JP2009044139A - Carbon nanotube field-effect transistor, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カーボンナノチューブ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 carbon nanotube field effect transistor and a manufacturing method thereof.
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。また、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。さらに、半導体的なCNTは、電界効果トランジスタ(以下「FET」という)のチャネルとしての応用がなされ、研究が活発に行われている。 Carbon nanotubes (hereinafter referred to as “CNT”) exhibit semiconducting or metallic properties due to chirality. In addition, since CNT has a diameter of several nanometers and its current density is high, 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. Further, semiconducting CNTs have been applied as channels of field effect transistors (hereinafter referred to as “FETs”) and are actively researched.
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、CNTを溶媒に溶かし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)、または基板上に予め配置された触媒から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)により製造されている。 A carbon nanotube field effect transistor (hereinafter referred to as “CNT-FET”) using CNT as a channel is a method in which a source electrode and a drain electrode are formed at both ends of a CNT after the CNT is dissolved in a solvent and dispersed on a substrate (dispersion method) Alternatively, it is manufactured by a method (direct growth method) in which a source electrode and a drain electrode are formed on both ends of a CNT after the CNT is grown from a catalyst arranged in advance on a substrate.
しかしながら、上記従来の製造方法には、チャネルとなるCNTが、電極の形成プロセスの間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、薬品により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という問題がある(非特許文献1および非特許文献2参照)。このようにして形成された欠陥は、FETの電気伝導における散乱の原因となる。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FETのゲートバイアスに対する履歴特性の原因ともなる。後工程において洗浄による汚染物質の除去や絶縁物からなるパッシベーション膜の形成などによって履歴特性の改善の努力がなされているが、一度形成された欠陥が改善されることはない。また、CNT上に残った汚染物は、後述するCNTと電極との間の接合特性の低下の原因にもなりうる。
However, in the above-described conventional manufacturing method, since the CNTs serving as channels are exposed to cleaning chemicals or resists for patterning during the electrode formation process, defects are formed by the chemicals or resist residues. (See Non-Patent
図10は、従来の方法(直接成長法)で製造されたCNT−FETの構成を示す図である。図10において、CNT−FET10は、基板11、ソース電極12、ドレイン電極13、チャネルとなるCNT14および触媒15を有する。図10(特に、ドレイン電極13側を参照)に示されるように、従来の方法で製造されたCNT−FETは、ソース電極およびドレイン電極がCNTの側面に接合する、いわゆる「サイドコンタクトCNT−FET(Side-Contact CNT-FET)構造」を有する。このとき、チャネルとなるCNTは基板上に横たわるように配置されているため、ソース電極およびドレイン電極はCNTの下部(基板側)側面には接合できない。また、従来の方法で製造されたCNT−FETでは、チャネルとなるCNTの長さが制御されていないため、ソース電極とCNTとの接合面積がドレイン電極とCNTとの接合面積と異なることがある(図10参照)。このように接合面積に違いが生じると、これらの接合面の間で接触抵抗に違いが生じ、電流特性が非対称になる可能性が高くなる。さらに、直接成長法を用いた従来の方法でCNT−FETを製造した場合は、ソース電極およびドレイン電極内に触媒が残ってしまう(図10参照)。このような電極内の触媒は、CNT−FETの電気特性に影響を及ぼす可能性がある。これらの問題点は、CNT−FETの性能や電気伝導特性のバラツキの原因となる。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a CNT-FET manufactured by a conventional method (direct growth method). In FIG. 10, a CNT-
金属をCNTに接合させた場合、金属の仕事関数およびCNTの仕事関数が接合特性に反映され、仕事関数の差によるエネルギー障壁が形成される(非特許文献3および非特許文献4参照)。したがって、金属材料を変えると異なる接合特性を示すと考えられるが、必ずしも同様な結果が得られるわけではない。これは、製造プロセスにおける技術レベルおよび環境レベルの差によってCNTの欠陥や汚染物質が異なり、同質の接合特性が得られにくいためと考えられる。
上述のように、従来の方法により製造されたCNT−FETは、以下の欠点および問題を有する。(1)チャネルとなるCNTが大気中に曝される構造であるため、大気中の酸素や水分子がCNTに吸着しやすく、CNT−FETの特性は湿度などの環境変化に大きく左右される。(2)吸着した水分子によりCNT−FETはゲートバイアスに対する履歴特性を示すので不安定である。(3)CNT−FETの製造プロセスにおいて、CNTが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、CNTが汚染され、欠陥が形成される。(4)上記(3)の汚染物はCNTと電極の接合特性を低下させる。(5)上記(3)の欠陥の形成は散乱などによるCNT−FETの特性劣化を引き起こし、本来のCNTが持つ一次元伝導が成り立たなくなる。(6)CNTの長さの制御がなされておらず、ソース電極−CNTの接合面積とドレイン電極−CNTの接合面積とが異なるため、ソース電極とドレイン電極における接触抵抗の違いが生じ、電流特性が非対称になりやすく、再現性に優れるCNT−FETの作製が困難である。 As described above, the CNT-FET manufactured by the conventional method has the following drawbacks and problems. (1) Since the channel CNT is exposed to the atmosphere, oxygen and water molecules in the atmosphere are easily adsorbed to the CNT, and the characteristics of the CNT-FET are greatly influenced by environmental changes such as humidity. (2) The CNT-FET is unstable due to the adsorbed water molecules because it exhibits a hysteresis characteristic with respect to the gate bias. (3) In the CNT-FET manufacturing process, CNTs are exposed to cleaning chemicals, resists for patterning, and the like, so that CNTs are contaminated and defects are formed. (4) The contaminants in (3) above deteriorate the bonding characteristics between the CNT and the electrode. (5) The formation of the defect in (3) causes deterioration of the characteristics of the CNT-FET due to scattering or the like, and the one-dimensional conduction that the original CNT has does not hold. (6) Since the length of the CNT is not controlled and the junction area of the source electrode-CNT and the junction area of the drain electrode-CNT are different, a difference in contact resistance between the source electrode and the drain electrode occurs, and current characteristics Is easily asymmetric and it is difficult to produce a CNT-FET having excellent reproducibility.
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を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the method which can manufacture CNT-FET which shows the outstanding electrical conductivity stably with sufficient reproducibility.
本発明のFETの製造方法は、基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極、ならびに前記ソース電極とドレイン電極とを接続するCNTからなるチャネルを有するFETの製造方法であって、基板上にCNTを配置するステップと、ソース電極およびドレイン電極を形成する前に、前記CNT上にパッシベーション膜を形成するステップと、前記CNTを切断して、前記CNTの第一の端面および第二の端面を露出させるステップと、前記第一の端面に接合されたソース電極および前記第二の端面に接合されたドレイン電極を形成するステップと、を含む。 The FET manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing an FET having a source electrode and a drain electrode formed on a substrate, and a channel made of CNTs connecting the source electrode and the drain electrode. And forming a passivation film on the CNT before forming the source electrode and the drain electrode, and cutting the CNT to expose the first end face and the second end face of the CNT. And forming a source electrode joined to the first end face and a drain electrode joined to the second end face.
本発明のFETは、基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極、ならびに前記ソース電極とドレイン電極とを接続するCNTからなるチャネルを有するFETであって、前記CNTは、パッシベーション膜により被覆されており、前記ソース電極は、前記CNTの第一の端面に接合し、前記ドレイン電極は、前記CNTの第二の端面に接合し、前記ソース電極と前記CNTの接合面積は、前記ドレイン電極と前記CNTの接合面積と略同一である。 The FET of the present invention is a FET having a source electrode and a drain electrode formed on a substrate, and a channel made of CNT connecting the source electrode and the drain electrode, and the CNT is covered with a passivation film. The source electrode is joined to the first end face of the CNT, the drain electrode is joined to the second end face of the CNT, and the junction area of the source electrode and the CNT is the drain electrode and the CNT It is substantially the same as the bonding area of CNT.
