(57)【要約】【課題】薄膜トランジスタの半導体層にＣＮＴランダムネットワークのような不均一導電層を用いると、簡易なプロセスでチャネル幅の微細化を図ることができないため、動作周波数の十分な向上が図れない。【解決手段】本発明の半導体装置は、電極層と、電極層に接する誘電膜層と、誘電膜層に接する不均一導電層と、不均一導電層の一部と接する導体層、とを有し、不均一導電層は、半導体性微細構造と金属性微細構造が不均一に混合した微細構造物を含み、前記微細構造物の密度が異なる第１の不均一導電領域と第２の不均一導電領域を少なくとも備え、第１の不均一導電領域の微細構造物の密度は第２の不均一導電領域の微細構造物の密度よりも大きく、導体層は、互いに離間して配置した第１の導体層と第２の導体層を含み、第１の不均一導電領域は、第１の導体層と第２の導体層のうちのいずれか一方のみと接する。【選択図】      図１
2014127498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極層と、
前記電極層に接する誘電膜層と、
前記誘電膜層に接する不均一導電層と、
前記不均一導電層の一部と接する導体層、とを有し、
前記不均一導電層は、半導体性微細構造と金属性微細構造が不均一に混合した微細構造物を含み、前記微細構造物の密度が異なる第１の不均一導電領域と第２の不均一導電領域を少なくとも備え、
前記第１の不均一導電領域の前記微細構造物の密度は前記第２の不均一導電領域の前記微細構造物の密度よりも大きく、
前記導体層は、互いに離間して配置した第１の導体層と第２の導体層を含み、
前記第１の不均一導電領域は、前記第１の導体層と前記第２の導体層のうちのいずれか一方のみと接する
半導体装置。
【請求項２】
前記第１の不均一導電領域と前記第２の不均一導電領域の密度比が２倍以上である
請求項１に記載した半導体装置。
【請求項３】
前記不均一導電層は、第３の不均一導電領域をさらに有し、
前記第２の不均一導電領域の前記微細構造物の密度は、前記第３の不均一導電領域の前記微細構造物の密度よりも大きく、
前記第３の不均一導電領域は、前記第１の導体層と前記第２の導体層のうちのいずれとも接しない
請求項１または２に記載した半導体装置。
【請求項４】
前記第１の不均一導電領域は、前記第１の導体層のみと接する第１の導体層側領域と、前記第２の導体層のみと接する第２の導体層側領域、とを備え、
前記第３の不均一導電領域は、前記第１の導体層側領域と前記第２の導体層側領域の間に配置している
請求項３に記載した半導体装置。
【請求項５】
前記微細構造物はカーボンナノチューブを含む
請求項１から３のいずれか一項に記載した半導体装置。
【請求項６】
前記電極層をゲート電極とし、
前記誘電膜層をゲート誘電膜とし、
前記導体層をソース電極、およびドレイン電極として、
トランジスタ動作する構成とした
請求項１から５のいずれか一項に記載した半導体装置。
【請求項７】
基板上に第１の導体層と第２の導体層を互いに離間して形成し、
前記第１の導体層と前記第２の導体層の間に、半導体性微細構造と金属性微細構造が不均一に混合した微細構造物を含む不均一導電層を形成し、
前記不均一導電層を形成する際に、
前記微細構造物の密度が大きい第１の不均一領域が前記微細構造物の密度が小さい第２の不均一領域の周囲に配置されるように形成し、
前記不均一導電層を複数個ずらしながら順次形成し、
前記不均一導電層を順次形成する際に、
隣接する前記第２の不均一領域の少なくとも一部が重なり合い、
前記第１の不均一領域の少なくとも一部が前記第１の導体層と前記第２の導体層の一部と接するように形成する
半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記不均一導電層を順次形成する際に、
前記第１の不均一領域の幅程度ずらして形成する
請求項７に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記不均一導電層の形成は、カーボンナノチューブを含む溶液を滴下することによって行う
請求項７または８に記載した半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の不均一領域は、前記カーボンナノチューブを含む溶液が乾燥する際に形成されるコーヒーステイン領域である
請求項９に記載した半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、ナノチューブ状物質を用いた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノチューブ状物質の代表例であるカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ：ＣＮＴ）は、直径が約１ナノメートル、長さが約１マイクロメートル程度の円筒状の炭素分子であり、六員環炭素のみからなる二次元構造をもつグラフェンが、継ぎ目なく巻かれた構造である。その巻き方、つまり、円周方向に対する炭素原子の六員環の配向の違いによって、金属または半導体の電子状態を持ち、いずれの場合も、高い電子移動度を示すという特性を持つ。また、高い熱伝導性、機械強度も示すため、エレクトロニクスにおける導体、半導体、熱伝導体、アンテナ、センサ、またはプローブ針等、多岐にわたる応用が期待されている。
【０００３】
