(57)【要約】【課題】            カーボンナノチューブの成長方向を制御すると共に、カーボンナノチューブを基板と接触させるカーボンナノチューブ製造用の基板、カーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を提供すること。さらに、カーボンナノチューブの配置位置及び軸方向が制御されたカーボンナノチューブ半導体装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】        カーボンナノチューブの製造装置は、カーボンナノチューブを成長させる基板上に配されると共に対向する一対の電極と、一対の電極間に配されると共に一対の電極より高い位置に配される触媒と、基板を収容する反応器と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給するガス供給部と、反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備える。【選択図】          図１
2007063035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の電極と、
前記一対の電極間に配されると共に、前記一対の電極の上面より高い位置に配される触媒と、を備えることを特徴とするカーボンナノチューブ製造用の基板。
【請求項２】
対向する一対の電極と、
前記一対の電極間に配されると共に前記電極以上の高さを有する台座と、
前記台座上に配される触媒と、を備えることを特徴とするカーボンナノチューブ製造用の基板。
【請求項３】
対向する一対の電極と、
前記一対の電極間に配されると共に、前記一対の電極の上面より高い位置に配される触媒と、を備え、
前記触媒の下面までの高さをＨ（単位［μｍ］）、前記電極の上面までの高さをｈ（単位［μｍ］）、前記電極間の間隔をＤ（単位［μｍ］）、カーボンナノチューブ製造時の前記反応器内の温度をＴ（単位［Ｋ］）、カーボンナノチューブの長さをＬ（単位［μｍ］）、カーボンナノチューブの分極率をα（単位［Ｃ・μｍ／Ｖ］）、前記電極間の電界強度をＥ（単位［Ｖ／μｍ］）、ボルツマン定数をｋＢ（単位［Ｊ／Ｋ］）とするとき、前記触媒の下面までの高さＨは以下の数１の式を満たすことを特徴とするカーボンナノチューブ製造用の基板。
【数１】
2007063035.tif 000010
【請求項４】
前記電極間に配されると共に前記電極以上の高さを有する台座を備え、
前記触媒は前記台座上に配されることを特徴とする請求項３記載のカーボンナノチューブ製造用の基板。
【請求項５】
カーボンナノチューブを成長させる基板上に配されると共に対向する一対の電極と、
前記一対の電極間に配されると共に前記一対の電極の上面より高い位置に配される触媒と、
前記基板を収容する反応器と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給するガス供給部と、
前記反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備えることを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
【請求項６】
カーボンナノチューブを成長させる基板上に配されると共に対向する一対の電極と、
前記基板上の前記電極間に配されると共に前記電極以上の高さを有する台座と、
前記台座上に配される触媒と、
前記基板を収容する反応器と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給するガス供給部と、
前記反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備えることを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
【請求項７】
カーボンナノチューブを成長させる基板上に配されると共に対向する一対の電極と、
前記一対の電極間に配されると共に前記一対の電極の上面より高い位置に配される触媒と、
前記基板を収容する反応器と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給するガス供給部と、
前記反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備え、
前記基板からの前記触媒の下面の高さをＨ（単位［μｍ］）、前記基板からの前記電極の上面の高さをｈ（単位［μｍ］）、前記電極間の間隔をＤ（単位［μｍ］）、カーボンナノチューブ製造時の前記反応器内の温度をＴ（単位［Ｋ］）、カーボンナノチューブの長さをＬ（単位［μｍ］）、カーボンナノチューブの分極率をα（単位［Ｃ・μｍ／Ｖ］）、前記電極間の電界強度をＥ（単位［Ｖ／μｍ］）、ボルツマン定数をｋＢ（単位［Ｊ／Ｋ］）とするとき、前記触媒の下面の高さＨは以下の数２の式を満たすことを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
【数２】
2007063035.tif 000011
【請求項８】
前記基板上の前記電極間に配されると共に前記電極以上の高さを有する台座を備え、
前記触媒は前記台座上に配されることを特徴とする請求項７記載のカーボンナノチューブの製造装置。
【請求項９】
カーボンナノチューブを成長させる基板上に配される触媒と、
前記基板を上下に挟むように配されると共に対向する一対の電極と、
前記一対の電極のうち、少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させる移動部と、
前記基板を収容する反応器と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給するガス供給部と、
前記反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備えることを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
【請求項１０】
基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、
前記基板上に配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給して、前記一対の電極間に配されると共に前記電極より高い位置に配される触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
【請求項１１】
前記基板からの前記触媒の下面の高さをＨ（単位［μｍ］）、前記基板からの前記電極の上面の高さをｈ（単位［μｍ］）、前記電極間の間隔をＤ（単位［μｍ］）、カーボンナノチューブ製造時の前記反応器内の温度をＴ（単位［Ｋ］）、カーボンナノチューブの長さをＬ（単位［μｍ］）、カーボンナノチューブの分極率をα（単位［Ｃ・μｍ／Ｖ］）、前記電極間の電界強度をＥ（単位［Ｖ／μｍ］）、ボルツマン定数をｋＢ（単位［Ｊ／Ｋ］）とするとき、前記触媒の下面の高さＨは以下の数３の式を満たすことを特徴とする請求項１０記載のカーボンナノチューブの製造方法。
【数３】
2007063035.tif 000012
【請求項１２】
触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、
