JP2006032477A

JP2006032477A - 素子、集積回路及びそれらの製造方法

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Inventors: Hiroshi Oki; 博大木
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Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-02-02
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Abstract

【課題】従来の電子デバイスはデバイス構造を立体構造で形成、または、新規材料を導入した場合に於いても、微細化に限界があり、大規模集積回路の形成が困難になるという課題があった。
【解決手段】ゲート電極４、ソース・ドレイン５を設けた単位素子９は、配線８の中心部に中空状態で支持されている。ここで注意したいことは、単位素子９と配線８、また、配線８と配線８は空隙１０（真空状態の空隙が好ましい）で電気的に絶縁される。ＣＮＴ用いたメリットの一つとして、電気的な伝導方向の異方性があり、円筒状形状に対して水平方向には高い導電性があるものの、円筒状形状の垂直方向には導電性がほとんどない。このような性質を利用して電気的絶縁を可能にし、３次元ネットワーク構造を構築している。
【選択図】図５

Description

本発明は、大規模集積回路（LSI）を形成可能な素子及び集積回路及びその製造方法に関する。

大規模集積回路（LSI）は、これまで、スケーリング則を指導原理として、微細化、構造改良により、高集積化が積極的に推し進められてきている。例えば、立体構造を有するキャパシタ（特許文献１から３まで）、記憶情報を読み出すトランジスタ、記憶情報を書き込むトランジスタ、キャパシタを立体構造にしたメモリセル（特許文献４）、半導体チップを立体的に積層した半導体装置（特許文献５）が知られている。

しかしながら、高集積化のトレンドは、単なる微細化又は構造の改良などによっては達成しずらくなってきている。そのような技術障壁を打破するためのブレイク・スルーとして、新材料技術の導入が多いに期待されているようになってきた。特に、信頼性の高い高誘電体膜、低抵抗率でマイグレーション耐性の高い配線材料、誘電率の低い層間絶縁膜の研究開発には注目が集まってきている。
特開平８−１３９２９３公報特開平１０−２２４７１公報、特開平１０−５６１４８公報特開平１０−５６１４８公報特開２０００−２６０９３４公報

従来の大規模集積回路は、デバイス構造を立体構造にしているものの、２次元平面を画定する基板上に加工により３次元的に加工するものであり、高集積化には限界がある。

また、高集積化のトレンドを守るために項誘電率の膜などの新規材料を導入したとしても、材料を例えば、従来のようにスパッタ法、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で薄膜化し、フォトリソグラフィーとエッチングとにより加工している場合には、最終的には同様に技術的障壁を乗り越えるのは難しくなることは必須である。

本発明は、集積化に適した素子構造及びそれを用いた大規模集積回路の製造技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明による大規模集積回路を形成可能な素子及び集積回路はナノ材料であるカーボンナノチューブを用いて構成するとともに、ボトムアップ的にカーボンナノチューブを組み上げていく製造方法を用いることにより製造する。

本願発明の集積回路は、カーボンナノチューブの延在方向に伝導するキャリアのコンダクタンスを制御可能な第１のカーボンナノチューブからなる単位素子を複数集積化し、前記第１のカーボンナノチューブを第２のカーボンナノチューブで電気的に接続するとともに、前記第２のカーボンナノチューブは前記単位素子を支持する構造を有する。

また、本願発明の集積回路は、第１のカーボンナノチューブを含む単位素子が第２のカーボンナノチューブにより支持されることにより、３次元ネットワーク構造を形成する構成を有する。

さらに、第１のカーボンナノチューブは半導体的特性を有し、第２のカーボンナノチューブは金属的特性を有するものであり、前記第１のカーボンナノチューブと前記第２のカーボンナノチューブとは、一方の端面と他方の側面との接触により接続されている。

また、本願発明の集積回路は、第１のカーボンナノチューブ、または、第２のカーボンナノチューブの少なくとも一方の側面との接続により絶縁構造を形成している。

さらに、本願発明の集積回路を形成するカーボンナノチューブのグラファイトシートは、その一部が６員環以外の構造を有する環状化合物で置き換えられている。

本願発明の素子は、カーボンナノチューブの延在方向に伝導するキャリアのコンダクタンスを制御可能な第１のカーボンナノチューブからなる単位素子と、前記第１のカーボンナノチューブの略全周に配置された第２のカーボンナノチューブからなる該単位素子の電極とからなる構造を有する。