特に、特許文献１、特許文献２、或いは非特許文献１に記載されているように、印刷プロセスによって形成される不均一な導電層であるＣＮＴランダムネットワークは、主に薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）の半導体層として印刷エレクトロニクスの分野において注目されている。ＣＮＴランダムネットワークは、ＣＮＴを分散剤とともに溶剤に溶かした溶液を滴下、インクジェット等の印刷プロセスによって基板に塗布し、乾燥させて形成する。ここで、ＣＮＴランダムネットワークとは、上記のプロセスを経た結果として構成されるＣＮＴによるランダムなネットワークをいう。ＣＮＴランダムネットワークは、半導体ＣＮＴと金属ＣＮＴが完全に分離できない状態でも半導体層を簡易に形成できる構造である。そのため、半導体ＣＮＴと金属ＣＮＴを完全に分離する技術が存在しない現状でも、ＣＮＴを印刷プロセスに採用することができる有力な技術である。なお、ＣＮＴは上述したように、バリスティック伝導によって非常に高い電子移動度を持つため、印刷プロセスに用いる材料として有機半導体等に比べ優位性を有している。
【０００４】
非特許文献１には、ＣＮＴランダムネットワークを流れる電流の値と、半導体層としてのコンダクタンスのオンオフ比は強い相関関係を持つことが記載されている。非特許文献１によれば、ＴＦＴの半導体層として使用し得るのはオンオフ比が１０５以上の場合である。たとえば、ＣＮＴの長さがチャネル長に対し充分に短い場合、具体的には、チャネル長５０μｍに対し、ＣＮＴの長さが５μｍの場合にオンオフ比が１０５以上という条件を満たすのは、ＣＮＴ密度が０．１本／μｍ２〜１本／μｍ２の間の場合のみである。それより密度が高い場合は常時オン状態に近づいていき、それより密度が低い場合は、常時オフ状態に近づいていくのでいずれの場合もオンオフ比は低下する。
【０００５】
こうした、印刷エレクトロニクスの分野において想定されているＣＮＴランダムネットワークを用いたＴＦＴの応用としては、たとえば、印刷ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）やフレキシブルディスプレイ等がある。印刷ＲＦＩＤへの応用においては、印刷プロセスによってきわめて安価に製造されたＩＤ回路を商品や貨物に貼りつけることによって、店舗における精算処理や物流における貨物管理を低コストで効率化することが期待されている。また、フレキシブルディスプレイに応用する場合は、従来のアモルファスシリコン等を半導体層とするＴＦＴのＴＦＴアレイ基板には採用できなかった耐熱温度の低い基板、例えば樹脂フィルム等を採用することが可能となる。その結果、その特徴を生かして低コスト、軽量かつ大面積で、更には曲げることのできるディスプレイを実現することができる。
【０００６】
ここで、ＴＦＴの性能指標の一つである動作周波数について述べる。動作周波数とは、ＴＦＴを含む電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）において、ＴＦＴのソース・ドレイン電極間の電流の切り替え頻度の理論上の最大値である。動作周波数ｆｍａｘは、チャネル長をＬ、半導体層の電界効果移動度をμｅｆｆ、ソース・ドレイン電圧をＶＤＳとした場合、数式１のように表される。数式１は、電子がソース・ドレイン電極間を移動するのにかかる時間の逆数になっている。
2014127498.tif 000003
【０００７】
尚、電界効果移動度μｅｆｆは、電界効果トランジスタの飽和領域において、チャネル幅をＷ、ゲート・ソース電圧をＶＧＳ、閾値電圧をＶｔｈ、ドレイン・ソース間電流をＩＤＳ、ゲート誘電膜における単位面積あたりのキャパシタンスをＣとしたとき、次の数式２で表される値である。
2014127498.tif 000004
【０００８】
印刷ＲＦＩＤ、フレキシブルディスプレイ等の電子機器に用いられるＴＦＴの動作周波数は、その機器自体の重要な性能指標となる。たとえば、ＲＦＩＤにおいては整流回路における動作周波数が、送受信可能な電波帯域を制限する。また、フレキシブルディスプレイにおいては、ＴＦＴアレイ基板のＴＦＴの動作周波数がディスプレイの表示速度を制限するため、動画再生の滑らかさを決めることになる。前述したようにＣＮＴは電子移動度μが高いため、数式１から明らかなとおりＣＮＴをこれらの機器のＴＦＴの半導体層として採用することは、こうした性能指標を向上させると期待されている。
【０００９】
しかし、ＣＮＴランダムネットワークをＴＦＴの半導体層に採用するにあたっては、オン電流とオンオフ比を同時に向上させることができない、という問題があった。
【００１０】
このような問題を解決するために、例えば、特許文献１には、多数の単層ＣＮＴがランダムに配置し、互いに金属で架橋されることにより接続した（ＣＮＴランダムネットワーク）膜からなる電極、配線、またはチャネルを有する半導体装置が記載されている。特許文献１によれば、単層ＣＮＴ膜を構成する個々の単層ＣＮＴ間を金属で架橋することにより、単位幅当たりのオン電流とオンオフ比を同時に増大することが可能となる、としている。
【００１１】
また、特許文献２には、ＣＮＴのランダムネットワークから構成されたチャネル層を有する電界効果型トランジスタが記載されている。特許文献２によれば、第１の電極および第２の電極を、チャネル形成領域を挟んで各々の端部がゲート絶縁膜の上で対向して配置している。さらに、第１の電極および第２の電極の対向している各々の端部の最も高い部分は、チャネル形成領域のゲート絶縁膜の上面より高く形成し、第３の電極で第１の電極およびチャネル層を接続し、第４の電極で第２の電極およびチャネル層を接続した構成としている。これにより、製造コストの上昇を抑制した構成で、本来期待されるオン電流、オンオフ比が得られる、としている。
【００１２】
