(57)【要約】炭素ナノチューブトランジスターの製造方法及びこれに用いた炭素ナノチューブトランジスターを提供する。本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、ソース電極とドレイン電極との間に炭素ナノチューブチャンネルが形成されており、前記炭素ナノチューブチャンネルの一側にゲート電極が形成されている炭素ナノチューブトランジスターを製造する方法であって、ａ）基板の上に前記炭素ナノチューブチャンネルを形成するステップと、ｂ）前記炭素ナノチューブチャンネルの両端に前記ソース電極及びドレイン電極を電気的にそれぞれ接続するステップと、ｃ）前記ソース電極とドレイン電極との間にストレス電圧を印加して前記炭素ナノチューブチャンネル内の金属性を除去するステップと、を含む。  本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法によれば、トランジスター素子内においてチャンネルとして用いられ、金属性と半導体性とが混在している炭素ナノチューブから金属性部分を選択的に除去することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極とドレイン電極との間に炭素ナノチューブチャンネルが形成されており、前記炭素ナノチューブチャンネルの一側にゲート電極が形成されている炭素ナノチューブトランジスターを製造する方法であって、
ａ）基板の上に前記炭素ナノチューブチャンネルを形成するステップと、
ｂ）前記炭素ナノチューブチャンネルの両端に前記ソース電極及びドレイン電極を電気的にそれぞれ接続するステップと、
ｃ）前記ソース電極とドレイン電極との間にストレス電圧を印加して前記炭素ナノチューブチャンネル内の金属性を除去するステップと、を含むことを特徴とする炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項２】
前記ステップｃ）は、前記ストレス電圧の印加前にまたは前記ストレス電圧の印加と同時に前記ゲート電極にゲート電圧を印加することにより、前記炭素ナノチューブチャンネル内の半導体性部分のキャリアを枯渇させることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項３】
ｄ）前記炭素ナノチューブトランジスターに対してターンオン電流及びターンオフ電流を測定してターンオン電流とターンオフ電流との比率を計算するステップと、
ｅ）前記ターンオン電流とターンオフ電流との比率をレファレンス値と比較して前記炭素ナノチューブトランジスターに対する性能を評価するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項４】
ｆ）前記ターンオン電流とターンオフ電流との比率が前記レファレンス値未満である場合、前記ストレス電圧の印加条件を変更した後に前記ステップｃ）を再び行うステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項５】
ｇ）前記炭素ナノチューブトランジスターに対して前記ゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化量を測定して計算するステップと、
ｈ）前記ゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化量をレファレンス値と比較して前記炭素ナノチューブトランジスターに対する性能を評価するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項６】
ｉ）前記ゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化量が前記レファレンス値未満である場合、前記ストレス電圧の印加条件を変更した後に前記ステップｃ）を再び行うステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項７】
前記ストレス電圧の印加条件の変更は、前記ストレス電圧の印加時間の変更または前記ストレス電圧値の変更であることを特徴とする請求項４乃至請求項６に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項８】
前記ストレス電圧の印加時間の変更回数は所定の回数に制限し、前記所定の回数を超える場合には前記ストレス電圧値を変更することを特徴とする請求項７に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項９】
