有するカーボンナノチューブを有して成り、上記カーボンナノチューブの一端が固定される領域の材料と、多端が固定される領域の材料が、異なる材料に選定されて成ることを特徴とする。
【００１３】
上述の本発明においては、カーボンナノチューブの一端もしくは両端に官能基を有する構成とすることによって、この官能基に対して、選択的に引き付ける作用を有する材料を選択的に電極等に配置しておくことによって、カーボンナノチューブを目的とする位置に自己整合的に配置することができる。
また、このように、異なる官能基に対して選択的に引き付ける作用を有する異なる材料を、ソース電極、ドレイン電極の各材料に用いることによって、ＡＦＭなどの高価な装置を用いる煩雑な作業によることなく、また、ＣＶＤの高温プロセスを経ることなく、カーボンナノチューブを容易に電界効果トランジスタに用いて製造することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によるカーボンナノチューブは、一端に官能基を有する構成とすることによって、少なくとも一端を、特定の材料に対して選択的に結合乃至は付着する構成とすることができる。
また、本発明によるカーボンナノチューブにおいて、両端に官能基を有する構成とすることによって、カーボンナノチューブの両端を、特定の材料に対して選択的に結合乃至は付着する構成とすることができる。
更に、本発明によるカーボンナノチューブにおいて、両端の官能基を異なる官能基とすることによって、所定の複数の材料に対して選択的に結合乃至は付着する構成とすることができる。
また、本発明によるカーボンナノチューブにおいて、一端又は両端の官能基を、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とすることによって、導電性材料の配置に対応して、自己整合的に配置することができる。
更に、本発明によるカーボンナノチューブの配置方法によれば、高価な装置や煩雑な作業によることなく、また、高温のプロセスを経ることなく、容易に所定位置にカーボンナノチューブを配置することができる。
【００１５】
また、本発明による電界効果トランジスタによれば、カーボンナノチューブをチャネルに配置することによって、特性の良好な電界効果トランジスタを提供することができる。
更に、本発明による電界効果トランジスタの製造方法によれば、カーボンナノチューブをソース電極及びドレイン電極上に、容易かつ精度良く配置することができて、カーボンナノチューブをチャネルに用いることによって良好な特性が得られる電界効果トランジスタの生産性の向上を図ることができる。
また、本発明による半導体装置によれば、半導体として良好な特性を有するカーボンナノチューブを容易に配置することが可能な半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
本発明によるカーボンナノチューブは、図１にその一例の模式的な概略構成図を示すように、少なくとも一端に、官能基を有する構成とする。すなわち、本発明によるＣＮＴ１は、例えばその一端に、−ＣＯＯＨ、−Ｃ＝Ｏ、−ＮＨ2 等の官能基３が化学的作用により結合された構成とする。
また、図２に本発明によるカーボンナノチューブの他の例の模式的な概略構成を示すように、カーボンナノチューブ１の一端に、官能基３を有するとともに、他端に、官能基３とは異なる官能基６を有する構成としてもよい。
【００１７】
本発明に用いるカーボンナノチューブ１としては、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）でもよく、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ：Multi Walled carbon Nano Tube）でもよい。また、カーボンナノチューブ１の直径は、０．４ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とすることができ、その長さは、２ｎｍ以上１ｍｍ以下程度とすることができる。
また、官能基３及び６としては、周期律表の１〜２族、１３〜１６族の元素を含む各種官能基を用いることができる。
【００１８】
このようなカーボンナノチューブを製造して所定位置に配置するカーボンナノチューブの配置方法と、このカーボンナノチューブを用いて電界効果トランジスタを製造する製造方法の一例を、図３〜図１３の各工程図を参照して説明する。この場合、６段階の主な工程を有する。すなわち、
（１）基材上に、カーボンナノチューブが密にかつその長手方向を横切る方向に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成する。
（２）カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一方の端部に所定の官能基を結合させる。
（３）別の基材上にカーボンナノチューブ薄膜を付着して、元の基材を除去する。
（４）カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの他端に、官能基を結合する。
（５）カーボンナノチューブ薄膜を基材から離間させて、各カーボンナノチューブを溶媒中に分散させる。
（６）予め基板上に形成された２つの電極の間に、カーボンナノチューブを自己整合的に配置する。
【００１９】
ここで、上記（１）の工程において、基板上にカーボンナノチューブを配列する方法は、ＲＦ（高周波）プラズマ等が挙げられる（例えばFan S. et al., Science, 1999, Vol.283, p.512、Murakami Y. et al., Chemical Physics Letters, 2004, Vol.385, p.298参照。）。
【００２０】
本発明においてカーボンナノチューブを配列して形成する基材としては、ガラス、石英、シリコン等を用いることができる。また、他の材料でも、カーボンナノチューブ成長時の高温に耐久性を有する材料であればよく、また単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を形成する場合は、その成長に用いる触媒と高温で反応しない材料であることが望ましい。
【００２１】
この実施の形態の例においては、ＲＦプラズマを用いることにより、図３に示すように、ガラス等より成る基材２上に、単層構造のカーボンナノチューブを略垂直に、かつ密に、すなわちカーボンナノチューブの長手方向を横切る方向の間隔が略カーボンナノチューブの直径以下程度とされて配列されたカーボンナノチューブ薄膜（ＣＮＴ薄膜）１を形成することができる。このとき、ＲＦプラズマを利用することによって、配列形成したＣＮＴはＳＷＮＴであり、このＳＷＮＴのうち半導体特性を呈するＳＷＮＴの比率を高めることができる。