さらに、特許文献３には、ＣＮＴチャネル層をチャネルの直交方向に分断し、複数ＣＮＴパッチを用いてソース・ドレイン間を接続するトランジスタが記載されている。ＣＮＴチャネル層を複数のＣＮＴパッチで構成することで、そのＣＮＴパッチが半導体的ＣＮＴパッチとなる確率が高くなり、良好なオンオフ比をもつトランジスタが得られる、としている。
【００１３】
また、ＣＮＴランダムネットワークを用いて半導体層を形成するにあたり、以下のような問題もあった。半導体装置のＣＮＴランダムネットワークを形成する際に一般に採用されているインクジェットプロセスまたは滴下プロセスにおいては、コーヒーステイン現象と呼ばれる形成膜厚と溶質濃度の不均衡が生じる。この現象は、特許文献４に詳細なメカニズムが解説されているように、滴下した溶液を乾燥する過程で溶媒の蒸発が均一でなく、外周部分で部分的に溶質の濃度が上昇してゲル化する現象である。
【００１４】
コーヒーステイン現象によって、ＣＮＴランダムネットワークにおけるＣＮＴ密度が不均衡となり、中央部では適正な密度で高いオンオフ比を示しても、コーヒーステイン部ではより高いＣＮＴ濃度となり、オンオフ比が低くなってしまう等の問題が発生する。逆に、コーヒーステイン部で適正な密度とし、オンオフ比を高く保った場合、中央部は電流が流れない状態となる。すなわち、オンオフ比と電流量のトレードオフが発生し、どちらかを優先しなければならない。特に半導体ＣＮＴと金属ＣＮＴの双方を含むＣＮＴ溶液によるランダムネットワークは、ＣＮＴの濃度が高い場合には、半導体層ではなく導電層となり、ソース・ドレイン間で短絡が生じたり、オンオフ比が劣化したりする等の問題が生じる。
【００１５】
これに対して、特許文献４には、滴下溶液の端部領域に親液処理、またはテーパ加工を施すことによりこのような問題を回避する技術が開示されている。
【００１６】
また、非特許文献２には、ＣＮＴ滴下面全体にわたってアミノ基等により正電荷を与えるように表面修飾することにより、負電荷を帯びたＣＮＴを表面に吸着させることができるので、それによってＣＮＴ密度の偏りを抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】国際公開第２００９／０３１３４９号
【特許文献２】国際公開第２０１０／０１０７６６号
【特許文献３】国際公開第２００８／１２９９９２号
【特許文献４】特開２００８−４０１１９号公報
【特許文献５】特開平９−６４４９３号公報
【特許文献６】特開平６−３３４３３４号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ｍａｓａｈｉｋｏ  Ｉｓｈｉｄａ  ａｎｄ  Ｆｕｍｉｙｕｋｉ  Ｎｉｈｅｙ，  “Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ  ｔｈｅ  ｙｉｅｌｄ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｒａｎｄｏｍ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．９２，  １６３５０７，  ２００８
【非特許文献２】Ｈｉｄｅａｋｉ  Ｎｕｍａｔａ，Ｋａｚｕｋｉ  Ｉｈａｒａ，Ｔａｋｅｓｈｉ  Ｓａｉｔｏ，Ｈｉｒｏｙｕｋｉ  Ｅｎｄｏｈ，ａｎｄ  Ｆｕｍｉａｋｉ  Ｎｉｈｅｙ，  “Ｈｉｇｈｌｙ  Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  ｏｎ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｌａｓｔｉｃ  Ｆｉｌｍｓ  ｗｉｔｈ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ５，  ０５５１０２，  ２０１２
【非特許文献３】Ｓ．  Ｋｕｍａｒ，  Ｎ．  Ｐｉｍｐａｒｋａｒ，  Ｊ．  Ｙ．  Ｍｕｒｔｈｙ，  Ｍ．  Ａ．  Ａｌａｍ，  “Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８８，  １２３５０５，  ２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上述した文献に記載されているような一般的な印刷プロセスによってＣＮＴランダムネットワーク層を半導体層とするＴＦＴを形成する場合、以下のような課題がある。
【００２０】
まず、たとえＣＮＴランダムネットワークを半導体層として採用しても、滴下、インクジェット、スクリーン印刷、コンタクト印刷等、いずれの印刷プロセスによっても、一般のシリコン半導体による電子回路のようにチャネル長Ｌを微細に形成できない。そのため、数式１から明らかなように動作周波数を向上させることができないので、ＣＮＴの大きな特徴であり他の候補に対する優位な特徴である高い電子移動度を充分に生かした高い動作周波数を実現することはできない。また、めっき法やスパッタ法等の気相法を用いても、フレキシブル基板を用いる場合はアライメントプロセス等において精密な位置合わせができないため、やはり微細な配線は形成できず動作周波数を向上させることができない。
【００２１】
また、コーヒーステイン現象を解決するために、特許文献４、非特許文献２に記載された技術を用いる場合にも、以下のような問題がある。特許文献４に記載された技術は、滴下される溶液の端部のみに親液処理、テーパ加工を施すものであり、いずれも、チャネル長Ｌが充分に緩ピッチであることを前提としている。そのため、微細なチャネル長には対応できない、という問題があった。
