JP4225716B2

JP4225716B2 - 円筒状多層構造体による半導体装置

Info

Publication number: JP4225716B2
Application number: JP2001275089A
Authority: JP
Inventors: 祐二粟野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: JP2003086796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、より詳しく言えば、新しい材料であるカーボンナノチューブに代表される円筒状多層構造体を利用した新しいタイプの半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタは、その発明以来、様々な改良を加えられて進歩を遂げてきた。ソース及びドレインの二つの領域間に位置するチャネル領域をキャリアの流れる電流経路とし、その電気抵抗をゲート電極の電圧により変化させて、それによりチャネル領域を流れる電流を制御する電界効果トランジスタについて言えば、より高速・高周波動作のため、ゲート（ゲート長）の微細化やチャネル材料の高キャリア移動度化が図られてきた。ゲートの微細化はすでに１０ｎｍ級に達し、それに伴い、リソグラフィのゆらぎによる加工精度の問題や、トランジスタのオフ電流増加（ショートチャネル効果）、オン電流飽和、ゲート漏れ電流増加など、多くの課題が顕在化してきている。ゲート絶縁膜の高誘電率化が、これらのうちのいくつかを解決する有力手段として検討されている。一方、トランジスタのゲート構造自身を現在のプレーナ型から3次元構造（例えば、サラウンドゲート構造と呼ばれるもの）にすることでゲートの電流制御能力を高めるアプローチも考えられている。
【０００３】
サラウンドゲート構造とは、図１に示すように、半導体チャネル層（この例ではｐ型半導体層）１を同軸ケーブルのように外側からゲート電極２が囲むような構造で、ゲートからのびる電気力線がチャネルの外に逃げだすことがないため、プレーナ型に比べて電流制御効率がよく、ショートチャネル効果の抑制が期待できる。図１の半導体装置において、３はソース電極、４はドレイン電極であり、５はソース電極３とチャネル１とを接続するための、半導体基板９に埋め込まれた高濃度のｎ型半導体層、６はドレイン電極４とチャネル１とを接続するための高濃度ｎ型半導体層、そして７は絶縁材料である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，サラウンドゲート構造では、基板面から上方にのびる円筒状の半導体層が必要であり、その加工が難しいことから、トランジスタのしきい値電圧（トランジスタを流れる電流をオフするためのゲート電圧）が個々のトランジスタによってゆらぎやすく、またドーピングによる不純物濃度の制御が難しいなど、残された課題は多い。
【０００５】
この例を始めとして、微細化の特に進んだ従来の電界効果トランジスタは様々な課題を抱えており、諸特性に優れたものは実現されるに至ってはいない。
【０００６】
そこで、本発明は、これまでにない新しいタイプの半導体装置であり、特にショートチャネル効果の抑制に有効で、且つ、高速動作、高周波動作、そして高電流駆動能力等を可能にする半導体装置の提供を目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体を含み、且つ、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体を有するとともに、外側円筒体が２箇所以上で分断されていることを特徴とする半導体装置である。
【０００８】
より具体的に言えば、本発明の半導体装置は、炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体と、内側円筒体の両端に接続する導電体と、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体とを有することを特徴とする半導体装置である。
【０００９】