本発明により、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。 According to the present invention, a CNT-FET that stably exhibits excellent electrical conduction characteristics can be produced with good reproducibility.
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、基板、基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極、前記ソース電極とドレイン電極とを接続するCNTからなるチャネル、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”) is a substrate, a source electrode and a drain electrode formed on the substrate, and a connection between the source electrode and the drain electrode. A channel made of CNTs and a gate electrode.
図1は、本発明のCNT−FETにおける、ソース電極、ドレイン電極およびチャネルとなるCNTの接続関係の一例を示す図である。図1において、CNT−FET100は、基板110、ソース電極120、ドレイン電極130、チャネルとなるCNT140およびパッシベーション膜150を有する。この例では、基板110は、シリコン基板112および酸化シリコン膜114から構成されている。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 diagram showing an example of a connection relationship between CNTs serving as a source electrode, a drain electrode, and a channel in the CNT-FET of the present invention. In FIG. 1, a CNT-
後述するように、本発明のCNT−FETの製造方法は、チャネルとなるCNTを切断し、そのCNTの両端に位置する切断面(端面)にソース電極およびドレイン電極を接合させることを一つの特徴とする。したがって、本発明のCNT−FETは、ソース電極およびドレイン電極が一のCNTの両端に位置する切断面(端面)にそれぞれ接合する、いわゆる「エンドコンタクトCNT−FET(End-Contact CNT-FET)構造」を有することを特徴とする(図1と図10とを比較参照)。 As will be described later, the CNT-FET manufacturing method of the present invention is characterized in that the CNTs that become the channels are cut and the source electrode and the drain electrode are joined to the cut surfaces (end faces) located at both ends of the CNTs. And Therefore, the CNT-FET of the present invention has a so-called “end-contact CNT-FET (End-Contact CNT-FET) structure in which the source electrode and the drain electrode are respectively joined to cut surfaces (end surfaces) located at both ends of one CNT. (Refer to FIG. 1 and FIG. 10 for comparison).
[基板について]
本発明のCNT−FETに含まれる基板は、絶縁基板であることが好ましい。絶縁基板は、例えば、絶縁体からなる基板、あるいは半導体や金属などからなる支持基板の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た基板である。
[Substrate]
The substrate included in the CNT-FET of the present invention is preferably an insulating substrate. The insulating substrate is, for example, a substrate made of an insulator, or a substrate in which at least a surface on which a source electrode and a drain electrode are arranged is covered with an insulating film of a support substrate made of a semiconductor or metal.
絶縁体からなる基板において、絶縁体は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、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。絶縁体からなる基板の厚さは、目的に応じて適宜設定すればよい。 In a substrate made of an insulator, the insulator is, for example, an inorganic compound such as silicon oxide, silicon nitride, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, or titanium oxide, or an organic compound such as acrylic resin or polyimide. What is necessary is just to set the thickness of the board | substrate which consists of an insulator suitably according to the objective.
一方、支持基板上に絶縁膜が形成された基板において、支持基板の材質は半導体や金属などであることが好ましい。半導体は、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。金属は、例えばアルミニウムやニッケルなどである。絶縁膜の材質は、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、アクリル樹脂やポリイミドなどの有機化合物などである。支持基板および絶縁膜の厚さは、目的に応じて適宜設定すればよい。絶縁膜は、支持基板の片面(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。
On the other hand, in a substrate in which an insulating film is formed on a support substrate, the material of the support substrate is preferably a semiconductor or metal. Examples of the semiconductor include
[ソース電極とドレイン電極について]
本発明のCNT−FETの基板上には、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、二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は、例えばこれらの金属を基板上に蒸着させて形成される。
[About source and drain electrodes]
A source electrode and a drain electrode are arranged on the substrate 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 source electrode and the drain electrode are formed by evaporating these metals on a substrate, for example.
ソース電極とドレイン電極との間隔は、特に限定されないが、通常は0.5〜10μm程度である。この間隔は、CNTによる電極間の接続を容易にするためにさらに縮めてもよい。ソース電極およびドレイン電極の形状は特に限定されず、目的に応じて適宜設定すればよい。 The distance between the source electrode and the drain electrode is not particularly limited, but is usually about 0.5 to 10 μm. This interval may be further reduced to facilitate the connection between the electrodes by CNTs. The shape of the source electrode and the drain electrode is 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、一のCNTの両端に位置する端面にそれぞれ接合している。すなわち、ソース電極は、チャネルとなるCNTの第一の端面に接合し、ドレイン電極は、前記CNTの第二の端面に接合している。このとき、ソース電極およびドレイン電極は、CNTの端面だけではなく端面近傍の側面にも接合していてもよい(図1参照)。後述するウェットエッチングを用いた方法により製造することで、このようなエンドコンタクト構造とサイドコンタクト構造を組み合わせたCNT−FETを製造することができる。 As described above, the source electrode and the drain electrode are respectively joined to the end faces located at both ends of one CNT. That is, the source electrode is joined to the first end face of the CNT that becomes the channel, and the drain electrode is joined to the second end face of the CNT. At this time, the source electrode and the drain electrode may be bonded not only to the end face of the CNT but also to the side face in the vicinity of the end face (see FIG. 1). By manufacturing by a method using wet etching, which will be described later, a CNT-FET combining such an end contact structure and a side contact structure can be manufactured.
また、後述するように、本発明の製造方法は、チャネルとなるCNTを切断してCNTの長さを制御することができる。したがって、ソース電極−CNTの接合面積を、ドレイン電極−CNTの接合面積と略同一とすることができる(図1参照)。 As will be described later, the production method of the present invention can control the length of CNTs by cutting CNTs serving as channels. Therefore, the junction area of the source electrode-CNT can be made substantially the same as the junction area of the drain electrode-CNT (see FIG. 1).
[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。
[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.
本発明のCNT−FETにおいて、ソース電極とドレイン電極との間は一本のCNTによって接続されていてもよく、複数本のCNTによって接続されていてもよい。例えば、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、ソース電極−ドレイン電極間に複数本のCNTが折り重ねられて接続されていたりしてもよい。 In the CNT-FET of the present invention, the source electrode and the drain electrode may be connected by one CNT or may be connected by a plurality of CNTs. For example, the source electrode and the drain electrode may be connected by a bundle of CNTs, or a plurality of CNTs may be folded and connected between the source electrode and the drain electrode.
[パッシベーション膜について]
本発明のCNT−FETにおいて、チャネルとなるCNTは、パッシベーション膜により保護されている。パッシベーション膜は、絶縁性を有する膜であれば特に限定されず、例えば、酸化シリコン(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)または窒化シリコン(Si3N4)からなる絶縁膜である。パッシベーション膜の厚さは、特に限定されず目的に応じて適宜設定すればよいが、10nm以上が好ましい。
[Passivation film]
In the CNT-FET of the present invention, the CNT serving as a channel is protected by a passivation film. The passivation film is not particularly limited as long as it is an insulating film. For example, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), oxide It is an insulating film made of titanium (TiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). The thickness of the passivation film is not particularly limited and may be appropriately set according to the purpose, but is preferably 10 nm or more.
[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−ドレイン電極間の電流(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 where the gate electrode is arranged is not particularly limited as long as the current between the source electrode and the drain electrode (source-drain current) arranged on the substrate can be controlled by the voltage, and may be arranged appropriately according to the purpose. 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.