前記ゲート電極は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項１０】
前記炭素ナノチューブチャンネルを液体に露出させた後、前記液体に金属電極を接触若しくは挿入させてなる液状ゲート電極であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項１１】
前記液体は超純水などイオン濃度が低い液体であることを特徴とする請求項１０に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項１２】
前記ゲート電圧はその絶対値が１Ｖ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法。
【請求項１３】
ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極を接続する炭素ナノチューブチャンネルと、を備え、
前記炭素ナノチューブチャンネルの形成に際し、半導体性部分と混在している金属性部分の炭素ナノチューブが熱的に切断されて金属性を失うことを特徴とする炭素ナノチューブトランジスター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素ナノチューブトランジスターの製造方法及びこれを用いた炭素ナノチューブトランジスターに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素ナノチューブは、その優れた電気的、機械的及び化学的な特性から、電子情報通信、環境またはエネルギー分野などにおいてその産業的な応用性の期待が高い素材として脚光を浴びている。
【０００３】
炭素ナノチューブは、黒鉛面がナノ寸法の直径に丸く巻かれた状態のものであり、この黒鉛面が巻かれる角度及び構造に応じて伝導性が変化して金属性または半導体性の特性を有する。
【０００４】
また、この種の炭素ナノチューブは、黒鉛面の積層の度合いに応じて、単一壁炭素ナノチューブ（single-walled carbon nanotube；以下、「ＳＷＮＴ」と称する。）、二重壁炭素ナノチューブ（double-walled carbon nanotube；以下、「ＤＷＮＴ」と称する。）、多重壁炭素ナノチューブ（multi-walled carbon nanotube；以下、「ＭＷＮＴ」と称する。）及び束状炭素ナノチューブに大別される。
【０００５】
炭素ナノチューブを形成する炭素原子は、それぞれ３つの周辺炭素原子とｓｐ２結合方式により結合されて六角形のハチの巣状の構造を形成する。かような炭素ナノチューブの電気的な性質はその直径とキラリティー(chirality)の関数により金属あるいは半導体的性質を有する。一般に、ＳＷＮＴの場合には、１／３が金属性、残りの２／３はバンドギャップが炭素ナノチューブの直径に反比例する半導体性を示すと知られている。
【０００６】
このように半導体性を有する炭素ナノチューブは、主として、トランジスター、メモリ素子またはガスセンサーなどに応用可能であり、電極材料として用いられるためには炭素ナノチューブの金属性が必要となる。
【０００７】
半導体性を有する炭素ナノチューブは既に不純物によりドープされているため別途にドープを行う必要がなく、線幅が極めて狭いため集積度に優れた半導体チップの製作に使用可能であるというメリットがある。
【０００８】
ところが、このような炭素ナノチューブを半導体材料として用いるためには、炭素ナノチューブに半導体性と混在している金属性を除去しなければならない。
【０００９】
このために、製造された炭素ナノチューブにおいて、半導体性を有する炭素ナノチューブを溶液中において金属性炭素ナノチューブから選択的に分離する技術が提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。しかしながら、当該技術は大量の炭素ナノチューブ粉末試料には適しているが、今後、分離された炭素ナノチューブを基板に拡散させ、且つ、これを素子化させる必要があるという面倒さがある。
【００１０】