本発明の半導体装置の基本構成は上記の通りであり、それには以下において詳しく説明するように種々の態様が考えられる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明では、半導体装置における少なくとも一部の半導体材料及び金属材料として、自己組織化によるナノ構造体であって炭素元素から構成される円筒状の構造体を使用する。このような構造体としては、一般にカーボンナノチューブとして知られているものが挙げられる。本発明において使用することができる炭素元素から構成される円筒状構造体（これを以下では「カーボンナノチューブ」として説明する）は、内側に半導体的性質を有する円筒体あるいはチューブが位置し、外側に金属的性質を有する円筒体あるいはチューブが存在する多層構造体である。
【００１１】
カーボンナノチューブは、その独特の特性から最近注目を浴びている新しい炭素系材料である。カーボンナノチューブは、炭素原子がｓｐ２という最も強い結合で６員環状に組み上げられたグラファイトシートを筒状に丸めた構造を持ち、チューブの先端は５員環を含むいくつかの６員環で閉じられている。チューブの直径はサブナノメートルのオーダーまで微細化でき、最小で０．４ナノメートルである。チューブの長さは、現在のところ数１０μｍに達するものまで製作可能である。
【００１２】
カーボンナノチューブには、金属的な性質を示すための条件を満たすバンド構造を取るものと、半導体的（半金属的）な性質を示すための条件を満たすバンド構造を取るものがある。カーボンナノチューブが金属的性質を示すか半導体的性質を示すかには、カーボンナノチューブのカイラリティ(チューブのネジレ方、あるいはグラファイトシートの巻き方)が関与している。図２（ａ）は、金属的性質を示すナノチューブのカイラリティ（アームチェア型と呼ばれる）を示しており、図２（ｂ）は、半導体的性質を示すもの（ジグザグ型と呼ばれる）を示している。図２（ｃ）に示した構造はカイラル型として知られるものであり、この場合には、条件により金属的性質を示すことと半導体的性質を示すことがある。カーボンナノチューブのカイラリティは、その製作方法や製作条件などに左右される。
【００１３】
カーボンナノチューブは、その構造が自己組織化によってできあがることから、1本のチューブの径は通常一定である。また、チューブの中に別のチューブが入った多層ナノチューブも得ることができ、それぞれのチューブのカイラリティは異なるものが多い。この特性を利用して、内側のチューブが半導体的性質を有し、外側のチューブが金属的性質を有する多層構造体を得ることが可能である。
【００１４】
この材料は今まさにその物性が研究されているが、上述のとおりカイラリティによって電気伝導率が半導体的にも金属的にもなること以外に、既にダイヤモンド以上の熱伝導率や、電流密度が1平方センチメートル当たり１０⁶アンペアまで流せること、ヤング率が高いこと、水素などの吸蔵効率が高い可能性があるなど、魅力的な物性を備えていることが報告されている。
【００１５】
カーボンナノチューブの作製には、従来はアーク放電やレーザーアブレーションが用いられてきたが、最近の研究でプラズマＣＶＤや熱ＣＶＤによっても作製可能との報告がある。アーク放電などによる方法は高純度のナノチューブの生産を可能にする方法ではあるが、半導体装置の製造には不向きである一方、ＣＶＤによる方法は、半導体装置への応用にとって有効なものと言える。
【００１６】
本発明では、このカーボンナノチューブを微細トランジスタのチャネル及びゲートに適用することを特徴としている。
その基本的な構成の態様を図３に示す。この図の半導体装置１０は、カーボンナノチューブの多層構造体１２を含み、これは内側のチューブ１４と外側のチューブ１６から構成され、内側チューブ１４は半導体的性質を有し、外側チューブ１６は金属的性質を有する。内側チューブ１４と外側チューブ１６のそれぞれは、同じ性質（半導体的性質又は金属的性質）のチューブを複数含む多層構造を備えることもできる。これらのチューブはおのおの、図２に例示したように炭素元素の編み目構造体により形成されているが、図３（及び以下の説明で参照する図）では、簡単にするため単純な円筒状として表されている。
【００１７】
