(57)【要約】  ソース電極（７）、ゲート電極（６）上のＴｉＯ２膜（５）及びドレイン電極（８）に跨るカーボンナノチューブを形成する。その後、カーボンナノチューブを加熱することにより、ｎ型カーボンナノチューブ（９ｎ）を形成する。続いて、ＴｉＯ２膜（５）のバンドギャップに相等する紫外線をＴｉＯ２膜（５）に照射する。この結果、光触媒作用により、気体中の酸素及び／又はＴｉＯ２膜（５）内に過剰に取り込まれていた酸素から活性酸素が生成され、ｎ型カーボンナノチューブ（９ｎ）のうちでＴｉＯ２膜（５）の直上に位置する部分のみがｐ型カーボンナノチューブ（９ｐ）に変化する。
2007108122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方の互いに同一の層に形成された第１の電極、第２の電極及び第３の電極と、
前記第３の電極の上方に形成された光触媒膜と、
前記第１の電極、光触媒膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブと、
を有し、
前記カーボンナノチューブの前記光触媒膜上の部分の導電型はｐ型であり、その他の部分の導電型はｎ型であることを特徴とするカーボンナノチューブデバイス。
【請求項２】
前記第１の電極は、ソース電極であり、
前記第２の電極は、ドレイン電極であり、
前記第３の電極は、ゲート電極であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項３】
前記光触媒膜は、ゲート絶縁膜の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項２に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項４】
前記第３の電極と前記光触媒膜との間に形成された絶縁膜を有することを特徴とする請求項２に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項５】
前記第１の電極は、エミッタ電極であり、
前記第２の電極は、コレクタ電極であり、
前記第３の電極は、ベース電極であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項６】
前記光触媒膜は、前記ベース電極の一部を構成することを特徴とする請求項５に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項７】
前記光触媒膜は、ＴｉＯ２膜であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項８】
基板上に形成された第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極に跨るカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブに接する光触媒膜と、
を有することを特徴とするカーボンナノチューブデバイス。
【請求項９】
前記第１及び第２の電極の間において、前記カーボンナノチューブを含む領域に電界を形成する第３の電極を有することを特徴とする請求項８に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項１０】
前記光触媒膜は、ＴｉＯ２膜であることを特徴とする請求項８に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項１１】
基板の上方に第１の電極、第２の電極及び第３の電極を形成する工程と、
前記第３の電極の上方に光触媒膜を形成する工程と、
前記第１の電極、光触媒膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブから酸素を離脱させることにより、前記カーボンナノチューブの導電型をｎ型にする工程と、
前記光触媒膜に光を照射することにより、前記カーボンナノチューブの前記光触媒膜上の部分の導電型をｐ型にする工程と、
を有することを特徴とするカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記第１の電極としてソース電極を形成し、
前記第２の電極としてドレイン電極を形成し、
前記第３の電極としてゲート電極を形成することを特徴とする請求項１１に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記光触媒膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部とすることを特徴とする請求項１２に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記光触媒膜を形成する工程の前に、前記第３の電極と前記光触媒膜との間に絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１２に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記第１の電極としてエミッタ電極を形成し、
前記第２の電極としてコレクタ電極を形成し、
前記第３の電極としてベース電極を形成することを特徴とする請求項１１に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記光触媒膜を前記ベース電極の一部とすることを特徴とする請求項１５に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記光触媒膜としてＴｉＯ２膜を形成することを特徴とする請求項１１に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１８】
基板の上方に第１の電極、第２の電極及び第３の電極を形成する工程と、
前記第３の電極の上方に酸素を含有する絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の電極、絶縁膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブから酸素を離脱させることにより、前記カーボンナノチューブの導電型をｎ型にする工程と、
