(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブの所定の箇所に、容易にトンネル接合が形成できるようにする。【解決手段】シリコン基板１０１を所定の電子線露光装置の処理室に搬入し、カーボンナノチューブ１０３の所望の領域に電子線１１０が照射された状態とする。電子線１１０は、加速電圧１ｋＶ、照射量が１×１０17個／ｃｍ2（１．６×１０-2Ｃ／ｃｍ2）の収束電子線である。この電子線照射により、カーボンナノチューブ１０３の電子線照射部に、欠陥部１０６が形成された状態が得られる。電子線の照射によりカーボンナノチューブ１０３に形成された欠陥部１０６は、トンネル接合として作用し、クーロン障壁として作用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上にカーボンナノチューブが形成された状態とする第１工程と、
前記カーボンナノチューブに加速電圧が高々８６ｋＶの所定の加速電圧の電子線を照射して欠陥が生成された状態とする第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とするトンネル接合の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル接合の形成方法において、支燃性ガスを含む雰囲気で前記カーボンナノチューブを所定の温度に加熱する第３工程を備えることを特徴とするトンネル接合の形成方法。
【請求項３】
請求項２記載のトンネル接合の形成方法において、前記第３工程では、酸素を含む雰囲気で前記カーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱することを特徴とするトンネル接合の形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のトンネル接合の形成方法において、前記所定の加速電圧は、高々３０ｋＶであることを特徴とするトンネル接合の形成方法。
【請求項５】
請求項４記載のトンネル接合の形成方法において、前記所定の加速電圧は、５００Ｖ〜３ｋＶであることを特徴とするトンネル接合の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブを構成の一部として用いた素子に適用できるトンネル接合の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、よく知られているように、ナノメートルオーダの極めて微細な直径を有する円筒状の構造体であり、また電気的及び機械的に優れた特性を有している。このため、単電子トランジスタなどの微細な電子素子への応用が期待されている。単電子トランジスタは、一般に、ソース及びドレイン電極、２つの微小トンネル接合、２つの微小トンネル接合に挟まれた量子ドット、絶縁体を挟んで量子ドットに接合されるゲート電極から構成されている。従って、カーボンナノチューブの単電子トランジスタへの応用では、素子中に、トンネル接合を形成する技術が重要となる。
【０００３】
ここで、現在主に用いられている、カーボンナノチューブを用いた単電子トランジスタの製造方法について説明する。まず、シリコン基板の上に酸化膜が形成された状態とし、所定の方法により、酸化膜の上に分散配置された状態に複数のカーボンナノチューブが形成された状態とする。ついで、走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡などによる観察により、素子作製に適当な孤立したカーボンナノチューブを探す。次に、公知のリソグラフィー技術とエッチング技術などにより、探し出したカーボンナノチューブに接続するように、ソース・ドレイン電極が形成された状態とする。
【０００４】
このように形成した素子の一部が、単電子トランジスタとして動作する。カーボンナノチューブを用いた単電子トランジスタでは、ソース・ドレイン電極とナノチューブとの間にトンネル接合が形成され、これらのトンネル接合がクーロン障壁として作用するため、単電子トランジスタとして動作するものと考えられている（非特許文献１参照）。
【０００５】
また、次に示すようにカーボンナノチューブを用いた単電子トランジスタの製造方法も提案されている。まず、基板の上に形成したナノチューブに、水素エッチングにより欠陥を導入する。この後、トンネル接合として作用しない良好なオーミック特性を示す電極をナノチューブ上にリソグラフィーにより形成する。この製造方法によれば、前述した方法に比較して、歩留りが改善する（非特許文献２参照）。
【０００６】
水素エッチングによりナノチューブに形成された欠陥が、トンネル接合として作用するため、上述した方法により作製した素子が、単電子トランジスタとして機能するものと考えられている。上述した方法によれば、ソース・ドレイン電極の間隔よりも小さな量子ドットをナノチューブ中に形成することが可能となり、従って、単電子トランジスタとしての動作温度が向上する。
【０００７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】K.Ishibashi et al."Quantum Dots in Carbon Nonotubes", Japanese Journal of Applied Physics Vol.39, pp.7053-7057, (2000).