図３の半導体装置１０は更に、内側チューブ１４の先端１４ａ、１４ｂに接続する導電体１８、２０と、外側チューブに電圧を印加する手段２２を含む。この半導体装置１０では、半導体的性質を示す内側チューブ１４と金属的性質を示す外側チューブ１６とが半導体−金属接合を形成しており、従って内側チューブ１４がトランジスタのチャネルとして働き、そして外側チューブ１６がゲートとして働くことができる。この場合、例えば導電体１８から、半導体的性質の内側チューブ１４を通って導電体２０へと流れる電流を、外部から電圧印加手段２２により印加される電圧に応じて制御することができる。内側チューブ１４の先端１４ａ、１４ｂは、図３では外側チューブ１６の両端１６ａ、１６ｂから伸び出しているが、導電体１８、２０と接合するのにそれらの導電体が金属的性質の外側チューブ１６と接触しない限りは、外側チューブの両端１６ａ、１６ｂと同じ面に位置しても差し支えない。
【００１８】
この半導体装置１０においては、チャネルに相当する内側チューブ１４をゲートに相当する外側チューブ１６が取り囲んでおり、この構造は図1に示したサラウンドゲート構造になっていることが分かる。この半導体装置１０では、外側のナノチューブ１６に正の電圧を加えることで内側ナノチューブ１４内の正孔密度が減少して、チャネルを流れる電流が減少する。そしてこの構造は、ゲートからのびる電気力線がチャネルの外に逃げだすことがないことから、ショートチャネル効果の抑制に特に有効であり、良好なオフ特性をもたらすことができる。
【００１９】
導電体１８、２０は、内側チューブ１４と電気的に接続することができる限り、どのような材料のものでもよい。例えば、プローブ状に加工した金属でよく、あるいは金属的性質を示すカーボンナノチューブでもよい。内側チューブ１４との接続の仕方も、図３に示したような内側チューブの先端１４ａ、１４ｂと導電体１８、２０の先端どうしの接合に限らない。例えば、外側チューブの両端１６ａ、１６ｂの外側に伸び出して露出された内側チューブ１４の側面に導電体１８、２０を接続してもよい。後に説明する態様におけるように、多層カーボンナノチューブの外側チューブを分断し、分断した外側チューブのうちのゲートとして働くものに直接接触しないものを、導電体１８、２０として用いることも可能である。
【００２０】
外側チューブ１６に電圧を印加する手段２２は、一般に導電体でよい。この電圧印加手段２２は、図３に模式的に示したように外側チューブ１６に直接つないでもよく、あるいは外側チューブ１６と電圧印加手段２２との間に挿入した絶縁物（図示せず）を介して外側チューブ１６に電圧を印加するようにしてもよい。
【００２１】
次に、本発明のもう一つの態様の半導体装置を説明する。図４（ａ）の平面図及び図４（ｂ）の断面図に示したように、この態様の半導体装置は、多層構造のカーボンナノチューブ３２のうちの２箇所に、電気的性質の外側チューブがなく半導体的性質の内側チューブ３４だけが存在する部分があり、それによりこの半導体装置は、ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、及びチャネル領域Ｃに電気的に絶縁・分離されている。ソース領域Ｓでは、金属的性質の外側チューブ３６Ｓにオーム性電極としてのソース電極３８がオーミック接続しており、ドレイン領域Ｄでは、やはり外側チューブ３６Ｄにオーム性電極としてのドレイン電極４０がオーミック接続している。一方、チャネル領域Ｃにおいては、金属的性質の外側チューブ３６Ｃに整流性電極としてのゲート電極４２が接続（この接続自体はオーミック接続）して、それによりゲートを構成しており、そしてこのゲートと内側チューブ３６Ｃとの整流性の接触によりチャネル領域Ｃの内側チューブ３４を通過する電流を制御している。このように、この半導体装置もサラウンドゲート構造になっており、従ってやはり良好なオフ特性を有する。また、この半導体装置は、金属と半導体とのショットキー接合をゲートに用いる電界効果トランジスタに相当するものであり、そのため特に、高周波動作用の半導体装置として利用するのに好適である。
【００２２】
ソース電極３８、ドレイン電極４０は、一般に、低コンタクト抵抗を得るためにＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｔ−Ａｕ合金などの金属材料から形成することができる。一方、ゲート電極４２は、ＡｌやＷ等の金属材料、又は多結晶シリコンなどから形成することができる。ソース電極３８、ドレイン電極４０、及びゲート電極４２は、図４（ａ）及び４（ｂ）においてはカーボンナノチューブ３２の外側チューブ３６Ｓ、３６Ｄ、３６Ｃの側面の全長と接触するように描かれているが、それらの一部と接触するようにすることもできる。