なお、カーボンナノチューブ１は、図３に示すように略垂直な配列とする他、一定の角度を持って、かつ各カーボンナノチューブ１の間隔を略同様の間隔に維持して配列してもよく、例えば斜め方向に配列された構成であっても、後述する方法によって、端部に良好に官能基を結合することが可能である。
【００２２】
そして次に、上記（２）の工程として、図４に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１の各カーボンナノチューブ１の一方の端部、すなわち基材２上に付着している側とは反対側の端部に、−ＣＯＯＨ、−Ｃ＝Ｏ、−ＮＨ2 等の官能基３を結合させる。
この結合方法としては、溶媒又はプラズマによる化学的処理、電気化学処理が挙げられる。
例えば−ＣＯＯＨ等の官能基の場合は、カーボンナノチューブ薄膜１を酸性溶液に浸して、その後正電圧を印加して酸化させる方法が挙げられる。
このように溶媒を用いる際には、溶媒に酸、アルカリ、酸化物等の化学物質を含む材料を用いる。酸性物質としては例えば硝酸、硫酸等、またアルカリ性物質としては、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等、更に酸化物としては、Ｈ2 Ｏ2 、Ｂｒ酸化物等のうちそれぞれ少なくとも１つ以上を含む材料を用いることができる。
また、−Ｃ＝Ｏ等の官能基の場合は、酸素雰囲気中でプラズマ処理する方法が利用可能である。
更に、−ＮＨ2 等の官能基の場合は、ＮＨ3 雰囲気中ＲＦプラズマ処理が挙げられる。
【００２３】
次に、上記（３）の工程として、別の基材上にカーボンナノチューブ薄膜を上下逆に付着させる。このようにカーボンナノチューブ薄膜１を効率よく上下逆に他の基材に付着するために、図５に示すように、ガラス、石英又はシリコン等より成る平坦な基材４の表面に、予めカーボンナノチューブを付着することが可能な付着層５を被着する。この付着層５としては、例えば粘着性を有し、かつ後の工程で容易に除去することが可能な粘着性ポリマーフィルム等の材料を用いることが望ましい。
また、その他静電的作用によって、物理的に付着することが可能な材料を用いることも可能である。
【００２４】
特にこの場合、一旦カーボンナノチューブの一端に結合させた官能基３を変化させることのない付着態様とすることが望ましく、化学的作用は回避することが望ましい。これは、官能基３の特性を利用して、上記（６）の工程において、電極材料に対してこの官能基３が選択的に反応して結合することが、カーボンナノチューブを自己整合的に配置するために必要とされるからである。ただし、このような官能基３の特定の材料に反応する機能を変化させる作用でなければ、例えば酸−アルカリ反応等の化学反応を利用することも可能である。
そしてこの後、図６に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１を元の基材２から剥離させる。
【００２５】
その後、上記（４）の工程として、図７に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１の各カーボンナノチューブの多端に、官能基６を結合する。各種官能基の結合方法としては、前述の図４において説明した例と同様の方法を適用することができる。
また、この官能基６は、前述の図４において説明した官能基３とは異なる官能基であることが望ましい。これは、上述したように上記（６）の工程において、カーボンナノチューブを自己整合的に配置するために、官能基３が選択的に反応する電極材料とは異なる電極材料に、この官能基６が選択的に反応することが必要だからである。
【００２６】
そして次に、上記（５）の工程として、図８に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１を基材４から離間させて、各カーボンナノチューブ８を溶媒７中に分散させる。この溶媒７としては、ジクロロエタン（ＤＣＥ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等の溶媒を用いることができる。
【００２７】
また、この溶媒７には、混入物を最小限に抑えることが望ましい。混入物を防ぐ方法としては、超音波処理を用いる方法が挙げられる。超音波処理時のパワー及び時間を適切に選定することによって、例えば基材４上の下地層５の混入を十分に抑制することが可能である。
【００２８】
一方、図９に示すように、予め電界効果トランジスタを含む半導体装置を形成するシリコン等より成る基板９上に、例えばトランジスタのソース及びドレイン電極を構成する２つの電極１０及び１２を通常の半導体製造工程に用いるリソグラフィ技術等によって形成する。図９において、１１は基板上に形成するソース／ドレイン領域等のゲート構造を模式的に示す。また、図示しないが、所定の配線構造等も形成される。
そして、上記（６）の工程として、これらの電極１０及び１２の上に、カーボンナノチューブ８が分散された溶媒７を浸漬又はスピンコート法等によって塗布する。
このとき、電極１０の材料を、カーボンナノチューブ８の両端に結合させた官能基３及び６に対して、選択的な作用を生じる材料に選定する。電極材料と、官能基との組み合わせとしては、下記の表１に示す組み合わせが挙げられる。なお、これらの組み合わせによる電極材料と官能基との間の作用は、例えば分子間力による物理的結合、電子転位結合、化学結合等によるものである。
【００２９】
【表１】
【００３０】
このようにして、図１０に示すように、カーボンナノチューブ８の両端の官能基３及び６が、選択的に各電極１０、１２にそれぞれ結合されることによって、カーボンナノチューブ８を自己整合的に配置することができる。この場合、ＡＦＭ等を用いる場合のような煩雑な作業によることなく、また、ＣＶＤによらないことによって、高温のプロセスを経ることなく、高い精度をもって、カーボンナノチューブを所定電極上に配置することができるという利点を有する。
【００３１】
なお、電極の材料としては、周期律表の３〜１３族の元素を用いることが可能である。また、この電極の導電性材料の上に、Ｈ、Ｃ、Ｎ、ＯＰ又はＳ等を含む化学物質を被覆ないしは結合することによって、カーボンナノチューブの端部の官能基と、電極との結合作用を高めることが可能である。
また、これらの材料を、カーボンナノチューブ８を分散する溶媒７に含有させることにより、同様の効果を得ることができる。
例えば、アミノエタンチオール（ＮＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＳＨ）の−ＳＨを電極材料の例えばＡｕに結合させ、ＮＨ２をカーボンナノチューブ８の端部に結合した−ＣＯＯＨと反応させることによって、より確実に電極とカーボンナノチューブとを結合することができる。
このように、特定の材料に反応する様々な化学物質を電極材料に結合することによって、カーボンナノチューブと電極との相互作用を生じさせる材料の選択範囲を広げることができ、また、相互作用の速度と選択性を高めることができるという利点を有する。