熱処理によって前記絶縁膜から前記カーボンナノチューブの前記絶縁膜上の部分に酸素を供給し、当該部分の導電型をｐ型にする工程と、
を有することを特徴とするカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１９】
基板の上方に第１及び第２の電極を形成する工程と、
前記第１及び第２の電極の間に光触媒膜を形成する工程と、
前記第１及び第２の電極に跨り、前記光触媒膜に接するカーボンナノチューブを形成する工程と、
を有することを特徴とするカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記光触媒膜を形成する工程の前に、前記第１及び第２の電極の間に電界を形成する第３の電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項１９に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【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備えたトランジスタ及びセンサ等のカーボンナノチューブデバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、集積回路を構成するトランジスタ等の素子は、主にＳｉ等の半導体を用いて構成されている。しかしながら、徐々に、微細化に伴う性能の向上に限度が見え始めている。また、より一層の微細化及び高集積化を実現するには、製造設備費の高額化という問題もある。【０００３】
一方、近年では、カーボンナノチューブをチャネルに用いたトランジスタが試作され、その動作も確認されている。そして、その特性は、Ｓｉを用いて形成されたトランジスタのものを凌駕する可能性を示している。このため、高性能のカーボンナノチューブを用いたトランジスタ（以下、ＣＮＴトランジスタともいう。）を安定して製造することができる技術等の出現が望まれている。【０００４】
ここで、従来のＣＮＴトランジスタの一例について説明する。図１７は、従来のＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図である。このＣＮＴトランジスタでは、バッグゲート電極１０１上にゲート絶縁膜１０４が形成され、その上にソース電極１０２及びドレイン電極１０３が形成されている。また、ゲート絶縁膜１０４に接しながらソース電極１０２及びドレイン電極１０３に跨るカーボンナノチューブ１０７が形成されている。カーボンナノチューブ１０７のゲート絶縁膜１０４に接する部分がチャネル領域１０６として機能し、そのソース電極１０２側がソース領域１０４として機能し、ドレイン電極１０３側がドレイン領域１０５として機能する。【０００５】
しかしながら、上述のＣＮＴトランジスタでは、ゲート絶縁膜１０４を挟んで、バックゲート電極１０１とソース電極１０２とが重なり合い、バックゲート電極１０１とドレイン電極１０３とが重なり合っている。このため、大きな寄生容量が存在し、高速動作が困難である。【０００６】
一方、Ｓｉを用いたＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）では、図１８に示すように、ゲート絶縁膜１５４上のゲート電極１５１とソース領域１５２及びドレイン領域１５３とが重なり合っていないため、寄生容量は小さい。なお、表面にソース領域１５２及びドレイン領域１５３が形成されたウェル１５５のゲート絶縁膜１５４の直下の部分がチャネル領域１５６として機能する。【０００７】
このようにＭＯＳＦＥＴの寄生容量が小さいのは、自己整合的にソース領域１５２及びドレイン領域１５３を形成することができるからである。つまり、ゲート電極１５１をマスクとして、ウェル１５５にイオン注入を行うことにより、ゲート電極１５１とは重なり合わないソース領域１５２及びドレイン領域１５３を形成することができるのである。【０００８】
このような自己整合的なソース及びドレインの形成を行うためには、ソース及びドレインを形成する部分よりも上側にゲート電極が存在する必要がある。ところが、図１７に示すＣＮＴトランジスタでは、バックゲート電極１０１よりも上側にソース及びドレインが形成されるため、自己整合的な形成を行うことができない。【０００９】
また、ＣＮＴトランジスタに、図１８に示すＭＯＳＦＥＴのように、ゲート電極を上側に位置する構造を採用すると、カーボンナノチューブを形成した後にゲート電極の加工を行うことが必要となる。しかし、極めて細いカーボンナノチューブにダメージを与えることなくゲート電極を加工することは極めて困難である。また、ゲート電極の加工等の際にはレジストマスクが必要であり、このレジストマスクはドライ酸素を用いたアッシングにより除去されるが、このアッシングの際にカーボンナノチューブが焼失する虞もある。また、カーボンナノチューブの直上にソース電極及びドレイン電極を形成する必要もあるが、カーボンナノチューブにダメージを与えることなくソース電極及びドレイン電極を形成することも困難である。【００１０】
このような不具合が想定されることから、ＣＮＴトランジスタに図１８に示すような構造を採用することは、現状では困難である。【００１１】
また、カーボンナノチューブデバイスとして、ＣＮＴトランジスタの他に、カーボンナノチューブを用いたセンサも存在する。このセンサは、カーボンナノチューブに有機物質が付着するとカーボンナノチューブの抵抗が鋭敏に変化するという特性を用いている。【００１２】
しかしながら、この従来のセンサには、一旦付着した有機物質を取り除くことが困難であるという問題点がある。【００１３】
【特許文献１】特開平５−１９０８５６号公報
【発明の開示】
【００１４】