【００２２】
また、非特許文献２に記載された技術によれば、電極の微細度にかかわりなく、ＣＮＴランダムネットワークを均等にすることが可能であるが、表面に正電荷を与えるように、表面修飾を行うプロセスが別途必要となるため、製造工程が複雑になってしまうという問題があった。
【００２３】
このように、薄膜トランジスタの半導体層にＣＮＴランダムネットワークなどの不均一導体層を用いると、簡易なプロセスでチャネル幅の微細化を図ることができないため、動作周波数の十分な向上が図れない、という問題があった。
【００２４】
本発明の目的は、上述した課題である、薄膜トランジスタの半導体層に不均一導電層を用いると、簡易なプロセスでチャネル幅の微細化を図ることができないため、動作周波数の十分な向上が図れない、という課題を解決する半導体装置および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】
【００２５】
本発明の半導体装置は、電極層と、電極層に接する誘電膜層と、誘電膜層に接する不均一導電層と、不均一導電層の一部と接する導体層、とを有し、不均一導電層は、半導体性微細構造と金属性微細構造が不均一に混合した微細構造物を含み、前記微細構造物の密度が異なる第１の不均一導電領域と第２の不均一導電領域を少なくとも備え、第１の不均一導電領域の微細構造物の密度は第２の不均一導電領域の微細構造物の密度よりも大きく、導体層は、互いに離間して配置した第１の導体層と第２の導体層を含み、第１の不均一導電領域は、第１の導体層と第２の導体層のうちのいずれか一方のみと接する。
【００２６】
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に第１の導体層と第２の導体層を互いに離間して形成し、第１の導体層と第２の導体層の間に、半導体性微細構造と金属性微細構造が不均一に混合した微細構造物を含む不均一導電層を形成し、不均一導電層を形成する際に、微細構造物の密度が大きい第１の不均一領域が微細構造物の密度が小さい第２の不均一領域の周囲に配置されるように形成し、不均一導電層を複数個ずらしながら順次形成し、不均一導電層を順次形成する際に、隣接する第２の不均一領域の少なくとも一部が重なり合い、第１の不均一領域の少なくとも一部が第１の導体層と第２の導体層の一部と接するように形成する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、薄膜トランジスタの半導体層に不均一導電層を用いた場合であっても、簡易なプロセスでチャネル幅を微細化することができ、動作周波数の十分な向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す（ａ）上面図、および（ｂ）断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の不均一導電層の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のＣＮＴ密度比に対する動作周波数の依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す（ａ）上面図、および（ｂ）断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す（ａ）上面図、および（ｂ）断面図である。本実施形態の半導体装置１００は、電極層１０と、電極層１０に接する誘電膜層２０と、誘電膜層２０に接する不均一導電層３０と、不均一導電層３０の一部と接する導体層４０とを備える。不均一導電層３０は、半導体性微細構造と金属性微細構造が不均一に混合した微細構造物を含み、その微細構造物の密度が互いに異なる第１の不均一導電領域３１と第２の不均一導電領域３２を少なくとも含む。ここで、第１の不均一導電領域３１の微細構造物の密度は第２の不均一導電領域３２の微細構造物の密度よりも大きい構成とすることができる。導体層４０は、互いに離間して配置した第１の導体層４１と第２の導体層４２を含み、第１の不均一導電領域３１は、第１の導体層４１と第２の導体層４２のうちのいずれか一方のみと接する。なお、半導体装置１００は基板１の上に形成されている。
【００３０】
以下では説明のために、半導体装置１００は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層にＣＮＴを含むＣＮＴ−ＴＦＴ構造であるとする。すなわち、基板１上に、電極層１０としてのゲート電極、誘電膜層２０としてのゲート誘電膜、導体層４０としてのソース電極４１、ドレイン電極４２、および不均一導電層３０としてのＣＮＴ膜を順に積層した構造とした場合について説明する。
【００３１】
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極は、金属ナノ粒子を含む金属ナノペースト、金属ナノインク、導電性を有する有機物、金属ＣＮＴ等が好適に用いられる。これらの配線形成プロセスとしては、めっき法や、蒸着、スパッタリング等の気相法のほか、スクリーン印刷法やマイクロコンタクト法、熱インプリント法、ＵＶインプリント法等のいわゆるインプリント法や、インクジェット法も選択できる。スクリーン印刷法、インプリント法、インクジェット法を選択した場合、金属ＣＮＴなどの導電性ファイバーを混錬したゴム材料、ペースト材料を用いることができる。
【００３２】
