半導体装置及びその製造方法
【課題】ソースのコンタクト抵抗を低く抑えて高性能なトランジスタ特性をえると同時に高いブレークダウン電圧を実現できるなど、トランジスタ特性のきめ細かな調整を行える電界効果型トランジスタを提供する。
【解決手段】電界効果型トランジスタは、ソース・ドレイン間のチャネル領域２３が少なくとも２つ以上の直列に接続された細分化チャネル領域２３１〜２３２からなり、少なくとも２つの細分化チャネル領域２３１〜２３２の半導体材料のバンドギャップが異なっている。
【解決手段】電界効果型トランジスタは、ソース・ドレイン間のチャネル領域２３が少なくとも２つ以上の直列に接続された細分化チャネル領域２３１〜２３２からなり、少なくとも２つの細分化チャネル領域２３１〜２３２の半導体材料のバンドギャップが異なっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、チャネル部分に半導体カーボンナノチューブや半導体ナノワイヤーなどの半導体分散膜および有機半導体を用いた電界効果型トランジスタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果型トランジスタは集積回路（ＬＳＩ）で用いられているＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表されるように、現在のエレクトロニクス産業を支える重要な素子として利用されている。ＭＯＳＦＥＴは半導体材料にＳｉ（シリコン）を用いているが、近年はＧａＡｓ，ＧａＮといった化合物半導体やＺｎＯ，有機半導体，カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）など他の半導体材料を用いた電界効果型トランジスタも現れてきた。また、これらの製造技術としてはＬＳＩのように結晶基板を用いてエッチングや膜の堆積でトランジスタ構造を形成していくやり方だけでなく、絶縁性基板に半導体材料を塗布したり印刷したりしてトランジスタ構造を形成する方法も現れてきた。
【０００３】
特に、最近では半導体材料に単層のカーボンナノチューブの分散膜を用いて塗布工程により作製する電界効果型トランジスタが注目されている。このような電界効果型トランジスタは、トランジスタのチャネルに薄い膜を用いることから薄膜トランジスタ（ＴＦＴ， Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とも呼ばれている。半導体の特性を有する単層カーボンナノチューブは、数千ｃｍ2／Ｖｓ以上の高い電子移動度と正孔移動度を有し、化学的にも安定な性質を持つことから、有機半導体よりも高性能で安定した特性のものができると期待されている。ここで用いる「カーボンナノチューブ分散膜」は、特に断らない限り、「主に半導体の特性を有する単層のカーボンナノチューブからなる分散膜」を指すことにする。カーボンナノチューブ分散膜を用いた電界効果型トランジスタとしては、非特許文献１〜４および特許文献１〜２などの報告例がある。
【０００４】
電界効果型トランジスタのチャネル部分にカーボンナノチューブ分散膜を用いたトランジスタの構造について、図８を用いて説明する。図８はカーボンナノチューブ分散膜を用いた電界効果型トランジスタの模式的な部分断面図であり、絶縁性の基板１上に、半導体材料としてのカーボンナノチューブ分散膜２が形成されており、このカーボンナノチューブ分散膜２の上にゲート絶縁膜３を介してゲート電極４、カーボンナノチューブ分散膜２の両端にソース電極５およびドレイン電極６が形成されている。基板１はソース電極５とドレイン電極６との間に電圧を印加したときにリーク電流が流れないような材料が選ばれる。例えば、基板１としてはＳｉ基板上に厚いシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を形成したものや、ガラス，プラスチックが用いられる。カーボンナノチューブ分散膜２は、多数本の半導体のカーボンナノチューブが網目状に分布している膜である。通常は半導体のカーボンナノチューブだけでなく金属の特性を持つカーボンナノチューブも混入しているが、その割合は１／３以下であり、１本のカーボンナノチューブの長さをソース電極・ドレイン電極間の長さに比べて十分短くしておけば、金属ナノチューブ同士の直接接続によりソース電極・ドレイン電極間がショートすることは確率的にほとんど無い。このため、ゲート電極に印加する電圧による半導体カーボンナノチューブ中の電子数または正孔数の変化がソース・ドレイン間の伝導度の変化（電流の変化）をもたらし、トランジスタ動作が実現される。ゲート絶縁膜３には絶縁性に優れたＳｉＯ2膜やＳｉＮX膜やポリイミド膜などが用いられる。また、ソース電極／ドレイン電極には半導体カーボンナノチューブとの接触抵抗が比較的低くなるようにｎ型の半導体カーボンナノチューブにはアルミ（Ａｌ）など、ｐ型の半導体ナノチューブには金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などが用いられる。ゲート電極はどんな金属でも良いが、トランジスタのしきい値電圧を制御するために選ばれ、アルミ（Ａｌ）や金（Ａｕ）などが使われている。
【０００５】
カーボンナノチューブ分散膜を用いたトランジスタを印刷・塗布法で作製するときは、次のような工程で行なわれる。基板１上の一部にカーボンナノチューブを含んだ分散液を滴下したり吹き付けたりした後に乾燥し、カーボンナノチューブ分散膜２を形成する。その後に、カーボンナノチューブ分散膜２上の一部に例えばポリイミドを塗布して乾燥・硬化させゲート絶縁膜３とする。さらに、ゲート絶縁膜３上の一部に例えばＡｌをメタルマスクを用いて蒸着してゲート電極４とし、同様にカーボンナノチューブ分散膜２上の一部に例えばＡｕをメタルマスクを用いて蒸着してソース電極５およびドレイン電極６を形成する。このように、簡便な方法で電界効果型トランジスタを作製することができる。
【非特許文献１】Ｅ． Ｓ． Ｓｎｏｗ， Ｊ． Ｐ． Ｎｏｖａｋ， Ｐ． Ｍ． Ｃａｍｐｂｅｌｌ， Ｄ． Ｐａｒｋ 著、アプライド フィジックス レターズ （Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） ８２巻， ２１４５頁、 ２００３年
【非特許文献２】Ｅ． Ａｒｔｕｋｏｖｉｃ， Ｍ． Ｋａｅｍｐｇｅｎ， Ｄ． Ｓ． Ｈｅｃｈｔ， Ｓ． Ｒｏｔｈ， Ｇ． Ｇｒｕｎｅｒ 著、ナノレターズ （Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、５巻、７５７頁、２００５年
【非特許文献３】Ｓ．−Ｈ． Ｈｕｒ， Ｏ． Ｏ． Ｐａｒｋ， Ｊ． Ａ． Ｒｏｇｅｒｓ 著、アプライド フィジックス レターズ、（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） ８６巻、２４３５０２頁、２００５年
【非特許文献４】Ｔ． Ｔａｋｅｎｏｂｕａ， Ｔ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｔ． Ｋａｎｂａｒａ， Ｋ． Ｔｓｕｋａｇｏｓｈｉ， Ｙ． Ａｏｙａｇｉ， Ｙ． Ｉｗａｓａ 著、 アプライド フィジックス レターズ （Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） ８８巻， ３３５１１頁、２００６年