本発明は、カーボンナノチューブの下側にゲート電極を配置しながら、自己整合的にソース、ドレイン及びチャネルを形成することが可能なカーボンナノチューブデバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、リフレッシュが容易なセンサに好適なカーボンナノチューブデバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
本発明に係る第１のカーボンナノチューブデバイスには、基板の上方の互いに同一の層に形成された第１の電極、第２の電極及び第３の電極と、前記第３の電極の上方に形成された光触媒膜と、前記第１の電極、光触媒膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブと、が設けられている。そして、前記カーボンナノチューブの前記光触媒膜上の部分の導電型はｐ型であり、その他の部分の導電型はｎ型である。
【００１７】
本発明に係る第２のカーボンナノチューブデバイスには、基板上に形成された第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極に跨るカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブに接する光触媒膜と、が設けられている。
【００１８】
本発明に係るカーボンナノチューブの第１の製造方法では、基板の上方に第１の電極、第２の電極及び第３の電極を形成した後、前記第３の電極の上方に光触媒膜を形成する。次に、前記第１の電極、光触媒膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブを形成する。次いで、前記カーボンナノチューブから酸素を離脱させることにより、前記カーボンナノチューブの導電型をｎ型にする。そして、前記光触媒膜に光を照射することにより、前記カーボンナノチューブの前記光触媒膜上の部分の導電型をｐ型にする。
【００１９】
本発明に係るカーボンナノチューブの第２の製造方法では、基板の上方に第１の電極、第２の電極及び第３の電極を形成した後、前記第３の電極の上方に酸素を含有する絶縁膜を形成する。次に、前記第１の電極、絶縁膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブを形成する。次いで、前記カーボンナノチューブから酸素を離脱させることにより、前記カーボンナノチューブの導電型をｎ型にする。そして、熱処理によって前記絶縁膜から前記カーボンナノチューブの前記絶縁膜上の部分に酸素を供給し、当該部分の導電型をｐ型にする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ｂに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｃに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、図１Ｄに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、図１Ｅに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｇ】図１Ｇは、図１Ｆに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｈ】図１Ｈは、図１Ｇに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｉ】図１Ｉは、図１Ｈに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図１Ｊ】図１Ｊは、図１Ｉに引き続き、ＣＮＴトランジスタの製造方法を示す断面図である。
【図２】図２は、光触媒作用を示す模式図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係るＣＮＴトランジスタのレイアウトを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、ゲート電極に電圧が印加されていない状態を示す模式図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ゲート電極に電圧が印加されている状態を示す模式図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の変形例を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図である。
【図８】図８は、バイポーラトランジスタの構造を示す模式図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第４の実施形態に係るカーボンナノチューブを用いた気体センサの製造方法を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに引き続き、気体センサの製造方法を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第４の実施形態に係るＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａに引き続き、ＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図１０Ｂに引き続き、ＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第５の実施形態に係るＣＮＴセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに引き続き、ＣＮＴセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ｂに引き続き、ＣＮＴセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１１Ｃに引き続き、ＣＮＴセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第５の実施形態に係るＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａに引き続き、ＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、図１２Ｂに引き続き、ＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第６の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、第６の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す平面図である。