また、本願発明の素子は、第２のカーボンナノチューブがその内面において第１のカーボンナノチューブの外面と接するか、または、第２のカーボンナノチューブがその外面において第１のカーボンナノチューブの外面と接する構成を有する。

さらに、第１のカーボンナノチューブの略全周には、金属材料が形成される構造を有する。また、第１又は第２のカーボンナノチューブのグラファイトシートは、その一部が６員環以外の構造を有する環状化合物で置き換えられている。

本発明の大規模集積回路の製造方法は、第１のカーボンナノチューブを形成する工程と、該第１のカーボンナノチューブに接続領域を形成する工程と、該接続領域から金属的性質を示す第２のカーボンナノチューブによる配線を形成する工程とを含む。

また、前記接続領域を形成する工程は、第１のカーボンナノチューブに局所的に欠陥を導入する工程を用いる。さらに、前記配線を形成する工程は、第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノチューブとを化学反応により接続する。好ましくは、前記化学反応は抗原抗体反応である。

本発明は、ナノ材料を３次元的組み合わせることより集積回路を形成するため、従来の基板（例えば、シリコン基板等）上に集積回路を形成する場合よりも集積度を高めることができる。また、本発明によれば、これらの構成要素間に空隙を形成することによりトランジスタ間、配線間、又は、トランジスタと配線との間の電気的絶縁を可能にしていることから、従来の層間絶縁膜などの形成が不要となる。また、電気的に異方性の強いナノ材料を用いると、配線スペース等の縮小が容易となり、より一層の高集積化が可能となる。

さらに、本発明によれば、トランジスタ、ゲート電極、コンタクト、配線をすべて炭素、たとえなＣＮＴにより構成することが可能であり、単一材料からなる大規模集積回路を形成可能な電子デバイスを実現可能である。

本願発明の大規模集積回路を形成可能な電子デバイスの製造方法は、半導体的特性を示すコアを形成する工程と、前記コアにダメージを形成する工程と、前記ダメージを起点に配線を形成する工程からなり、従来の微細化のトレンドに影響されない製造方法を提供可能である。

本明細書において、第１のＣＮＴとは半導体的性質を有するＣＮＴであり、半導体素子の基材として用いるのに適している。第２のＣＮＴとは金属的性質を有するＣＮＴであり、金属電極や金属配線に用いるのに適している。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照しつつ説明を行う。まず、本発明の第１の実施の形態による素子について説明する。本実施の形態による素子は、大規模集積回路に適用できるトランジスタである。適用できるトランジスタ（コア）は、筒状のカーボンナノ材料が好ましく、カーボンナノチューブがより好ましい。カーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」と称する。）は、飯島ら（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、Ｎａｔｕｒｅ、３５４、５６（１９９１））が見出したナノ材料である。

ＣＮＴは、グラファイト層を円筒状に巻いた入れ子状の構造を有している。ＣＮＴには種々の構造があるが、その中でも、拡散層やチャネル層を形成する領域（コア）は、半導体的性質を有するＣＮＴを用いるのが好ましい。半導体的性質を有するＣＮＴを用いた場合は、全長として１００ｎｍ、直径は１０ｎｍ〜３０ｎｍのサイズのトランジスタを形成することが可能となる。このようなサイズ（全長：１００ｎｍ、直径：２０ｎｍ、トランジスタ間のスペース：１００ｎｍを想定する）でトランジスタを形成した場合に、約１００μｍ角の立方体に１０億素子分のトランジスタを集積することが可能となる。

１０億素子／チップという集積度は、２０１０年頃量産が開始されると予想される４５ｎｍ世代で目標とされる集積度（株式会社半導体理工学研究センター、ＳＴＡＲＣロードマップ２００３、２００３年７月２５日参照）とほぼ同等であり、本実施の形態によるトランジスタを用いることにより、大きなブレイク・スルーが可能となる。