以上のように、本発明のCNT−FETは、エンドコンタクト構造を有し、かつ、ソース電極−CNTの接合面積とドレイン電極−CNTの接合面積とが略同一であるため、従来のCNT−FETに比べて対称性に優れた電気特性を示す。すなわち、本発明のCNT−FETは、ソース電極およびドレイン電極に印加する電圧の符号に依存しない電気特性を示す。また、本発明のCNT−FETでは、ON時にはオーミック接合が実現される(実施例2参照)。オーミック接合が実現されることによって、効率的なキャリア注入が可能となる。その結果として、同じ測定条件におけるソース−ドレイン電流が大きくなる、すなわちコンダクタンスが大きくなることから、例えば、本発明のCNT−FETをセンサに適用した場合に、センサの感度を向上させることができると考えられる。 As described above, the CNT-FET of the present invention has an end contact structure, and the junction area of the source electrode-CNT and the junction area of the drain electrode-CNT are substantially the same. Compared to, it exhibits excellent electrical characteristics. That is, the CNT-FET of the present invention exhibits electrical characteristics that do not depend on the sign of the voltage applied to the source electrode and the drain electrode. In the CNT-FET of the present invention, an ohmic junction is realized when ON (see Example 2). By realizing the ohmic junction, efficient carrier injection becomes possible. As a result, since the source-drain current under the same measurement conditions increases, that is, the conductance increases, for example, when the CNT-FET of the present invention is applied to a sensor, the sensitivity of the sensor can be improved. Conceivable.
また、ソース電極およびドレイン電極がCNTの端面近傍の側面にも接合する態様の本発明のCNT−FETでは、ソース電極およびドレイン電極はCNTの基板側(下部)側面も含む側面全体を包むように接合することができる。したがって、上記態様の本発明のCNT−FETは、ソース電極およびドレイン電極からCNTへのキャリア注入効率を向上させることができるため、CNTが本来有する電気伝導特性を最大限に引き出すことができる。 In the CNT-FET of the present invention in which the source electrode and the drain electrode are also bonded to the side surface near the end surface of the CNT, the source electrode and the drain electrode are bonded so as to wrap around the entire side surface including the substrate side (lower) side surface of the CNT. can do. Therefore, since the CNT-FET of the present invention of the above aspect can improve the carrier injection efficiency from the source electrode and the drain electrode to the CNT, the electric conduction characteristic inherent in the CNT can be maximized.
また、本発明のCNT−FETは、パッシベーション膜により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。 Moreover, since the CNT-FET of the present invention protects CNTs from adsorption of water molecules and the like by the passivation film, the hysteresis characteristics can be reduced.
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を基板上に配置した後、かつ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、チャネルとなるCNTを保護するパッシベーション膜を形成すること、(2)チャネルとなるCNTを切断し、そのCNTの両端に位置する切断面(端面)にソース電極およびドレイン電極をそれぞれ接合させることを特徴とする。「CNTの配置」や「ソース電極およびドレイン電極の形成」、「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 the CNT-FET of the present invention is as follows. (1) After the CNTs are arranged on the substrate and before the source electrode and the drain electrode are formed on the substrate, they become channels. Forming a passivation film for protecting the CNT; and (2) cutting the CNT to be a channel and bonding a source electrode and a drain electrode to cut surfaces (end faces) positioned at both ends of the CNT, respectively. The steps such as “arrangement of CNT”, “formation of source and drain electrodes”, and “formation of gate electrode” 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、前述の絶縁基板であることが好ましい。基板の厚さは、目的に応じて適宜設定すればよい。後述するように基板をエッチングする場合は、絶縁体からなる基板の厚さ(絶縁体からなる基板の場合)または絶縁膜の厚さ(絶縁膜で被覆された基板の場合)は、エッチング後でもリーク電流を抑制しうるように設定することが好ましい。一般的に、酸化シリコン膜は、10nm以上の厚さであればリーク電流を抑制することができる。したがって、シリコン基板を被覆する酸化シリコン膜を10nmエッチングする場合は、酸化シリコン膜の厚さは20nm以上であることが好ましい(実施例参照)。
[Preparation of substrate]
First, a substrate is prepared. The substrate is preferably the aforementioned insulating substrate. What is necessary is just to set the thickness of a board | substrate suitably according to the objective. When the substrate is etched as described later, the thickness of the substrate made of an insulator (in the case of a substrate made of an insulator) or the thickness of the insulating film (in the case of a substrate covered with an insulating film) It is preferable to set so that the leakage current can be suppressed. In general, when the silicon oxide film has a thickness of 10 nm or more, leakage current can be suppressed. Therefore, when the silicon oxide film covering the silicon substrate is etched by 10 nm, the thickness of the silicon oxide film is preferably 20 nm or more (see the example).
[CNTの配置]
準備した基板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、前述の分散法や直接成長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、基板表面の任意の領域をCNTに親和性を有する物質で修飾し、この基板上に別個に準備したCNTを分散させることで、基板表面の修飾領域にCNTを配置することができる(分散法)。また、基板表面の任意の位置にCNTを成長させるための触媒を配置し、気相成長法により配置した触媒からCNTを成長させることで、基板表面の触媒の周辺領域にCNTを配置することができる(直接成長法)。図2(A)は、基板110上に触媒160を配置した後、触媒160からCNT140を成長させて(直接成長法)、CNT140を基板110上に配置した様子を示す模式図である。
[CNT arrangement]
CNTs serving as channels are arranged on the prepared substrate. As a method of arranging CNTs on a substrate, a conventionally known method such as the above-described dispersion method or direct growth method may be appropriately used. For example, by modifying an arbitrary region on the substrate surface with a substance having affinity for CNT and dispersing CNT separately prepared on this substrate, the CNT can be arranged in the modified region on the substrate surface (dispersion) Law). In addition, by placing a catalyst for growing CNTs at an arbitrary position on the surface of the substrate and growing the CNTs from the catalyst placed by the vapor phase growth method, the CNTs can be placed in the peripheral region of the catalyst on the substrate surface. Yes (direct growth method). FIG. 2A is a schematic diagram showing a state in which after the
[パッシベーション]
基板上にCNTを配置した後、基板上のCNTをパッシベーション膜で保護する。パッシベーション膜を形成する方法は、特に限定されないが、FETの履歴特性を低減させる観点から、CNTに吸着している水分子を除去しうる方法が好ましい。このような方法の例として、ALD(Atomic Layer Deposition)法が挙げられる。ALD法では、CNTに吸着している水分子がパッシベーション膜の成膜の過程で除去される。ALD法は、単原子層ずつパッシベーション膜を積層するため、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パッシベーション膜を形成することができる。また、ALD法は、他の方法に比べて反応温度が低いため、CNT自体に大きな影響を与えることなくパッシベーション膜を形成することができる。なお、あらかじめ水分子を真空中で熱処理により除去した後に、EB蒸着法や抵抗加熱蒸着法、熱CVD法、スパッタ成膜法などでパッシベーション膜を形成しても、ALD法と同様にFETの履歴特性を低減させることができる。
[Passivation]
After the CNTs are arranged on the substrate, the CNTs on the substrate are protected with a passivation film. The method for forming the passivation film is not particularly limited, but from the viewpoint of reducing the hysteresis characteristics of the FET, a method capable of removing water molecules adsorbed on the CNT is preferable. An example of such a method is an ALD (Atomic Layer Deposition) method. In the ALD method, water molecules adsorbed on the CNT are removed in the process of forming a passivation film. In the ALD method, since the passivation films are laminated by monoatomic layers, the film uniformity and step coverage are high, and the passivation film can be formed so as to go not only to the upper side surface but also to the lower side surface of the CNT. In addition, since the reaction temperature of the ALD method is lower than that of other methods, a passivation film can be formed without significantly affecting the CNT itself. Even if the passivation film is formed by EB evaporation method, resistance heating evaporation method, thermal CVD method, sputter film formation method, etc. after removing water molecules by heat treatment in vacuum in advance, the history of FET is the same as in ALD method. Characteristics can be reduced.