誘電膜層２０としてのゲート誘電膜には、印刷プロセスに適合するように例えばポリイミド等の高分子化合物であって、絶縁性を保持し、電子機器に好適に用いられるよう耐熱性、寸法安定性などの性質を備えた化合物の前駆体（ポリアミド）等を溶剤に溶かした溶液をパターン化し、硬化させたものを用いることが好ましい。また、イオンジェル等、更に誘電率を高めた材料も好適に用いられる。
【００３３】
基板１は、印刷プロセスによるデバイスの利点を生かすため、柔軟性を有する基板であることが好ましい。一例としては、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、アラミド樹脂、シリコーン樹脂、ＡＢＳ樹脂などの樹脂や、シリコーンゴム、ポリブタジエンゴム等の各種ゴム弾性を有する樹脂が挙げられる。耐久性を加味すると、基板１は約５０ミクロン以上の厚みがあることが好ましい。また、リジッドな基板であってもよく、このときはエポキシ樹脂などが好適である。
【００３４】
図２は、発明の第１の実施形態に係る半導体装置の不均一導電層の構成の一例を示す図である。不均一導電領域３１、３２はＣＮＴ膜を含み、不均一導電層は図２に示すようなＣＮＴランダムネットワークにより形成されている。
【００３５】
非特許文献１によれば、ＣＮＴランダムネットワークは、その密度によって断線状態であるｏｐｅｎ，トランジスタ特性を示すｓｗｉｔｃｈ，短絡状態であるｓｈｏｒｔの三つ状態に分類することができる。ＣＮＴ密度がρであるとき、そのＴＦＴがｏｐｅｎ、ｓｈｏｒｔ、ｓｗｉｔｃｈ状態となる確率は、以下の数式３に示すガウスの誤差関数を用いて表すことができる。
2014127498.tif 000005
【００３６】
すなわち、ｏｐｅｎ，ｓｗｉｔｃｈ，ｓｈｏｒｔ状態となるそれぞれの確率は、以下に示す数式４、数式５、数式６のように表わすことができる。以下のような形式で表すことにより、ＣＮＴ−ＴＦＴ半導体のシミュレーションの結果にフィットさせることができる。
2014127498.tif 000006
【００３７】
2014127498.tif 000007
【００３８】
2014127498.tif 000008
【００３９】
ここで、数式４におけるμｏｐｅｎは、ｆｏｐｅｎ（μｏｐｅｎ）＝０．５となるμの値としてシミュレーションの結果から予め求められており、ρｏｐｅｎはそのときの標準偏差である。数式５におけるμｓｈｏｒｔとρｓｈｏｒｔもｆｓｈｏｒｔに対して同様の関係を有する。非特許文献１によれば、たかだか２〜３倍程度の濃度の変化によりトランジスタはｓｗｉｔｃｈ状態からｏｐｅｎ状態またはｓｈｏｒｔ状態となる。ｓｗｉｔｃｈ状態ではオンオフ比は１０５程度だが、ｓｈｏｒｔ状態では、オンオフ比は１０２以下となり悪化する。しかし、ｓｈｏｒｔ状態では金属ＣＮＴの割合が増えていくことになり、流れる電流量が増加するので、この領域における電界効果移動度μｅｆｆは増大する。
【００４０】
第１の不均一導電領域３１は、非特許文献１によってｓｈｏｒｔと定義された状態の比較的高いＣＮＴ密度を有している。また、第２の不均一導電領域３２は、非特許文献１によってｓｗｉｔｃｈと定義された状態の比較的近いＣＮＴ密度を有している。このように密度領域の変化をつけることにより第１の不均一導電領域３１はオンオフ比は低いものの、あたかもソース電極４１、ドレイン電極４２の延長部分のように導電率の高い領域となる。一方、第２の不均一導電領域３２は、高いオンオフ比を維持する領域となっている。
【００４１】
次に、不均一導電層３０についてＣＮＴランダムネットワークを例として詳細に説明する。
【００４２】
一般のＣＮＴランダムネットワーク導電層において、ドレイン・ソース間導電層を流れる電流と、ＣＮＴランダムネットワークの密度の関係は、非特許文献１、非特許文献３等によってシミュレーションで計算されている。しかしながら、実際の依存関係について定式化した報告は存在しない。そこで本実施形態について、以下に解説する単純なモデルで議論する。
【００４３】
まず、図２に示すように、ＣＮＴが密度ｎＣＮＴで分布している場合を考える。非特許文献３に示されているように、ＣＮＴ内の電荷密度はゲート電圧に依存し、かつ、ＣＮＴ内の電界はドレイン・ソース電圧に依存する。よって、これらの電圧が一定なら、ＣＮＴランダムネットワークにおける電流は、ＣＮＴ密度そのものにしか依存しない。
【００４４】
図２において、ドレイン・ソース方向に垂直な単位長さの線分ｌを横切る方向の電流密度ＪＤＳを考える。電流は、ＣＮＴランダムネットワークを構成するＣＮＴ内の電荷によってのみ担持されると考え、個々のＣＮＴを流れる電流をｊｉとする。このとき、ゲート電圧、ドレイン・ソース電圧が一定であれば、線分ｌを通過する電流密度ＪＤＳは線分ｌをまたぐＣＮＴを流れる電流の合計となり、以下の数式７のように表される。
2014127498.tif 000009
【００４５】
また、線分ｌをまたぐＣＮＴの数はＣＮＴ密度に比例するため、数式７は適切な係数αを用いて以下の数式８のように近似できる。ここで、ｊはｊｉの平均値である。
2014127498.tif 000010
【００４６】
更に、個々のＣＮＴを流れる電流ｊは、個々のＣＮＴと接触するＣＮＴの数によって決まる。よってｊは、適切な係数βを用いて、以下の数式９のように近似することができる。ここで、ｑは電荷素量、μはＣＮＴの本質的な移動度（μｅｆｆとは異なる値）、ＥＤＳ＝ＶＤＳ／Ｌは、ドレイン・ソース方向の電界である。
2014127498.tif 000011
【００４７】
上記の数式８、９により、電流Ｊは以下の数式１０のように表すことができる。
2014127498.tif 000012
【００４８】
さらに、チャネル幅をＷ、半導体層において電荷が流れる層の厚みをｔとすると、全体の電流ＩＤＳは、以下の数式１１のように表される。