前記基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給して、前記触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、
前記カーボンナノチューブの少なくとも一部を前記基板と接触させるように、前記一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させる移動工程と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
【請求項１３】
触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、
前記基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、
カーボンナノチューブの少なくとも一部を前記基板と接触させるように、前記一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させながら、カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給して、前記触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、を含むことを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
【請求項１４】
上層の少なくとも一部は絶縁体である基板と、
前記基板上に配される対向する一対の電極と、
前記一対の電極間に配されると共に、前記一対の電極より高い位置に配される触媒と、
前記触媒から前記一対の電極のうち一方の電極の方向へ延在すると共に、少なくとも一部は前記基板と接触しているカーボンナノチューブを有し、
前記カーボンナノチューブが電子の通路であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
前記カーボンナノチューブと接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間にある前記カーボンナノチューブにゲート絶縁膜を介して配されるゲート電極と、を有する電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【請求項１６】
基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、
前記基板上に配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給して、前記一対の電極間に配されると共に前記電極より高い位置に配される触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、
前記カーボンナノチューブに接する電極を形成する形成工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、
前記基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、
カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給して、前記触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、
前記カーボンナノチューブの少なくとも一部を前記基板と接触させるように、前記一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させる移動工程と、
前記カーボンナノチューブに接する電極を形成する形成工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、
前記基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、
カーボンナノチューブの少なくとも一部を前記基板と接触させるように、前記一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させながら、カーボンナノチューブの原料となるガスを前記基板上に供給して、前記触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、
前記カーボンナノチューブに接する電極を形成する形成工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記形成工程において、前記カーボンナノチューブと接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間の前記カーボンナノチューブにゲート絶縁膜を介して配されるゲート電極と、を形成することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の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、カーボンナノチューブ製造用の基板、カーボンナノチューブの製造装置及び製造方法、ならびにカーボンナノチューブを用いた半導体装置及びその製造方法に関する。特に、カーボンナノチューブの軸方向を制御する基板、製造装置及び製造方法、ならびにカーボンナノチューブを電子通路として用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、黒鉛の網目状層（グラフェンシート）を筒状に巻いた構造を有しており、その直径は数ｎｍ〜数十ｎｍ、長さは数μｍ程度である。カーボンナノチューブには、単層構造と多層構造の２種類が知られており、単層カーボンナノチューブ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ ＣＮＴ； ＳＷＣＮＴ）は、黒鉛の網目状層１枚から形成されているが、多層カーボンナノチューブ（Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌｅｄ ＣＮＴ； ＭＷＣＮＴ）は、同心筒状の複数の層から形成されている。
【０００３】
カーボンナノチューブは、例えば電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ； ＦＥＴ）の分野において、ソース電極−ドレイン電極間の電荷の通り道であるチャネルとして着目されており（例えば、特許文献１〜３参照）、カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタは、ＴＵＢＥＦＥＴと呼ばれている。
【０００４】
ＴＵＢＥＦＥＴの構造の一種を示す概略断面図を図１０に示す。ＴＵＢＥＦＥＴにおいては、一般的に、図１０に示すように、絶縁層２２ａを有する基板２２上にソース電極２４ａとドレイン電極２４ｂが形成され、ソース電極２４ａとドレイン電極２４ｂとはカーボンナノチューブ２３を介して接続されている。ソース電極２４ａとドレイン電極２４ｂの間には、カーボンナノチューブ２３に接したゲート絶縁層２５を介してゲート電極２６が形成されている。
【０００５】