形成するパッシベーション膜は、絶縁性を有する膜であれば特に限定されない。例えば、ALD法を用いて、酸化シリコン(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)または窒化シリコン(Si3N4)からなる膜を形成すればよい。形成するパッシベーション膜の厚さは、特に限定されず目的に応じて適宜設定すればよいが、10nm以上が好ましい。図2(B)は、CNT140を配置した基板110上にパッシベーション膜150を形成した様子を示す模式図である。
The passivation film to be formed is not particularly limited as long as it is an insulating film. For example, using an ALD method, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), or silicon nitride (Si 3) A film made of N 4 ) may be formed. The thickness of the passivation film to be formed is not particularly limited and may be appropriately set according to the purpose, but is preferably 10 nm or more. FIG. 2B is a schematic diagram showing a state in which a
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をパッシベーション膜で保護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。このパッシベーション膜は、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 channel CNTs are protected by the passivation 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 passivation film can also function as a protective film for the final FET device.
[CNTの切断]
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前に基板上に配置されたCNTを切断して、CNTの切断面を露出させることも特徴とする。CNTを切断する方法は、特に限定されず、例えばECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトン共鳴)法などのドライエッチングを用いればよい。ドライエッチングを用いてCNTを切断する場合は、例えば、パッシベーション膜で保護された基板上のソース電極およびドレイン電極の形成予定部位以外の領域をレジスト膜でマスクした後、レジスト膜でマスクした基板に対してドライエッチングを行えばよい。これにより、ソース電極およびドレイン電極の形成予定部位に位置するパッシベーション膜およびCNTが除去され、この後に形成されるソース電極およびドレイン電極は、チャネルとなるCNTの両端に位置する切断面(端面)に接合できるようになる。図2(C)は、ソース電極およびドレイン電極の形成予定部位以外の領域をレジスト膜170でマスクした様子を示す模式図である。図2(D)は、図2(C)の基板110に対してドライエッチングを行うことによりCNT140を切断した様子を示す模式図である。図2(D)に示すように、このプロセスでは、ソース電極およびドレイン電極とCNTとの接合状態をより向上させる観点から、基板110も一部エッチングすることが好ましい。
[CNT cutting]
The production method of the present invention is also characterized in that the CNTs disposed on the substrate are cut before the source electrode and the drain electrode are formed to expose the cut surfaces of the CNTs. The method for cutting the CNT is not particularly limited, and dry etching such as ECR (Electron Cyclotron Resonance) method may be used. When cutting CNTs using dry etching, for example, after masking regions other than the source electrode and drain electrode formation planned sites on a substrate protected by a passivation film with a resist film, the substrate masked with the resist film is applied to the substrate. On the other hand, dry etching may be performed. As a result, the passivation film and the CNT located at the site where the source electrode and the drain electrode are to be formed are removed, and the source electrode and the drain electrode formed after this are formed on the cut surfaces (end faces) located at both ends of the CNT serving as the channel. It becomes possible to join. FIG. 2C is a schematic diagram showing a state in which a region other than the regions where the source electrode and the drain electrode are to be formed is masked with a resist
CNTを切断した後、CNT周囲のパッシベーション膜および基板の一部をウェットエッチングすることで、ソース電極およびドレイン電極とCNTとの接合領域を制御することができる。すなわち、ウェットエッチングを行わずに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の両端に位置する切断面(端面)にのみ接合することになる(エンドコンタクト構造)。一方、ウェットエッチングを行った後に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の両端だけでなく、ウェットエッチングにより露出したCNTの側面にも接合することになる(エンドコンタクト構造とサイドコンタクト構造の組み合わせ)。この場合、ウェットエッチングによりCNTの基板側の側面も露出するため、従来は不可能であったCNTの円周全面を包む形の完全なサイドコンタクト構造を実現することができる。ウェットエッチングを行う方法は、パッシベーション膜や基板の種類に応じて適宜選択すればよく、例えばフッ酸などを用いてエッチングすればよい。また、その処理時間も目的とする接合状態に応じて適宜設定すればよい。図2(E)は、CNT140を切断した後、CNT140周囲のパッシベーション膜150および基板110の一部をウェットエッチングした様子を示す模式図である。
After cutting the CNTs, wet etching is performed on the passivation film around the CNTs and part of the substrate, whereby the junction region between the source electrode and the drain electrode and the CNTs can be controlled. That is, if the source electrode and the drain electrode are formed without performing wet etching, the source electrode and the drain electrode are bonded only to the cut surfaces (end surfaces) located at both ends of the CNT that becomes the channel (end contact structure). ). On the other hand, if the source electrode and the drain electrode are formed after wet etching, the source electrode and the drain electrode are bonded not only to both ends of the CNT to be a channel but also to the side surface of the CNT exposed by the wet etching. (Combination of end contact structure and side contact structure). In this case, since the side surface on the substrate side of the CNT is also exposed by wet etching, it is possible to realize a complete side contact structure that wraps around the entire circumference of the CNT, which has been impossible in the past. A method for performing wet etching may be appropriately selected depending on the type of the passivation film and the substrate, and for example, etching may be performed using hydrofluoric acid. In addition, the processing time may be appropriately set according to the target joining state. FIG. 2E is a schematic diagram showing a state where the
[ソース電極およびドレイン電極の形成]
CNTを切断した後、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を電極形成予定部位に形成する方法は、特に限定されない。例えば、リソグラフィ法を用いて、CNTを固定された基板の電極形成予定部位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)すればよい。CNTを切断する際に基板上のソース電極およびドレイン電極の形成予定部位以外の領域をレジスト膜でマスクしている場合は、このレジスト膜を利用することができる。また、チタンを蒸着させた後、さらに金を蒸着させて重層して、二層構造の電極としてもよい。図2(F)は、金属などを蒸着してソース電極120およびドレイン電極130を形成した後、レジスト膜170を除去(リフトオフ)した様子を示す模式図である。
[Formation of source and drain electrodes]
After cutting the CNT, a source electrode and a drain electrode are formed. The method for forming the source electrode and the drain electrode at the electrode formation scheduled site is not particularly limited. For example, using a lithography method, a region other than the electrode formation scheduled portion of the substrate on which the CNT is fixed is masked with a resist film, and a metal such as gold, platinum, titanium, chromium, aluminum, palladium, molybdenum, or polysilicon is used. A semiconductor may be deposited and the resist film may be removed (lifted off). This resist film can be used when a region other than the regions where the source electrode and drain electrode are to be formed is masked with a resist film when the CNT is cut. Alternatively, after depositing titanium, gold may be further deposited and stacked to form an electrode having a two-layer structure. FIG. 2F is a schematic diagram illustrating a state where the resist
直接成長法(気相成長法)を用いて触媒からチャネルとなるCNTを成長させた場合(図2(A)参照)は、触媒を除去した後にソース電極およびドレイン電極を形成することが好ましい(図2(D)および図2(F)参照)。CNT−FETの電気特性に対する触媒の影響をなくすことができるためである。触媒の除去は、図2(D)に示すようにCNTの切断と同時に行ってもよいし、別個のステップで行ってもよい。 In the case where CNTs serving as channels are grown from a catalyst using a direct growth method (vapor phase growth method) (see FIG. 2A), it is preferable to form a source electrode and a drain electrode after removing the catalyst ( 2D and FIG. 2F). This is because the influence of the catalyst on the electrical characteristics of the CNT-FET can be eliminated. The catalyst removal may be performed simultaneously with the cutting of the CNT as shown in FIG. 2D, or may be performed in a separate step.