【図１４】図１４は、単電子トランジスタの例を示す断面図である。
【図１５】図１５は、単電子トランジスタの他の例を示す断面図である。
【図１６】図１６は、単電子トランジスタの更に他の例を示す断面図である。
【図１７】図１７は、従来のＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図である。
【図１８】図１８は、Ｓｉを用いた電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。【００２２】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１Ａ乃至図１Ｊは、本発明の第１の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。【００２３】
本実施形態では、先ず、図１Ａに示すように、基板１上に非酸化性の絶縁膜２を形成し、その上に導電膜２を形成する。絶縁膜２としては、例えば酸素を含有しないシリコン窒化膜を形成する。導電膜３としては、例えばＡｌ膜、Ｃｕ膜、多結晶シリコン膜、Ｎｉ膜、Ｔｉ膜又はＴｉＮ膜等を形成する。また、有機系導電性膜を形成してもよい。次に、導電膜３上にＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜（光触媒膜）５を形成する。【００２４】
次いで、図１Ｂに示すように、電界効果トランジスタのゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を形成する予定の領域を覆うレジストパターン２１をＴｉＯ２膜５上に形成する。【００２５】
その後、図１Ｃに示すように、レジストパターン２１をマスクとして、ＴｉＯ２膜５、ＳｉＯ２膜４及び導電膜３を加工することにより、ゲート電極６、ソース電極７及びドレイン電極８を形成する。この加工は、ドライエッチングにより行うことが好ましいが、ウェットエッチングにより行ってもよい。そして、レジストパターン２１を除去する。【００２６】
続いて、図１Ｄに示すように、ゲート電極６上のＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜５を覆い、ソース電極７及びドレイン電極８上のＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜５を露出するレジストパターン２２を形成する。【００２７】
次に、図１Ｅに示すように、レジストパターン２２をマスクとして、ソース電極７及びドレイン電極８上のＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜５を除去する。この加工は、ドライエッチングにより行うことが好ましいが、ウェットエッチングにより行ってもよい。そして、レジストパターン２２を除去する。なお、図３に示すように、レジストパターン２２は、ゲート電極６上のＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜５の全体を覆うのはなく、一部のみを覆っており、例えばソース電極７及びドレイン電極８から最も離間した領域において、ゲート電極６の一部が露出される。【００２８】
次いで、図１Ｆに示すように、ソース電極７、ゲート電極６上のＴｉＯ２膜５及びドレイン電極８に跨るカーボンナノチューブ９を形成する。カーボンナノチューブ９の形成方法は特に限定されない。例えば、ＣＶＤ法によりソース電極７等に跨るように形成してもよい（架橋法）。また、分散法とよばれる方法を採用してもよい。この方法では、予めアーク放電法等によりカーボンナノチューブを形成しておき、このカーボンナノチューブを一旦適当な溶液に分散させる。次に、この溶液をソース電極等の間に滴下させた後、溶液を蒸発させる。そして、残ったカーボンナノチューブのうちで、所望の位置に存在するものを用いる。【００２９】
その後、図１Ｇに示すように、例えば、真空中で、１００℃〜５００℃の温度にカーボンナノチューブ９を加熱することにより、カーボンナノチューブ９に含まれている酸素を離脱させる。この結果、カーボンナノチューブ９からｎ型カーボンナノチューブ９ｎが形成される。【００３０】
続いて、図１Ｈに示すように、ＴｉＯ２膜５のバンドギャップ（約３．２ｅＶ）に相等する紫外線をＴｉＯ２膜５に照射する。この結果、ＴｉＯ２膜５内に電子−ホール対が発生し、図２に示すように、光触媒作用により、気体中の酸素及び／又はＴｉＯ２膜５内に過剰に取り込まれていた酸素から活性酸素が生成され、ｎ型カーボンナノチューブ９ｎのうちでＴｉＯ２膜５の直上に位置する部分のみがｐ型カーボンナノチューブ９ｐに変化する。即ち、ゲート電極６の上方にｐ型カーボンナノチューブ９ｐが自己整合的に形成される。なお、この光触媒作用は室温以下であっても十分に生じ得る。【００３１】
次に、図１Ｉに示すように、全面に層間絶縁膜１０を形成し、ソース電極７及びドレイン電極８まで到達するコンタクトホール１１及び１２を形成する。このとき、図３に示すように、ゲート電極６のその上にＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜５が存在しない部分まで到達するコンタクトホール１３も形成する。なお、層間絶縁膜１０としては、例えば非酸化性の絶縁膜（酸素を含有しないシリコン窒化膜等）を形成する。【００３２】
次いで、図１Ｊに示すように、コンタクトホール１１及び１２内に電極１４及び１５を形成する。また、図示しないが、コンタクトホール１３内にも電極を形成する。このようにしてＣＮＴトランジスタが製造される。【００３３】