【特許文献１】特開２００５−１５０４１０号公報
【特許文献２】特開２００６−７３７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カーボンナノチューブ分散膜を用いた従来の電界効果型トランジスタは単純な構造を持つとともに簡便な方法で作製できるため、魅力的なデバイスということができるが、トランジスタ特性のきめ細かな調整を行える構造にはなっていないという課題がある。例えば、デバイス特性で重要な高性能特性と高いブレークダウン電圧を両立させることが難しいという問題がある。カーボンナノチューブの持つ高移動度特性を活かし、高性能な特性を目指すにはソース電極とのコンタクト抵抗を十分に低く抑える必要があり、この低減にはバンドギャップの小さなカーボンナノチューブを用いることが有効である。しかし、このようなバンドギャップの小さなカーボンナノチューブをチャネルに用いると、大きなドレイン電圧印加によるアバランシェ降伏が起こり易くなり、トランジスタのブレークダウン電圧を低下させることになる。
【０００７】
本発明の目的は、ソースのコンタクト抵抗を低く抑えて高性能なトランジスタ特性をえると同時に高いブレークダウン電圧を実現できるなど、トランジスタ特性のきめ細かな調整を行える電界効果型トランジスタの構造とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る電界効果型トランジスタは、ソース・ドレイン間のチャネル領域が少なくとも２つ以上の直列に接続された細分化チャネル領域からなり、少なくとも２つの細分化チャネル領域の半導体材料のバンドギャップが異なっていることを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、チャネル領域を細分化してソース・ドレイン間のチャネル領域のバンドギャップの大きさを自由に設定することができ、しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性，ブレークダウン電圧などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度が飛躍的に増大する。
【００１０】
また、本発明において、細分化されたチャネル領域の中のドレイン端チャネル領域の半導体材料のバンドギャップがソース端チャネル領域の半導体材料よりも大きくなるように配置されていることが望ましい。これにより、ソース電極とのコンタクト抵抗を含むソース抵抗を低くすると共に高いブレークダウン電圧が実現できる。
【００１１】
また、本発明において、ドレイン電極と接続されるドレイン領域の半導体材料がドレイン端の細分化チャネル領域の半導体材料よりも小さなバンドギャップを有することがのぞましい。これにより、ドレイン側のコンタクト抵抗も低くすることができる。
【００１２】
また、本発明において、隣り合う細分化チャネル領域のバンドギャップの差が動作温度の熱エネルギー以下になっていることが望ましい。一般的に隣り合う領域にバンドギャップの差があるとポテンシャル障壁が作られて電子や正孔が乗り越えられない場合が起きるが、このバンドギャップの差が動作温度における熱エネルギー以下であれば、電子や正孔も熱エネルギーを持つためにポテンシャル障壁の影響はほとんど無くなる。
【００１３】
また、本発明において、細分化チャネル領域の半導体材料がカーボンナノチューブからなることが望ましい。移動度の高いカーボンナノチューブを用いることにより、動作速度の速い高性能な電界効果型トランジスタが実現できる。
【００１４】
本発明に係わる電界効果型トランジスタの製造方法は、細分化チャネル領域を、半導体材料を塗布することで形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１５】
この製造方法によれば、基板上で隣り合った場所にバンドギャップの異なる半導体材料を付着させ、細分化チャネル領域および全体としてのチャネル領域を容易に形成することができる。
【００１６】
また、本発明の製造方法において、細分化チャネル領域を形成する半導体材料がカーボンナノチューブを含む分散液からなることが望ましい。これにより、カーボンナノチューブを細分化チャネル領域に均一に分布させるのが容易になり、特性の均一化が図れる。
【発明の効果】
【００１７】
以上に説明した本発明の半導体装置の構造および製造方法によれば、ソースのコンタクト抵抗を低く抑えて高性能なトランジスタ特性を得ると同時に高いブレークダウン電圧を実現できるなど、コンタクト抵抗，ブレークダウン電圧，しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度を飛躍的に増大するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。実施形態１に係る半導体装置について、チャネルの部分の半導体にカーボンナノチューブ分散膜を用いて説明する。
【００１９】
本発明の実施形態１の半導体装置は、絶縁性の基板１上に、半導体のカーボンナノチューブ分散膜からなるソース領域２１，半導体のカーボンナノチューブ分散膜からなるドレイン領域２２，バンドギャップの異なる半導体のカーボンナノチューブ分散膜からなり少なくともソース端細分化チャネル領域２３１とドレイン端細分化チャネル領域２３２を含む複数の細分化チャネル領域から構成されるチャネル領域２３が形成されており、このチャネル領域２３の上にゲート絶縁膜３を介してゲート電極４、ソース領域２１およびドレイン領域２２の両端にソース電極５およびドレイン電極６が形成されている。
【００２０】
基板１はソース電極５とドレイン電極６との間に電圧を印加したときにリーク電流が流れないような材料であればどんな材料でも構わないが、例えば、基板１としてはＳｉ基板上に厚いシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を形成したものや、ガラス，プラスチックがある。特に薄いガラスやプラスチックは曲げられる基板として用いることができる。
【００２１】
一般的に半導体の特性を持つ単層のカーボンナノチューブは直径が太くなるほどバンドギャップが狭くなるが、直径が０．６ｎｍ程度から２ｎｍ程度までのカーボンナノチューブを用いることでバンドギャップを１．５ｅＶ程度から０．４ｅＶ程度まで変えることができる。このため、カーボンナノチューブの直径を制御して成長することにより、バンドギャップの異なる半導体カーボンナノチューブを得ることができ、バンドギャップの異なるカーボンナノチューブ分散膜を作ることができる。例えば、レーザーアブレーション法の一つであるＨｉＰｃｏで成長したものでは、直径１．３ｎｍ程度のカーボンナノチューブ（バンドギャップ０．７ｅＶ程度）のものが売られており、また、触媒を用いた気相成長法（ＣＶＤ法）の一つであるＣｏＭｏＣＡＴで成長したものでは、直径０．８ｎｍ程度のカーボンナノチューブ（バンドギャップ１．１ｅＶ程度）が売られている。これらは、触媒の粒径や成長条件を変えることにより、直径を変えることができる。
【００２２】