【００３２】
このようにして、カーボンナノチューブ８を電極１０、１２上に自己整合的に配置した後、２００℃以上２０００℃以下の温度によるアニールを行うことによって、カーボン以外の材料を略除去することができ、図１１に示すように、両端に官能基が結合されていないカーボンナノチューブ１３を電極１０、１２上に配置して、このカーボンナノチューブ１３と電極１０、１２とのコンタクト抵抗を低減化することができる。
このアニール工程において、官能基は２００℃程度からカーボンナノチューブ８より離れはじめ、４００〜５００℃程度で殆どの官能基が完全に離間する。アニールの最高温度としては、カーボンナノチューブ及び基板の損傷を防ぐため、高温処理を避け、最大２０００℃以下とし、更に望ましくは８００℃以下とする。１００℃以上５００℃以下のアニールを行う場合、カーボンナノチューブをＣＶＤ法により成長する場合と比較して確実に低温でのプロセスとなる。
また、このアニール工程は、Ｈｅガス又はＡｒガスを導入し、また所定の真空度を保持して行うことが望ましい。
【００３３】
その後、図１２に示すように、誘電体材料より成るカバー層１５をカーボンナノチューブ１３、電極１０及び１２上を覆って被着する。このカバー層１５は、誘電率２．０以上の材料より構成することによって、確実にリーク電流の発生を回避でき、またゲート効果への影響を回避できる。また、その厚さは、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下程度とすることが望ましい。
【００３４】
そして、図１３に示すように、ゲート電極１６を形成して、カーボンナノチューブ１３をチャネル構造に有することによって、特性の良好な電界効果トランジスタを得ることができる。
このようにして作製された電界効果トランジスタは、半導体特性を有するカーボンナノチューブ１３をチャネルに用いることによって、相互コンダクタンス、キャリア移動度において、従来のシリコン材料によるトランジスタに比して、優れた特性を得ることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明によるカーボンナノチューブ及びその配置方法によれば、半導体特性に優れたカーボンナノチューブを、煩雑な作業によることなく自己整合的に、また高温のプロセスを経ることなく容易にかつ良好な精度をもって、所定位置に配置することが可能となり、これを用いて電界効果トランジスタを製造することによって、特性に優れた電界効果トランジスタの生産性の向上を図ることができる。
【００３６】
更に、上述のカーボンナノチューブの配置方法を適用して各種半導体装置を製造することによって、半導体特性を有するカーボンナノチューブを有して成り、このカーボンナノチューブの一端が固定される領域の材料と、多端が固定される領域の材料が、異なる材料に選定されて成る半導体装置を、高価な装置を用いることなく、容易にかつ高温のプロセスを経ることなく製造することが可能となる。
本発明カーボンナノチューブの配置方法を適用し得る半導体装置としては、例えば各種ディスプレイのスイッチング素子、次世代論理デバイス、光電子メモリデバイス等が挙げられる。
【００３７】
なお、本発明は、上述の実施の形態の例において説明した材料、構成に限定されるものではなく、その他ＣＮＴとしてＭＷＮＴを用いるとか、或いは本発明によるカーボンナノチューブの配置方法を、他の各種半導体装置に適用する等、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるカーボンナノチューブの一例の概略構成図である。
【図２】本発明によるカーボンナノチューブの一例の概略構成図である。
【図３】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図４】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図５】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図６】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図７】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図８】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図９】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１０】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１１】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１２】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１３】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【符号の説明】
【００３９】
１．カーボンナノチューブ、２．基材、３．官能基、４．基材、５．付着層、６．官能基、７．溶媒、８．カーボンナノチューブ、９．基板、１０．電極、１１．ゲート構造、１２．電極、１３．カーボンナノチューブ、１５．カバー層、１６．ゲート電極、２０．カーボンナノチューブ薄膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に半導体特性を有するカーボンナノチューブ及びその配置方法と、これを用いた電界効果トランジスタとその製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体トランジスタが１９４７年に発明されて以来、シリコン素材のマイクロエレクトロニクスは略指数関数的に成長してきた。しかしながら、近い将来この成長が続かなくなると予測されている。これは、集積度がナノメータースケールに近づくと、確実に設計通りの機能を有する構造としては、物理的な限界に達するためである。また同時に、指数関数的に上がり続ける製造コストが集積度を阻害しているという現状がある。
これに対し、比較的安くかつ自己整合的に構成することが可能な単分子デバイスによる分子エレクトロニクスの分野が、このような原理上のシリコン技術の限界を乗り越える技術として注目されている。
【０００３】
この分子エレクトロニクスの分野において、近年益々注目される分子構造として、フラーレンやカーボンナノチューブが挙げられる。例えば、一枚のグラフェンシートをチューブ型に巻いて円筒形に形成され、直径がナノメータースケールとされる単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ：Single Walled carbon Nano Tube）は、１９９０年代の早い時期に発見されて以来、エレクトロニクス分野に好適な各種特性が積極的に研究されてきた。