図１は、本実施の形態による素子であって、大規模集積回路を形成する単位素子（以下、「第１のＣＮＴ」と称する。）を円筒状のＣＮＴ構造を径方向に切った断面図である。図１に示すように、本実施の形態による単位素子の長さ１は１００ｎｍであり、直径２は２０ｎｍ程度である。第１のＣＮＴの延在方向にある距離だけ例えば円筒の全周にチャネル領域３が形成され、チャネル領域上に同じく全周を取り巻くようにゲート電極４が形成されている。このゲート電極４に対して、自己整合的にソース領域５ａとドレイン領域５ｂとが形成されている。また、図１においては、ソース・ドレイン領域５ａ・５ｂのそれぞれの両端に素子分離領域６が形成されている。但し、素子分離領域６を形成するか否かは任意であり、物理的に切断された絶縁構造を形成しても良い。

図２は、図１の単位素子をＩ−Ｉ線に沿ってチャネル領域３で切断した構成を示す断面図である。図２に示すように、本実施の形態による素子のゲート電極４は、チャネル領域３を３６０°（全周）に取り囲むように形成されている。本実施の形態によるトランジスタのゲート長は、ゲート電極４により決定されるが、ゲート幅は、用いたＣＮＴの円周により規定される。すなわち、本実施の形態による願発明のトランジスタのゲート幅は、２次元平面上に形成された一般的な従来のトランジスタ（例えば、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｉｌｉｃｏｎ）ＦＥＴ）に対してほぼ同じ占有面積で約３倍と大きくなり、ドライブ電流も約３倍になるという利点がある。

図３は、本発明の実施の形態による素子であって、第１のＣＮＴよりも小径の第２のＣＮＴからなる複数本のゲート電極筒４１を第１のＣＮＴの略全周に配置するとともに、第１のＣＮＴと第２のＣＮＴのそれぞれの外周が電気的に接するように形成した構造を有する単位素子Ｂのチャネル領域３において切った断面図（ゲート電極４のチャネル領域）である。上述のように、複数本のゲート電極筒４１からなるゲート電極４’のそれぞれとして用いられる第２のＣＮＴは、半導体的性質を有する第１のＣＮＴとは異なり、金属的性質を有するＣＮＴを用いることが好ましい。ＣＮＴに半導体的性質又は金属的性質のいずれを持たせるかに関しては、ＣＮＴのサイズ（径）、構造などにより、区別して製造することが可能である。

ここで、一例として、ＣＮＴの構造の違いに伴う導電性の違いについて説明する。ＣＮＴの導電性は、カイラリティ（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）、即ち、グラフェンシートの巻き方により大きく異なる。一般的に、ＣＮＴの巻き方としては、ジグザグ（ｚｉｇ−ｚａｇ）、カイラル（キラル、ｃｈｉｒａｌ）、アームチェア（ａｒｍｃｈａｉｒ）がある。ジグザグ型のＣＮＴは金属、半導体的な導電性を、カイラル型のＣＮＴも金属、半導体的な導電性を示すのに対して、アームチェア型のＣＮＴは金属的な導電性のみを示す。従って、ＣＮＴを形成する際に、そのカイラリティを制御することにより、第１及び第２のＣＮＴを作り分けることが可能となり、本実施の形態による素子、または、集積回路を提供することができる。

図４は、図１〜図３を参照して説明した単位素子に配線８を施した集積回路の構造例を示す図である。図４に示すように、本実施の形態による単位素子のゲート電極４、ソース・ドレイン領域５に対してコンタクト７が形成されるともに、コンタクト７に対して配線８が形成される。図４におけるコンタクト７は必ずしも必要ではなく、ゲート電極４、ソース・ドレイン領域５から直接配線８を引き出しても良い。