2014127498.tif 000013
【００４９】
上記の仮定に基づく計算では、μｅｆｆはｎＣＮＴの２乗に比例するという結果となった。実際、非特許文献１のＦＩＧ．４においても、ＣＮＴがチャネル長Ｌに対して充分短い領域ではオン電流はおおむねＣＮＴ密度が１０倍になると１００倍程度に増大している。また非特許文献３のＦＩＧ．３においては、ＣＮＴ密度が３倍になればオン電流が９倍程度増大していることが読み取れる。よって、上述したモデルの妥当性が示された。
【００５０】
次に、数式２、数式１１より、飽和領域（ＶＤＳ＞ＶＧ−Ｖｔｈ）では、μｅｆｆとｎＣＮＴについて次の数式１２が成り立つ。
2014127498.tif 000014
【００５１】
以下では、チャネル領域が図１に示すように、ＣＮＴ密度の異なる二つの領域、すなわち、第１の不均一導電領域３１、第２の不均一導電領域３２に分かれている場合について検討を続ける。これら二つの不均一導電領域３１、３２は、電流の流れる方向に対し直列に繋がれており、かつ、幅は同じものとする。
【００５２】
まず、チャネル長Ｌの中で、第１の不均一導電領域３１が占める長さをＬ１、第２の不均一導電領域３２が占める長さをＬ２（Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌ）、各領域でのＣＮＴ密度ｎＣＮＴをｎＣＮＴ１、ｎＣＮＴ２、各領域の電界効果移動度μｅｆｆをμｅｆｆ１、μｅｆｆ２とする。このとき、数式１２より、各領域について次の数式１３と数式１４が成り立つ。
2014127498.tif 000015
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【００５３】
数式１３、数式１４より、二つの領域の電界効果移動度について、次の数式１５が成り立つ。
2014127498.tif 000017
【００５４】
ここで、各領域におけるドレイン・ソース方向の電界をＥＤＳ１、ＥＤＳ２とすると、ＥＤＳ１、ＥＤＳ２の定義より以下の数式１６が成り立つ。
2014127498.tif 000018
【００５５】
また、第１の不均一導電領域３１と第２の不均一導電領域３２の間の電流の流れは一定であり、かつ、両領域間をまたぐ個々のＣＮＴについては、各領域の密度に比例した数のＣＮＴがそれぞれ接続すると考える。ゆえに、数式９等より、以下の数式１７が成り立つ。
2014127498.tif 000019
【００５６】
数式１７の両辺を約すと、以下の数式１８となる。
2014127498.tif 000020
【００５７】
また、各領域におけるチャンネルＬ全体を電子が通過するのにかかる時間ｔは、以下の数式１９により表される。
2014127498.tif 000021
【００５８】
数式１５、数式１６、数式１８より、数式１９を書き換えることによって、各領域のチャネル長（Ｌ１，Ｌ２）、ＣＮＴ密度比ｎ＝ｎＣＮＴ２／ｎＣＮＴ１、第１の不均一導電領域３１の電界効果移動度μｅｆｆ１のみを用いてｔを表すと、以下の数式２０となる。
2014127498.tif 000022
【００５９】
よって、このときの動作周波数ｆｍａｘ’は、μｅｆｆ１をμｅｆｆとおくと、以下の数式２１で表される。
2014127498.tif 000023
【００６０】
ここでＬ１＝Ｌ２＝Ｌ／２とし、ＣＮＴ密度比ｎに対して数式２によるｆｍａｘと、数式２１によるｆｍａｘ’をプロットしたものを図３に示す。図３は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のＣＮＴ密度比に対する動作周波数の依存性を示すグラフである。図３を参照すると、ＣＮＴ密度比ｎが２倍になると動作周波数ｆｍａｘ’の値は１．７倍程度に上がり、その後ＣＮＴ密度比ｎが高くなるにつれて動作周波数ｆｍａｘ’の値は４倍に近づいていくことがわかる。すなわち、第１の不均一導電領域と第２の不均一導電領域の密度比は、２倍以上であることが動作周波数の観点から好ましい。
【００６１】
なお、第１の不均一導電領域３１、第２の不均一導電領域３２は、図１に示したようにソース電極とドレイン電極間で隣接して並置した構成としてもよいし、３以上の領域が交互に並置した構成としてもよい。ただし、第１の不均一導電領域３１がソース電極、ドレイン電極の双方に接することなく、一方にだけ接する構成であることが必要である。換言すれば、第１の不均一導電領域３１と第２の不均一導電領域３２の境界線が、ドレイン電極との境界線、及び、ソース電極との境界線と同時に交わらない構成であることが必要である。
【００６２】
なお、以上述べた構成の限定は計算の簡略化のためであり、実際の半導体装置の構成としてはこれらに限定されない。
【００６３】
以上述べたように、本実施形態に係る半導体装置によれば、薄膜トランジスタの半導体層にＣＮＴランダムネットワークを用いた場合であっても、簡易なプロセスでチャネル幅を微細化することができ、動作周波数の十分な向上を図ることができる。
【００６４】
これは、ＣＮＴランダムネットワークを半導体層とするＴＦＴにおいて、ＣＮＴランダムネットワークのソース電極、ドレイン電極に近い領域が導電体となるため、実質的なチャネル幅が減少するためである。
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す（ａ）上面図、および（ｂ）断面図である。
【００６５】
本実施形態の半導体装置２００は、電極層１０と、電極層１０に接する誘電膜層２０と、誘電膜層２０に接する不均一導電層２３０と、不均一導電層２３０の一部と接する導体層４０と、を備える。