これにより、例えばソース領域２１およびソース端細分化チャネル領域２３１としてＨｉＰｃｏで成長したバンドギャップの狭いカーボンナノチューブ（バンドギャップ０．７ｅＶ程度）分散膜を用い、ドレイン領域２２およびドレイン端細分化チャネル領域２３２としてＣｏＭｏＣＡＴで成長したバンドギャップの広いカーボンナノチューブ（バンドギャップ１．１ｅＶ程度）分散膜を用いることで、チャネル領域２３がソース端細分化チャネル２３１とドレイン端細分化チャネル２３２からなる本発明のソースからドレインまでの構造を形成できる。図２（Ａ）はソース領域２１およびドレイン領域２２のカーボンナノチューブ分散膜にカリウム（Ｋ）を付着させてｎ型半導体とし、ソース端細分化チャネル領域２３１およびドレイン端細分化チャネル領域２３２のカーボンナノチューブ分散膜に酸素（Ｏ）を吸着させてｐ型半導体とした場合のソースからドレインまでのバンド構造を示したものである。カーボンナノチューブ分散膜にはカーボンナノチューブ間にトンネル障壁や金属カーボンナノチューブの部分が存在するが、本質的な素子動作に与える影響は小さいとしてこのバンド構造の図では省略している。ソース側のバンドギャップが狭いために、ソース領域２１のコンタクト抵抗やソース端チャネル２３１の寄生抵抗を低く抑えることができる。またドレイン側のバンドギャップが大きいためにブレークダウン電圧を高く保つことができる。このように、均一なバンドギャップを持つ従来の構造ではできなかった設計の自由度を高めることができる。
【００２３】
なお、ソース端細分化チャネル領域２３１とドレイン端チャネル細分化チャネル領域２３２の間にはコンダクションバンドのエネルギー差が生じているが、これは電位障壁としてキャリア（電子）の走行を阻害するため、低いドレイン電圧で動作をさせる場合はなるべく小さくすることが望ましい。このような観点からは、図２（Ｂ）で示すようにソース端細分化チャネル領域２３１とドレイン端細分化チャネル領域２３２の間に、バンドギャップが少しずつ変化するような細分化チャネル領域を設けることが望ましい。これはバンドギャップ制御した半導体カーボンナノチューブ分散膜を用いることで実現できる。理想的には、隣り合う細分化チャネル領域のバンドギャップの差が動作温度の熱エネルギー以下になるようにしておくことが望ましい。この場合には、キャリア（電子）はバンドギャップ差の影響をほとんど受けないで走行することができる。高いドレイン電圧を印加して利用する場合にはバンドギャップ差による電位障壁は等価的に低くなるため、必ずしも動作温度の熱エネルギー以下にする必要はない。
【００２４】
ゲート絶縁膜３には絶縁性に優れたＳｉＯ2膜やＳｉＮX膜やポリイミド膜などを用いることができる。もちろん、これらの材料に限ることはなく、絶縁性に優れた酸化膜，有機膜，ワイドバンドの半導体など各種の絶縁性材料が利用できる。ゲート絶縁膜３の厚さは動作電圧や所望の絶縁耐圧で決定する。例えば、５Ｖ程度の動作電圧の場合には１００ｎｍ程度のゲート絶縁膜３の厚さであればよい。
【００２５】
ソース電極／ドレイン電極には半導体カーボンナノチューブとの接触抵抗が比較的低くなるようにｎ型の半導体カーボンナノチューブにはアルミ（Ａｌ）など、ｐ型の半導体ナノチューブには金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などが利用できる。
【００２６】
ゲート電極はアルミ（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの金属材料や低抵抗の半導体材料など良好な導電性を有するものであればどんな材料でも良いが、トランジスタのしきい値電圧を制御するために選ぶことが望ましい。
【００２７】
カーボンナノチューブ分散膜を用いた本実施形態の半導体装置の製造について、図３の模式的な工程断面図を用いて説明する。
【００２８】
ソース領域２１，ドレイン領域２２，複数の細分化チャネル領域に対応するカーボンナノチューブの分散液を準備しておく。カーボンナノチューブとしては特に長さを規定するものでもないが、取り扱いおよび分散のし易さから長さが１μｍ以下のものが望ましい。分散液としては水系やアルコール系などカーボンナノチューブが分散するものであれば何でも良いが、有機溶媒のように比較的低温で蒸発するものが望ましい。また、基板１は分散液と接触角が小さくなじみの良いものが望ましい。まずは、図３（Ａ）に示すように次のような工程で基板１上にそれぞれの領域のカーボンナノチューブ分散膜を形成する。適度に加熱した基板１上にソース領域２１を形成するカーボンナノチューブを含んだ分散液を滴下し、滴下と同時に溶媒を蒸発させてソース領域２１のカーボンナノチューブ分散膜を形成する。同様な工程でドレイン領域２２および細分化されたチャネル領域２３を続いて形成していく。特に順番は規定する必要はないが、隣り合うカーボンナノチューブ分散膜が互いに混ざらないように基板温度や滴下の時間に注意しておく必要がある。
【００２９】
次に、図３（Ｂ）に示すようにチャネル領域２３上に絶縁膜を形成する。ゲート絶縁膜３の形成は、蒸着，スパッタ，気相成長や塗布などにより形成できるが、膜厚の制御性が良く比較的低温で成膜することが可能な蒸着やスパッタが望ましい。例えば、耐湿性を高めるためにＳｉＮを選択し、ゲート絶縁膜領域を規定するメタルマスクを通してスパッタによりゲート絶縁膜３を成膜する。
【００３０】
最後に、ゲート電極４，ソース電極５，ドレイン電極６を形成する。ゲート絶縁膜３上の一部に例えばメタルマスクを通してＡｌを蒸着してゲート電極４とする。同様に、カーボンソース領域２１およびドレイン領域２２上の一部に例えばメタルマスクを用いてＡｕを蒸着してソース電極５およびドレイン電極６を形成する。これら電極の形成もスパッタ，気相成長，塗布によって形成することもできる。
【００３１】
これらの製造工程を経て、本発明の半導体装置が完成する。もちろん、この後に水や酸素の透過を阻止するＳｉＮや有機膜などの保護膜を形成することが望ましい。
【００３２】
この半導体装置の大きさは特に規定するものではないが、ゲートの長さが１００μｍ程度で、幅が１ｍｍ程度のものはこのような工程で容易に作製できる。もちろん、チャネル領域２３を形成する時の塗布装置の精度が向上すれば、さらに小さなものができる。
【００３３】
実施形態１によれば、チャネル領域２３を細分化して半導体のバンドギャップを変えることができ、ソース抵抗，ブレークダウン電圧，しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度を飛躍的に増大するという効果を奏する。
【００３４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施形態２に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【００３５】
実施形態２に係る半導体装置は、ソース領域２１の一部でソース電極５と接する部分にソースコンタクト領域２１０を設け、ドレイン領域２２の一部でドレイン電極６と接する部分にドレインコンタクト領域２２０を設けており、その他の構成は実施形態１と同様である。実施形態２に係る半導体装置について、実施形態１と同様にチャネルの部分の半導体にカーボンナノチューブ分散膜を用いて説明する。
【００３６】