【００２３】
図４（ｂ）によりはっきりと示したように、カーボンナノチューブ３２は一般に任意の絶縁体層４４上に配置される。絶縁体層４４は絶縁材料の単一基板であってもよく、あるいは別の材料の基板４６上に設けた絶縁材料層であってもよい。また、伝導率の低い半導体層でもよい。
【００２４】
本発明の更にもう一つの態様の半導体装置を、図４（ｂ）と同様の断面図の図５を参照して説明する。図５において、図４（ａ）及び４（ｂ）で説明した部材と同じものはそれらと同じ番号で表示されており、それらについての説明は重複を避けるため省くことにする。
【００２５】
図５に示した半導体装置では、ゲート電極４２とチャネル領域Ｃの外側チューブ３６Ｃとの間、及びゲート電極４２の側面に沿って、絶縁体５２が配置されている。これを除けば、この半導体装置は図４（ａ）及び４（ｂ）で説明したものと同様である。この構造の半導体装置では、ソース−ゲート間、ゲート−ドレイン間に絶縁体５２が挿入されることから、ゲート容量を低下させることができる。そのため、この半導体装置は高速スイッチング動作、高集積用に特に好適である。
【００２６】
本発明の別の態様を、図６（ａ）の平面図と図６（ｂ）の断面図に示す。先に説明したいずれの態様でも、カーボンナノチューブ３２の長手方向軸は基板４６の面と平行であったのに対し、これから説明する態様では、カーボンナノチューブの長手方向軸は基板面に対して垂直になっており、この態様の半導体装置は竪型の半導体装置となっている。
【００２７】
図６（ａ）及び６（ｂ）において、下方のソース電極６２と上方のドレイン電極６４との間に、複数のカーボンナノチューブ６６が垂直方向に配列されている。これらのカーボンナノチューブ６６は先に説明した多層構造のものであり、金属的性質の外側チューブ６８は２箇所で切断・分離されて、半導体的性質の内側チューブ７０を露出させている。中央の外側チューブの残された部分（チャネル領域に相当する）に隣接して、ゲート電極７２が配置されている。図６（ａ）と６（ｂ）に示されたそのほかの部分は、絶縁材料で形成されている。なお、図に示した半導体装置ではナノチューブ６６とゲート電極７２との間に絶縁材料が存在しているが、ゲート電極７２は、先に説明したように、多層構造のナノチューブの外側チューブと接触することもできる。
【００２８】
図６（ａ）及び６（ｂ）に示した半導体装置には、多層構造のカーボンナノチューブ６６が複数含まれていて、図６（ａ）に模式的に示したバンドル（束）７６を形成している。この半導体装置における多層構造のカーボンナノチューブは、１本であってもよいが、図に示したように複数のチューブのバンドルを利用することによって、次に説明する特別な利点が得られる。カーボンナノチューブのバンドルを有する半導体装置では、チャネル部分の複数の多層ナノチューブのバンドルでも、外側の金属的性質のナノチューブ６８が残されているため、ゲートの電位はこれら金属面が互いに接触することで等電位に維持されている。通常チャネルの直径を太くするとしきい値電圧が高くなってしまうが、この半導体装置では、各チューブごとにゲート（金属的性質の外側チューブ）が巻きついているため、チューブ直径が均一であれば、しきい値電圧はチューブ本数によらず変化しないという特長がある。従って、チャネルとなるナノチューブを複数本束ねることによって、より多くの電流を流せるようになり、電流駆動能力が更に高くなる。
【００２９】
次に、先に示した半導体装置の製造を説明することにする。
図４（ａ）と４（ｂ）で説明した半導体装置は、例えば次のようにして製造することができる。図７（ａ）に示したように、ｎ型シリコン基板１０２の表面にシリコン酸化膜１０４を１００ｎｍ堆積し、そしてその上にカーボンナノチューブを配置し、レジストパターン（図示せず）を利用してカーボンナノチューブの露出した両端部分を酸素プラズマアッシングし、レジストパターンを除去して、必要な長さのカーボンナノチューブ１０６を用意する。次に、図７（ｂ）に示したように、基板１０２上のナノチューブ１０６をフラーレン（Ｃ６０）含有雰囲気にさらして、フラーレン１０８をナノチューブ１０６の強い吸引力によりその内部に注入し、いわゆるピーポッドを作製する。このピーポッド構造のカーボンナノチューブ１０６（図７（ｂ））を１２００℃でアニールすることにより、多層カーボンナノチューブ１１０（図７（ｃ））を作製する。
【００３０】