但し、コンタクト７により、素子と配線との間又は配線別の配線との間の間隔を保持することができるという利点がある。

図５は、図４に示す単位素子Ａを配線８により３次元的なネットワーク構造を形成した例を示す図であり、単位素子を大規模に集積化した集積回路の構造を示す図である。図５に示す集積回路は単位素子を配置する際に、３次元空間内において任意の配置することが可能であり、また、フレキシブルに配置することが可能である。ゲート電極４、ソース・ドレイン５を設けた単位素子９は、配線８の中心部に中空状態で支持されている。ここで注意すべきことは、単位素子９と配線８、また、配線８と配線８とは、空隙１０（真空状態の空隙が好ましい）で電気的に絶縁される。ＣＮＴ用いたメリットの一つとして、電気的な伝導方向の異方性があり、円筒状形状に対して水平方向には高い導電性があるものの、円筒状形状の垂直方向には導電性がほとんどない。このような性質を利用して電気的絶縁を可能にし、３次元ネットワーク構造を構築している。

次に、図６から図８までを参照しつつ本実施の形態による半導体素子の一例について説明する。本実施の形態による半導体集積回路の製造方法は、公知のシリコン半導体プロセスに用いられるようなフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術などの微細加工技術を用いずに、結晶成長トリガー形成技術及び結晶成長技術を用いる点を特徴とする。

図６（ａ）は、本実施形態による集積回路に用いられ方向１１に延在する第１のＣＮＴ１２を所望の位置に設置した後の断面を示す図である。第１のＣＮＴ１２の配置される位置は、後工程において、図４に示すナノ部品、例えばゲート電極４、コンタクト７、電極８を組み立てやすい場所であることが必要である。本実施の形態においては、真空チャンバー中に第１のＣＮＴを設置した。予め、第１のＣＮＴの両端を集積回路のパッケージの電極に固定しておくようにしても良い。第１のＣＮＴ１２の導電性は半導体的であり、ジグザグ型、または、カイラル型のタイプのＣＮＴが好ましい。本実施の形態においては、パッケージングの際、外部に引き出される電極パッド上に、Ｆｅ、Ｎｉ、または、Ｃｏ等の触媒となる微細なナノドットを形成し、そのナノドットを起点にジグザグ型の第１のＣＮＴ１２を形成した。

図６（ｂ）は、第１のＣＮＴ１２にゲート電極１４を設けた構成の断面構造を示す図である。ゲート電極１４は、図２に示すように、金属メッシュマスクを用いて、タングステン（Ｗ）を真空蒸着法又はスパッタ法で製膜するか、または、図３に示すように、金属的性質を示す別のＣＮＴを第１のＣＮＴの略全周に配置することにより形成する。図３に示すように、ゲート電極４として用いる金属的性質を示すＣＮＴを第１のＣＮＴの略全周に設ける方法としては、レーザーを用いたマニュピレーション、表面修飾したＣＮＴを用いた化学反応（抗原抗体反応等も含む）を用いる方法が挙げられる。

図７（ａ）は、ゲート電極１４を具備した第１のＣＮＴ１２に対して、接続領域２１を形成した後の断面構造を示す図である。図７（ａ）に示すような接続領域２１を形成するための代表的な一手段としては、局所的な欠陥の導入による方法がある。局所的な欠陥は、ＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、ＳＴＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いることにより導入可能である。また、ゲート電極１４上に、鉄、ニッケル、コバルト等のナノドットを形成し、このナノドットを起点とし、ゲート電極１４の引き出し電極、または、コンタクトを形成していくことも可能である。

図７（ｂ）は、接続領域２１からコンタクト１７を形成した後の構成を示す断面図である。図７（ｂ）に示すように、コンタクト１７は、トランジスタのソース・ドレインに電気的に接合するためのコンタクトであり、場合によっては、配線として、直接にソース・ドレインより引き出すようなデバイス構造であっても良い。このようなコンタクト１７は、低抵抗化のために金属的性質を示すＣＮＴを用いることが好ましい。本実施の形態においては、図７（ａ）で形成した接続領域２１を基点として、アームチェア型のＣＮＴを形成した。

図８は、コンタクト１７に対して配線１８を形成した構成を示す断面図である。図８に示すように、配線１８は、コンタクト７１と電気的に接合するため、金属的性質を示すＣＮＴ（アームチェア型）であることが好ましい。このような配線１８は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す工程を経ることにより大規模集積回路が形成可能である。