ソースコンタクト領域２１０はソース電極５との接触抵抗を低減するために、ソース領域２１のカーボンナノチューブ分散膜よりもバンドギャップの小さなカーボンナノチューブ分散膜からなっている。例えば、ソース領域２１のカーボンナノチューブのバンドギャップが０．７ｅＶの場合に、ソースコンタクト領域２１０にはバンドギャップが０．４ｅＶのカーボンナノチューブを用いることによりこの構造が実現できる。
【００３７】
ドレインコンタクト領域２２０はドレイン電極６との接触抵抗を低減するために、ドレイン領域２２のカーボンナノチューブ分散膜よりもバンドギャップの小さなカーボンナノチューブ分散膜からなっている。例えば、ドレイン領域２２のカーボンナノチューブのバンドギャップが１．１ｅＶの場合に、ドレインコンタクト領域２２０にはバンドギャップが０．４ｅＶのカーボンナノチューブを用いることによりこの構造が実現できる。
【００３８】
これらの構造により、実施形態１よりもソースコンタクト抵抗およびドレインコンタクト抵抗を低減でき、相互コンダクタンス（Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）で代表されるトランジスタの特性の向上が可能になる。
【００３９】
実施形態２によれば、ソース抵抗，ブレークダウン電圧，しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度を飛躍的に増大させると同時にトランジスタの性能向上が可能である。
【００４０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図５は、本発明の実施形態３に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【００４１】
実施形態３に係る半導体装置は、ソース電極５およびドレイン電極６が基板上に配置されていることが異なるだけで、その他は実施形態２と同様である。
【００４２】
この実施形態３の構造の製造方法においては、ソース領域２１，ソースコンタクト領域２１０，ドレイン領域２２，ドレインコンタクト領域２２０，チャネル領域２３を形成する前に、あらかじめソース電極５とドレイン電極６を形成しておくことができる。このため、カーボンナノチューブ形成後にはできないような、電極に対する酸素雰囲気中での高温処理（例えば、４００℃以上）が可能になる。
【００４３】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態４に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【００４４】
実施形態４に係る半導体装置は、ゲート電極４およびゲート絶縁膜３がチャネル領域２３の下に配置されていることが異なるだけで、その他は実施形態３と同様である。
【００４５】
この実施形態４の構造の製造方法においては、良質の膜を得るのに高温アニールが有効なゲート絶縁膜３をチャネル領域２３の形成前に作製しておくことができ、安定性に優れたトランジスタを得やすい。
【００４６】
このように本発明の半導体装置によれば、設計自由度が大幅に増大する。半導体にカーボンナノチューブ分散膜を用いて説明してきたが、本発明はチャネル材料をカーボンナノチューブに限定するものではなく、塗布や印刷で半導体チャネルが形成可能で、バンドギャップが制御可能な材料であれば、どんなものにでも適用できることは明らかであり、有機半導体，フラーレン，シリコンゲルマ（ＳｉＧｅ）など混晶半導体や化合物半導体，酸化物半導体でもよい。また、結晶の種類としてもナノワイヤー構造，多結晶，非晶質であっても適用できる。
【００４７】
これらの半導体のバンドギャップを非常に細かく制御でき、チャネルの細分化を進めると、擬似的に図７のようなバンド構造も実現可能であり、高い設計自由度を持つことになる。
【００４８】
上述した各実施形態ではｎ型チャネルのトランジスタしか示さなかったが、ｐ型チャネルのものにも本発明が適用できることは明らかである。ｎ型チャネルとｐ型チャネルのトランジスタを同じ基板上に集積して回路を構成することも可能である。また、それぞれの回路動作に最適な素子構造とすることで、消費電力を抑えて動作速度を向上させることも容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態１に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る半導体装置のソース・ドレイン間の半導体材料の熱平衡時におけるバンド構造を示した模式図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。（Ａ） 基板上に複数の領域に半導体材料を塗布する工程（Ｂ） チャネル領域の上にゲート絶縁膜を塗布する工程（Ｃ） ソース電極，ドレイン電極，ゲート電極を塗布する工程
【図４】本発明の実施形態２に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図７】本発明の適用によりチャネル領域を細分化したときに得られるソース・ドレイン間の半導体材料の熱平衡時における等価的なバンド構造を示した模式図である。
【図８】半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 基板
２ 半導体材料
３ ゲート絶縁膜
４ ゲート電極
５ ソース電極
６ ドレイン電極
２１ ソース領域
２２ ドレイン領域
２３ チャネル領域
２１０ ソースコンタクト領域
２２０ ドレインコンタクト領域
２３１ ソース端細分化チャネル領域
２３２ ドレイン端細分化チャネル領域
ＣＢ コンダクションバンド
Ｅｆ フェルミレベル
ＶＢ バレンスバンド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、チャネル部分に半導体カーボンナノチューブや半導体ナノワイヤーなどの半導体分散膜および有機半導体を用いた電界効果型トランジスタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果型トランジスタは集積回路（ＬＳＩ）で用いられているＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代表されるように、現在のエレクトロニクス産業を支える重要な素子として利用されている。ＭＯＳＦＥＴは半導体材料にＳｉ（シリコン）を用いているが、近年はＧａＡｓ，ＧａＮといった化合物半導体やＺｎＯ，有機半導体，カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）など他の半導体材料を用いた電界効果型トランジスタも現れてきた。また、これらの製造技術としてはＬＳＩのように結晶基板を用いてエッチングや膜の堆積でトランジスタ構造を形成していくやり方だけでなく、絶縁性基板に半導体材料を塗布したり印刷したりしてトランジスタ構造を形成する方法も現れてきた。
【０００３】