次に、多層ナノチューブ１１０及びその下層の酸化膜１０４を覆って、ソース・ドレイン電極用の開口部を備えたレジストパターン（図示せず）を形成し、ソース・ドレイン電極用の金属としてＰｔ−Ａｕ合金を蒸着後、リフトオフによりレジストパターン開口部以外の金属を除去し、ソース電極１１２及びドレイン電極１１４を形成する（図８（ａ））。ナノチューブ１１０の中央部分に開口を持つレジストパターン（図示せず）を使ってゲート金属（Ｗ）を堆積させ、同様にリフトオフによりゲート電極１１６（図８（ｂ））を形成する。次いで、金属電極１１２、１１４、１１６をマスクに酸素プラズマエッチングを所定の時間行い、露出された多層ナノチューブ１１０の外側チューブだけを除去し、先に図４（ａ）と４（ｂ）を参照して説明した構造の半導体装置１００を得る（図８（ｃ））。
【００３１】
外側チューブの除去は、上で説明した酸素プラズマエッチングを利用する方法のほかの方法で行うこともできる。例えば、図８（ｂ）に示したようにソース、ドレイン、ゲート電極１１２、１１４、１１６を形成した段階で、ゲート−ソース間及びゲート−ドレイン間にそれぞれ電流を通じることにより、外側チューブだけを除去することが可能である。この場合、金属的性質を示す外側チューブの方が半導体的性質で抵抗の高い内側チューブより電流が流れやすいことから、電極金属に覆われていない部分の外側チューブを構成している炭素が先に消失して、内側チューブだけを残すことができる。
【００３２】
図７（ｃ）で説明した多層ナノチューブ１１０の作製後に、多層ナノチューブ１１０及びその下層の酸化膜１０４を覆う絶縁膜（シリコン窒化膜あるいは酸化膜）（図示せず）を形成することにより、図８（ｃ）の半導体装置１００においてゲート電極１１６とその下のナノチューブ１１０との間に絶縁膜を備えた半導体装置を製造することも可能である。その製造方法は次のとおりである。
【００３３】
図９（ａ）に示したように、多層ナノチューブ１１０及びその下層の酸化膜１０４を覆うシリコン窒化膜１２２（あるいはシリコン酸化膜でもよい）を２ｎｍ形成する。次に、窒化膜１２２上にレジストパターン（図示せず）を形成し、窒化膜１２２をエッチングして、図９（ｂ）に示したようにナノチューブ１１０の両端が露出するように絶縁膜１２４を残す。続いて、先に図８（ａ）〜８（ｃ）を参照して説明したのと同様に、ソース電極１１２、ドレイン電極１１４を形成し、更に絶縁膜１２４の上にゲート電極１１６を形成し（図９（ｃ））、そして露出部分の絶縁膜１２４をエッチング後、酸素プラズマアッシングによりナノチューブ１１０の外側チューブを除去して、図９（ｄ）に示したとおりのゲート絶縁膜１２６を備えた半導体装置１００’を得る。
【００３４】
図５に図示したゲート電極の側面に絶縁材料の側壁を備えた半導体装置は、次のように製造することができる。
図９（ｃ）に示した絶縁膜１２４上のゲート電極１１６の形成までの工程を終えてから、１００ｎｍのシリコン窒化膜（図示せず）の形成とエッチングを行うことにより、図１０（ａ）に示したように、ゲート電極１１６の側面に窒化物の側壁１３２を形成する（このとき、ナノチューブ１１０上の露出されていた窒化膜１２４（図９（ｃ））も一緒にエッチングされる）。続いて、金属電極１１２、１１４、１１６と窒化物の側壁１３２をマスクに酸素プラズマエッチングを所定の時間行い、露出された多層ナノチューブ１１０の外側チューブだけを除去して、先に図５を参照して説明したとおりの構造の半導体装置１００”を得る（図１０（ｂ））。
【００３５】
次に、先に図６（ａ）と６（ｂ）を参照して説明した竪型構造の半導体装置の製造を説明する。
図１１（ａ）に示したように、Ａｓイオンを注入してｐ⁺領域２０４を形成したｎ型シリコン基板２０２上に、シリコン窒化膜（５０ｎｍ）２０６、シリコン酸化膜（５０ｎｍ）２０８、ポリシリコンゲート金属膜（２０ｎｍ）２１０、シリコン酸化膜（５０ｎｍ）２１２、及びシリコン窒化膜（５０ｎｍ）２１４を順次形成する。次に、レジストパターン（図示せず）を形成してから、それをマスクに各膜２１４、２１２、２１０、２０８及び２０６を順次選択エッチングして、図１１（ｂ）に示したように底部にｐ⁺領域２０４の露出した開口２１６を形成し、続いてＮｉ（あるいはＦｅ、もしくはＣｏ）を全面に堆積させてから、リフトオフ法により開口２１６底部のみに１〜１０ｎｍの金属膜（図示せず）を残す。