このようにして製造されたＣＮＴトランジスタ（電界効果トランジスタ）では、ゲート電極６上のＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜５がゲート絶縁膜として機能し、その上のｐ型カーボンナノチューブ９ｐがチャネル領域として機能する。また、ｐ型カーボンナノチューブ９ｐにより分離された２個のｎ型カーボンナノチューブ９ｎのうちで、ソース電極７に接しているものがソース領域として機能し、他方がドレイン領域として機能する。これを模式的に表すと図４Ａのようになる。そして、ゲート電極６に所定の電位を付与している間だけ、図４Ｂに示すように、ｐ型カーボンナノチューブ９ｐの導電型がｎ型となり、ソース電極７及びドレイン電極８との間に電流が流れることとなる。【００３４】
このようなＣＮＴトランジスタでは、ゲート電極６とソース電極７及びソース領域との重なり合いはなく、また、ゲート電極６とドレイン電極８及びドレイン領域との重なり合いもない。従って、Ｓｉを用いて構成されたＭＯＳＦＥＴと同様に、寄生容量が極めて小さい。このため、高速動作を実現することが可能である。【００３５】
なお、図１Ｉ〜図１Ｊに示す処理において、コンタクトホール１１及び１２を形成し、その内部にｎ型カーボンナノチューブ９ｎと重なるようにして電極１４及び１５を形成しているが、これらの形成を省略してもよい。この場合には、例えば、ソース電極７及びドレイン電極８に接続される配線をこれらと同層に形成するか、ｎ型カーボンナノチューブ９ｎからずれた位置で上層等に形成すればよい。【００３６】
また、結晶性が高い場合、ＴｉＯ２膜５は印加電圧が３Ｖ以下であれば絶縁膜として機能する。このため、ＳｉＯ２膜４の形成を省略してもよい。この場合、導電膜３としてＴｉ膜又はＴｉＮ膜を形成すれば、その表面を酸化することにより、ＴｉＯ２膜５を形成することができる。特に、ＴｉＮ膜を用いる場合には、ＴｉＮ中の窒素（Ｎ）の作用によりバンドギャップが若干低下するため、ＴｉＯ２膜５に紫外線ではなく波長が少し長い青色領域の光線を照射しても、光触媒作用が発現し得る。【００３７】
また、絶縁膜２及び１０としてシリコン酸化膜等の酸素を含有する膜を形成してもよいが、カーボンナノチューブ９から酸素を離脱させて形成したｎ型カーボンナノチューブ９ｎに酸素が戻ってしまう虞がある。このため、酸素を含まない窒化物等からなる絶縁膜２及び１０を用いることが好ましい。【００３８】
また、第１の実施形態では、ｐ型カーボンナノチューブ９ｐを形成した後に層間絶縁膜１０を形成しているが、紫外線がｎ型カーボンナノチューブ９ｎまで到達できるのであれば、図５に示すように、層間絶縁膜１０を形成した後に紫外線の照射を行ってｐ型カーボンナノチューブ９ｐを形成してもよい。【００３９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図である。【００４０】
第１の実施形態では、ＳｉＯ２膜４及びＴｉＯ２膜５からゲート絶縁膜が構成されているが、本実施形態では、ゲート絶縁膜がＳｉＯ２膜３１から構成されている。また、本実施形態では、絶縁膜２及び層間絶縁膜１０が、酸素を含まない非酸化性の膜（例えばシリコン窒化膜）である必要がある。【００４１】
このような第２の実施形態では、酸素の離脱によってｎ型カーボンナノチューブ９ｎを形成した後に、加熱により、ＳｉＯ２膜３１中の酸素をその直上に位置するｎ型カーボンナノチューブ９ｎに供給する。この結果、ｐ型カーボンナノチューブ９ｐが形成されるのである。但し、上記の加熱は、ｎ型カーボンナノチューブ９ｎが焼失しない程度の条件下で行う必要がある。【００４２】
なお、カーボンナノチューブが焼失しない程度の加熱により酸素を放出することができる酸素含有膜であれば、ＳｉＯ２膜３１の代わりにゲート絶縁膜として用いることができる。【００４３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態はバイポーラトランジスタに関する。図７は、本発明の第３の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図である。また、図８は、バイポーラトランジスタの構造を示す模式図である。【００４４】
本実施形態では、第１の実施形態と同様にして導電膜３（図７及び図８に図示せず）を形成した後に、その上に半導体ＴｉＯ２膜３５を形成する。ＴｉＯ２は、結晶性が低い場合及び過剰酸素の量が多い場合に半導体として機能する。また、結晶性が高い場合及び過剰酸素が少ない場合であっても、３Ｖ以上の電圧を印加すれば、半導体として機能させることが可能である。【００４５】
その後、半導体ＴｉＯ２膜３５上に、バイポーラトランジスタのベース電極、エミッタ電極及びコレクタ電極を形成する予定の領域を覆うレジストパターンを形成する。続いて、このレジストパターンをマスクとして、ＴｉＯ２膜３１及び導電膜３を加工することにより、ベース電極３２、エミッタ電極３３及びコレクタ電極３４を形成する。そして、第１の実施形態と同様に、ＴｉＯ２膜３１の光触媒作用を利用してｎ型カーボンナノチューブ９ｎ及びｐ型カーボンナノチューブ９ｐを形成する。その後、必要に応じて、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜等を形成する。【００４６】
このようにして製造されたＣＮＴトランジスタ（バイポーラトランジスタ）では、ベース電極３２上のｐ型カーボンナノチューブ９ｐがベース領域として機能する。また、ｐ型カーボンナノチューブ９ｐにより分離された２個のｎ型カーボンナノチューブ９ｎのうちで、エミッタ電極３３に接しているものがエミッタ領域として機能し、他方がコレクタ領域として機能する。これを模式的に表すと図８のようになる。【００４７】