特に、最近では半導体材料に単層のカーボンナノチューブの分散膜を用いて塗布工程により作製する電界効果型トランジスタが注目されている。このような電界効果型トランジスタは、トランジスタのチャネルに薄い膜を用いることから薄膜トランジスタ（ＴＦＴ， Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とも呼ばれている。半導体の特性を有する単層カーボンナノチューブは、数千ｃｍ2／Ｖｓ以上の高い電子移動度と正孔移動度を有し、化学的にも安定な性質を持つことから、有機半導体よりも高性能で安定した特性のものができると期待されている。ここで用いる「カーボンナノチューブ分散膜」は、特に断らない限り、「主に半導体の特性を有する単層のカーボンナノチューブからなる分散膜」を指すことにする。カーボンナノチューブ分散膜を用いた電界効果型トランジスタとしては、非特許文献１〜４および特許文献１〜２などの報告例がある。
【０００４】
電界効果型トランジスタのチャネル部分にカーボンナノチューブ分散膜を用いたトランジスタの構造について、図８を用いて説明する。図８はカーボンナノチューブ分散膜を用いた電界効果型トランジスタの模式的な部分断面図であり、絶縁性の基板１上に、半導体材料としてのカーボンナノチューブ分散膜２が形成されており、このカーボンナノチューブ分散膜２の上にゲート絶縁膜３を介してゲート電極４、カーボンナノチューブ分散膜２の両端にソース電極５およびドレイン電極６が形成されている。基板１はソース電極５とドレイン電極６との間に電圧を印加したときにリーク電流が流れないような材料が選ばれる。例えば、基板１としてはＳｉ基板上に厚いシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を形成したものや、ガラス，プラスチックが用いられる。カーボンナノチューブ分散膜２は、多数本の半導体のカーボンナノチューブが網目状に分布している膜である。通常は半導体のカーボンナノチューブだけでなく金属の特性を持つカーボンナノチューブも混入しているが、その割合は１／３以下であり、１本のカーボンナノチューブの長さをソース電極・ドレイン電極間の長さに比べて十分短くしておけば、金属ナノチューブ同士の直接接続によりソース電極・ドレイン電極間がショートすることは確率的にほとんど無い。このため、ゲート電極に印加する電圧による半導体カーボンナノチューブ中の電子数または正孔数の変化がソース・ドレイン間の伝導度の変化（電流の変化）をもたらし、トランジスタ動作が実現される。ゲート絶縁膜３には絶縁性に優れたＳｉＯ2膜やＳｉＮX膜やポリイミド膜などが用いられる。また、ソース電極／ドレイン電極には半導体カーボンナノチューブとの接触抵抗が比較的低くなるようにｎ型の半導体カーボンナノチューブにはアルミ（Ａｌ）など、ｐ型の半導体ナノチューブには金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などが用いられる。ゲート電極はどんな金属でも良いが、トランジスタのしきい値電圧を制御するために選ばれ、アルミ（Ａｌ）や金（Ａｕ）などが使われている。
【０００５】
カーボンナノチューブ分散膜を用いたトランジスタを印刷・塗布法で作製するときは、次のような工程で行なわれる。基板１上の一部にカーボンナノチューブを含んだ分散液を滴下したり吹き付けたりした後に乾燥し、カーボンナノチューブ分散膜２を形成する。その後に、カーボンナノチューブ分散膜２上の一部に例えばポリイミドを塗布して乾燥・硬化させゲート絶縁膜３とする。さらに、ゲート絶縁膜３上の一部に例えばＡｌをメタルマスクを用いて蒸着してゲート電極４とし、同様にカーボンナノチューブ分散膜２上の一部に例えばＡｕをメタルマスクを用いて蒸着してソース電極５およびドレイン電極６を形成する。このように、簡便な方法で電界効果型トランジスタを作製することができる。
【非特許文献１】Ｅ． Ｓ． Ｓｎｏｗ， Ｊ． Ｐ． Ｎｏｖａｋ， Ｐ． Ｍ． Ｃａｍｐｂｅｌｌ， Ｄ． Ｐａｒｋ 著、アプライド フィジックス レターズ （Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） ８２巻， ２１４５頁、 ２００３年
【非特許文献２】Ｅ． Ａｒｔｕｋｏｖｉｃ， Ｍ． Ｋａｅｍｐｇｅｎ， Ｄ． Ｓ． Ｈｅｃｈｔ， Ｓ． Ｒｏｔｈ， Ｇ． Ｇｒｕｎｅｒ 著、ナノレターズ （Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、５巻、７５７頁、２００５年
【非特許文献３】Ｓ．−Ｈ． Ｈｕｒ， Ｏ． Ｏ． Ｐａｒｋ， Ｊ． Ａ． Ｒｏｇｅｒｓ 著、アプライド フィジックス レターズ、（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） ８６巻、２４３５０２頁、２００５年
【非特許文献４】Ｔ． Ｔａｋｅｎｏｂｕａ， Ｔ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ， Ｔ． Ｋａｎｂａｒａ， Ｋ． Ｔｓｕｋａｇｏｓｈｉ， Ｙ． Ａｏｙａｇｉ， Ｙ． Ｉｗａｓａ 著、 アプライド フィジックス レターズ （Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） ８８巻， ３３５１１頁、２００６年
【特許文献１】特開２００５−１５０４１０号公報
【特許文献２】特開２００６−７３７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カーボンナノチューブ分散膜を用いた従来の電界効果型トランジスタは単純な構造を持つとともに簡便な方法で作製できるため、魅力的なデバイスということができるが、トランジスタ特性のきめ細かな調整を行える構造にはなっていないという課題がある。例えば、デバイス特性で重要な高性能特性と高いブレークダウン電圧を両立させることが難しいという問題がある。カーボンナノチューブの持つ高移動度特性を活かし、高性能な特性を目指すにはソース電極とのコンタクト抵抗を十分に低く抑える必要があり、この低減にはバンドギャップの小さなカーボンナノチューブを用いることが有効である。しかし、このようなバンドギャップの小さなカーボンナノチューブをチャネルに用いると、大きなドレイン電圧印加によるアバランシェ降伏が起こり易くなり、トランジスタのブレークダウン電圧を低下させることになる。
【０００７】
本発明の目的は、ソースのコンタクト抵抗を低く抑えて高性能なトランジスタ特性をえると同時に高いブレークダウン電圧を実現できるなど、トランジスタ特性のきめ細かな調整を行える電界効果型トランジスタの構造とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る電界効果型トランジスタは、ソース・ドレイン間のチャネル領域が少なくとも２つ以上の直列に接続された細分化チャネル領域からなり、少なくとも２つの細分化チャネル領域の半導体材料のバンドギャップが異なっていることを特徴としている。
【０００９】
この構成によれば、チャネル領域を細分化してソース・ドレイン間のチャネル領域のバンドギャップの大きさを自由に設定することができ、しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性，ブレークダウン電圧などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度が飛躍的に増大する。
【００１０】