上記の理由から、既にトランジスターなどの半導体素子の構造において炭素ナノチューブの特性を制御してその金属性のみを除去するような方法が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】アメリカ公開特許ＵＳ２００６−２２３０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の如き従来の技術の問題点を解消するために、本発明の目的は、素子内チャンネルに適用された炭素ナノチューブから金属性を除去してチャンネルに半導体性を持たせる炭素ナノチューブトランジスターの製造方法を提供するところにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、素子内チャンネルの炭素ナノチューブの金属性を除去して製造される炭素ナノチューブトランジスターを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の如き目的を達成するために、本発明の一特徴による炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、ソース電極とドレイン電極との間に炭素ナノチューブチャンネルが形成されており、前記炭素ナノチューブチャンネルの一側にゲート電極が形成されている炭素ナノチューブトランジスターを製造する方法であって、ａ）基板の上に前記炭素ナノチューブチャンネルを形成するステップと、ｂ）前記炭素ナノチューブチャンネルの両端に前記ソース電極及びドレイン電極を電気的にそれぞれ接続するステップと、ｃ）前記ソース電極とドレイン電極との間にストレス電圧を印加して前記炭素ナノチューブチャンネル内の金属性を除去するステップと、を含む。
【００１５】
前記ステップｃ）は、前記ストレス電圧の印加前にまたは前記ストレス電圧の印加と同時に前記ゲート電極にゲート電圧を印加することにより、前記炭素ナノチューブチャンネル内の半導体性部分のキャリアを枯渇させる過程を含む。
【００１６】
前記炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、ｄ）前記炭素ナノチューブトランジスターに対してターンオン電流及びターンオフ電流を測定してターンオン電流とターンオフ電流との比率を計算するステップと、ｅ）前記ターンオン電流とターンオフ電流との比率をレファレンス値と比較して前記炭素ナノチューブトランジスターに対する性能を評価するステップと、をさらに含んでいてもよい。
【００１７】
前記炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、ｆ）前記ターンオン電流とターンオフ電流との比率が前記レファレンス値未満である場合、前記ストレス電圧の印加条件を変更した後に前記ステップｃ）を再び行うステップをさらに含んでいてもよい。
【００１８】
前記炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、ｇ）前記炭素ナノチューブトランジスターに対して前記ゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化量を測定して計算するステップと、ｈ）前記ゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化量をレファレンス値と比較して前記炭素ナノチューブトランジスターに対する性能を評価するステップと、をさらに含んでいてもよい。
【００１９】
前記炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、ｉ）前記ゲート電圧の変化によるドレイン電流の変化量が前記レファレンス値未満である場合、前記ストレス電圧の印加条件を変更した後に前記ステップｃ）を再び行うステップをさらに含んでいてもよい。
【００２０】
前記ストレス電圧の印加条件の変更は、前記ストレス電圧の印加時間の変更または前記ストレス電圧値の変更であってもよい。前記ストレス電圧の印加時間の変更回数は所定の回数に制限し、前記所定の回数を超える場合には前記ストレス電圧値を変更するようにしてもよい。
【００２１】
前記ゲート電極は、シリコン基板であるか、あるいは、前記炭素ナノチューブチャンネルを液体に露出させた後、前記液体に金属電極を接触若しくは挿入させてなる液状ゲート電極である可能性がある。前記液体は超純水などイオン濃度が低い液体であり、前記ゲート電圧はその絶対値が１Ｖ以下である。
【００２２】
上記の如き目的を達成するために、本発明の他の特徴による炭素ナノチューブトランジスターは、ソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極を接続する炭素ナノチューブチャンネルと、を備えており、前記炭素ナノチューブチャンネルの形成に際し、半導体性部分と混在している金属性部分の炭素ナノチューブは熱的に切断されて金属性を失うものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法によれば、トランジスター素子内においてチャンネルとして用いられ、金属性と半導体性とが混在している炭素ナノチューブから金属性部分を選択的に除去することができる。これにより、炭素ナノチューブチャンネルは半導体性炭素ナノチューブのみよりなるチャンネルと同様に動作可能になる。