このＳＷＮＴは、チューブの輪郭を形作る炭素分子のスパイラル状格子の角度及びキラリティ（対掌性）に依存して、金属又は半導体の性質を呈する。そして、ＳＷＮＴの電子的性能は、最良の金属又は半導体を凌ぐと予測されている。
１９９８年に、室温で、単一のＳＷＮＴを用いたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が実現された（非特許文献１参照。）
また、論理ゲートとして最も単純な構成のインバーターも、１つ又は２つのカーボンナノチューブによるユニポーラ型又は相補型構成のＦＥＴを用いて実現された。更に、他の論理ゲートとして、ＮＯＲ、ＡＮＤ、ＳＲＡＭ（Static RAM）が相補型又は多重相補型モードを利用して構成された。発振周波数２２０Ｈｚに至るリング発振器もアレイ状のｐ型又はｎ型のカーボンナノチューブＦＥＴを用いて作製された（非特許文献２及び３参照。）。
【０００４】
上述のＳＷＮＴによるトランジスタやこれを用いた基本的な論理回路は、主に２通りの方法により作製されている。１つの方法は、溶媒にＳＷＮＴを分散して、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を走査して予めパターニングされた電極に各カーボンナノチューブを配置する方法である（上記非特許文献1及び２参照。）。
この場合、典型的には、レーザアブレーションにより形成されたＳＷＮＴを、ダイクロロエタン懸濁液からウエファ上に分散する。そして、ＡＦＭによって直径が略１ｎｍ程度のＳＷＮＴをゲート電極の上に配置する。その後、このナノチューブ上に、リソグラフィ技術を適用した選択的なＡｕの蒸着によって、コンタクト電極及び配線を形成する。このような方法を用いて、バックゲート構造による２０ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）のホール移動度を達成している例もある（例えば非特許文献４参照。）。
また、トップゲート型のＦＥＴとして、ゲート電極にＣＮＴを用いることによって２３２１Ｓ／ｍという高い相互コンダクタンスを達成した例も報告されている（例えば非特許文献５参照。）。
【０００５】
一方、第２の方法として、ＣＶＤ（化学的気相成長法）により、予めパターニングされた電極パターンの上に、直接的にＳＷＮＴを成長させる例も報告されている（例えば非特許文献６及び７参照。）。
この方法による場合は、例えば相互コンダクタンスやキャリアの移動度というトランジスタの重要な特性において、それぞれ相互コンダクタンスが６０００Ｓ／ｍ、キャリアの移動度が３０００ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）という値を達成し、シリコン半導体のそれと比べて一桁上の特性を得ている。
特に、キャリアの移動度については、同様の方法によって作製したトランジスタにおいて、長さ３００μｍの半導体ＣＮＴをチャネルに用いることにより、キャリアの移動度が７９０００ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓ）に達した例も報告されている（例えば非特許文献８参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】Tans, S.J. et al., Nature, 1998, Vol.393, p.49
【非特許文献２】Bachtold, A. et al., Science, 2001, Vol.294, p.1317
【非特許文献３】Derycke, V. et al., Nano Letters, 2002, Vol.2, p.929
【非特許文献４】Martel, R. et al, Applied Physics Letters, 1998, Vol.73, p.2447
【非特許文献５】Wind, S.J.etal., Applied Physics Letters, 2002, Vol.80, p.3817
【非特許文献６】Javey, A. et al., Nature, 2003, Vol.424, p.654
【非特許文献７】Tseng, Y. et al., Nano Letters, 2004, Vol.1, p.123
【非特許文献８】Durkop, T. et al., Nano Letters, 2004, Vol.4, p.35
【非特許文献９】Tseng, Y. et al., Nano Letters, 2004, Vol.4, p.123
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のＡＦＭを用いる第１の方法によって作製する場合は、多数のＣＮＴを手動でデバイス上に配置するという非実用的な手法であり、ＣＰＵ（Central processing unit）チップのメモリのような半導体装置への適用は困難である。
更に、ＣＶＤによる場合は、高温でのプロセスであることから、大量の電極上に良好な精度をもって配置することは困難であり、集積回路への応用には問題がある。実際、ＣＶＤにより作製する方法を利用して、シリコンＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）デバイスの一部にＳＷＮＴを組み込んだ集積回路を形成した例では、アライメント精度の悪さにより、約２０００本のＣＮＴのうち１％のＣＮＴのみしかバックゲートとして機能していなかったという例も報告されている（例えば非特許文献９参照。）。
【０００８】
上述の問題に鑑みて、本発明は、近年優れた半導体特性が注目されているカーボンナノチューブを電界効果トランジスタ等に用いて集積回路を作製する場合に、所定の位置上により精度良く配置することが可能なカーボンナノチューブ及びその配置方法と、これを用いた電界効果トランジスタとその製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明によるカーボンナノチューブは、少なくとも一端に、官能基を有することを特徴とする。
また、本発明は、上述のカーボンナノチューブにおいて、両端に、官能基を有することを特徴とする。
更に、本発明は、上述のカーボンナノチューブにおいて、その両端の官能基が、異なる官能基とされたことを特徴とする。