また、本発明において、細分化されたチャネル領域の中のドレイン端チャネル領域の半導体材料のバンドギャップがソース端チャネル領域の半導体材料よりも大きくなるように配置されていることが望ましい。これにより、ソース電極とのコンタクト抵抗を含むソース抵抗を低くすると共に高いブレークダウン電圧が実現できる。
【００１１】
また、本発明において、ドレイン電極と接続されるドレイン領域の半導体材料がドレイン端の細分化チャネル領域の半導体材料よりも小さなバンドギャップを有することがのぞましい。これにより、ドレイン側のコンタクト抵抗も低くすることができる。
【００１２】
また、本発明において、隣り合う細分化チャネル領域のバンドギャップの差が動作温度の熱エネルギー以下になっていることが望ましい。一般的に隣り合う領域にバンドギャップの差があるとポテンシャル障壁が作られて電子や正孔が乗り越えられない場合が起きるが、このバンドギャップの差が動作温度における熱エネルギー以下であれば、電子や正孔も熱エネルギーを持つためにポテンシャル障壁の影響はほとんど無くなる。
【００１３】
また、本発明において、細分化チャネル領域の半導体材料がカーボンナノチューブからなることが望ましい。移動度の高いカーボンナノチューブを用いることにより、動作速度の速い高性能な電界効果型トランジスタが実現できる。
【００１４】
本発明に係わる電界効果型トランジスタの製造方法は、細分化チャネル領域を、半導体材料を塗布することで形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１５】
この製造方法によれば、基板上で隣り合った場所にバンドギャップの異なる半導体材料を付着させ、細分化チャネル領域および全体としてのチャネル領域を容易に形成することができる。
【００１６】
また、本発明の製造方法において、細分化チャネル領域を形成する半導体材料がカーボンナノチューブを含む分散液からなることが望ましい。これにより、カーボンナノチューブを細分化チャネル領域に均一に分布させるのが容易になり、特性の均一化が図れる。
【発明の効果】
【００１７】
以上に説明した本発明の半導体装置の構造および製造方法によれば、ソースのコンタクト抵抗を低く抑えて高性能なトランジスタ特性を得ると同時に高いブレークダウン電圧を実現できるなど、コンタクト抵抗，ブレークダウン電圧，しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度を飛躍的に増大するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。実施形態１に係る半導体装置について、チャネルの部分の半導体にカーボンナノチューブ分散膜を用いて説明する。
【００１９】
本発明の実施形態１の半導体装置は、絶縁性の基板１上に、半導体のカーボンナノチューブ分散膜からなるソース領域２１，半導体のカーボンナノチューブ分散膜からなるドレイン領域２２，バンドギャップの異なる半導体のカーボンナノチューブ分散膜からなり少なくともソース端細分化チャネル領域２３１とドレイン端細分化チャネル領域２３２を含む複数の細分化チャネル領域から構成されるチャネル領域２３が形成されており、このチャネル領域２３の上にゲート絶縁膜３を介してゲート電極４、ソース領域２１およびドレイン領域２２の両端にソース電極５およびドレイン電極６が形成されている。
【００２０】
基板１はソース電極５とドレイン電極６との間に電圧を印加したときにリーク電流が流れないような材料であればどんな材料でも構わないが、例えば、基板１としてはＳｉ基板上に厚いシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を形成したものや、ガラス，プラスチックがある。特に薄いガラスやプラスチックは曲げられる基板として用いることができる。
【００２１】
一般的に半導体の特性を持つ単層のカーボンナノチューブは直径が太くなるほどバンドギャップが狭くなるが、直径が０．６ｎｍ程度から２ｎｍ程度までのカーボンナノチューブを用いることでバンドギャップを１．５ｅＶ程度から０．４ｅＶ程度まで変えることができる。このため、カーボンナノチューブの直径を制御して成長することにより、バンドギャップの異なる半導体カーボンナノチューブを得ることができ、バンドギャップの異なるカーボンナノチューブ分散膜を作ることができる。例えば、レーザーアブレーション法の一つであるＨｉＰｃｏで成長したものでは、直径１．３ｎｍ程度のカーボンナノチューブ（バンドギャップ０．７ｅＶ程度）のものが売られており、また、触媒を用いた気相成長法（ＣＶＤ法）の一つであるＣｏＭｏＣＡＴで成長したものでは、直径０．８ｎｍ程度のカーボンナノチューブ（バンドギャップ１．１ｅＶ程度）が売られている。これらは、触媒の粒径や成長条件を変えることにより、直径を変えることができる。
【００２２】
これにより、例えばソース領域２１およびソース端細分化チャネル領域２３１としてＨｉＰｃｏで成長したバンドギャップの狭いカーボンナノチューブ（バンドギャップ０．７ｅＶ程度）分散膜を用い、ドレイン領域２２およびドレイン端細分化チャネル領域２３２としてＣｏＭｏＣＡＴで成長したバンドギャップの広いカーボンナノチューブ（バンドギャップ１．１ｅＶ程度）分散膜を用いることで、チャネル領域２３がソース端細分化チャネル２３１とドレイン端細分化チャネル２３２からなる本発明のソースからドレインまでの構造を形成できる。図２（Ａ）はソース領域２１およびドレイン領域２２のカーボンナノチューブ分散膜にカリウム（Ｋ）を付着させてｎ型半導体とし、ソース端細分化チャネル領域２３１およびドレイン端細分化チャネル領域２３２のカーボンナノチューブ分散膜に酸素（Ｏ）を吸着させてｐ型半導体とした場合のソースからドレインまでのバンド構造を示したものである。カーボンナノチューブ分散膜にはカーボンナノチューブ間にトンネル障壁や金属カーボンナノチューブの部分が存在するが、本質的な素子動作に与える影響は小さいとしてこのバンド構造の図では省略している。ソース側のバンドギャップが狭いために、ソース領域２１のコンタクト抵抗やソース端チャネル２３１の寄生抵抗を低く抑えることができる。またドレイン側のバンドギャップが大きいためにブレークダウン電圧を高く保つことができる。このように、均一なバンドギャップを持つ従来の構造ではできなかった設計の自由度を高めることができる。
【００２３】
なお、ソース端細分化チャネル領域２３１とドレイン端チャネル細分化チャネル領域２３２の間にはコンダクションバンドのエネルギー差が生じているが、これは電位障壁としてキャリア（電子）の走行を阻害するため、低いドレイン電圧で動作をさせる場合はなるべく小さくすることが望ましい。このような観点からは、図２（Ｂ）で示すようにソース端細分化チャネル領域２３１とドレイン端細分化チャネル領域２３２の間に、バンドギャップが少しずつ変化するような細分化チャネル領域を設けることが望ましい。これはバンドギャップ制御した半導体カーボンナノチューブ分散膜を用いることで実現できる。理想的には、隣り合う細分化チャネル領域のバンドギャップの差が動作温度の熱エネルギー以下になるようにしておくことが望ましい。この場合には、キャリア（電子）はバンドギャップ差の影響をほとんど受けないで走行することができる。高いドレイン電圧を印加して利用する場合にはバンドギャップ差による電位障壁は等価的に低くなるため、必ずしも動作温度の熱エネルギー以下にする必要はない。
【００２４】
