(57)【要約】電界効果トランジスタにおいて、ソースコンタクトとドレインコンタクトとの間に垂直方向に配向されナノメータ領域の直径を有する少なくとも１つの半導体支柱が設けられており、この半導体支柱が絶縁間隔を残してゲートコンタクトによってリング状に取り囲まれていることは、すでに知られている。本発明によれば、簡単にされた製造方法が提供される。本発明に従い製造されたトランジスタは、半導体支柱（２）が第１および第２の絶縁層（３，５）に組み込まれており、これらの絶縁層の間にゲートコンタクトとして外側に向かって案内された金属層（４）が設けられている。上方に向かって第２の絶縁層（５）を貫通するこの金属層の端部は、部分的に絶縁体（６）に変換されるかまたは、部分的に除去されて絶縁材料によって充填される。
2006505119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソースコンタクトとドレインコンタクト（１，７）の間に、垂直方向に配向されナノメータ領域の直径をもつ少なくとも１つの半導体支柱（２）が設けられており、該半導体支柱（２）は絶縁間隔を残しながらゲートコンタクトによりリング状に取り囲まれている電界効果トランジスタにおいて、
前記半導体支柱（２）は第１および第２の絶縁層（３，５）の中に埋め込まれており、
該第１および第２の絶縁層（３，５）の間に、ゲート電極として外側に案内されている金属層（４）が設けられており、
上方へ向かって前記第２の絶縁層（５）を貫通している該金属層（４）の端部が部分的に絶縁体（６）に変換され、または該端部が部分的に除去されて絶縁材料によって充填されていることを特徴とする、
電界効果トランジスタ。
【請求項２】
ソースコンタクトとドレインコンタクトの間に、垂直方向に配向されナノメータ領域の直径をもつ少なくとも１つの半導体支柱が設けられ、該半導体支柱は絶縁間隔を残しながらゲートコンタクトによりリング状に取り囲まれる電界効果トランジスタの製造方法において、
導電性の基板上に自立する半導体支柱を垂直方向に成長させ、
該半導体支柱の上に第１の絶縁層を被着し、
次に該第１の絶縁層の上に第１の導電性の金属層と第２の絶縁層を被着し、
形成された層ボディをエッチングにより平坦化して、前記第１の金属層のうち前記半導体支柱を覆う部分を再び除去し、
前記層ボディの表面に向かって貫通している前記金属層の端部を金属固有にエッチングして、前記層ボディの上に第３の絶縁層を被着し、ついで前記層ボディを再びエッチングにより平坦化し、または、
前記層ボディの表面に向かって貫通している前記金属層の端部を、酸化または窒化により絶縁体に変換し、
次に前記層ボディの上に第２の金属層を被着することを特徴とする、
電界効果トランジスタを製造する方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、
前記の層ボディまたは個々の層をリソグラフィ法により個々のアレイに分割することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２または３記載の方法において、
前記半導体支柱の成長を電気化学的に行うことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項２または３記載の方法において、
前記半導体支柱の成長をスパッタリングにより行うことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項２または３記載の方法において、
前記半導体支柱の成長をＣＶＤ法により行うことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項２または３記載の方法において、
前記半導体支柱の成長を蒸着により行うことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項２または３記載の方法において、
前記半導体支柱の成長を核種に基づき行うことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項２または３記載の方法において、
前記半導体支柱の成長をポリマシートのイオントラックチャネルにおいて行い、ついで該ポリマシートを除去することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界効果トランジスタおよびその製造方法に関する。この場合、ソースコンタクトとドレインコンタクトの間に、ナノメータ領域の直径をもち垂直方向に配向された少なくとも１つの半導体支柱（Nano-wire）が設けられており、この半導体支柱はアイソレーションスペースを残しながらゲートコンタクトによってリング状に囲まれている。
【０００２】
半導体材料がプレーナ型配置でフレキシブルな基板の上に設けられた薄膜トランジスタが知られている。ただし基板の機械的応力によって半導体が基板から簡単に剥がれたり、あるいはその他の損傷つまりは機能障害が発生してしまう。
【０００３】
すでに提案されているのは、ナノメータスケールのトランジスタの製造にあたり、２つのプラスチックシートとそれらの間に位置する金属層から成るシート結合体に対しイオン照射によりイオントラックチャネルを形成し、そのようにして後続のエッチングのためにこれが感応性にされる。エッチングにより形成された微小孔に、電着または化学浴析出を用いて半導体材料が取り込まれる。ついでシート結合体の上面と下面を金属化することにより、ソースコンタクトとドレインコンタクトが形成される。中央の金属層はゲートコンタクトとして用いられる。
【０００４】