この金属膜のＮｉを触媒として、ＣＶＤにより開口２１６内にカーボンナノチューブ２２０（図１１（ｃ））を垂直方向に成長させ、酸素プラズマ処理によりナノチューブ２２０の先端を除去する。ＣＶＤ成長法としてプラズマＣＶＤを用いた場合には、Ａｒスパッタリング法で触媒金属を除去する。熱ＣＶＤの場合には、触媒は膜２１０底部に残るので、この工程は不要となる。次いで、先に説明したようにフラーレン含有雰囲気で処理してナノチューブ内にフラーレン（図示せず）を注入してピーポッドを作製し、アニール処理して複数の多層ナノチューブ２２０ａ（図１２（ａ））を形成する。次に、ＴｉＳｉでドレイン電極用の金属膜（図示せず）を形成し、レジストパターン（図示せず）を使ってこれをエッチングして、図１２（ａ）に示したドレイン電極２２２を形成する。
【００３６】
続いて、図１２（ｂ）に示したように、ドレイン電極２２２をマスクに窒化膜２１４（図１２（ａ））を異方性エッチングし、更にこのエッチングした窒化膜２１４’の下の酸化膜を等方性エッチングで除去する。次いで、図１２（ｃ）に示したように、ゲート金属膜２１０（図１２（ｂ））を異方性ドライエッチングしてゲート電極２２４を形成し、このゲート電極２２４の下の酸化膜を等方性エッチングして除去する。酸化膜の除去により露出された多層カーボンナノチューブ２２０ａ（図１２（ｃ））を酸素プラズマ処理して、露出部分の外側チューブだけを除去し、図１３（ａ）に図示したように半導体的性質の内側ナノチューブ２２６を露出させる。
【００３７】
続いて、図１３（ｂ）に示したように、全面にシリコン酸化膜２２８を２００ｎｍ形成する。次いで、図１４（ａ）に示したように、レジストパターン２３０を形成し、これをマスクに酸化膜２２８と窒化膜２０６をエッチングして電極コンタクトホール２３２、２３４を形成する。ソース・ドレイン金属としてＰｔ−Ａｕ合金を堆積させ、リフトオフによりコンタクトホール２３２、２３４内にのみ金属を残して、ソース２３６とドレイン２３８を形成する（図１４（ｂ））。こうして、図６（ａ）と６（ｂ）を参照して説明したのと同様の竪型構造の半導体装置が得られる。
【００３８】
図１５は、図１１（ａ）〜図１４（ｂ）の工程を経て製造した半導体装置の平面図である。この半導体装置においては、酸化物の絶縁膜２２８の開口部に、ソース２３６とドレイン２３８の一部がそれぞれ露出しており、ドレイン２３８の下方にチャネルとなる多層カーボンナノチューブ２２０ａ（図１４（ａ））のバンドル２４０が位置している。このナノチューブのバンドル２４０を取り囲んでゲート電極２２４が位置し、そしてその一部は、絶縁膜２２８の別の開口部に露出している。ゲート電極２２４の露出用の開口部は、例えば図１３（ｂ）で酸化膜２２８を形成後に行うことができる。
【００３９】
複数の多層カーボンナノチューブの集合体であるバンドルを利用した半導体装置は、上で説明した竪型構造のものに限らず、ナノチューブの長手方向軸が基板面と平行である横型構造のものであってもよいことは、言うまでもない。
【００４０】
カーボンナノチューブの特徴の一つに、ナノチューブ内ではキャリアである電子が無散乱で（コヒーレントな状態で）走行することが挙げられる。このような電子の伝導では、電流経路の長さにかかわりなく、電気抵抗は一定になる。このような現象が認められるのは、電流経路の長さが電子の平均自由行程以下の場合である。従って、本発明の半導体装置においてゲートにより流れる電流を制御するチャネル部分の長さ、言い換えれば、ゲート電極が直接、又は絶縁層を介して間接的に接触する、連続の外側チューブの長さが、電子の平均自由行程以下の場合に、本発明の半導体装置は特に、高速・高周波動作や、高電流駆動が可能となり、また低雑音特性を獲得する。
【００４１】
また、カーボンナノチューブは、その構造が自己組織化によりできあがることから、それ自体の構造的ゆらぎ（ばらつき）が極端に少ない。また、本発明で使用する多層構造のカーボンナノチューブにおいても、外側と内側のナノチューブ間隔は０．３４ｎｍで極めて均一である。従って、カーボンナノチューブを利用して半導体装置を構成すれば、リソグラフィの限界を越えた微細化が可能である。
【００４２】