【００２４】
したがって、本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法によれば、炭素ナノチューブトランジスター内の炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去することにより半導体性を強化させて、炭素ナノチューブトランジスターの性能を大幅に高めることができる。
【００２５】
これにより、炭素ナノチューブトランジスターが適用される関連センサーなどの応用分野においてもトランジスターの特性が改善され、その結果、センサーの感度向上などの性能向上を期待することができる。
また、本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、半導体性炭素ナノチューブを選別した後に用いるのではなく、選別過程なしに炭素ナノチューブを用いてトランジスター素子を製作した後、炭素ナノチューブから金属性のみを除去することから、その製造工程が簡単であり、短い製造時間中に高い歩留まりにて高性能の炭素ナノチューブトランジスターを大量に製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は炭素ナノチューブ半導体素子の概念図である。
【図２】図２は本発明の炭素ナノチューブ半導体素子の製造方法のうち、炭素ナノチューブトランジスターの炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去する方法を概略的に示す手順図である。
【図３】図３は図２の炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去する方法を行う様子を概略的に示す図である。
【図４】図４はストレス条件の印加による炭素ナノチューブトランジスターのターンオン電流、ターンオフ電流及びターンオン電流とターンオフ電流との比率を示すグラフである。
【図５】図５はストレス条件の印加後における炭素ナノチューブトランジスターのゲート電圧に対するドレイン電流の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法は、炭素ナノチューブを半導体材料として用いてトランジスター素子を製造するとき、トランジスターのソース電極とドレイン電極との間にチャンネルとして炭素ナノチューブを成長させるステップと、このように成長されて金属性部分と半導体性部分とが混在している炭素ナノチューブチャンネル内の金属性部分に過電流を印加して炭素ナノチューブチャンネルの金属性部分から金属性を除去して炭素ナノチューブチャンネルに半導体性を帯びさせる金属性除去ステップと、を含む。
【００２８】
このとき、炭素ナノチューブチャンネル内の金属性部分に印加される過電流は、金属性を帯びる炭素ナノチューブの構造を変更または破壊させて炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去する。
【００２９】
このような炭素ナノチューブチャンネルの金属性の除去過程において、トランジスターのゲート電極に所定の電圧を印加することが好ましいが、このようにゲート電極に電圧を印加すると、このゲート電圧により炭素ナノチューブチャンネルの半導体性部分におけるキャリアが枯渇するため、炭素ナノチューブチャンネルに印加される過電流は半導体性部分ではなく金属性部分に流れて、炭素ナノチューブチャンネルの金属性部分から金属性を除去する。
【００３０】
すなわち、トランジスターにゲート電圧を加えることにより、炭素ナノチューブチャンネル内の半導体性部分におけるキャリアを枯渇させて空乏層に切り換え、これにより半導体性部分における電気抵抗が高くなると、ソース電極とドレイン電極との間に高電圧を印加して炭素ナノチューブチャンネルの金属性部分に過電流を流すことにより、金属性部分から金属性を効率よく破壊・除去する。具体的に、金属性部分の炭素ナノチューブに加えられる過電流は炭素ナノチューブの構造を熱的に切断させ、結果的に炭素ナノチューブの電気伝達特性、すなわち、金属性を破壊・除去する。
【００３１】
以下、図１及び図２に基づき、本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法を詳述する。
【００３２】