ゲート絶縁膜３には絶縁性に優れたＳｉＯ2膜やＳｉＮX膜やポリイミド膜などを用いることができる。もちろん、これらの材料に限ることはなく、絶縁性に優れた酸化膜，有機膜，ワイドバンドの半導体など各種の絶縁性材料が利用できる。ゲート絶縁膜３の厚さは動作電圧や所望の絶縁耐圧で決定する。例えば、５Ｖ程度の動作電圧の場合には１００ｎｍ程度のゲート絶縁膜３の厚さであればよい。
【００２５】
ソース電極／ドレイン電極には半導体カーボンナノチューブとの接触抵抗が比較的低くなるようにｎ型の半導体カーボンナノチューブにはアルミ（Ａｌ）など、ｐ型の半導体ナノチューブには金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などが利用できる。
【００２６】
ゲート電極はアルミ（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの金属材料や低抵抗の半導体材料など良好な導電性を有するものであればどんな材料でも良いが、トランジスタのしきい値電圧を制御するために選ぶことが望ましい。
【００２７】
カーボンナノチューブ分散膜を用いた本実施形態の半導体装置の製造について、図３の模式的な工程断面図を用いて説明する。
【００２８】
ソース領域２１，ドレイン領域２２，複数の細分化チャネル領域に対応するカーボンナノチューブの分散液を準備しておく。カーボンナノチューブとしては特に長さを規定するものでもないが、取り扱いおよび分散のし易さから長さが１μｍ以下のものが望ましい。分散液としては水系やアルコール系などカーボンナノチューブが分散するものであれば何でも良いが、有機溶媒のように比較的低温で蒸発するものが望ましい。また、基板１は分散液と接触角が小さくなじみの良いものが望ましい。まずは、図３（Ａ）に示すように次のような工程で基板１上にそれぞれの領域のカーボンナノチューブ分散膜を形成する。適度に加熱した基板１上にソース領域２１を形成するカーボンナノチューブを含んだ分散液を滴下し、滴下と同時に溶媒を蒸発させてソース領域２１のカーボンナノチューブ分散膜を形成する。同様な工程でドレイン領域２２および細分化されたチャネル領域２３を続いて形成していく。特に順番は規定する必要はないが、隣り合うカーボンナノチューブ分散膜が互いに混ざらないように基板温度や滴下の時間に注意しておく必要がある。
【００２９】
次に、図３（Ｂ）に示すようにチャネル領域２３上に絶縁膜を形成する。ゲート絶縁膜３の形成は、蒸着，スパッタ，気相成長や塗布などにより形成できるが、膜厚の制御性が良く比較的低温で成膜することが可能な蒸着やスパッタが望ましい。例えば、耐湿性を高めるためにＳｉＮを選択し、ゲート絶縁膜領域を規定するメタルマスクを通してスパッタによりゲート絶縁膜３を成膜する。
【００３０】
最後に、ゲート電極４，ソース電極５，ドレイン電極６を形成する。ゲート絶縁膜３上の一部に例えばメタルマスクを通してＡｌを蒸着してゲート電極４とする。同様に、カーボンソース領域２１およびドレイン領域２２上の一部に例えばメタルマスクを用いてＡｕを蒸着してソース電極５およびドレイン電極６を形成する。これら電極の形成もスパッタ，気相成長，塗布によって形成することもできる。
【００３１】
これらの製造工程を経て、本発明の半導体装置が完成する。もちろん、この後に水や酸素の透過を阻止するＳｉＮや有機膜などの保護膜を形成することが望ましい。
【００３２】
この半導体装置の大きさは特に規定するものではないが、ゲートの長さが１００μｍ程度で、幅が１ｍｍ程度のものはこのような工程で容易に作製できる。もちろん、チャネル領域２３を形成する時の塗布装置の精度が向上すれば、さらに小さなものができる。
【００３３】
実施形態１によれば、チャネル領域２３を細分化して半導体のバンドギャップを変えることができ、ソース抵抗，ブレークダウン電圧，しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度を飛躍的に増大するという効果を奏する。
【００３４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施形態２に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【００３５】
実施形態２に係る半導体装置は、ソース領域２１の一部でソース電極５と接する部分にソースコンタクト領域２１０を設け、ドレイン領域２２の一部でドレイン電極６と接する部分にドレインコンタクト領域２２０を設けており、その他の構成は実施形態１と同様である。実施形態２に係る半導体装置について、実施形態１と同様にチャネルの部分の半導体にカーボンナノチューブ分散膜を用いて説明する。
【００３６】
ソースコンタクト領域２１０はソース電極５との接触抵抗を低減するために、ソース領域２１のカーボンナノチューブ分散膜よりもバンドギャップの小さなカーボンナノチューブ分散膜からなっている。例えば、ソース領域２１のカーボンナノチューブのバンドギャップが０．７ｅＶの場合に、ソースコンタクト領域２１０にはバンドギャップが０．４ｅＶのカーボンナノチューブを用いることによりこの構造が実現できる。
【００３７】
ドレインコンタクト領域２２０はドレイン電極６との接触抵抗を低減するために、ドレイン領域２２のカーボンナノチューブ分散膜よりもバンドギャップの小さなカーボンナノチューブ分散膜からなっている。例えば、ドレイン領域２２のカーボンナノチューブのバンドギャップが１．１ｅＶの場合に、ドレインコンタクト領域２２０にはバンドギャップが０．４ｅＶのカーボンナノチューブを用いることによりこの構造が実現できる。
【００３８】
これらの構造により、実施形態１よりもソースコンタクト抵抗およびドレインコンタクト抵抗を低減でき、相互コンダクタンス（Ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）で代表されるトランジスタの特性の向上が可能になる。
【００３９】
実施形態２によれば、ソース抵抗，ブレークダウン電圧，しきい値電圧，オン電流，オフ電流，サブスレッショルド特性などのトランジスタ特性に重要なパラメータの設計自由度を飛躍的に増大させると同時にトランジスタの性能向上が可能である。
【００４０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図５は、本発明の実施形態３に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【００４１】
実施形態３に係る半導体装置は、ソース電極５およびドレイン電極６が基板上に配置されていることが異なるだけで、その他は実施形態２と同様である。
【００４２】
この実施形態３の構造の製造方法においては、ソース領域２１，ソースコンタクト領域２１０，ドレイン領域２２，ドレインコンタクト領域２２０，チャネル領域２３を形成する前に、あらかじめソース電極５とドレイン電極６を形成しておくことができる。このため、カーボンナノチューブ形成後にはできないような、電極に対する酸素雰囲気中での高温処理（例えば、４００℃以上）が可能になる。
【００４３】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る半導体装置について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態４に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【００４４】