【非特許文献２】鳥越他、「Ｉｎ  ｓｉｔｕ  水素エッチングによるカーボンナノチューブへの欠陥導入」、２００４年春季第５１回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集２８ａ−ＺＸ−５．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１の方法では、トンネル接合の形成される場所が電極部との接合部分に限られ、任意の場所にトンネル接合を作製することができない。上述したソース・ドレイン電極の間隔は、既存のリソグラフィー技術で作製可能な範囲となるため、２つのトンネル接合に挟まれた量子ドットの大きさは、既存のリソグラフィー技術で決定される２つの電極間隔以下には小さくできない。このように、上述した方法により作製した単電子トランジスタでは、量子ドットがあまり小さくできず、素子の動作温度は低温に限られる。加えて、上述した製造方法では、高い歩留りが得られにくい。
【０００９】
また、非特許文献２の方法では、欠陥はナノチューブ中の不特定の場所にランダムに発生するため、ナノチューブの任意の場所にトンネル接合を形成することはできない。従ってデバイスの設計には大きな制約を受ける。また、水素エッチングでは、水素という反応性ガスを用いるため、保安設備に経費がかかるという問題がある。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、カーボンナノチューブの所定の箇所に、容易にトンネル接合が形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るトンネル接合の形成方法は、基板の上にカーボンナノチューブが形成された状態とする第１工程と、カーボンナノチューブに加速電圧が高々８６ｋＶの所定の加速電圧の電子線を照射して欠陥が形成された状態とする第２工程とを少なくとも備えるようにしたものである。電子線の照射により形成された欠陥は、トンネル接合となる。
【００１２】
上記トンネル接合の形成方法において、支燃性ガスを含む雰囲気でカーボンナノチューブを所定の温度に加熱することで、電子照射された領域により効率よくトンネル接合が形成されるようにしてもよい。この処理は、例えば、酸素を含む雰囲気でカーボンナノチューブを３５０〜５００℃に加熱するようにすればよい。また、上記トンネル接合の形成方法では、所定の加速電圧は、高々３０ｋＶであればよく、特に、所定の加速電圧は、５００Ｖ〜３ｋＶの範囲であれば特によい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、加速電圧が８６ｋＶ以下の所定の加速電圧の電子線を照射して所望とする領域のカーボンナノチューブに欠陥が生成された状態としたので、カーボンナノチューブの所定の箇所に、容易にトンネル接合が形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるトンネル接合の形成方法例を示す工程図である、図１では、トンネル接合を用いた電子素子（単電子トランジスタ）の製造方法を例にしている。まず図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０１の上に所定の膜厚の酸化シリコンからなる絶縁層１０２が形成された状態とし、絶縁層１０２の上に、カーボンナノチューブ１０３が形成された状態とする。次に、図１（ｂ）に示すように、絶縁層１０２の上に所定の間隔で離間し、かつカーボンナノチューブ１０３に一部がオーミック接続するソース電極１０４及びドレイン電極１０５が形成された状態とする。
【００１５】
次に、シリコン基板１０１を所定の電子線露光装置の処理室に搬入し、図１（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ１０３の所望の領域に、電子線１１０が照射された状態とする。電子線１１０は、加速電圧１ｋＶ、照射量が１×１０17個／ｃｍ2（１．６×１０-2Ｃ／ｃｍ2）の収束電子線である。なお、以降に説明するように、照射する電子線１１０は、加速電圧が８６ｋＶ以下であればよい。この電子線照射により、図１（ｄ）に示すように、カーボンナノチューブ１０３の電子線照射部に、欠陥部１０６が形成された状態が得られる。
【００１６】
上述した電子線の照射によりカーボンナノチューブ１０３に形成された欠陥部１０６は、トンネル接合（トンネル障壁）として作用し、クーロン障壁として作用する。従って、図１（ｄ）に示す電子素子は、シリコン基板１０１を背面ゲート電極とした単電子トランジスタとして動作する。なお、欠陥部１０６は、少なくとも２つ以上の複数の欠陥であり、２つの欠陥により２つのクーロン障壁が形成され、ソース・ドレイン電極の間隔よりも小さな量子ドットがカーボンナノチューブ１０３中に形成された状態となる。
【００１７】
図１を用いて説明した上述の形成方法によれば、カーボンナノチューブ１０３の所望の領域に、容易にトンネル接合が形成できるようになり、２つのクーロン障壁（量子ドット）が形成された状態が得られる。この結果、本方法によれば、より高温で動作する単電子トランジスタを、高い歩留りで容易に製造することが容易となる。また、量子ドットの形成箇所が制御できるので、素子の設計に制約を受けることない。
【００１８】