また、本発明は、上述の各カーボンナノチューブにおいて、その一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明によるカーボンナノチューブの配置方法は、半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る電極上に塗布して、上記電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明による電界効果トランジスタは、ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタであって、半導体特性を有するカーボンナノチューブが、少なくとも上記チャネルの構成材料とされたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による電界効果トランジスタの製造方法は、ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタの製造方法であって、半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る上記ソース電極及びドレイン電極上に塗布して、上記ソース電極及びドレイン電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置することを特徴とする。
更に、本発明による半導体装置は、半導体特性を有するカーボンナノチューブを有して成り、上記カーボンナノチューブの一端が固定される領域の材料と、多端が固定される領域の材料が、異なる材料に選定されて成ることを特徴とする。
【００１３】
上述の本発明においては、カーボンナノチューブの一端もしくは両端に官能基を有する構成とすることによって、この官能基に対して、選択的に引き付ける作用を有する材料を選択的に電極等に配置しておくことによって、カーボンナノチューブを目的とする位置に自己整合的に配置することができる。
また、このように、異なる官能基に対して選択的に引き付ける作用を有する異なる材料を、ソース電極、ドレイン電極の各材料に用いることによって、ＡＦＭなどの高価な装置を用いる煩雑な作業によることなく、また、ＣＶＤの高温プロセスを経ることなく、カーボンナノチューブを容易に電界効果トランジスタに用いて製造することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によるカーボンナノチューブは、一端に官能基を有する構成とすることによって、少なくとも一端を、特定の材料に対して選択的に結合乃至は付着する構成とすることができる。
また、本発明によるカーボンナノチューブにおいて、両端に官能基を有する構成とすることによって、カーボンナノチューブの両端を、特定の材料に対して選択的に結合乃至は付着する構成とすることができる。
更に、本発明によるカーボンナノチューブにおいて、両端の官能基を異なる官能基とすることによって、所定の複数の材料に対して選択的に結合乃至は付着する構成とすることができる。
また、本発明によるカーボンナノチューブにおいて、一端又は両端の官能基を、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とすることによって、導電性材料の配置に対応して、自己整合的に配置することができる。
更に、本発明によるカーボンナノチューブの配置方法によれば、高価な装置や煩雑な作業によることなく、また、高温のプロセスを経ることなく、容易に所定位置にカーボンナノチューブを配置することができる。
【００１５】
また、本発明による電界効果トランジスタによれば、カーボンナノチューブをチャネルに配置することによって、特性の良好な電界効果トランジスタを提供することができる。
更に、本発明による電界効果トランジスタの製造方法によれば、カーボンナノチューブをソース電極及びドレイン電極上に、容易かつ精度良く配置することができて、カーボンナノチューブをチャネルに用いることによって良好な特性が得られる電界効果トランジスタの生産性の向上を図ることができる。
また、本発明による半導体装置によれば、半導体として良好な特性を有するカーボンナノチューブを容易に配置することが可能な半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
本発明によるカーボンナノチューブは、図１にその一例の模式的な概略構成図を示すように、少なくとも一端に、官能基を有する構成とする。すなわち、本発明によるＣＮＴ１は、例えばその一端に、−ＣＯＯＨ、−Ｃ＝Ｏ、−ＮＨ2 等の官能基３が化学的作用により結合された構成とする。
また、図２に本発明によるカーボンナノチューブの他の例の模式的な概略構成を示すように、カーボンナノチューブ１の一端に、官能基３を有するとともに、他端に、官能基３とは異なる官能基６を有する構成としてもよい。
【００１７】
本発明に用いるカーボンナノチューブ１としては、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）でもよく、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ：Multi Walled carbon Nano Tube）でもよい。また、カーボンナノチューブ１の直径は、０．４ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とすることができ、その長さは、２ｎｍ以上１ｍｍ以下程度とすることができる。
また、官能基３及び６としては、周期律表の１〜２族、１３〜１６族の元素を含む各種官能基を用いることができる。
【００１８】
このようなカーボンナノチューブを製造して所定位置に配置するカーボンナノチューブの配置方法と、このカーボンナノチューブを用いて電界効果トランジスタを製造する製造方法の一例を、図３〜図１３の各工程図を参照して説明する。この場合、６段階の主な工程を有する。すなわち、
（１）基材上に、カーボンナノチューブが密にかつその長手方向を横切る方向に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成する。
（２）カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一方の端部に所定の官能基を結合させる。
（３）別の基材上にカーボンナノチューブ薄膜を付着して、元の基材を除去する。
（４）カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの他端に、官能基を結合する。
（５）カーボンナノチューブ薄膜を基材から離間させて、各カーボンナノチューブを溶媒中に分散させる。
（６）予め基板上に形成された２つの電極の間に、カーボンナノチューブを自己整合的に配置する。
【００１９】
ここで、上記（１）の工程において、基板上にカーボンナノチューブを配列する方法は、ＲＦ（高周波）プラズマ等が挙げられる（例えばFan S. et al., Science, 1999, Vol.283, p.512、Murakami Y. et al., Chemical Physics Letters, 2004, Vol.385, p.298参照。）。
【００２０】