先ず、図１は、本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法により製作された炭素ナノチューブトランジスターの実現例の１つを示すものである。
【００３３】
図１に示すように、本発明の炭素ナノチューブトランジスターは、シリコン（Ｓｉ／ＳｉＯ２）基板１０と、電極２０と、炭素ナノチューブチャンネル３０と、を備える。図１中、電極２０はソース電極やドレイン電極であり、炭素ナノチューブチャンネル３０はソース電極とドレイン電極２０を電気的に接続する。
【００３４】
図１に示す炭素ナノチューブトランジスターの製作方法は、下記の通りである。
【００３５】
先ず、シリコンを酸化させてなるＳｉＯ２層により絶縁されたシリコン基板１０に、半導体工程のフォトリソグラフィ方法によりチャンネルに対応するパターンを形成する。このパターンの形成方法としては、フォトリソグラフィ工程において汎用される方法が採用され、この実現例においては、感光物質をシリコン基板１０に積層し、前記チャンネルに対応するマスクを前記感光物質層の上部に位置付けて光を照射した後、光への露出により変性された感光物質をエッチング液により除去することにより前記チャンネルに対応するパターンを形成する。このとき、感光物質としては、特に制限はないが、好ましくは、ポリメチルメタクリレート（以下、「ＰＭＭＡ」と称する。）を使用する。
【００３６】
次いで、このようにして生成されたパターン内に炭素ナノチューブを形成するための液状の触媒を導入する。この実現例においては、液状の触媒としてＦｅ／Ｍｏ触媒溶液を用いているが、炭素ナノチューブの成長を促進可能なものであれば、特に制限はない。好ましくは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＭｏまたはＣｕなどの遷移金属、フェリチンなどの遷移金属を含んでいるタンパク質、鉄イオンを含んでいる試薬（ＦｅＣｌ３、ＦｅＳＯ４）、鉄イオン入りのデンドリマーまたは金ナノ粒子が炭素ナノチューブの成長のための触媒として使用可能である。
【００３７】
次いで、液状の触媒と反応して成長された炭素ナノチューブが形成されたシリコン基板１０をアセトン溶液に浸漬してＰＭＭＡよりなる感光物質層を完全に除去した後、触媒処理の施されたシリコン基板１０をＣＨ４、Ｈ２雰囲気の９００℃の炉に入れて１０分間成長させることにより前記チャンネルに単一壁炭素ナノチューブを形成する。
【００３８】
次いで、このようにして形成された炭素ナノチューブチャンネルの両端に電極２０を形成することにより、図１に示すトランジスターを製作する。この電極２０の形成は通常の半導体製造フォトリソグラフィと熱蒸着を用いて行われるが、ここではこれについての詳細な説明は省略する。
【００３９】
本発明によるトランジスターとしてはＭＯＳＦＥＴが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００４０】
このようにして製作されたトランジスターの炭素ナノチューブチャンネル領域は炭素ナノチューブよりなるが、炭素ナノチューブの特性から、やむを得ず金属性部分を一部含んでいる。
【００４１】
このため、炭素ナノチューブチャンネルの金属性部分から金属性を除去しなければならない。
【００４２】
以下、図２に基づき、本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法において、炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去する方法を詳述する。
【００４３】
本発明において、トランジスター素子内の炭素ナノチューブチャンネルから金属性部分を除去することは、プローブステーション(probe station)を介してウェーハ上に形成されたトランジスター素子の良否をテストするウェーハプロービング検査工程と同時に行うことができる。
【００４４】
図２に示すように、本発明の炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去する方法は、対象となるトランジスター素子内の炭素ナノチューブチャンネルが金属性を含んでいるかどうかを測定して確認することから始まる（Ｓ１００）。
【００４５】
このとき、炭素ナノチューブチャンネルが金属性を含んでいるかどうかの確認は、当該トランジスターのターンオン電流、ターンオフ電流及びしきい値電圧などのパラメータ値を測定した後、測定システムにより測定されたパラメータ値から当該トランジスターが満足のいく性能を示すかどうかを所定のレファレンス値により確認することにより行われる（Ｓ２００）。
【００４６】