【００６６】
不均一導電層２３０は、半導体性微細構造と金属性微細構造が不均一に混合した微細構造物の密度が異なる第１の不均一導電領域２３１と第２の不均一導電領域２３２と第３の不均一導電領域２３３を含む。第１の不均一導電領域２３１の微細構造物の密度は第２の不均一導電領域２３２の微細構造物の密度よりも大きく、第２の不均一導電領域２３２の微細構造物の密度は第３の不均一導電領域２３３よりも大きい。
【００６７】
導体層４０は、互いに離間して配置した第１の導体層４１と第２の導体層４２を含む。
【００６８】
第１の不均一導電領域２３１は、第１の導体層４１と第２の導体層４２のうちのいずれか一方のみと接する。すなわち、第１の不均一導電領域２３１は、第１の導体層４１のみと接する第１領域と、第２の導体層４２のみと接する第２領域を含む。一方、第３の不均一導電領域２３３は、第１の導体層４１と第２の導体層４２のうちのいずれとも接しない。第２の不均一導電領域は、第１の導体層４１と第２の導体層４２と第１の不均一導電領域２３１と第３の不均一導電領域２３３のいずれとも接する。
【００６９】
なお、半導体装置２００は基板１の上に形成されており、第１の実施形態とは不均一導電層２３０の構成が異なっている。
【００７０】
以下では説明のために、半導体装置２００はＣＮＴ−ＴＦＴ構造であるとする。すなわち、基板１上に、電極層１０としてのゲート電極、誘電膜層２０としてのゲート誘電膜、導体層４０としてのソース、ドレイン電極、および不均一導電層２３０としてのＣＮＴ膜を順に積層した構造とした場合について説明する。
【００７１】
なお、第３の不均一導電領域２３３は、非特許文献１においてｏｐｅｎとされる領域であり、半導体装置２００の構成上は必ずしも必要ではない。ただし、後述する本実施形態の半導体装置の製造方法を用いて半導体装置２００を形成した場合には、この領域が形成されることになる。
【００７２】
以下、図５から図１１を用いて、本実施形態の半導体装置の製造方法を説明する。図５から図１１は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置２００の製造方法を説明するための各工程図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。なお、本発明のＣＮＴ―ＴＦＴの製造方法は、以下の製造方法の例によって限定されるものではない。
【００７３】
まず、図５に示すように、基板１を用意する。基板１は、フレキシブルなフィルム等でもよいし、リジッドな基板でもよい。また、平面形状のほか、曲面形状のものであってもよい。材料は、耐熱性、加工容易性、入手容易性等の観点から、フィルムの場合にはポリイミド樹脂など、リジッドな基板の場合にはエポキシ樹脂などが好適である。
【００７４】
次に、図６に示すように、基板１上にゲート電極として用いる電極層１０を形成する。形成方法は特に限定されないが、例えばマイクロコンタクトプロセス、めっき法等が選択できる。マイクロコンタクトプロセスを用いる場合、材料として、金属ナノインク、金属ペースト、導電性ファイバーを用いたゴム材料、ペースト材料等が好適である。めっき法にて形成する場合、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｕなどの金属により構成され、サブトラクティブ法、セミアディティブ法、フルアディティブ法等の配線形成法により形成することができる。サブトラクティブ法は、例えば特開平１０−５１１０５号公報に開示されているように、基体又は樹脂上に設けられた銅箔を所望のパターンで形成したレジストをエッチングマスクとし、エッチングを行った後にレジストを除去して所望の配線パターンを得る方法である。セミアディティブ法とは、例えば特許文献５に開示されているように、無電解めっき、スパッタ法、ＣＶＤ法等で給電層を形成した後、所望のパターンに開口されたレジストを形成し、レジスト開口部内に電解めっきを析出させ、レジストを除去後に給電層をエッチングして所望の配線パターンを得る方法である。フルアディティブ法とは、例えば特許文献６に開示されているように、基体又は樹脂の表面に無電解めっき触媒を吸着させた後にレジストでパターンを形成し、このレジストを絶縁層として残したまま触媒を活性化して無電解めっき法により絶縁層の開口部に金属を析出させることで所望の配線パターンを得る方法である。
【００７５】
次に、図７に示すように、電極層１０上に、ゲート誘電膜として用いる誘電膜層２０を形成する。材料は、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、及びポリノルボルネン樹脂等を好適に用いることができる。特に、ポリイミド樹脂、及びポリベンゾオキサゾール樹脂は、膜強度、引張弾性率及び破断伸び率等の機械的特性が優れているため、高い信頼性を得ることができる。ポリイミドを用いる場合、前駆体であるポリアミド酸の液状インクを架橋反応により硬化させることにより層が形成できるため、薄い膜であることが求められるゲート誘電膜には特に好適である。ゲート誘電膜の形成には、液状の有機材料であれば、スピンコート法、カーテンコート法、ダイコート法、スプレー法、印刷法等を用いることができる。スピンコート法、印刷法等が、低コストで薄い膜を形成するためには特に好適である。また、フィルム状の有機材料を用いる場合は、ラミネート法、プレス法およびそれぞれに真空状態を付加した製法等により形成することができる。誘電膜層２０をパターン化するためには、印刷法が好適であるが、ゲート誘電膜を一様に形成した後、上位配線層との接続が必要な部分にＣＯ２レーザー、ＹＡＧレーザー等によりビアホールを形成する場合には、パターン化をする必要はない。