[ゲート電極の配置]
ゲート電極を配置する方法は特に限定されない。例えば、ソース電極およびドレイン電極と同様に、リソグラフィ法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]
The method for arranging the gate electrode is not particularly limited. For example, similarly to the source electrode and the drain electrode, a metal or the like may be deposited using a lithography method. 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を保護するパッシベーション膜を形成する。これにより、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。 As described above, in the manufacturing method of the present invention, the passivation film for protecting the CNTs is formed before the source electrode and the drain electrode are formed on the substrate. Thereby, the formation of CNT defects in the manufacturing process and the contamination of the CNTs with the resist 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.
また、本発明の製造方法は、チャネルとなるCNTを切断し、そのCNTの両端に位置する切断面(端面)にソース電極およびドレイン電極をそれぞれ接合させることで、エンドコンタクト構造のCNT−FETを製造することができる。前述のように、エンドコンタクト構造のCNT−FETは、従来のCNT−FETに比べて対称性に優れた電気特性を示す。また、本発明のCNT−FETでは、ON時にはオーミック接合が実現される(実施例2参照)。オーミック接合が実現されることによって、効率的なキャリア注入が可能となる。その結果として、同じ測定条件におけるソース−ドレイン電流が大きくなる、すなわちコンダクタンスが大きくなることから、例えば、本発明のCNT−FETをセンサに適用した場合に、センサの感度を向上させることができると考えられる。 In addition, the manufacturing method of the present invention cuts CNTs serving as channels, and joins a source electrode and a drain electrode to cut surfaces (end surfaces) located at both ends of the CNTs, respectively, so that a CNT-FET having an end contact structure is formed. Can be manufactured. As described above, the CNT-FET having the end contact structure exhibits electrical characteristics superior in symmetry as compared with the conventional CNT-FET. In the CNT-FET of the present invention, an ohmic junction is realized when ON (see Example 2). By realizing the ohmic junction, efficient carrier injection becomes possible. As a result, since the source-drain current under the same measurement conditions increases, that is, the conductance increases, for example, when the CNT-FET of the present invention is applied to a sensor, the sensitivity of the sensor can be improved. Conceivable.
また、本発明の製造方法は、ウェットエッチングを行うことにより、エンドコンタクト構造とサイドコンタクト構造とを組み合わせた態様のCNT−FETを製造することができる。前述のように、エンドコンタクト構造とサイドコンタクト構造とを組み合わせた態様のCNT−FETは、ソース電極およびドレイン電極からCNTへのキャリア注入効率を向上させることができるため、CNTが本来有する電気伝導特性を最大限に引き出すことができる。 Moreover, the manufacturing method of this invention can manufacture CNT-FET of the aspect which combined the end contact structure and the side contact structure by performing wet etching. As described above, the CNT-FET in which the end contact structure and the side contact structure are combined can improve the carrier injection efficiency from the source electrode and the drain electrode to the CNT. Can be maximized.
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
1.本発明のCNT−FETの作製
従来から知られている直接成長法を用いて、基板上にチャネルとなるCNTを配置した。まず、厚さ300nmの酸化シリコン(SiO2)で覆われたシリコン基板(大きさ20mm×20mm、厚さ0.55mm)の片面にフォトリソグラフィでパターンを現像して、触媒の形成予定部位以外の基板面をレジスト膜(OFPR800、東京応化工業)で保護した。レジスト膜を形成した基板上にシリコン(Si)を20nmの厚さで蒸着させ、その上にアルミニウム(Al)を5nmの厚さで蒸着させ、その上に鉄(Fe)を2nmの厚さで蒸着させ、その上にモリブデン(Mo)を0.3nmの厚さで蒸着させた。次いで、リフトオフして、3μm×10μmの大きさの触媒を基板上に配置した。触媒間の間隔は、10μmとした。この触媒を配置した基板を、メタンおよび水素の混合ガス雰囲気中で900℃に加熱して(熱CVD法)、基板上に配置した触媒からCNTを成長させた(図2(A)参照)。
[Example 1]
1. Production of CNT-FET of the Present Invention CNTs serving as channels were placed on a substrate using a conventionally known direct growth method. First, a pattern is developed by photolithography on one side of a silicon substrate (size: 20 mm × 20 mm, thickness: 0.55 mm) covered with silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 300 nm, and a portion other than a portion where a catalyst is to be formed is developed. The substrate surface was protected with a resist film (OFPR800, Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.). Silicon (Si) is vapor-deposited with a thickness of 20 nm on the substrate on which the resist film is formed, aluminum (Al) is vapor-deposited with a thickness of 5 nm thereon, and iron (Fe) is vapor-deposited thereon with a thickness of 2 nm. Vapor deposition was performed, and molybdenum (Mo) was deposited thereon with a thickness of 0.3 nm. Next, the catalyst was lifted off, and a catalyst having a size of 3 μm × 10 μm was placed on the substrate. The distance between the catalysts was 10 μm. The substrate on which this catalyst was placed was heated to 900 ° C. in a mixed gas atmosphere of methane and hydrogen (thermal CVD method), and CNTs were grown from the catalyst placed on the substrate (see FIG. 2A).
CNTを成長させた後、酸化ハフニウム(HfO2)または酸化ジルコニウム(ZrO2)からなるパッシベーション膜(膜厚20nm)を、CNTを含む基板上にALD法を用いて形成した(図2(B)参照)。次いで、パッシベーション膜の上にフォトリソグラフィでパターンを現像して、ソース電極およびドレイン電極の形成予定部位以外の基板面を前述のレジスト膜で保護した(図2(C)参照)。レジスト膜を形成した基板に対してECR法を用いたドライエッチングを行い、パッシベーション膜、触媒および酸化シリコン膜(10nm以上)をエッチングするとともにCNTを切断した(図2(D)参照)。切断部の間隔は、4μmとした。ドライエッチングした基板を、希薄フッ酸液(2%HF)で10秒間処理して、洗浄およびウェットエッチングを行った(図2(E)参照)。
After the CNTs were grown, a passivation film (
ウェットエッチングを終えた後、基板上にチタン(Ti)を蒸着させて厚さ30nmのチタン薄膜を形成し、さらにその上に金(Au)を蒸着させて厚さ30nmの金薄膜を形成し、リフトオフしてソース電極およびドレイン電極を形成した(図2(F)参照)。さらに、基板裏面の酸化シリコン膜をウェットエッチングにより除去した後、アルミニウム(Al)を蒸着させて厚さ100nmのアルミニウム膜を形成し、ゲート電極(バックゲート)を形成した。 After finishing the wet etching, titanium (Ti) is vapor-deposited on the substrate to form a titanium thin film with a thickness of 30 nm, and gold (Au) is vapor-deposited thereon to form a gold thin film with a thickness of 30 nm. A lift-off process was performed to form a source electrode and a drain electrode (see FIG. 2F). Further, after the silicon oxide film on the back surface of the substrate was removed by wet etching, aluminum (Al) was deposited to form an aluminum film having a thickness of 100 nm, and a gate electrode (back gate) was formed.
2.比較例のCNT−FETの作製
上記「1.本発明のCNT−FETの作製」と同様に、酸化シリコンで覆われたシリコン基板上にCNTを配置した後、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を形成した。電極間の間隔は、4μmとした。パッシベーション膜の形成、ドライエッチングおよびウェットエッチングは行わなかった。
2. Preparation of CNT-FET of Comparative Example Similar to the above “1. Preparation of CNT-FET of the present invention”, after placing CNT on a silicon substrate covered with silicon oxide, a source electrode, a drain electrode and a gate electrode were Formed. The distance between the electrodes was 4 μm. The formation of the passivation film, dry etching, and wet etching were not performed.