実施形態４に係る半導体装置は、ゲート電極４およびゲート絶縁膜３がチャネル領域２３の下に配置されていることが異なるだけで、その他は実施形態３と同様である。
【００４５】
この実施形態４の構造の製造方法においては、良質の膜を得るのに高温アニールが有効なゲート絶縁膜３をチャネル領域２３の形成前に作製しておくことができ、安定性に優れたトランジスタを得やすい。
【００４６】
このように本発明の半導体装置によれば、設計自由度が大幅に増大する。半導体にカーボンナノチューブ分散膜を用いて説明してきたが、本発明はチャネル材料をカーボンナノチューブに限定するものではなく、塗布や印刷で半導体チャネルが形成可能で、バンドギャップが制御可能な材料であれば、どんなものにでも適用できることは明らかであり、有機半導体，フラーレン，シリコンゲルマ（ＳｉＧｅ）など混晶半導体や化合物半導体，酸化物半導体でもよい。また、結晶の種類としてもナノワイヤー構造，多結晶，非晶質であっても適用できる。
【００４７】
これらの半導体のバンドギャップを非常に細かく制御でき、チャネルの細分化を進めると、擬似的に図７のようなバンド構造も実現可能であり、高い設計自由度を持つことになる。
【００４８】
上述した各実施形態ではｎ型チャネルのトランジスタしか示さなかったが、ｐ型チャネルのものにも本発明が適用できることは明らかである。ｎ型チャネルとｐ型チャネルのトランジスタを同じ基板上に集積して回路を構成することも可能である。また、それぞれの回路動作に最適な素子構造とすることで、消費電力を抑えて動作速度を向上させることも容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態１に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る半導体装置のソース・ドレイン間の半導体材料の熱平衡時におけるバンド構造を示した模式図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。（Ａ） 基板上に複数の領域に半導体材料を塗布する工程（Ｂ） チャネル領域の上にゲート絶縁膜を塗布する工程（Ｃ） ソース電極，ドレイン電極，ゲート電極を塗布する工程
【図４】本発明の実施形態２に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【図７】本発明の適用によりチャネル領域を細分化したときに得られるソース・ドレイン間の半導体材料の熱平衡時における等価的なバンド構造を示した模式図である。
【図８】半導体装置の構成を模式的に示した部分断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 基板
２ 半導体材料
３ ゲート絶縁膜
４ ゲート電極
５ ソース電極
６ ドレイン電極
２１ ソース領域
２２ ドレイン領域
２３ チャネル領域
２１０ ソースコンタクト領域
２２０ ドレインコンタクト領域
２３１ ソース端細分化チャネル領域
２３２ ドレイン端細分化チャネル領域
ＣＢ コンダクションバンド
Ｅｆ フェルミレベル
ＶＢ バレンスバンド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース・ドレイン間のチャネル領域が少なくとも２つ以上の直列に接続された細分化チャネル領域からなり、少なくとも２つの細分化チャネル領域の半導体材料のバンドギャップが異なっていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
ドレイン端の細分化チャネル領域の半導体材料のバンドギャップがソース端の細分化チャネル領域の半導体材料よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項３】
ドレイン電極と接続されるドレイン領域の半導体材料がドレイン端の細分化チャネル領域の半導体材料よりも小さなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項４】
隣り合う細分化チャネル領域のバンドギャップの差が動作温度の熱エネルギー以下になっていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項５】
細分化チャネル領域の半導体材料がカーボンナノチューブからなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタの細分化チャネル領域を、半導体材料を塗布することで形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
【請求項７】
細分化チャネル領域を形成する半導体材料がカーボンナノチューブを含む分散液からなることを特徴とする請求項６記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
【請求項１】
ソース・ドレイン間のチャネル領域が少なくとも２つ以上の直列に接続された細分化チャネル領域からなり、少なくとも２つの細分化チャネル領域の半導体材料のバンドギャップが異なっていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
ドレイン端の細分化チャネル領域の半導体材料のバンドギャップがソース端の細分化チャネル領域の半導体材料よりも大きくなるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項３】
ドレイン電極と接続されるドレイン領域の半導体材料がドレイン端の細分化チャネル領域の半導体材料よりも小さなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項４】
隣り合う細分化チャネル領域のバンドギャップの差が動作温度の熱エネルギー以下になっていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項５】
細分化チャネル領域の半導体材料がカーボンナノチューブからなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電界効果型トランジスタの細分化チャネル領域を、半導体材料を塗布することで形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
【請求項７】
細分化チャネル領域を形成する半導体材料がカーボンナノチューブを含む分散液からなることを特徴とする請求項６記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−５９７６６（Ｐ２００９−５９７６６Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２３８００（Ｐ２００７−２２３８００）
【出願日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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