尚、本実施の形態による大規模集積回路を形成可能な電子デバイスとして、Ｎ型トランジスタ、Ｐ型トランジスタが形成可能であり、それぞれが良好なトランジスタ特性を示すことを確認した。更には、回路のテストパターンを用いて、大規模集積回路（ＬＳＩ）を製造したところ、回路動作に問題はなかった。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態による大規模集積回路の製造方法について図面を参照しつつ説明を行う。本実施の形態においては、半導体的性質を示す第１のＣＮＴと金属的性質を示す第２のＣＮＴとの接続を化学反応で行うことを特徴とする。化学反応としては、アミノ基とカルボキシル基とを化学結合して得られるペプチドの形成、脱水縮合によるエステル、または、アミドの形成等を用いることが好ましい。また、前記化学反応として、抗原抗体反応を用いると、第１のＣＮＴと第２のＣＮＴとを接続する際の好ましい接続を行うことができる可能性が高くなり、設計した回路を自己組織的に組み立てることが用意になる。そこで、本実施の形態においては、化学反応を用いた集積回路製造の一例として、抗原抗体反応について説明する。

まず、ＣＮＴ表面に存在するカルボキシル基を化学修飾することにより、生体関連物質の固定化が可能である。例えば、抗原又は抗体のいずれかをＣＮＴ表面又は端面に固定化する。具体的な手法の一例として、一方のＣＮＴの表面又は端面をカルボキシル基で化学修飾し、例えば、ストレプトアビシンをカルボキシル基との脱水縮合により、ペプチド結合を形成し、固定化する。次いで、もう一方のＣＮＴの表面、または、端面をビオチン化する。固定化されたストレプトアビジンとビオチンとの間で生じうる抗原抗体反応を用いることにより、半導体的特性を示すＣＮＴと金属的特性を示すＣＮＴとを接続し、大規模集積回路を自己組織化により製造することが可能となる。このような抗原抗体反応においては、α−フェトプロテイン（ＡＦＰ）を用いてもよく、ＡＦＰはビオチン化することにより、上記化学修飾したＣＮＴが利用可能となる。

図９は、抗原抗体反応を用いることによりゲート電極２４を形成した第１のＣＮＴ２２と、配線として用いる第２のＣＮＴ３８とをそれぞれの表面に固定化した抗原物質と抗体物質とを用いて接続した後の工程を示す図である。

図９（ａ）は、ゲート電極２４を設けた半導体的特性を示す第１のＣＮＴ（ジグザグ型、または、カイラル型のタイプ）２２の表面のある位置に抗原物質３２を固定化した状態を示す図である。図９（ａ）に示すように、本実施の形態による素子は、第１のＣＮＴ２４と抗原物質３２とが有機溶媒中に分散された状態において、第１のＣＮＴ２２の外表面、特にソース・ドレイン領域２５に抗原物質３２ａ・３２ｂを固定化している。尚、図９（ａ）の符号３２ａはカーボンナノチューブ表面に化学修飾された置換基（例えば、カルボキシル基）を示しており、符号３２ｂは上記化学修飾された置換基と化学反応して固定化された抗原、または、抗体（例えば、ストレプトアビシン）をそれぞれ示す。

図９（ｂ）は、第１のＣＮＴ２２と第２のＣＮＴ（アームチェア型のタイプ）３８を抗原抗体反応により接続した後の構造を示す頭である。まず、第２のＣＮＴ３８表面にＣＮＴの径方向にのびる抗体物質３３を固定化する。次に、電極として用いる第２のＣＮＴ３８を図９（ａ）で説明した第１のＣＮＴ２２に対して、例えば、ストレプトアビジン、ビオチンを用いた抗原抗体反応利用することにより接続する。

図１０は、抗原抗体反応を用いて、ゲート電極２４ａを設けた第１のＣＮＴ２２ａと、ゲート電極２４を設けた別の第１のＣＮＴ２２ｂであって抗体物質４２をＣＮＴの径方向にのびるように配置したＣＮＴとをそれぞれの表面に固定化した抗原物質４３、抗体物質４２を用いて接続した構成を示す図である。図１０に示すように、ゲート電極２４ａ、２４ｂを設けた第１のＣＮＴ２２ａ・２２ｂ同士は、抗原抗体反応を利用して接続可能であり、ＣＮＴの延在方向が互いに平行に配置される。