3.電気特性の比較結果
図3(A)は、本発明の方法により作製した実施例1のCNT−FET(パッシベーション膜は酸化ハフニウム膜;図1参照)の電気特性を示すグラフである。図3(B)は、従来の方法により作製した比較例1のCNT−FET(図10参照)の電気特性を示すグラフである。それぞれのグラフは、ソース電極−ドレイン電極間に1Vの電圧を印加したときの、バックゲート電圧の変化(−20V〜+20V)とソース電極−ドレイン電極間に流れる電流(ソース−ドレイン電流)との関係(Isd−Vg)を示している。
3. Comparison Results of Electrical Characteristics FIG. 3A is a graph showing electrical characteristics of the CNT-FET of Example 1 (having a passivation film is a hafnium oxide film; see FIG. 1) manufactured by the method of the present invention. FIG. 3B is a graph showing the electrical characteristics of the CNT-FET of Comparative Example 1 (see FIG. 10) produced by a conventional method. Each graph shows the change of the back gate voltage (-20 V to +20 V) and the current flowing between the source electrode and the drain electrode (source-drain current) when a voltage of 1 V is applied between the source electrode and the drain electrode. The relationship (I sd -V g ) is shown.
CNT−FETは、その特性に応じて、p型FET、n型FETおよび両極性(p型およびn型:Ambipolar)FETの3種類に大きく分けられる。チタン(Ti)を電極としたCNT−FETは、p型特性を示すことが多い。しかし、これはチタン電極とCNTとの接合状態が乏しいためと考えられており、800℃程度の高温アニーリング処理によって理想的な接合状態であるTiCが実現されたCNT−FETは、両極性FETの性質を示すことが知られている。このように両極性FET特性を示すのは、Tiの仕事関数(4.3eV)がCNTの仕事関数(4.0eV〜4.5eV)とほとんど差がなく、電極からのホールおよび電子注入に対するエネルギー障壁が小さく同程度であるためと考えられている(非特許文献4参照)。 CNT-FETs are roughly classified into three types, p-type FETs, n-type FETs, and bipolar (p-type and n-type: Ambipolar) FETs, according to their characteristics. CNT-FETs using titanium (Ti) as an electrode often exhibit p-type characteristics. However, this is thought to be due to the poor bonding state between the titanium electrode and the CNT. The CNT-FET in which TiC, which is an ideal bonding state by high-temperature annealing at about 800 ° C., is realized as a bipolar FET. It is known to exhibit properties. Thus, the bipolar FET characteristics show that the work function of Ti (4.3 eV) is almost the same as the work function of CNT (4.0 eV to 4.5 eV), and energy for hole and electron injection from the electrode. It is considered that the barrier is small and comparable (see Non-Patent Document 4).
図3(B)のグラフから、比較例1のCNT−FETは、p型FETの性質を示すことがわかる。両極性FETの性質も見られるが、Vg<0におけるOn電流に比較してVg>0におけるOn電流は二桁以上小さくなっている。また、比較例1のCNT−FETは、ΔVthが大きく、履歴特性が大きいこともわかる。 From the graph of FIG. 3B, it can be seen that the CNT-FET of Comparative Example 1 shows the properties of a p-type FET. Although the characteristics of the bipolar FET are also seen, the On current at V g > 0 is smaller by two orders of magnitude or more than the On current at V g <0. It can also be seen that the CNT-FET of Comparative Example 1 has a large ΔV th and a large hysteresis characteristic.
一方、図3(A)のグラフから、実施例1のCNT−FETは、Vg<0におけるOn電流とVg>0におけるOn電流がほぼ同じであり、両極性FETの性質を示すことがわかる。このことから、実施例1のCNT−FETでは、アニーリング処理を行っていないにも関わらず、電極−CNT間の接合状態がTiCに匹敵するほど優れていることがわかる。また、実施例1のCNT−FETは、ΔVthが非常に小さく、履歴特性が小さいこともわかる。 On the other hand, from the graph of FIG. 3A, the CNT-FET of Example 1 has the same On current at V g <0 and On current at V g > 0, indicating the characteristics of a bipolar FET. Recognize. From this, it can be seen that in the CNT-FET of Example 1, the bonding state between the electrode and the CNT is excellent enough to be comparable to that of TiC even though the annealing treatment is not performed. It can also be seen that the CNT-FET of Example 1 has a very small ΔV th and a low hysteresis characteristic.
[実施例2]
1.本発明のCNT−FETの作製
厚さ300nmまたは900nmの酸化シリコン(SiO2)で覆われたシリコン基板を用いて、実施例1と同様の手順により本発明のCNT−FET(パッシベーション膜は酸化ハフニウム膜;図1参照)を作製した。実施例2のCNT−FETは、酸化シリコン膜の厚さが異なるシリコン基板も使用したことを除いては、実施例1のCNT−FETと同じものである。
[Example 2]
1. Production of CNT-FET of the Present Invention Using a silicon substrate covered with silicon oxide (SiO 2 ) having a thickness of 300 nm or 900 nm, the CNT-FET of the present invention (having a passivation film of hafnium oxide) according to the same procedure as in Example 1. A membrane; see FIG. 1) was prepared. The CNT-FET of Example 2 is the same as the CNT-FET of Example 1 except that a silicon substrate having a different silicon oxide film thickness was also used.
2.比較例のCNT−FETの作製
上記「1.本発明のCNT−FETの作製」と同様に、シリコン基板上にCNTを配置した後、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を形成し、パッシベーション膜を形成し、比較例2のCNT−FET(パッシベーション膜は酸化ハフニウム膜)を作製した。基板は、厚さ300nmの酸化シリコンで覆われたシリコン基板を使用した。パッシベーション膜の形成は電極を形成した後に行ったが、ドライエッチングおよびウェットエッチングは行わなかった。
2. Preparation of CNT-FET of Comparative Example Similarly to the above-mentioned “1. Preparation of CNT-FET of the present invention”, after CNTs are arranged on a silicon substrate, a source electrode, a drain electrode and a gate electrode are formed, and a passivation film is formed. The CNT-FET of Comparative Example 2 (the passivation film is a hafnium oxide film) was formed. As the substrate, a silicon substrate covered with silicon oxide having a thickness of 300 nm was used. The passivation film was formed after the electrodes were formed, but neither dry etching nor wet etching was performed.
3.履歴特性の比較結果
図4は、本発明の方法により作製した実施例2のCNT−FETの電気特性を示すグラフである。酸化シリコン膜の厚さは900nmであった。このグラフは、ソース電極−ドレイン電極間に1Vの電圧を印加したときの、バックゲート電圧の変化(−20V〜+20V)とソース電極−ドレイン電極間に流れる電流(ソース−ドレイン電流)との関係(Isd−Vg)を示している。
3. FIG. 4 is a graph showing the electrical characteristics of the CNT-FET of Example 2 produced by the method of the present invention. The thickness of the silicon oxide film was 900 nm. This graph shows the relationship between the change in the back gate voltage (-20 V to +20 V) and the current flowing between the source electrode and the drain electrode (source-drain current) when a voltage of 1 V is applied between the source electrode and the drain electrode. (I sd −V g ) is shown.
図4に示されるように、実施例2のCNT−FETでは、ゲート電圧を−20Vから+20Vまで増加させた際にたどる経路と、ゲート電圧を+20Vから−20Vまで減少させた際にたどる経路とがほぼ完全に重なっており、そのΔVthは0.2V程度と極めて小さかった。 As shown in FIG. 4, in the CNT-FET of Example 2, a path that is followed when the gate voltage is increased from −20 V to +20 V, and a path that is followed when the gate voltage is decreased from +20 V to −20 V Almost completely overlapped, and the ΔV th was as small as about 0.2V.