次に、電子線照射による欠陥生成（形成）について説明する。高加速電子線を照射することで、カーボンナノチューブの構造が破壊されることがこれまでに知られている（B.W.Smith and D.E.Luzzi, "Electron irradiation effects in single wall carbon nanotubes" Journal of Applied Physics, Vol.90, No.7, pp.3509-3515, 1 October 2001.）。これは、カーボンナノチューブ内の炭素原子が高い運動エネルギーを持つ入射電子に弾き飛ばされることによるもので、ノックオン損傷といわれており、上記文献において、電子線の加速度が８６ｋＶで起こるものとされている。
【００１９】
ノックオン損傷を起こすための８６ｋＶという値は、半導体装置の製造に通常使用されている電子線描画装置で用いられる電子線の加速電圧より大きい。一般的な電子線描画装置の使用加速電圧は、１から５０ｋＶである。従って、電子線描画装置を用いてノックオン損傷を与えることはできない。これに対し、透過型電子顕微鏡では、通常の使用加速電圧が１００〜４００ｋＶと、上述したノックオン損傷を起こすために十分である。しかしながら、電子顕微鏡を用いて所定の箇所のカーボンナノチューブにノックオン損傷を与えることは、実用的ではない。また、実際に、形成したカーボンナノチューブにノックオン損傷を与えるという手法は、産業上利用されていない。
【００２０】
上述したノックオン損傷という現象に対し、発明者らは、カーボンナノチューブに８６ｋＶ以下の電子線を照射することにより、カーボンナノチューブに欠陥が生じる現象を見いだした。この現象は、最近発明者らが定量的に明らかにしたものである（福場，鈴木，神崎，本間，「低加速電子線によるカーボンナノチューブの損傷」、２００４年（平成１６年）春季  第５１回応用物理関係連合講演会講演予稿集  第３分冊、２８ａ−ＺＸ−２、１６６５頁、２００４年３月２８日発行）。
【００２１】
前述したように、ノックオン損傷は、加速電圧が８６ｋＶを超えると起こるため、８６ｋＶ以下の加速電圧の電子線照射によるカーボンナノチューブの欠陥発生は、ノックオン損傷とは本質的に異なるメカニズムによるものと考えられる。この現象は、電子線照射による電子励起によって欠陥が誘起されるものと推論される。
【００２２】
発明者らの研究によれば、電子線の加速電圧が１ｋＶから８６ｋＶの間では、加速電圧が小さいほどカーボンナノチューブに与える損傷は大きく、特に、３０ｋＶ以下の加速電圧で、効率的にカーボンナノチューブに欠陥を与えてトンネル接合を形成することができる。また、発明者らの実験によれば、照射する電子線の加速電圧が１００Ｖから２５ｋＶの範囲で、カーボンナノチューブに欠陥が生じることを確認しており、特に、５００Ｖから３ｋＶの間で、最も効率的にカーボンナノチューブに欠陥を与えることができている。また、電子線照射部に発生するに欠陥の密度は、電子線の照射量とともに増大する。
【００２３】
なお、電子照射は、電子線描画装置内で収束電子線を用いて行う必要はなく、例えば走査型電子顕微鏡内でナノチューブ全体に電子照射を行うようにしてもよい。また、電子線を照射した後、支燃性ガスあるいは可燃性ガスを含む雰囲気でカーボンナノチューブを加熱することにより、電子線照射による欠陥部分の構造を一部破壊し、より効率よくトンネル接合を形成することができる。
【００２４】
電子線照射による欠陥が形成されたカーボンナノチューブを、支燃性ガスあるいは可燃性ガスを含む雰囲気中で加熱することで、欠陥部分が速やかにガスの成分と結合しカーボンナノチューブの構造が部分的に破壊される。一方、電子線が照射されていない欠陥のないカーボンナノチューブは化学的に強靱であるため、照射部分に比べて非常に緩やかに反応が進行する。この結果、電子線を照射した後に上述したように加熱することで、電子線の照射部分に選択的に、効率的にトンネル接合が形成された状態が得られる。
【００２５】
上述した支燃性ガスとしては酸素ガスを用いればよく、従って、大気中で加熱することで、カーボンナノチューブの電子線照射の部分により効率的にトンネル接合が形成された状態が得られる。大気中で加熱する場合、加熱温度は３５０〜５００℃程度に加熱すればよい。この温度範囲とすることで、電子線が照射されていない部分と、電子線の照射による欠陥が生成した部分との燃焼速度の差を大きくでき、より効率的にトンネル接合を形成することが可能となる。
【００２６】
ところで、図１に示した素子では、シリコン基板１０１を背面ゲート電極として用いるようにしたが、これに限るものではなく、他の形態としてもよい。例えば、絶縁層１０２の上において、カーボンナノチューブ１０３に近設配置した電極をゲート電極として用いるようにしてもよい。また、図１では、シリコン基板を用いるようにしたが、これに限るものではなく、カーボンナノチューブの形成面にゲート電極を設ける素子構成の場合、他の絶縁基板を用いるようにしてもよいことは、いうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態におけるトンネル接合の形成方法例を示す工程図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１…シリコン基板、１０２…絶縁層、１０３…カーボンナノチューブ、１０４…ソース電極、１０５…ドレイン電極、１０６…欠陥部、１１０…電子線。
【図１】
2006086259.tif 000003