本発明においてカーボンナノチューブを配列して形成する基材としては、ガラス、石英、シリコン等を用いることができる。また、他の材料でも、カーボンナノチューブ成長時の高温に耐久性を有する材料であればよく、また単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を形成する場合は、その成長に用いる触媒と高温で反応しない材料であることが望ましい。
【００２１】
この実施の形態の例においては、ＲＦプラズマを用いることにより、図３に示すように、ガラス等より成る基材２上に、単層構造のカーボンナノチューブを略垂直に、かつ密に、すなわちカーボンナノチューブの長手方向を横切る方向の間隔が略カーボンナノチューブの直径以下程度とされて配列されたカーボンナノチューブ薄膜（ＣＮＴ薄膜）１を形成することができる。このとき、ＲＦプラズマを利用することによって、配列形成したＣＮＴはＳＷＮＴであり、このＳＷＮＴのうち半導体特性を呈するＳＷＮＴの比率を高めることができる。
なお、カーボンナノチューブ１は、図３に示すように略垂直な配列とする他、一定の角度を持って、かつ各カーボンナノチューブ１の間隔を略同様の間隔に維持して配列してもよく、例えば斜め方向に配列された構成であっても、後述する方法によって、端部に良好に官能基を結合することが可能である。
【００２２】
そして次に、上記（２）の工程として、図４に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１の各カーボンナノチューブ１の一方の端部、すなわち基材２上に付着している側とは反対側の端部に、−ＣＯＯＨ、−Ｃ＝Ｏ、−ＮＨ2 等の官能基３を結合させる。
この結合方法としては、溶媒又はプラズマによる化学的処理、電気化学処理が挙げられる。
例えば−ＣＯＯＨ等の官能基の場合は、カーボンナノチューブ薄膜１を酸性溶液に浸して、その後正電圧を印加して酸化させる方法が挙げられる。
このように溶媒を用いる際には、溶媒に酸、アルカリ、酸化物等の化学物質を含む材料を用いる。酸性物質としては例えば硝酸、硫酸等、またアルカリ性物質としては、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等、更に酸化物としては、Ｈ2 Ｏ2 、Ｂｒ酸化物等のうちそれぞれ少なくとも１つ以上を含む材料を用いることができる。
また、−Ｃ＝Ｏ等の官能基の場合は、酸素雰囲気中でプラズマ処理する方法が利用可能である。
更に、−ＮＨ2 等の官能基の場合は、ＮＨ3 雰囲気中ＲＦプラズマ処理が挙げられる。
【００２３】
次に、上記（３）の工程として、別の基材上にカーボンナノチューブ薄膜を上下逆に付着させる。このようにカーボンナノチューブ薄膜１を効率よく上下逆に他の基材に付着するために、図５に示すように、ガラス、石英又はシリコン等より成る平坦な基材４の表面に、予めカーボンナノチューブを付着することが可能な付着層５を被着する。この付着層５としては、例えば粘着性を有し、かつ後の工程で容易に除去することが可能な粘着性ポリマーフィルム等の材料を用いることが望ましい。
また、その他静電的作用によって、物理的に付着することが可能な材料を用いることも可能である。
【００２４】
特にこの場合、一旦カーボンナノチューブの一端に結合させた官能基３を変化させることのない付着態様とすることが望ましく、化学的作用は回避することが望ましい。これは、官能基３の特性を利用して、上記（６）の工程において、電極材料に対してこの官能基３が選択的に反応して結合することが、カーボンナノチューブを自己整合的に配置するために必要とされるからである。ただし、このような官能基３の特定の材料に反応する機能を変化させる作用でなければ、例えば酸−アルカリ反応等の化学反応を利用することも可能である。
そしてこの後、図６に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１を元の基材２から剥離させる。
【００２５】
その後、上記（４）の工程として、図７に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１の各カーボンナノチューブの多端に、官能基６を結合する。各種官能基の結合方法としては、前述の図４において説明した例と同様の方法を適用することができる。
また、この官能基６は、前述の図４において説明した官能基３とは異なる官能基であることが望ましい。これは、上述したように上記（６）の工程において、カーボンナノチューブを自己整合的に配置するために、官能基３が選択的に反応する電極材料とは異なる電極材料に、この官能基６が選択的に反応することが必要だからである。
【００２６】
そして次に、上記（５）の工程として、図８に示すように、カーボンナノチューブ薄膜１を基材４から離間させて、各カーボンナノチューブ８を溶媒７中に分散させる。この溶媒７としては、ジクロロエタン（ＤＣＥ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等の溶媒を用いることができる。
【００２７】
また、この溶媒７には、混入物を最小限に抑えることが望ましい。混入物を防ぐ方法としては、超音波処理を用いる方法が挙げられる。超音波処理時のパワー及び時間を適切に選定することによって、例えば基材４上の下地層５の混入を十分に抑制することが可能である。
【００２８】
一方、図９に示すように、予め電界効果トランジスタを含む半導体装置を形成するシリコン等より成る基板９上に、例えばトランジスタのソース及びドレイン電極を構成する２つの電極１０及び１２を通常の半導体製造工程に用いるリソグラフィ技術等によって形成する。図９において、１１は基板上に形成するソース／ドレイン領域等のゲート構造を模式的に示す。また、図示しないが、所定の配線構造等も形成される。
そして、上記（６）の工程として、これらの電極１０及び１２の上に、カーボンナノチューブ８が分散された溶媒７を浸漬又はスピンコート法等によって塗布する。
このとき、電極１０の材料を、カーボンナノチューブ８の両端に結合させた官能基３及び６に対して、選択的な作用を生じる材料に選定する。電極材料と、官能基との組み合わせとしては、下記の表１に示す組み合わせが挙げられる。なお、これらの組み合わせによる電極材料と官能基との間の作用は、例えば分子間力による物理的結合、電子転位結合、化学結合等によるものである。
【００２９】
【表１】
【００３０】
このようにして、図１０に示すように、カーボンナノチューブ８の両端の官能基３及び６が、選択的に各電極１０、１２にそれぞれ結合されることによって、カーボンナノチューブ８を自己整合的に配置することができる。この場合、ＡＦＭ等を用いる場合のような煩雑な作業によることなく、また、ＣＶＤによらないことによって、高温のプロセスを経ることなく、高い精度をもって、カーボンナノチューブを所定電極上に配置することができるという利点を有する。
【００３１】
なお、電極の材料としては、周期律表の３〜１３族の元素を用いることが可能である。また、この電極の導電性材料の上に、Ｈ、Ｃ、Ｎ、ＯＰ又はＳ等を含む化学物質を被覆ないしは結合することによって、カーボンナノチューブの端部の官能基と、電極との結合作用を高めることが可能である。