図１１は、ゲート電極５４を設けた半導体的特性を示す第１のＣＮＴ（ジグザグ型、または、カイラル型のタイプ）５２の一端面５２ａに、抗原物質６１、６３を固定化した構造を示す図であるＣＮＴ５２は先端が閉じているタイプ、開いているタイプがある。尚、製造した第１のＣＮＴの先端が閉じている場合、酸素プラズマで先端部分を処理することにより、ＣＮＴの先端を開くことが可能である。また、ＣＮＴの先端が開いている場合も、先端部分を酸素プラズマ処理することにより、化学的な活性を増加させ、抗原物質６１又は抗体物質６３の固定化を容易にすることができる。

図１２は、第１のＣＮＴ５１の先端部分５２ａと、第１のＣＮＴ２２の外表面とを抗原抗体反応により接続した構成を示す図である。図１２に示すように、接続するＣＮＴとしてはいずれも半導体的特性を示す第１のＣＮＴ（ジグザグ型、または、カイラル型のタイプ）を用いているが、第１のＣＮＴと金属的特性を示す第２のＣＮＴ（アームチェア型のタイプ）との接続、第２のＣＮＴと第２のＣＮＴとの接続も可能である。図１２に示すように、第１のＣＮＴ５１端面５２ａに設けられた抗原物質６３（６３ａ・６３ｂ）と、別の第１のＣＮＴ２２の表面に設けられた抗体物質２７（２７ａ・２７ｂ）とを抗原抗体反応により接続することが可能である。図１２に示す構成を用いることにより、ＣＮＴを互いに垂直な方向に延在するように設けることができる。

＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態による素子及び高集積回路について説明する。本実施の形態においては、第１及び第２の実施の形態のような複数のＣＮＴを接続していく方法ではなく、直径が異なるＣＮＴの形成、枝分かれしたＣＮＴの形成等を用い、大規模集積回路の製造を行うことを特徴とする。

図１３は、直径が異なるＣＮＴ同士がなめらかにつなぎ合わされた構造を有するＣＮＴを示す図である。前述のように、カーボンナノチューブは、入れ子状構造のグラファイトシートにより形成されている。一方、６員環６５により形成されているＣＮＴを６員環６５だけで形成すると、まず６員環６５を形成する炭素原子（ｓｐ２炭素）で構成されたＣＮＴを形成するが、ここで５員環６６を導入すると、先端が丸くドーム型になりＣＮＴの先端が閉じる。一方、ＣＮＴに７員環６７を導入すると、ＣＮＴの直径が拡がる。すなわち、図１３に示すように、６員環６５で形成されているＣＮＴに５員環６６及び７員環６７をそれぞれ導入することにより、直径が異なるＣＮＴを製造することができる。

図１４は、直径が異なるＣＮＴの内部に、別のＣＮＴを設けた構造の素子を示す図である。図１４（ａ）は、直径が異なるＣＮＴ７３の内部に、別のＣＮＴ７４を設けた素子の構造断面図を示す図である。図１４（ａ）から明らかなように、ＣＮＴの内部に別のＣＮＴが挿入された構造であり、外側ＣＮＴ７３がチャネル領域に相当し、内部ＣＮＴ７４はゲート電極の機能を果たす。外部ＣＮＴ７３は、直径が異なるチューブをつなぎ合わせた構造を有し、直径が大きな領域で半導体的特性を示すため、チャネル領域７３ａを形成する。また、外部ＣＮＴ７３のチャネル領域７３ａ以外の領域は直径が小さくなっている。ゲート電極としては、金属的特性を示すＣＮＴを用いることができ、外部ＣＮＴ７３の内側に挿入される。図１４（ｂ）は、直径が異なるＣＮＴ７３の内部に、別のＣＮＴ７４を設けた構造の素子のチャネル領域での断面構造図（図１４（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図）を示す図である。外部ＣＮＴ７３に形成されたチャネル領域７３ａの直径は例えば５０ｎｍ程度であり、その内部に設けられた内部ＣＮＴ７４、即ちゲート電極の直径は、例えば２０〜３０ｎｍ程度である。