これまで、ゲート電極は一つとして説明してきたが、いわゆる「ダブルゲート」タイプの半導体装置のように、本発明の半導体装置は２以上のゲート電極を持つこともできる。この場合には、ソース・ドレイン間のカーボンナノチューブ部分に、ゲートの数に対応した互いに分断された独立の外側チューブが存在することになる。より具体的に言えば、図３を参照して説明した一番簡単な構造の半導体装置の場合、ゲートの数が一つならば外側チューブは一つの連続体でよく、ゲートの数が二つならば外側チューブは１箇所で分断された不連続体となる。一方、例えば図４（ａ）と４（ｂ）を参照して説明したようにゲート−ソース電極間、及びゲート−ドレイン間に分断部分を持つ外側チューブを有する半導体装置の場合、外側チューブは、ゲートの数が一つならば２箇所で分断され、ゲートの数が二つならば３箇所で分断されることになる。
【００４３】
本発明は、以上説明したとおりであるが、その特徴を種々の態様ととも付記すれば、次のとおりである。
（付記１）炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体を含み、この多層構造体の内側円筒体の電気伝導度を外側円筒体に印加する電圧により制御することを特徴とする半導体装置。
（付記２）炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体と、内側円筒体の外側円筒体をはさんで相対する側にそれぞれ接続する導電体と、外側円筒体に電圧を印加する手段とを有することを特徴とする、付記１記載の半導体装置。
（付記３）前記外側円筒体が分断なしの連続構造体であり、且つ、前記内側円筒体が分断なしの連続構造体である、付記１又は２記載の半導体装置。
（付記４）前記外側円筒体が分断された不連続の構造体であり、且つ、前記内側円筒体が分断なしの連続構造体である、付記１又は２記載の半導体装置。
（付記５）前記外側円筒体に整流性電極が直接接触している、付記３記載の半導体装置。
（付記６）前記外側円筒体に整流性電極が絶縁材料を介し間接的に接触している、付記３記載の半導体装置。
（付記７）前記外側円筒体が１箇所で分断され、分断された各外側円筒体に整流性電極が直接接触している、付記４記載の半導体装置。
（付記８）前記外側円筒体が１箇所で分断され、分断された各外側円筒体に整流性電極が絶縁材料を介し間接的に接触している、付記４記載の半導体装置。
（付記９）前記外側円筒体が２箇所以上で分断され、分断された両端部の外側円筒体にはオーム性電極がそれぞれ接触し、且つ、分断された中間の外側円筒体には整流性電極が接触している、付記４記載の半導体装置。
（付記１０）前記整流性電極が前記外側円筒体に直接接触している、付記９記載の半導体装置。
（付記１１）前記整流性電極が前記外側円筒体に絶縁材料を介し間接的に接触している、付記９記載の半導体装置。
（付記１２）前記整流性電極の前記分断された両端部の外側円筒体に面する側面に絶縁材料の側壁が設けられている、付記１１記載の半導体装置。
（付記１３）前記整流性電極の接触する連続の外側円筒体の長さが電子の平均自由行程以下である、付記５〜１２のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１４）前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面と平行である、付記１〜１３のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１５）前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面に対して垂直である、付記１〜１３のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１６）前記多層構造体を複数含み、それらが外側円筒体どうしの接触によりバンドルを形成している、付記１〜１５のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１７）前記多層構造体が複数のカーボンナノチューブから形成されている、付記１〜１６のいずれかに記載の半導体装置。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、カーボンナノチューブをトランジスタのゲートとチャネルに適用した本発明の半導体装置は、ショートチャネル効果の抑制に特に有効であるサラウンドゲート構造をとることができるので、高速動作が可能となる。また、本発明によれば、高周波動作の可能な半導体装置や、電流駆動能力の高い半導体装置の利用も可能となる。