そして、このようなＣＮＴトランジスタでは、ベース電極３２とエミッタ電極３３及びエミッタ領域との重なり合いはなく、また、ベース電極３２とコレクタ電極３４及びエミッタ領域との重なり合いもない。従って、Ｓｉを用いて構成されたバイポーラトランジスタと同様に、寄生容量が極めて小さい。このため、高速動作を実現することが可能である。【００４８】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、カーボンナノチューブを用いた気体センサ（以下、ＣＮＴセンサともいう）に関する。但し、このＣＮＴセンサが検出対象とする気体は、有機物質等の光触媒作用により分解可能なものである。図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るＣＮＴセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。【００４９】
先ず、図９Ａに示すように、第１の実施形態と同様にして、カーボンナノチューブ９の形成までの処理を行う。【００５０】
次に、図９Ｂに示すように、カーボンナノチューブ９の導電型の調整を行わずに、全体にカバー膜３６を形成する。そして、このカバー膜３６に、カーボンナノチューブ９のうちで、ゲート電極６の上方に位置する部分のみを露出する開口部３７を形成する。このようにして、ＣＮＴセンサが完成する。【００５１】
次に、ＣＮＴセンサの動作について説明する。図１０Ａ乃至図１０Ｃは、第４の実施形態に係るＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。【００５２】
先ず、検出を行う場所にＣＮＴセンサを置く。この結果、気体中に有機物質が存在すれば、開口部３７から露出しているカーボンナノチューブ９上に当該有機物質３８が付着する。この結果、カーボンナノチューブ９の両端間の抵抗が鋭敏に変化する。そして、所定時間が経過した後に、ソース電極７とドレイン電極８との間に所定の電圧を印加しながら、ゲート電極６に印加する電圧Ｖｇを変化させ、ソース電極７とドレイン電極８との間を流れる電流からソース−ドレイン間の抵抗Ｒｄｓを測定する。この結果、電圧Ｖｇと電流Ｉｄｓとの関係が得られる。【００５３】
上述の電圧Ｖｇと抵抗Ｒｄｓとの関係は、気体の種類に固有なものである。従って、予め検出すべき気体毎に電圧Ｖｇと抵抗Ｒｄｓとの関係を求めておけば、これと照合することにより、気体の種類を特定することができる。【００５４】
気体の種類の特定が済んだ後には、図１０Ｂに示すように、開口部３７から露出しているカーボンナノチューブ９に対して紫外線を照射する。この結果、ＴｉＯ２膜５の光触媒作用が発現し、カーボンナノチューブ９に付着していた有機物質３８が分解される。即ち、図１０Ｃに示すように、有機物質３８が消失する。【００５５】
従って、このままの状態で次の検出を実行することができる。【００５６】
一般に、カーボンナノチューブは１次元的な導電体であるため、カーボンナノチューブに原子や分子が吸着すると、電気的な特性が非常に敏感に変化する。ＣＮＴセンサは、この特性を利用している。【００５７】
従来、ＣＮＴセンサに関する研究が行われているが、これまで研究されてきたセンサでは、一旦カーボンナノチューブに吸着した原子及び分子を除去することが極めて困難である。つまり、従来のＣＮＴセンサは繰り返しの使用に適していないのである。【００５８】
酸素を含まない雰囲気中で高温（４００℃〜８００℃）でカーボンナノチューブを加熱することにより、表面に吸着している原子及び分子を消失させることも可能であるが、この処理には、加熱用のヒータが必要とされ、消費電力が大きくなる。また、同一基板上にＬＳＩとＣＮＴセンサとを混載させたインテリジェントセンサにこの処理を行うと、ＬＳＩの故障に繋がる。ＬＳＩを高温から保護すれば可能になる可能性はあるが、そのための構造は極めて複雑になる。【００５９】
これに対し、第４の実施形態では、高温下での加熱を行わずとも、常温下で紫外線を照射さえすれば、付着した分子が分解されて除去される。即ち、加熱処理Ｗが不要なリフレッシュが可能である。また、紫外線の発光には、例えばＬＥＤを用いればよい。ＬＥＤはヒータと比較すると、極めて小型であり、消費電力も小さい。更に、熱がほとんど発生しないため、インテリジェントセンサにこのＣＮＴセンサを用いてもＬＳＩに特別な保護は必要ない。【００６０】
なお、第４の実施形態では、気体の種類を特定するために、ゲート電極６に電圧Ｖｇを印加しているが、気体の種類の特定が不要で所定気体の有無のみが検出できればよい場合には、ゲート電極６を設けなくてもよい。【００６１】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１１Ａ乃至図１１Ｄは、本発明の第５の実施形態に係るＣＮＴセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。【００６２】
本実施形態では、先ず、図１１Ａに示すように、絶縁性基板５１上にバックゲート電極５２を形成し、その上にＳｉＯ２膜５３及びＴｉＯ２膜（光触媒膜）５４を形成する。【００６３】
次に、図１１Ｂに示すように、レジストパターン（図示せず）をマスクとして用いて、ＴｉＯ２膜５４及びＳｉＯ２膜５３を加工することにより、ソース電極５５及びドレイン電極５６を形成する。【００６４】
次いで、図１１Ｃに示すように、第１の実施形態におけるカーボンナノチューブ９と同様にして、ソース電極５５及びドレイン電極５６に跨るカーボンナノチューブ５７を形成する。【００６５】
その後、カーボンナノチューブ５７の導電型の調整を行わずに、全体にカバー膜５８を形成する。そして、このカバー膜５８に、カーボンナノチューブ５７のうちで、ソース電極５５及びドレイン電極５６の間に位置し、ＴｉＯ２膜５４と接する部分のみを露出する開口部５９を形成する。このようにして、ＣＮＴセンサが完成する。【００６６】
次に、ＣＮＴセンサの動作について説明する。図１２Ａ乃至図１２Ｃは、第５の実施形態に係るＣＮＴセンサの動作を示す断面図である。【００６７】
先ず、検出を行う場所にＣＮＴセンサを置く。この結果、気体中に有機物質が存在すれば、開口部５９から露出しているカーボンナノチューブ５７上に当該有機物質６０が付着する。この結果、カーボンナノチューブ５７の両端間の抵抗が鋭敏に変化する。そして、所定時間が経過した後に、ソース電極５５とドレイン電極５６との間に所定の電圧を印加しながら、バックゲート電極５２に印加する電圧Ｖｇを変化させ、ソース電極５５とドレイン電極５６との間を流れる電流からソース−ドレイン間の抵抗Ｒｄｓを測定する。この結果、電圧Ｖｇと電流Ｉｄｓとの関係が得られる。【００６８】