このようなトランジスタをシリンダ状に垂直方向に配置することにより得られる利点とは、シートを曲げたり伸長させたりすることができることから機械的に著しく堅牢なことである。しかも有機シート材料は、無機半導体材料よりも著しく柔らかい。このことで、発生するたわみ力、剪断応力および押圧力がほぼ完全にシート材料によって受容され、その結果、トランジスタ特性曲線および他の電気的パラメータがたわみ力、屈曲力、引っ張り力を受けても十分に安定したものとなる。
【０００５】
３０ｎｍに至るまでの微小孔を製造してそれらを半導体材料によって充填することができるので、リソグラフィやマスク技術を用いることなくトランジスタをナノメータスケールで製造することができる。
【０００６】
この方法によれば、半導体材料のデポジットのやり方に起因して多結晶の半導体支柱が形成される。さらに半導体支柱の長さと直径の比も、微小孔内で必要とされる結晶成長ゆえに制約される。以上のことから明らかなように、このようなトランジスタの製造方法は依然としてコストがかかりすぎる。なぜならば、イオン照射はこれまでは選び抜かれた学術的な装置においてしか行うことができなかったからである。
【０００７】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の電界効果トランジスタにおいて、単結晶の半導体支柱によっても製造可能であり、イオン照射を用いなくても実現できるようにすることである。さらに本発明の課題は、上述の電界効果トランジスタのために適切で簡単かつ工業分野で利用可能なその製造方法を提供することにある。
【０００８】
本発明によればこの課題は、請求項１および２の特徴部分に記載の特徴によって解決される。従属請求項には好適な実施形態が示されている。
【０００９】
これによれば半導体支柱は第１および第２の絶縁層に埋め込まれ、これらの絶縁層の間にゲートコンタクトとして外部へ案内される金属層が設けられる。上方に向かって第２の絶縁層を貫通するこの金属層の端部は、部分的に絶縁体に変換されるかまたは、部分的に除去されて絶縁材料によって充填される。
【００１０】
上述のようなトランジスタを以下のステップで製造することができる。
【００１１】
導電性基板上に自立する半導体支柱を垂直方向に成長させ、この半導体支柱に第１の絶縁層を被着させ、ついで第１の導電性の金属層と第２の絶縁層を被着させ、形成された層ボディを、第１の金属層のうち半導体支柱を覆う部分が再び除去されるようエッチングにより平坦化し、層ボディ表面に向かって貫通する金属層の端部を金属固有にエッチングし、層ボディに第３の絶縁層を被着し、ついで層ボディを新たにエッチングにより平坦化するかまたは、層ボディ表面に向かって貫通する金属層の端部を酸化または窒化により絶縁体に変換し、ついで層ボディ上に第２の金属層を被着する。
【００１２】
本発明によるトランジスタは従来の縦型ナノトランジスタに対して以下の利点を有する：
−電界効果トランジスタの上述の構造によって、リソグラフィ法を適用する必要なくきわめて高い実装密度と著しく小さい寸法が得られる。
−使用される基板は硬くてもよいしフレキシブルであってもよい。
−製造のために必ずしもイオン照射は必要とされない。
−さらに本発明による方法によって、半導体支柱を単結晶で成長させることができる。単結晶半導体をベースとするトランジスタは、多結晶半導体によるトランジスタよりも高速なスイッチング速度を有する。
【００１３】
次に、実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【００１４】
図１は本発明による電界効果トランジスタを製造するための第１のステップを示す図であり、ここでは金属の導電性基板上に単独で立つ半導体支柱を成長させる。図２は第２のステップを示す図であり、ここでは第１の絶縁層を被着する。図３は第３および第４のステップを示す図であり、ここでは第１の金属層と第２の絶縁層を設ける。図４は第５のステップを示す図であり、ここではエッチングにより平坦化が行われる。図５は第６のステップを示す図であり、ここでは金属層において上に向かって突出する端部を絶縁する。図６は第７のステップを示す図であり、ここでは第２の金属層を設けて完成したトランジスタの断面構造を示す。図７は本発明による方法により製造可能なトランジスタアレイの断面図である。
【００１５】
図１に示されているように最初に、フレキシブルであってもよいし硬くてもよい導電性基板１上に垂直方向に単独で立つ半導体支柱２を成長させる。この目的で、たとえば文献［１］からＺｎＯ支柱の電気化学的成長として知られているような無秩序型プロセスを利用することができる。これに対する代案として、ＺｎまたはＺｕＯの蒸着によりＺｎＯを被着させることもできるＭ（文献［２］参照）。さらに、秩序型または無秩序型で核種を発生させ、そこから支柱成長が始まるよう、基板をまえもって準備することもできる。無秩序型の核種として、たとえばＺｎＯ支柱を成長させるためにたとえばＮｉドットを利用することができるし（文献［２］）、あるいはＣ６０ナノチューブを垂直方向に成長させるためにＮｉドットを利用することができる（文献［３］の図ｄ）。また、秩序型の核種をリソグラフィ法により生成することができるし（文献［３］）、あるいはたとえばミスアライメントされた結晶面における転位ステップによってリソグラフィによらずに生成することができる。リソグラフィによらずに核種を生成した場合、リソグラフィにより生じるサイズ制限が広範囲にわたりなくなる。支柱成長は核種のサイズによってのみまえもって定められる。ただし半導体支柱を、ポリマフィルムのエッチングによるイオントラックチャネルにおいて形成することもできる。ついでシート材料を除去すると、やはり自立した半導体支柱が形成される（文献［４］参照）。