また、これらの材料を、カーボンナノチューブ８を分散する溶媒７に含有させることにより、同様の効果を得ることができる。
例えば、アミノエタンチオール（ＮＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＳＨ）の−ＳＨを電極材料の例えばＡｕに結合させ、ＮＨ２をカーボンナノチューブ８の端部に結合した−ＣＯＯＨと反応させることによって、より確実に電極とカーボンナノチューブとを結合することができる。
このように、特定の材料に反応する様々な化学物質を電極材料に結合することによって、カーボンナノチューブと電極との相互作用を生じさせる材料の選択範囲を広げることができ、また、相互作用の速度と選択性を高めることができるという利点を有する。
【００３２】
このようにして、カーボンナノチューブ８を電極１０、１２上に自己整合的に配置した後、２００℃以上２０００℃以下の温度によるアニールを行うことによって、カーボン以外の材料を略除去することができ、図１１に示すように、両端に官能基が結合されていないカーボンナノチューブ１３を電極１０、１２上に配置して、このカーボンナノチューブ１３と電極１０、１２とのコンタクト抵抗を低減化することができる。
このアニール工程において、官能基は２００℃程度からカーボンナノチューブ８より離れはじめ、４００〜５００℃程度で殆どの官能基が完全に離間する。アニールの最高温度としては、カーボンナノチューブ及び基板の損傷を防ぐため、高温処理を避け、最大２０００℃以下とし、更に望ましくは８００℃以下とする。１００℃以上５００℃以下のアニールを行う場合、カーボンナノチューブをＣＶＤ法により成長する場合と比較して確実に低温でのプロセスとなる。
また、このアニール工程は、Ｈｅガス又はＡｒガスを導入し、また所定の真空度を保持して行うことが望ましい。
【００３３】
その後、図１２に示すように、誘電体材料より成るカバー層１５をカーボンナノチューブ１３、電極１０及び１２上を覆って被着する。このカバー層１５は、誘電率２．０以上の材料より構成することによって、確実にリーク電流の発生を回避でき、またゲート効果への影響を回避できる。また、その厚さは、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下程度とすることが望ましい。
【００３４】
そして、図１３に示すように、ゲート電極１６を形成して、カーボンナノチューブ１３をチャネル構造に有することによって、特性の良好な電界効果トランジスタを得ることができる。
このようにして作製された電界効果トランジスタは、半導体特性を有するカーボンナノチューブ１３をチャネルに用いることによって、相互コンダクタンス、キャリア移動度において、従来のシリコン材料によるトランジスタに比して、優れた特性を得ることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明によるカーボンナノチューブ及びその配置方法によれば、半導体特性に優れたカーボンナノチューブを、煩雑な作業によることなく自己整合的に、また高温のプロセスを経ることなく容易にかつ良好な精度をもって、所定位置に配置することが可能となり、これを用いて電界効果トランジスタを製造することによって、特性に優れた電界効果トランジスタの生産性の向上を図ることができる。
【００３６】
更に、上述のカーボンナノチューブの配置方法を適用して各種半導体装置を製造することによって、半導体特性を有するカーボンナノチューブを有して成り、このカーボンナノチューブの一端が固定される領域の材料と、多端が固定される領域の材料が、異なる材料に選定されて成る半導体装置を、高価な装置を用いることなく、容易にかつ高温のプロセスを経ることなく製造することが可能となる。
本発明カーボンナノチューブの配置方法を適用し得る半導体装置としては、例えば各種ディスプレイのスイッチング素子、次世代論理デバイス、光電子メモリデバイス等が挙げられる。
【００３７】
なお、本発明は、上述の実施の形態の例において説明した材料、構成に限定されるものではなく、その他ＣＮＴとしてＭＷＮＴを用いるとか、或いは本発明によるカーボンナノチューブの配置方法を、他の各種半導体装置に適用する等、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるカーボンナノチューブの一例の概略構成図である。
【図２】本発明によるカーボンナノチューブの一例の概略構成図である。
【図３】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図４】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図５】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図６】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図７】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図８】本発明によるカーボンナノチューブの配置方法及び電界効果トランジスタの製造方法の一例の一工程図である。
【図９】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１０】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１１】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１２】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【図１３】本発明による電界効果トランジスタの製造方法の一例の一製造工程図である。
【符号の説明】
【００３９】
１．カーボンナノチューブ、２．基材、３．官能基、４．基材、５．付着層、６．官能基、７．溶媒、８．カーボンナノチューブ、９．基板、１０．電極、１１．ゲート構造、１２．電極、１３．カーボンナノチューブ、１５．カバー層、１６．ゲート電極、２０．カーボンナノチューブ薄膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一端に、官能基を有する
ことを特徴とするカーボンナノチューブ。
【請求項２】
両端に、官能基を有する
ことを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブ。
【請求項３】
上記カーボンナノチューブの両端の官能基が、異なる官能基とされた
ことを特徴とする請求項２記載のカーボンナノチューブ。
【請求項４】
上記カーボンナノチューブの一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされた
ことを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブ。
【請求項５】
上記カーボンナノチューブの一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされた
ことを特徴とする請求項２記載のカーボンナノチューブ。
【請求項６】
上記カーボンナノチューブの一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされた
ことを特徴とする請求項３記載のカーボンナノチューブ。
【請求項７】
半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、
上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、
上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る電極上に塗布して、上記電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置する
ことを特徴とするカーボンナノチューブの配置方法。
【請求項８】
ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタであって、
半導体特性を有するカーボンナノチューブが、少なくとも上記チャネルの構成材料とされた
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項９】
ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタの製造方法であって、
半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、
上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、
上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る上記ソース電極及びドレイン電極上に塗布して、上記ソース電極及びドレイン電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置する
ことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
半導体特性を有するカーボンナノチューブを有して成り、
上記カーボンナノチューブの一端が固定される領域の材料と、多端が固定される領域の材料が、異なる材料に選定されて成る
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
少なくとも一端に、官能基を有する
ことを特徴とするカーボンナノチューブ。
【請求項２】
両端に、官能基を有する
ことを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブ。
【請求項３】
上記カーボンナノチューブの両端の官能基が、異なる官能基とされた
ことを特徴とする請求項２記載のカーボンナノチューブ。
【請求項４】
上記カーボンナノチューブの一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされた
ことを特徴とする請求項１記載のカーボンナノチューブ。
【請求項５】
上記カーボンナノチューブの一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされた
ことを特徴とする請求項２記載のカーボンナノチューブ。
【請求項６】
上記カーボンナノチューブの一端又は両端の官能基が、所定の導電性材料に対し、選択的に作用する官能基とされた
ことを特徴とする請求項３記載のカーボンナノチューブ。
【請求項７】
半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、
上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、
上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る電極上に塗布して、上記電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置する
ことを特徴とするカーボンナノチューブの配置方法。
【請求項８】
ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタであって、
半導体特性を有するカーボンナノチューブが、少なくとも上記チャネルの構成材料とされた
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項９】
ソース及びドレイン電極と、該ソース及びドレイン電極の間の電流通路であるチャネルの導電率を変化させて電流制御を行うゲートを有する電界効果トランジスタの製造方法であって、
半導体特性を有するカーボンナノチューブが、基材上にその長手方向を横切る方向に密に配列されたカーボンナノチューブ薄膜を形成し、
上記カーボンナノチューブ薄膜の各カーボンナノチューブの一端に、官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を他の基材に付着して、上記官能基を結合した端部とは反対側の端部に、上記官能基とは異なる官能基を結合し、
上記カーボンナノチューブ薄膜を溶媒に分散して、上記各カーボンナノチューブを上記カーボンナノチューブ薄膜から分離し、
上記溶媒を、予めパターン形成され、かつ上記各官能基と選択的に作用する導電性材料より成る上記ソース電極及びドレイン電極上に塗布して、上記ソース電極及びドレイン電極に跨って上記各カーボンナノチューブを配置する
ことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
半導体特性を有するカーボンナノチューブを有して成り、
上記カーボンナノチューブの一端が固定される領域の材料と、多端が固定される領域の材料が、異なる材料に選定されて成る
ことを特徴とする半導体装置。
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図２】
【公開番号】特開２００６−４９４３５（Ｐ２００６−４９４３５Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２５８３４（Ｐ２００４−２２５８３４）
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２日（２００４．８．２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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