図5(A)は、実施例2のCNT−FETの履歴特性と比較例2のCNT−FETの履歴特性を示すグラフである。酸化シリコン膜の厚さはそれぞれ300nmであった。この実験では、1バッチで作製された実施例2のCNT−FET49個と、1バッチで作製された比較例2のCNT−FET49個を使用した。 FIG. 5A is a graph showing the hysteresis characteristics of the CNT-FET of Example 2 and the hysteresis characteristics of the CNT-FET of Comparative Example 2. The thickness of each silicon oxide film was 300 nm. In this experiment, 49 CNT-FETs of Example 2 manufactured in one batch and 49 CNT-FETs of Comparative Example 2 manufactured in 1 batch were used.
図5(A)に示されるように、比較例2のCNT−FETでは、ΔVthは平均5〜6V程度であり、10Vを超えるものも散見された。比較例1のCNT−FETのΔVth(12V以上)に比べて比較例2のCNT−FETのΔVth(平均5〜6V程度)が減少しているのは、保護膜を形成したためであると考えられる。一方、実施例2のCNT−FETでは、ΔVthはほとんどが2V以下であった。図5(B)は、実施例2のCNT−FETのΔVthをより詳細に示すグラフである。図5(B)に示されるように、実施例2のCNT−FETのΔVthの平均値は1V程度であった。 As shown in FIG. 5A, in the CNT-FET of Comparative Example 2, ΔV th averaged about 5 to 6 V, and some exceeded 10 V. The reason why the ΔV th (average of about 5 to 6 V) of the CNT-FET of Comparative Example 2 is smaller than the ΔV th (12 V or more) of the CNT-FET of Comparative Example 1 is that a protective film is formed. Conceivable. On the other hand, in the CNT-FET of Example 2, ΔV th was almost 2 V or less. FIG. 5B is a graph showing ΔV th of the CNT-FET of Example 2 in more detail. As shown in FIG. 5B, the average value of ΔV th of the CNT-FET of Example 2 was about 1V.
これらのことから、本発明のCNT−FETの履歴特性が優れているのは、保護膜の効果によるものだけではなく、そのデバイス構造および製造方法によるものであることがわかる。 From these facts, it is understood that the hysteresis characteristics of the CNT-FET of the present invention are excellent not only due to the effect of the protective film but also due to its device structure and manufacturing method.
4.ノイズ特性の比較結果
図6は、実施例2のCNT−FET(図中「a」で示す)および比較例2のCNT−FET(図中「b」で示す)の電気特性を示すグラフである。酸化シリコン膜の厚さはそれぞれ900nmであった。ここでは、ソース電極−ドレイン電極間に1Vの電圧を印加し、バックゲート電圧を−20V〜+20Vで往復掃引したときのソース−ドレイン電流を10回連続して測定した結果を示している。本測定では、実施例2のCNT−FETについてはΔVthが1V程度のデバイスを、比較例2のCNT−FETについてはΔVthが6V程度のデバイスを使用した。図6に示されるように、比較例2のCNT−FETでは、10回繰り返し測定におけるVthのシフト幅(図中2つの矢印間の幅)は2V程度であった。このVthのシフト幅はノイズ成分に対応する。一方、実施例2のCNT−FETでは、10回繰り返し測定におけるVthのシフト幅は0.2V程度であり(重なっていてほとんど見えない)、比較例2のCNT−FETに比べて1/10に低減していた。
4). FIG. 6 is a graph showing electrical characteristics of the CNT-FET of Example 2 (indicated by “a” in the figure) and the CNT-FET of Comparative Example 2 (indicated by “b” in the figure). . Each of the silicon oxide films had a thickness of 900 nm. Here, a result of measuring the source-drain current 10 times continuously when a voltage of 1 V is applied between the source electrode and the drain electrode and the back gate voltage is swung back and forth between −20 V to +20 V is shown. In this measurement, a device having ΔV th of about 1 V was used for the CNT-FET of Example 2, and a device having ΔV th of about 6 V was used for the CNT-FET of Comparative Example 2. As shown in FIG. 6, in the CNT-FET of Comparative Example 2, the Vth shift width (width between two arrows in the figure) in 10-times repeated measurement was about 2V. The shift width of Vth corresponds to a noise component. On the other hand, in the CNT-FET of Example 2, the shift width of Vth in the 10-times repeated measurement is about 0.2 V (overlapping and hardly visible), which is 1/10 compared to the CNT-FET of Comparative Example 2. It was reduced to.
図7(A)は、実施例2のCNT−FET(図中「a」で示す)および比較例2のCNT−FET(図中「b」で示す)のソース−ドレイン電流の時間変化を示すグラフである。ここでは、ソース電極−ドレイン電極間に1Vの電圧を印加し、バックゲート電圧を0Vにしたときのソース−ドレイン電流を3時間(10800秒)連続して測定した結果を示している。図7(A)に示されるように、実施例2のCNT−FET、比較例2のCNT−FETともにソース−ドレイン電流の時間変化が緩和するまでの時間は約1時間(3600秒)であったが、比較例2のCNT−FETの方がその変化幅およびバラつきが遥かに大きいことがわかる。 FIG. 7A shows the time change of the source-drain current of the CNT-FET of Example 2 (indicated by “a” in the figure) and the CNT-FET of Comparative Example 2 (indicated by “b” in the figure). It is a graph. Here, a result of measuring the source-drain current continuously for 3 hours (10800 seconds) when a voltage of 1 V is applied between the source electrode and the drain electrode and the back gate voltage is set to 0 V is shown. As shown in FIG. 7A, the time until the time change of the source-drain current is alleviated for both the CNT-FET of Example 2 and the CNT-FET of Comparative Example 2 is about 1 hour (3600 seconds). However, it can be seen that the variation width and variation of the CNT-FET of Comparative Example 2 are much larger.
図7(B)は、ソース−ドレイン電流の時間変化が緩和した後、5000秒から9000秒までのソース−ドレイン電流の時間変化を拡大したグラフである。このグラフでは、時間変化を比較しやすくするために、ソース−ドレイン電流の値を規格化している。図7(B)に示されるように、比較例2のCNT−FET(図中「b」で示す)では、ソース−ドレイン電流のバラつきまたはノイズ成分は約30%であったが、実施例2のCNT−FET(図中「a」で示す)では、ソース−ドレイン電流のバラつきまたはノイズ成分は約5%であった。 FIG. 7B is a graph in which the time change of the source-drain current from 5000 seconds to 9000 seconds is enlarged after the time change of the source-drain current is relaxed. In this graph, the value of the source-drain current is normalized in order to make it easy to compare changes with time. As shown in FIG. 7B, in the CNT-FET of Comparative Example 2 (indicated by “b” in the figure), the source-drain current variation or noise component was about 30%. In the CNT-FET (indicated by “a” in the figure), the source-drain current variation or the noise component was about 5%.
これらのことから、本発明のCNT−FETは、従来のCNT−FETに比べて履歴幅およびノイズ成分が大幅に改善されていることがわかる。 From these facts, it can be seen that the history width and noise component of the CNT-FET of the present invention are greatly improved as compared with the conventional CNT-FET.
5.電気特性の対称性の比較結果
図8(A)は、実施例2のCNT−FETの電気特性を示すグラフである。図8(B)は、比較例2のCNT−FETの電気特性を示すグラフである。それぞれ、ソース電極−ドレイン電極間に+1Vまたは−1Vの電圧を印加し、バックゲート電圧を−20V〜+20Vで掃引したときのソース−ドレイン電流を測定した結果を示している。
5). Comparison Result of Symmetry of Electrical Characteristics FIG. 8A is a graph showing electrical characteristics of the CNT-FET of Example 2. FIG. 8B is a graph showing the electrical characteristics of the CNT-FET of Comparative Example 2. The results of measuring the source-drain current when a voltage of +1 V or -1 V is applied between the source electrode and the drain electrode and the back gate voltage is swept from -20 V to +20 V are shown.