具体的に、トランジスターの炭素ナノチューブチャンネル内に金属性が所望のレベル以上に存在している場合、当該素子はトランジスターとして目的とする性能を達成できなくなる。このため、当該トランジスターにおける炭素ナノチューブチャンネルの金属性残否の確認は、ターンオン電流とターンオフ電流との比率、しきい値電圧またはトランジスタートランスコンダクタンスなどの測定により行われる。
【００４７】
ここで、レファレンス値としてはユーザーにより予め入力されて記憶された値が利用可能であり、目的とするトランジスター素子の要求性能に応じて種々の値に調節可能である。
【００４８】
一方、前記基準に対して測定されたパラメータ値とレファレンス値との比較結果、当該トランジスターの性能が満足のいくレベルである場合、金属性の除去工程を行わない（Ｓ６００）。
【００４９】
しかしながら、当該トランジスターの性能が満足のいくレベルではない場合、すなわち、トランジスターの炭素ナノチューブチャンネル内に金属性部分が所定値以上に残存している場合、トランジスターのソース電極２０とドレイン電極２０との間に所定のストレス電圧を印加して、ソース電極とドレイン電極との間の炭素ナノチューブチャンネル３０を所定のストレス条件下に存在させる（Ｓ３００）。このようなストレス条件は、所定のストレス電圧を所定の期間中に印加することである。ストレス条件が既に設定された範囲を超える場合には金属性の除去過程を中止するのに対し、ストレス条件が既に設定された範囲内にある場合にはこのストレス条件を適用する。
【００５０】
このようにソース電極とドレイン電極との間の炭素ナノチューブチャンネルにストレス電圧が印加されると、印加されたストレス電圧に応じて炭素ナノチューブチャンネルに過電流が流れるが、この過電流は炭素ナノチューブチャンネルの金属性部分の炭素ナノチューブ構造にストレスを加える。このストレスにより炭素ナノチューブ構造に切断などの変形が起こり、当該炭素ナノチューブは金属性を失う。そして、このように炭素ナノチューブチャンネル内の所定量以上の炭素ナノチューブが金属性を失うと、炭素ナノチューブチャンネルの抵抗値が高くなり、その結果、炭素ナノチューブチャンネルそのものが金属性を失う結果となる。
【００５１】
一方、炭素ナノチューブチャンネル内に存在する半導体性部分は、このストレス条件が印加されていない状態にすることが好ましい。このために、このようなストレス条件を印加するとき、炭素ナノチューブチャンネルの一側、すなわち、電場を印加可能な個所に形成されたトランジスターのゲート電極に電圧を加えて炭素ナノチューブチャンネル内の半導体性部分を空乏層に切り換えること、すなわち、半導体性部分内におけるキャリアを枯渇させることが好ましい。
【００５２】
上記の如きストレス条件を印加して、炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去した後、トランジスターの性能を再測定して目的とする性能が達成できたかどうかをさらに確認する（Ｓ４００）。
【００５３】
このとき、目的とする性能が達成できなかった場合には、ストレス条件を変更してストレス条件を再印加することにより金属性の除去過程を繰り返し行う（Ｓ５００）。
【００５４】
このようなストレス印加の繰り返しは下記の方法により行うことが好ましい。
【００５５】
同じストレス電圧が印加される度に、ストレス印加時間を増大させる。例えば、ストレス印加時間を０．０１秒、０．０５秒、０．２５秒のように増大させる。所定の時間以上のストレス印加後にも性能が満足できなかった場合、ストレス印加時間の変更回数に制限をおいて工程時間が長引くことを防ぐことが好ましい。
【００５６】
すなわち、この場合、指定された時間の最大許容ストレス印加時間（例えば、０．２５秒）のストレス条件後にもトランジスターの性能が満足できなかった場合、ストレス電圧値を高める方法を利用する。例えば、ストレス電圧値は５Ｖ単位に高める。
【００５７】
このようなステップ別のストレス条件の印加後にトランジスター性能を測定して当該トランジスターが目的とする性能を達成した場合、当該トランジスターの炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去する過程を終了する。
【００５８】
以下、図３に基づき、基板に形成されたトランジスター素子に対して半導体素子測定システムを用いて当該トランジスターの炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去する方法を説明する。
【００５９】