上述の電圧Ｖｇと抵抗Ｒｄｓとの関係は、気体の種類に固有なものである。従って、予め検出すべき気体毎に電圧Ｖｇと抵抗Ｒｄｓとの関係を求めておけば、これと照合することにより、気体の種類を特定することができる。【００６９】
気体の種類の特定が済んだ後には、図１２Ｂに示すように、開口部５９から露出しているカーボンナノチューブ５７に対して紫外線を照射する。この結果、ＴｉＯ２膜５４の光触媒作用が発現し、カーボンナノチューブ５７に付着していた有機物質６０が分解される。そして、図１２Ｃに示すように、有機物質６０が完全に消失する。【００７０】
従って、第４の実施形態と同様に、このままの状態で次の検出を実行することができる。【００７１】
なお、結晶性が高い場合、ＴｉＯ２膜５４は印加電圧が３Ｖ以下であれば絶縁膜として機能する。このため、ＳｉＯ２膜５３の形成を省略してもよい。【００７２】
また、第５の実施形態では、気体の種類を特定するために、バックゲート電極５２に電圧Ｖｇを印加しているが、気体の種類の特定が不要で所定気体の有無のみが検出できればよい場合には、バックゲート電極５２を設けなくてもよい。【００７３】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、量子ドットを用いた単電子トランジスタ（ＣＮＴトランジスタ）に関する。図１３Ａは、本発明の第６の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す断面図であり、図１３Ｂは、第６の実施形態に係るＣＮＴトランジスタの構造を示す平面図である。【００７４】
本実施形態では、絶縁基板７１上にソース電極７２、ドレイン電極７３及びゲート電極７６が形成されている。但し、ゲート電極７６は、ソース電極７２とドレイン電極７３とを結ぶ直線から離れた位置に形成されている。また、ソース電極７２及びドレイン電極７３の互いに向かい合う側面には、ＴｉＯ２からなるサイドウォール７４が形成されている。更に、ソース電極７２及びドレイン電極７５に跨るカーボンナノチューブ７５が形成されている。カーボンナノチューブ７５には、紫外線照射が施されており、この結果、カーボンナノチューブ７５のサイドウォール７４上の部分に量子ドットが形成されている。即ち、紫外線照射に伴うサイドウォール７４の光触媒作用により酸素がカーボンナノチューブ７５に供給され、その一部が焼失して欠陥が形成されている。そして、この欠陥が量子ドット８１として機能するのである。【００７５】
このような単電子トランジスタ（ＣＮＴトランジスタ）においても、量子ドット８１が自己整合的に形成されるため、設計通りの構造を容易に構築することができる。【００７６】
なお、図１４に示すように、ゲート電極７６がソース電極７２とドレイン電極７３との間に位置してもよい。この場合には、ゲート電極７６とカーボンナノチューブ７５との間にＳｉＯ２膜等のゲート絶縁膜７７が必要である。図１４に示す構造では、図１３Ａ及び図１３Ｂに示す構造よりも、ゲート電極７６に印加する電圧を低減することが可能である。【００７７】
また、図１５に示すように、サイドウォール７４は、ゲート電極７６の脇に形成されていてもよい。この場合、サイドウォール７４の外側にＳｉＯ２膜等のサイドウォール絶縁膜７８を形成してもよい。【００７８】
また、図１６に示すように、ソース電極７２及びドレイン電極７３の側方にＳｉＯ２膜７９が形成され、その内部にＴｉＯ２からなる光触媒膜８２が、その端部が露出するようにして埋め込まれた構造を採用してもよい。図１６に示す構造では、ゲート電極は、図１３Ｂに示す構造と同様に、ソース電極７２とドレイン電極７３とを結ぶ直線から離れた位置に形成されているが、これらの間に位置していてもよい。【００７９】
また、上述のＣＮＴセンサは、有機物質の検出だけでなく、紫外線センサ又は酸素センサとして用いることも可能である。上述のように、ＴｉＯ２膜に紫外線が照射すると、光触媒作用により活性酸素が発生するが、その量は、紫外線の波長及び光量に依存する。また、活性酸素の発生量は、ＴｉＯ２膜の周囲に存在する酸素の濃度等にも依存する。そして、活性酸素の発生量が変化すると、一次元導電体であるカーボンナノチューブの導電性が変化する。即ち、カーボンナノチューブの電気抵抗が変化する。そして、トランジスタに用いられている場合には、その特性が変化する。【００８０】
従って、カーボンナノチューブの電気抵抗を変化することにより、照射された紫外線の波長及び光量を検出したり、周囲に存在する酸素の量を検出したりすることが可能である。例えば、紫外線センサとして用いる場合には、紫外線がＴｉＯ２膜に照射するようにＣＮＴセンサの向き等を調整すればよい。また、酸素センサとして用いる場合には、大気等の測定対象の気体がカーボンナノチューブに触れるようにＣＮＴセンサの向き等を調整すればよい。【００８１】
なお、これらの説明では、光触媒膜としてＴｉＯ２膜を挙げているが、光触媒作用を発現することができる他の材料を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明によれば、カーボンナノチューブを備えたトランジスタを高い精度で形成することができる。このため、寄生容量を抑制して高速動作を可能にすることができる。また、カーボンナノチューブを備えたセンサにおいて、そのリフレッシュ動作を低温で簡易に行うことが可能となる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2007108122.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
2007108122.tif 000009
【図１Ｈ】
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【図１Ｉ】
2007108122.tif 000011
【図１Ｊ】