図8(B)に示されるように、比較例2のCNT−FETでは、ソース電極−ドレイン電極間に+1Vの電圧を印加したときの曲線と−1Vの電圧を印加したときの曲線との対称性は50%程度と低かった。一方、図8(A)に示されるように、実施例2のCNT−FETでは、ソース電極−ドレイン電極間に+1Vの電圧を印加したときの曲線と−1Vの電圧を印加したときの曲線との対称性は85%程度と高かった。この電気特性の対称性が優れていることは、CNT−ソース電極間の接合特性とCNT−ドレイン電極間の接合特性とがほぼ等しいことを意味し、CNT−電極間の接合特性および接合の再現性が優れていることを意味する。 As shown in FIG. 8B, in the CNT-FET of Comparative Example 2, the curve obtained when a voltage of +1 V is applied between the source electrode and the drain electrode is symmetrical with the curve obtained when a voltage of -1 V is applied. The property was as low as about 50%. On the other hand, as shown in FIG. 8A, in the CNT-FET of Example 2, a curve when a voltage of +1 V is applied between the source electrode and the drain electrode and a curve when a voltage of -1 V is applied The symmetry was as high as about 85%. The excellent symmetry of the electrical characteristics means that the junction characteristics between the CNT-source electrodes and the junction characteristics between the CNT-drain electrodes are substantially equal. It means that the property is excellent.
また、サブスレッシュホールド特性を示すS値(S=(d log10Isd/dVg)−1)についても、比較例2のCNT−FETでは2〜5V/decであったのが、実施例2のCNT−FETでは1V/decまで改善していた。図4に示される実施例2のCNT−FETでは、基板のシリコン酸化膜が900nmと十分に厚いにも関わらず、S値が0.3V/decであった。 In addition, the S value (S = (d log 10 Isd / dV g ) −1 ) indicating the subthreshold characteristic was 2 to 5 V / dec in the CNT-FET of Comparative Example 2, but it was Example 2. In the CNT-FET, the voltage was improved to 1 V / dec. In the CNT-FET of Example 2 shown in FIG. 4, although the silicon oxide film of the substrate was sufficiently thick as 900 nm, the S value was 0.3 V / dec.
これらの改善は、CNTが薬品やレジストなどにより汚染されていないこと、およびCNT−電極間の接合の対称性が優れていることにより、低い接合抵抗が実現されているためと考えられる。実際、比較例2のCNT−FETの接合抵抗は1〜10MΩ程度であるのに対し、実施例2のCNT−FETの接合抵抗は100〜数100kΩ程度と低い値であった。 These improvements are thought to be due to the fact that CNT is not contaminated by chemicals, resists, and the like, and that the junction symmetry between the CNT-electrodes is excellent, thereby realizing low junction resistance. Actually, the junction resistance of the CNT-FET of Comparative Example 2 was about 1 to 10 MΩ, whereas the junction resistance of the CNT-FET of Example 2 was a low value of about 100 to several hundred kΩ.
6.CNT−電極間の接合特性の測定結果
図9は、実施例2のCNT−FET(図中「a」で示す)および比較例2のCNT−FET(図中「b」で示す)におけるコンダクタンスの温度特性の測定結果を示すグラフである。ここでは、ソース電極−ドレイン電極間に200mVの電圧を印加し、バックゲート電圧を20Vにしたとき(ON時)のソース−ドレイン電流の規格化したコンダクタンス特性を示している。規格化は、CNTのバリスティック伝導を考慮したものである。
6). FIG. 9 shows the conductance of the CNT-FET of Example 2 (indicated by “a” in the figure) and the CNT-FET of Comparative Example 2 (indicated by “b” in the figure). It is a graph which shows the measurement result of a temperature characteristic. Here, normalized conductance characteristics of the source-drain current when a voltage of 200 mV is applied between the source electrode and the drain electrode and the back gate voltage is set to 20 V (when ON) are shown. Normalization takes into account ballistic conduction of CNTs.
比較例のCNT−FETにおけるコンダクタンス特性(図中「b」で示す)は、室温付近の温度(280K)からさらに低い温度(20K)まで下げることによって減少する。このことは、CNT−電極間の接合における抵抗が高く、ショットキー障壁が存在することを意味する。これに対して、実施例のCNT−FET(図中「a」で示す)では、コンダクタンスが温度の低下とともに大きくなる、つまり金属的な特性を示すことからCNT−電極間の接合がオーミック接合であることが示唆される。 The conductance characteristic (indicated by “b” in the figure) in the CNT-FET of the comparative example is reduced by lowering the temperature from about room temperature (280 K) to a lower temperature (20 K). This means that the resistance at the junction between the CNT and the electrode is high, and there is a Schottky barrier. On the other hand, in the CNT-FET of the example (indicated by “a” in the figure), the conductance increases with a decrease in temperature, that is, exhibits a metallic characteristic, so that the junction between the CNT-electrode is an ohmic junction. It is suggested that there is.
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を利用する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 that stably exhibits excellent electrical conduction characteristics with good reproducibility, and is useful for the production of integrated devices and sensors that use the CNT-FET.
10,100 電界効果トランジスタ
11,110 基板
12,120 ソース電極
13,130 ドレイン電極
14,140 カーボンナノチューブ
15,160 触媒
112 シリコン基板
114 酸化シリコン膜
150 パッシベーション膜
170 レジスト膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 Field effect transistor 11,110 Substrate 12,120 Source electrode 13,130 Drain electrode 14,140 Carbon nanotube 15,160
Claims (9)
基板上にカーボンナノチューブを配置するステップと、
ソース電極およびドレイン電極を形成する前に、前記カーボンナノチューブ上にパッシベーション膜を形成するステップと、
前記カーボンナノチューブを切断して、前記カーボンナノチューブの第一の端面および第二の端面を露出させるステップと、
前記第一の端面に接合されたソース電極および前記第二の端面に接合されたドレイン電極を形成するステップと、
を含む、電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a field effect transistor having a source electrode and a drain electrode formed on a substrate, and a channel made of carbon nanotubes connecting the source electrode and the drain electrode,
Placing carbon nanotubes on a substrate;
Forming a passivation film on the carbon nanotubes before forming the source and drain electrodes;
Cutting the carbon nanotube to expose a first end face and a second end face of the carbon nanotube;
Forming a source electrode joined to the first end face and a drain electrode joined to the second end face;
A method of manufacturing a field effect transistor.
前記カーボンナノチューブは、パッシベーション膜により被覆されており、
前記ソース電極は、前記カーボンナノチューブの第一の端面に接合し、
前記ドレイン電極は、前記カーボンナノチューブの第二の端面に接合し、
前記ソース電極と前記カーボンナノチューブの接合面積は、前記ドレイン電極と前記カーボンナノチューブの接合面積と略同一である、
電界効果トランジスタ。 A field effect transistor having a source electrode and a drain electrode formed on a substrate, and a channel made of carbon nanotubes connecting the source electrode and the drain electrode,
The carbon nanotube is covered with a passivation film,
The source electrode is bonded to the first end face of the carbon nanotube,
The drain electrode is bonded to the second end face of the carbon nanotube;
The junction area between the source electrode and the carbon nanotube is substantially the same as the junction area between the drain electrode and the carbon nanotube.
Field effect transistor.
前記ドレイン電極は、前記カーボンナノチューブの第二の端面および第二の端面近傍の側面に接合する、
請求項8に記載の電界効果トランジスタ。 The source electrode is bonded to the first end face of the carbon nanotube and a side face in the vicinity of the first end face,
The drain electrode is bonded to the second end face of the carbon nanotube and a side face in the vicinity of the second end face;
The field effect transistor according to claim 8.
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