図３中、検査の対象となるトランジスター素子は基板１０に多数存在し、それぞれのトランジスター素子はソース電極２０及びドレイン電極２０を炭素ナノチューブチャンネル３０により接続してなる。
【００６０】
このトランジスター素子に対し、その電極２０に接触して信号を印加するプローブカード５０を用いてトランジスター性能測定と金属性除去の工程を行う。ここで、プローブカード５０は、トランジスター素子の電極２０に接触して信号を印加する多数のプローブ４０を有する。
【００６１】
このプローブカード５０は、マトリックススイッチングシステム７０を介して測定システム９０に接続される。そして、プローブカード５０は信号配線６０を介してマトリックススイッチングシステム７０に接続される。
【００６２】
ここで、マトリックススイッチングシステム７０は、検査しようとするトランジスター素子に対応する内部の複数のスイッチ８０を調節して、検査しようとするトランジスター素子に適切なストレス条件を印加する。
【００６３】
一方、検査しようとするトランジスター素子に対するトランジスター性能測定及び金属性除去の工程が終了すると、測定システム９０はマトリックススイッチングシステム７０のスイッチ８０を調節して次の検査対象となるトランジスターに対して検査を順次に行っていく。
【００６４】
このとき、１つのダイに含まれている全てのトランジスター素子に対して順次にトランジスター性能測定及び金属性除去を行っていく工程が終了すると、測定システム９０は基板上の他のダイに移動して再びトランジスター性能測定及び金属性除去の工程を行う。
【００６５】
一方、この金属性除去工程の結果、例えば、基準を通過したダイ、あるいは、各ダイ内の各トランジスターのデータは保存される。この後、ダイ別に切断した後、ワイヤボンディング及びパッケージングなどの処理が施された後にも、トランジスター素子の製品性能の資料として利用可能である。
【００６６】
上述したように、ソース電極とドレイン電極との間にストレス電圧を印加するとき、炭素ナノチューブチャンネル内の半導体性部分に対する抵抗値を高めるために、ゲート電極に所定の電圧を加えて炭素ナノチューブチャンネル内の半導体性部分のキャリアを枯渇させることが好ましいが、このとき、ゲート電極としてはシリコン基板が使用可能である。
【００６７】
他の好適な実施形態においては、ゲート電極を別々に形成することなく、炭素ナノチューブチャンネル３０を液体に露出させ、この液体に金属電極を接触または挿入させてなる液状ゲートが利用可能である。このとき、液体内にイオン電流が流れたり液体が電気分解されることを防ぐために、液体としては超純水などイオン濃度が低い液体を使用することが好ましい。
【００６８】
このような液状ゲートを使用する場合、ソース及びドレインの金属導電体パターンと電極２０を保護するために、感光膜を用いて炭素ナノチューブチャンネル領域のみが露出されるように保護膜を形成することが好ましい。
【００６９】
液状ゲートを使用する場合、ゲート電圧は炭素ナノチューブ内の半導体性部分のキャリアを十分に枯渇可能な絶対値１Ｖ以下であることが好ましい。このとき、ゲート電圧が高すぎると、液状ゲートに用いられる液体が電気分解されることがあるため、好ましくない。
【００７０】
本発明によれば、プローブカード５０を用いてウェーハなどの基板上に形成されたトランジスターの素子の良否を判断することが可能になると共に、トランジスター素子の炭素ナノチューブチャンネルから金属性を除去することが可能になる。
【実施例】
【００７１】
以下、本発明を実施例を挙げて詳述するが、本発明の保護範囲がこれらの実施例により限定されることはない。
【００７２】
ＳｉＯ２／Ｓｉ基板を用意し、ＰＭＭＡを積層した後、トランジスターのチャンネルに相当する個所をパターン化させて除去した。このようにしてパターン化されたチャンネルの当該個所にＦｅ／Ｍｏ触媒溶液を塗布した後、ＰＭＭＡ層をリフトオフして除去した。
【００７３】
このチャンネルの当該個所にＦｅ／Ｍｏ触媒溶液が塗布されたＳｉＯ２／Ｓｉ基板をＣＨ４、Ｈ２の雰囲気の炉に導入した後、１０分間９００℃に加熱してチャンネルの当該個所に炭素を成長させて、単一壁炭素ナノチューブチャンネルを形成した。
【００７４】
このようにして形成された炭素ナノチューブチャンネルの両側の基板上にフォトリソグラフィ工程を用いて電極パターンを形成した後、熱蒸着を用いて真空を破ることなく、５ｎｍのＴｉと３０ｎｍのＡｕを連続的に蒸着させて電極を形成した。その後、アセトン溶液に浸漬して不要個所に蒸着されたＴｉ及びＡｕなどの金属を除去することにより炭素ナノチューブ素子を形成した。
【００７５】
次いで、形成された炭素ナノチューブトランジスターに対してトランジスター性能測定を行った。