【００１６】
基板上に成長させた半導体支柱（ナノファイバ／ナノチューブ）はこれまで主として、電子フィールドエミッション、発光ダイオード、極端に薄い吸収層をもつ太陽電池のためのコンポーネントの構造のために重要な意味をもってきた。
【００１７】
これまで挙げてきた半導体支柱のための材料のほか、ＧａＰ（文献［５］参照）、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＴｅのような材料やさらに別の材料も考慮の対象となる。
【００１８】
半導体支柱２の成長後、図２に示されているように絶縁層が被着される。この被着は、ポリマのスピンコーティング、蒸着、ＣＶＤ（化学気相成長法）あるいはたとえば酸化物または窒化物のような他の周知の絶縁層生成方法によって行うことができる。
【００１９】
絶縁層３は半導体支柱２の側面も覆っている。この絶縁層３にはスパッタリング、蒸着、ＣＶＤまたは類似の方法によって、第１の導電性金属層４が被着され、これはあとでトランジスタのゲートコンタクトを成す。ついで別の絶縁層５が被着され（図３）、さらにそのようにして生じた層ボディの上部がエッチングにより平坦化される（図４）。これを水平方向のイオンビームによって行うことができるし（イオンビームエッチング）、あるいはプラズマエッチング法または化学的もしくは電気化学的エッチング法によって行うことができ、これらは半導体技術において十分に知られている。次に、金属層４において層列から上方に向かって貫通している端部が絶縁される（図５）。これは金属特有のエッチングステップにおいて、表面に現れている金属をエッチングして別の絶縁層を被着し、その上を再び平坦化することによって行われる。これに対する代案として図５に示されているように、表面に現れている金属を化学的に酸化または窒化することによって、絶縁体６に変換することができる。ついで第２の金属層７が被着される（図６）。この金属層は半導体支柱と電気的に接続されており、あとでソースコンタクトまたはドレインコンタクトとしてはたらく。
【００２０】
ゲートコンタクトとしてはたらく中央電極の領域において半導体支柱２の外面上にチャネル８が形成され、半導体支柱２が十分に薄ければ、これを支柱の厚さ全体にわたって延在させることができる。
【００２１】
図７にはトランジスタアレイが描かれている。この場合、ゲートコンタクトが半導体支柱２をそれぞれリング状に取り囲んでおり、したがって全体がつなぎ合わせられている。すべてのコンタクト（ソース、ドレイン、ゲート）をアレイとして駆動制御することができるし、あるいはリソグラフィ法によって分割することができる。このようなアレイをたとえばスイッチ回路またはディスプレイに適用できる。ディスプレイであれば、数１００個のトランジスタが１つの光学ピクセルにまとめられる。
【００２２】
この方法によれば、１０〜５００ｎｍの直径というサイズのオーダでトランジスタを製造することができる。この場合、半導体支柱の高さも同じ領域にある。直径が著しく小さければ、トランジスタを量子論的領域において駆動することができる。
【００２３】
引用文献一覧
[1] Thin Film Deposition on Free-standing ZnO Columns, Koenenkamp etal., Appl. Phys. Lett. 77, No 16 (16.October 2000), 2275-2277
[2] Seung Chu Lyu etal., Low Temperature Growth of Zno Nano-wire Array Using Vapour Deposition Method, Chemistry of Materials to be published
[3] Teo etal., NanotechConference, Santiago deCompostela, September 9-13, 2002-10-09
[4] Engelhardt, Koenenkamp,Electrodeposition of Compound Semiconductors in Polymer Channels of100nm Diameter, J. Appl. Phys., 90, No 8 (15. October 2002), 4287-4289
[5] Gudiksen/Lieber, Diameter-Selective Semiconductor Nanowires, J. Am. Chem. Soc. 122 (2000), 8801-8802
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による電界効果トランジスタを製造するための第１のステップを示す図
【図２】第２のステップを示す図
【図３】第３および第４のステップを示す図
【図４】第５のステップを示す図
【図５】第６のステップを示す図
【図６】第７のステップを示す図
【図７】本発明による方法により製造可能なトランジスタアレイの断面図
【符号の説明】
【００２５】
１  基板
２  半導体支柱
３  絶縁層
４  金属層
５  絶縁層
６  絶縁体
７  金属層
８  チャネル
【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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【国際調査報告】
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