【００７６】
続いて、図８に示すように、第１の導体層（ソース電極）４１、第２の導体層（ドレイン電極）４２を含む導体層４０を形成する。形成方法は、特に限定されないが、例えばマイクロコンタクトプロセス、めっき法等が選択できる。微細パターンを形成する必要があることから、特にマイクロコンタクトプロセス等が好適に用いられる。その他材料・プロセスの詳細等は図６にて説明したゲート電極の場合と同様である。
【００７７】
次に、図９，図１０，図１１に連続して示すように、ＣＮＴランダムネットワークを用いた不均一導電層２３０を形成する。
【００７８】
まず、ディスペンサ法やインクジェット法等により、半導体ＣＮＴ、金属ＣＮＴ、分散剤、溶剤からなるＣＮＴインクを第１の導体層４１と第２の導体層４２の間に滴下する。この滴下されたＣＮＴインクが乾燥すると、図９に示すようにコーヒーステイン現象により第２の不均一領域２３５の周囲に第１の不均一領域（コーヒーステイン領域）２３４が配置された不均一導電層が形成される。このとき、第１の不均一領域２３４が上述した第２の不均一導電領域２３２と、第２の不均一領域２３５が上述した第３の不均一導電領域２３３と同じ濃度となるよう、ＣＮＴインク自体の濃度を調整する。すなわち、ＣＮＴインクの濃度は、非特許文献１の記載に基づいて第１の不均一領域２３４はｓｗｉｔｃｈ状態となり、第２の不均一領域２３５はｏｐｅｎ状態となるよう、チャネル長、ＣＮＴ長さに従って濃度を決定する。
【００７９】
次に図１０に示すように、微細構造物の密度が大きい第１の不均一領域２３４が微細構造物の密度が小さい第２の不均一領域２３５の周囲に配置されるように形成した不均一導電層を複数個ずらしながら順次形成する。不均一導電層を順次形成する際に、隣接する第２の不均一領域２３５の少なくとも一部が重なり合い、第１の不均一領域２３４の少なくとも一部が第１の導体層４１と第２の導体層４２の一部と接するように形成する。
【００８０】
具体的には、このＣＮＴインクの滴下と乾燥の操作をチャネル幅Ｗ（図４（ａ）参照）の方向に、例えば第１の不均一領域２３４の幅と同程度だけずらして繰り返し行う。この操作により第１の導体層４１と第２の導体層４２の間に不均一導電層を形成する。このとき、ＣＮＴインクは、隣接する第２の不均一領域の少なくとも一部が重なり合い、第１の不均一領域の少なくとも一部が第１の導体層と第２の導体層の一部と接する位置に滴下される。また、この操作では、滴下したインクが十分乾いてから次の滴下を行うようにする。
【００８１】
こうして形成された不均一導電層は、図１１に示すように第１の導体層４１と第２の導体層４２に近接する領域では、第１の不均一領域２３４が複数回重ねあわされることによって第１の不均一導体領域２３１が形成されている。一方、それ以外の領域は、第１の不均一領域２３４と第２の不均一領域２３５が複数回重ねあわされることにより、重ね合わせの回数に応じて第２の不均一導体領域２３２と第３の不均一導体領域２３３が形成される。なお、第３の不均一導体領域２３３は、第２の不均一領域２３５が重ね合わされず残った、または、重ね合わせの回数が少なく他より微細構造物の密度が小さい領域である。第１の不均一導体領域２３１は、非特許文献１によって定義されたｓｈｏｒｔ状態であることが望ましいが、第２の不均一導体領域２３２よりも大きな密度であれば、動作周波数ｆｍａｘを増大させる効果を持つので、第１の不均一導体領域２３１がｓｈｏｒｔ状態である必要は必ずしもない。
【００８２】
上述したように、本実施形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、薄膜トランジスタの半導体層にＣＮＴランダムネットワークのような不均一導電層を用いた場合であっても、簡易なプロセスでチャネル幅を微細化することができ、動作周波数の十分な向上を図ることができる。
【００８３】
これは、ＣＮＴランダムネットワークを半導体層とするＴＦＴにおいて、ＣＮランダムネットワークのソース電極、およびドレイン電極と近接する領域に導電体が配置した構成であるので、実質的なチャネル幅が減少するためである。すなわち、簡易な印刷プロセスのみを用いても微細なチャネル幅を実現することができる。さらに本実施形態においては、コーヒーステイン現象に伴う膜厚不均衡による不具合を積極的に活用することによって、同現象に伴うオンオフ比と電流量のトレードオフという課題を解決することができる。
【００８４】
以上により、印刷プロセスのみを用いて、簡易に微細なチャネル幅のＣＮＴトランジスタを提供することができる。
【００８５】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８６】
１    基板
２    カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１０    電極層
２０    誘電膜層
３０、２３０    不均一導電層
３１、２３１    第１の不均一導電領域
３２、２３２    第２の不均一導電領域
４０    導体層
４１    第１の導体層
４２    第２の導体層
１００、２００    半導体装置
２３３    第３の不均一導電領域
２３４    第１の不均一領域
２３５    第２の不均一領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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