本実施の形態による素子では、ＣＮＴの内側にＣＮＴからなるゲート電極を形成するため、素子の径自体を小さくすることができる。ゲート電圧は内側ＣＮＴ７４の両端又は一端から印加することができる。

図１５は、三つ又に枝分かれしたＣＮＴ構造を示す図である。６員環８５で形成されるＣＮＴに対して、５員環８６、７員環８７、８員環８８をそれぞれ導入することにより、図１５に示すように、枝分かれした構造を有するＣＮＴが製造可能となる。

以上のように、種々の構造を有する環状構造の炭素、６員環により形成されるグラファイトシートに対して例えば、５員環、７員環、８員環を組み合わせることにより直径が異なるＣＮＴがそれぞれ枝分かれするＣＮＴ構造を製造できる。このように環状構造の炭素の構造を制御することにより、３次元的に枝分かれする構造を形成することができ、大規模集積回路の３次元ネットワーク構造を形成する場合の自由度を高めることができる。

本発明は、電子デバイス及びこれらを超高集積化した集積回路に利用できる。

本発明の第１の実施の形態による素子であって、大規模集積回路を形成する単位素子（以下、「第１のＣＮＴ」と称する。）を円筒状のＣＮＴ構造を径方向に切った断面図である図１の単位素子をＩ−Ｉ線に沿ってチャネル領域３で切断した構成を示す断面図である。本発明の実施の形態による素子であって、第１のＣＮＴよりも小径の第２のＣＮＴからなるゲート電極４を第１のＣＮＴの略全周に配置するとともに、第１のＣＮＴと第２のＣＮＴのそれぞれの外周が電気的に接するように形成した構造を有する単位素子Ｂのチャネル領域３において切った断面図（ゲート電極４のチャネル領域）である。図１〜図３を参照して説明した単位素子に配線を施した集積回路の構造例を示す図である。図４に示す単位素子を配線により３次元的なネットワーク構造を形成した例を示す図であり、単位素子を大規模に集積化した集積回路の構造を示す図である。図６（ａ）は、本実施形態による集積回路に用いられる第１のＣＮＴ１２を所望の位置に設置した後の断面を示す図である。図６（ｂ）は、第１のＣＮＴ１２にゲート電極１４を設けた構成の断面構造を示す図である。図７（ａ）は、ゲート電極を具備した第１のＣＮＴに対して、接続領域２１を形成した後の断面構造を示す図である。図７（ｂ）は、接続領域からコンタクトを形成した後の構成を示す断面図である。コンタクトに対して配線を形成した構成を示す断面図である。抗原抗体反応を用いることによりゲート電極を形成した第１のＣＮＴと、配線として用いる第２のＣＮＴとをそれぞれの表面に固定化した抗原物質と抗体物質とを用いて接続した後の工程を示す図である。抗原抗体反応を用いて、ゲート電極を設けた第１のＣＮＴと、ゲート電極を設けた別の第１のＣＮＴであって抗体をＣＮＴの径方向にのびるように配置したＣＮＴとをそれぞれの表面に固定化した抗原物質、抗体物質を用いて接続した構成を示す図である。ゲート電極を設けた半導体的特性を示す第１のＣＮＴ（ジグザグ型、または、カイラル型のタイプ）の一端面に、抗原物質を固定化した構造を示す図である。第１のＣＮＴの先端部分と、第１のＣＮＴの外表面とを抗原抗体反応により接続した構成を示す図である。直径が異なるＣＮＴ同士がなめらかにつなぎ合わされた構造を有するＣＮＴを示す図である。直径が異なるＣＮＴの内部に、別のＣＮＴを設けた構造の素子を示す図であり、図１４（ａ）は、直径が異なるＣＮＴの内部に、別のＣＮＴを設けた素子の構造断面図を示す図である。図１４（ｂ）は、直径が異なるＣＮＴの内部に、別のＣＮＴを設けた構造の素子のチャネル領域での断面構造図（図１４（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図）である。三つ又に枝分かれしたＣＮＴ構造を示す図である。