【００４５】
ゲート電極が直接、又は絶縁層を介して間接的に接触する、分断されていない外側チューブの存在する部分のナノチューブの長さを電子の平均自由行程以下とすることにより、本発明の半導体装置は、特に高速動作、高周波動作、あるいは高電流駆動の、低雑音特性のものとなる。
【００４６】
更に、カーボンナノチューブの使用は、リソグラフィの限界を越えた微細な半導体装置の提供を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】サラウンドゲート構造の半導体装置を説明する図である。
【図２】カーボンナノチューブのカイラリティを説明する図である。
【図３】本発明の半導体装置の基本的な構成の態様を説明する図である。
【図４】本発明の半導体装置のもう一つの態様を説明する図である。
【図５】本発明の半導体装置の更にもう一つの態様を説明する図である。
【図６】本発明の半導体装置の別の態様を説明する図である。
【図７】図４に示した半導体装置の製造の前半を説明する図である。
【図８】図４に示した半導体装置の製造の後半を説明する図である。
【図９】ゲート電極とカーボンナノチューブとの間に絶縁膜の介在する半導体装置の製造を説明する図である。
【図１０】図５に示したゲート電極の側面に絶縁材料の側壁を備えた半導体装置の製造を説明する図である。
【図１１】図６に示した半導体装置の製造を説明する第１の図である。
【図１２】図６に示した半導体装置の製造を説明する第２の図である。
【図１３】図６に示した半導体装置の製造を説明する第３の図である。
【図１４】図６に示した半導体装置の製造を説明する第４の図である。
【図１５】図１１〜１４の工程で製造した半導体装置の平面図である。
【符号の説明】
１…チャネル
２…ゲート電極
３…ソース電極
４…ドレイン電極
１０、１００、１００’、１００”…半導体装置
１２、３２、６６、１１０、２２０ａ…多層構造カーボンナノチューブ
１４、３４、７０、２２６…内側チューブ
１６、３６Ｃ、３６Ｄ、３６Ｓ、６８…外側チューブ
１８、２０…導電体
２２…電圧印加手段
３８、６２、１１２、２３６…ソース電極
４０、６４、１１４、２２２、２３８…ドレイン電極
４２、７２、１１６、２２４…ゲート電極
５２、１２４、２２８…絶縁体
７６、２４０…ナノチューブのバンドル
１３２…側壁

Claims

炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体を含み、且つ、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体を有するとともに、外側円筒体が２箇所以上で分断されていることを特徴とする半導体装置。
炭素元素から構成される円筒状の多層構造体であって内側の円筒体が半導体的性質を有し、外側の円筒体が金属的性質を有する多層構造体と、内側円筒体の両端に接続する導電体と、外側円筒体に直接又は絶縁物を介して接続する導電体とを有することを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
分断された両端部の外側円筒体にはオーム性電極がそれぞれ接触し、且つ、分断された中間の外側円筒体には整流性電極が接触している、請求項１又は２記載の半導体装置。
前記整流性電極が前記外側円筒体に直接接触している、請求項３記載の半導体装置。
前記整流性電極が前記外側円筒体に絶縁材料を介し間接的に接触している、請求項３記載の半導体装置。
前記整流性電極の前記分断された両端部の外側円筒体に面する側面に絶縁材料の側壁が設けられている、請求項５記載の半導体装置。
前記整流性電極の接触する連続の外側円筒体の長さが電子の平均自由行程以下である、請求項３から６までのいずれか一つに記載の半導体装置。
前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面と平行である、請求項１から７までのいずれか一つに記載の半導体装置。
前記多層構造体の長手方向軸が、それが配置される基板面に対して垂直である、請求項１から７までのいずれか一つに記載の半導体装置。
前記多層構造体を複数含み、それらが外側円筒体どうしの接触によりバンドルを形成している、請求項１から９までのいずれか一つに記載の半導体装置。