2007108122.tif 000012
【図２】
2007108122.tif 000013
【図３】
2007108122.tif 000014
【図４Ａ】
2007108122.tif 000015
【図４Ｂ】
2007108122.tif 000016
【図５】
2007108122.tif 000017
【図６】
2007108122.tif 000018
【図７】
2007108122.tif 000019
【図８】
2007108122.tif 000020
【図９Ａ】
2007108122.tif 000021
【図９Ｂ】
2007108122.tif 000022
【図１０Ａ】
2007108122.tif 000023
【図１０Ｂ】
2007108122.tif 000024
【図１０Ｃ】
2007108122.tif 000025
【図１１Ａ】
2007108122.tif 000026
【図１１Ｂ】
2007108122.tif 000027
【図１１Ｃ】
2007108122.tif 000028
【図１１Ｄ】
2007108122.tif 000029
【図１２Ａ】
2007108122.tif 000030
【図１２Ｂ】
2007108122.tif 000031
【図１２Ｃ】
2007108122.tif 000032
【図１３Ａ】
2007108122.tif 000033
【図１３Ｂ】
2007108122.tif 000034
【図１４】
2007108122.tif 000035
【図１５】
2007108122.tif 000036
【図１６】
2007108122.tif 000037
【図１７】
2007108122.tif 000038
【図１８】
2007108122.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月30日(2008.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方の互いに同一の層に形成された第１の電極、第２の電極及び第３の電極と、
前記第３の電極の上方に形成された光触媒膜と、
前記第１の電極、光触媒膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブと、
を有し、
前記カーボンナノチューブの前記光触媒膜上の部分の導電型はｐ型であり、その他の部分の導電型はｎ型であることを特徴とするカーボンナノチューブデバイス。
【請求項２】
前記第１の電極は、ソース電極であり、
前記第２の電極は、ドレイン電極であり、
前記第３の電極は、ゲート電極であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項３】
前記光触媒膜は、ゲート絶縁膜の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項２に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項４】
前記第３の電極と前記光触媒膜との間に形成された絶縁膜を有することを特徴とする請求項２又は３に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項５】
前記光触媒膜は、ＴｉＯ2膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブデバイス。
【請求項６】
基板の上方に第１の電極、第２の電極及び第３の電極を形成する工程と、
前記第３の電極の上方に光触媒膜を形成する工程と、
前記第１の電極、光触媒膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブから酸素を離脱させることにより、前記カーボンナノチューブの導電型をｎ型にする工程と、
前記光触媒膜に光を照射することにより、前記カーボンナノチューブの前記光触媒膜上の部分の導電型をｐ型にする工程と、
を有することを特徴とするカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項７】
前記第１の電極としてソース電極を形成し、
前記第２の電極としてドレイン電極を形成し、
前記第３の電極としてゲート電極を形成することを特徴とする請求項６に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項８】
前記光触媒膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部とすることを特徴とする請求項７に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項９】
前記光触媒膜を形成する工程の前に、前記第３の電極と前記光触媒膜との間に絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項７又は８に記載のカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【請求項１０】
基板の上方に第１の電極、第２の電極及び第３の電極を形成する工程と、
前記第３の電極の上方に酸素を含有する絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の電極、絶縁膜及び第２の電極にこの順で跨るカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブから酸素を離脱させることにより、前記カーボンナノチューブの導電型をｎ型にする工程と、
熱処理によって前記絶縁膜から前記カーボンナノチューブの前記絶縁膜上の部分に酸素を供給し、当該部分の導電型をｐ型にする工程と、
を有することを特徴とするカーボンナノチューブデバイスの製造方法。
【国際調査報告】
2007108122.tif 000040
2007108122.tif 000041
2007108122.tif 000042
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