符号の説明

１…単位素子の長さ、２…単位素子の直径、３…単位素子のチャネル領域、４…ゲート電極、５…単位素子のソース・ドレイン領域、６…素子分離領域、７…コンタクト、８…配線、９…単位素子、１０…電気的な絶縁をする空隙、１１…接続領域、１２…抗原物質、１３…抗体物質、１４…第１のカーボンナノチューブ（ジグザグ型、または、カイラル型のタイプ）、１５…炭素原子で構成される６員環、１６…炭素原子で構成される５員環、１７…炭素原子で構成される７員環、１８…炭素原子で構成される８員環、２１…接続領域、２４…ゲート電極、３８…第２のＣＮＴ、３２（３２ａ、３２ｂ）…抗原物質、３３…抗体物質、４２…抗体物質、４３…抗原物質、５２…第１のＣＮＴ、５２ａ…一端面、５４…ゲート電極、６１、６３…抗原物質、６５…６員環、６６…５員環、６７…７員環、７３…外部ＣＮＴ、７３ａ…チャネル領域、７４…内部ＣＮＴ、８６…５員環、８７…７員環、８８…８員環。

Claims

第１のカーボンナノチューブを含み、該第１のカーボンナノチューブの延在方向へのキャリアの伝導に基づいて動作する単位素子が複数集積化された集積回路であって、
前記単位素子同士を電気的に接続する配線として第２のカーボンナノチューブを用いるとともに、該第２のカーボンナノチューブにより前記単位素子が支持されていることを特徴とする集積回路。
全体として３次元ネットワーク構造を形成していることを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
前記第１のカーボンナノチューブは半導体的特性を有し、前記第２のカーボンナノチューブは金属的特性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の集積回路。
前記第１のカーボンナノチューブと前記第２のカーボンナノチューブとは、一方の端面と他方の側面との接触により接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の集積回路。
前記第１のカーボンナノチューブと前記第２のカーボンナノチューブの接続箇所に、それぞれを修飾する第１の基と該第１の基と結合しやすい第２の基とを有し、該第１の基と該第２の基との間の化学的結合により前記第１のカーボンナノチューブと前記第２のカーボンナノチューブとが接続されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の集積回路。
前記第１のカーボンナノチューブ又は第２のカーボンナノチューブの少なくとも一方の側面との接続により絶縁構造を形成していることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の集積回路。
前記第１又は第２のカーボンナノチューブを構成するグラファイトシートの一部に、６員環以外の構造を有する環状化合物を含有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の集積回路。
第１のカーボンナノチューブを含み、該第１のカーボンナノチューブの延在方向へのキャリアの伝導に基づいて動作する素子であって、
該単位素子の電極が、前記第１のカーボンナノチューブの略全周に配置された第２のカーボンナノチューブにより形成されていることを特徴とする素子。
前記第２のカーボンナノチューブが、その内面において前記第１のカーボンナノチューブの外面と接していることを特徴とする請求項８に記載の素子。
前記第２のカーボンナノチューブが、その外面において前記第１のカーボンナノチューブの外面と接していることを特徴とする請求項８に記載の素子。
第１のカーボンナノチューブを含み、該第１のカーボンナノチューブの延在方向へのキャリアの伝導に基づいて動作する素子であって、
該単位素子の電極が、前記第１のカーボンナノチューブの略全周に配置された金属材料により形成されていることを特徴とする素子。
前記第１又は第２のカーボンナノチューブを構成するグラファイトシートの一部に、６員環以外の構造を有する環状化合物を含有することを特徴とする請求項８から１１までのいずれか１項に記載の集積回路。
半導体的特性を示す第１のカーボンナノチューブを形成する工程と、
該接続領域から金属的性質を示す第２のカーボンナノチューブによる配線を形成する工程とを含むことを特徴とする大規模集積回路の製造方法。
前記接続領域を形成する工程は、前記第１のカーボンナノチューブに局所的に欠陥を導入する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の大規模集積回路の製造方法。
前記配線を形成する工程は、前記接続領域における前記第１のカーボンナノチューブと前記第２のカーボンナノチューブとの化学反応を用いることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の大規模集積回路の製造方法。
前記化学反応として抗原抗体反応を利用することを特徴とする請求項１５に記載の大規模集積回路の製造方法。