【００７６】
このようなトランジスターの性能測定によりドレイン電流、ターンオン電流Ｉｏｎ及びターンオフ電流Ｉｏｆｆを測定し、ターンオフ電流Ｉｏｆｆに対するターンオン電流Ｉｏｎの比、すなわち、Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆを計算した。この実施例においては、Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆの値を２０に設定してレファレンス値として用いた。
【００７７】
このようなトランジスターの性能測定は、測定されたＩｏｎ／Ｉｏｆｆ値がレファレンス値を超えるまで、ステップ別にストレス条件を変更しながら繰り返し行った。
【００７８】
このようなステップ別のストレス条件印加は、ソース電極とドレイン電極との間に印加される１０Ｖの電圧を０．０１秒、０．０５秒及び０．２５秒のように印加時間を増加させながら行った。０．２５秒の印加時間後には電圧条件を５Ｖずつ上昇した後、印加時間を０．０１秒、０．０５秒、及び０．２５秒のように増加させながらストレス条件の印加を繰り返し行った。
【００７９】
このようなストレス条件による測定値は図４及び図５に示す。
【００８０】
図４から明らかなように、ストレス電圧１０Ｖの０．０１秒印加時、ストレス電圧２０Ｖの０．２５秒印加時、ストレス電圧２５Ｖの０．２５秒印加時にドレイン電流値が減少する。これより、炭素ナノチューブチャンネル内の金属性が減少していることが分かるが、トランジスターとしての性能が満足のいくほど十分に減少されてはいなかった。
【００８１】
しかしながら、ストレス条件がストレス電圧４０Ｖの０．０５秒印加である場合には、ターンオン電流Ｉｏｎ値に比べてターンオフ電流Ｉｏｆｆ値が急激に下がり、その結果、Ｉｏｎ／Ｉｏｆｆ値が急激に上昇してレファレンス値２０を超え、炭素ナノチューブ素子が満足のいくトランジスター性能を示すことを確認することができた。
【００８２】
図４から、本発明の方法により炭素ナノチューブ素子内の炭素ナノチューブチャンネルに適したストレス条件を印加した場合、炭素ナノチューブチャンネル内の金属性部分が除去されて炭素ナノチューブチャンネルが半導体性を示すことを確認することができた。
【００８３】
一方、図５は、ストレス条件の印加後、炭素ナノチューブチャンネルから金属性部分が除去される度にドレイン電流ＩＤをゲート電圧ＶＧの関数として測定した結果を示すものである。図５から、ストレス条件の未印加時、または、適切なストレス条件が印加されていないとき、ゲート電圧の変化にも関わらずドレイン電流が変化されず、トランジスターとしての性能を示せなかった素子が、ストレス条件がストレス電圧４０Ｖの０．０５秒印加である場合には、ゲート電圧の変化に伴いドレイン電流ＩＤが変わる優れたトランジスター性能を示すことを確認することができた。
【００８４】
前記図５から明らかなように、本願発明におけるトランジスター性能の確認は、ゲート電圧ＶＧの変化によるドレイン電流ＩＤの変化量の測定によっても行われる。
【００８５】
このような本願発明の方法をそれぞれ１２個のトランジスター素子を含むダイに対して行った結果を下記表１にまとめて示す。
【００８６】
【表１】
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【００８７】
上記表１から明らかなように、トランジスターとしての性能が満足のいくレベルではなかった多数のトランジスター素子が、本発明の炭素ナノチューブトランジスターの製造方法のうち金属性除去過程を行った後にはＩｏｎ／Ｉｏｆｆ値が格段に上昇して目的とするトランジスター性能を達成している。特に、１ダイ当たりに高性能炭素ナノチューブトランジスターとしてのＣＮＴＦＥＴ（Carbon Nanotube Field Effect Transistor）が３以上集積されている場合を最終的な歩留まりとした場合、１００％の歩留まりを示すことが分かる。
【００８８】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の技術的な思想の範囲内において種々に変形して実施することが可能であり、これもまた特許請求の範囲に属することは言うまでもない。
【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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【国際調査報告】
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