図１０に示すような半導体装置の製造手順は、基部２２ｂ上に絶縁層２２ａを形成した基板２２上に、カーボンナノチューブ２３を分散又は配置した後に、ソース電極２４ａ、ドレイン電極２４ｂ、ゲート絶縁層２５及びゲート電極２６を形成する。一般に、ＴＵＢＥＦＥＴにおいて、カーボンナノチューブ２３は、基板２２（絶縁層２２ａ）面に沿って配置されている。
【０００６】
ここで、基板（絶縁層）上にカーボンナノチューブを分散又は配置する方法には、液相と気相の二通りの方法がある。液相の方法においては、前もって合成又は成長したナノチューブを溶媒に分散させ、その分散液を基板（絶縁層）上に塗布・スピンコートなどによって分散又は配置させる。一方、気相の方法の場合は、基板上に直接カーボンナノチューブを（気相）成長させる。
【０００７】
気相においてカーボンナノチューブの成長方向を制御する方法には、主として二種類の方法が知られている。第１の方法は、気相成長で用いるガスの流れを利用するもの（例えば、非特許文献１参照）であり、第２の方法は、カーボンナノチューブの成長中に電圧を印加することでカーボンナノチューブを配向させるものである（例えば、非特許文献２及び非特許文献３参照）。
【０００８】
電界を発生させることによってカーボンナノチューブを配向させる方法において、その機構は次の様に考えられている。電界中に置かれたカーボンナノチューブには、分極が発生し、双極子モーメントが生じる。この双極子モーメントと電界との相互作用によって、双極子つまりカーボンナノチューブには、電界方向に沿うようにトルクが発生する。電界とカーボンナノチューブとのなす角度が０の時にポテンシャルエネルギーが最低となり安定になるので、このトルクは、電界とカーボンナノチューブの方向を同じにするように作用する。
【０００９】
カーボンナノチューブの成長方向を制御する他の方法として、複数の（シリコンの）タワーを基板上に規則的に配列し、そのタワーの頂上に触媒を配置してカーボンナノチューブを気相成長させることによって、タワー間を架橋するカーボンナノチューブを製造する例も報告されている（非特許文献４参照）。
【００１０】
非特許文献５〜８については、本発明の開示において参照する。
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１２２１９８号公報
【特許文献２】特開２００３−１７５０８号公報
【特許文献３】特開２００４−７１６５４号公報
【非特許文献１】ジャーナルオブアメリカンケミカルソサイエティ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）２００３年１２５巻５６３６頁
【非特許文献２】アプライドフィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）２００１年７９巻３１５５頁〜３１５７頁
【非特許文献３】アプライドフィジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）２００２年８１巻３４６４頁〜３４６６頁
【非特許文献４】アドバンスドマテリアルズ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）２０００年１２巻８９０頁〜８９４頁
【非特許文献５】ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）１９９６年３８１巻６７８頁
【非特許文献６】フィジカルレビュービー（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ）１９９８年５８巻１４０１３頁
【非特許文献７】ナノレターズ（ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ）２００２年２巻１１３７頁
【非特許文献８】フィジカルレビューＢ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ）１９９５年５２巻８５４１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
カーボンナノチューブを使用する半導体装置、例えばＴＵＢＥＦＥＴ、の作製においては、カーボンナノチューブの両端方向にソース電極及びドレイン電極を位置精度よく形成することが重要である。つまり、基板上にカーボンナノチューブを配置する際に、カーボンナノチューブの位置及び軸方向を制御できるか否かが重要となる。
【００１３】
カーボンナノチューブの分散液を用いる液相の方法においては、分散又は配置されるカーボンナノチューブの位置及び軸方向はランダムであり、精密に制御するのは容易ではない。一方、カーボンナノチューブを気相成長させる気相の方法においては、一般的に、カーボンナノチューブは、基板上に配置した触媒から成長するので、触媒の位置によってカーボンナノチューブの一方の端の位置を決定することができる。触媒の位置は、リソグラフィ技術で精密に制御が可能であるので、液相による方法よりは、気相による方法によってカーボンナノチューブを直接合成するほうが、工業上有利である。
【００１４】
しかしながら、気相成長においても、カーボンナノチューブの一方の端の位置は定めることができるが、カーボンナノチューブの成長方向はランダムであるので、他方の端の位置は制御されていない。こうしたランダムな方向を向いたカーボンナノチューブが存在する場合、カーボンナノチューブ両端方向とソース電極及びドレイン電極との位置合わせ精度が低下するため、カーボンナノチューブ半導体装置の歩留まりが低下する。こうした歩留まりを改善するためには、余分な設計が必要とされる。つまり、固定されていない一端のカーボンナノチューブに電極を形成するために、可能な限り広い範囲を覆うような電極を設計する必要がある。このような設計は、カーボンナノチューブ半導体装置の集積密度を低下させる。集積化が向上しなければ、カーボンナノチューブ半導体装置の性能も向上することができない。
【００１５】
非特許文献２〜４には、電界を用いてカーボンナノチューブの成長方向を制御する方法が記載されているが、これらの方法によっても電界方向に向かないカーボンナノチューブが多数発生するので、ＴＵＢＥＦＥＴのような半導体装置を効率よく製造することができない。また、これらの方法によって作製されるカーボンナノチューブの大部分は中空に存在することになる。このような状態では、カーボンナノチューブと接するゲート電極等の電極を形成することすら困難となる。
【００１６】
したがって、カーボンナノチューブを用いた半導体装置の生産性をさらに向上させるためには、カーボンナノチューブの配置方向（軸方向）を制御すると同時に、カーボンナノチューブの少なくとも一部を基板と接触させることが必要である。すなわち、カーボンナノチューブの成長方向を基板上において制御可能な基板、製造装置及び製造方法を開発することが必要とされる。
【００１７】
本発明の目的は、カーボンナノチューブの成長方向を制御すると共に、カーボンナノチューブを基板と接触させるカーボンナノチューブ製造用の基板、カーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、カーボンナノチューブの配置位置及び軸方向が制御されたカーボンナノチューブ半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明においては、第１手段として、電界を発生させる対向電極よりも高い位置からカーボンナノチューブを気相成長させることによって、カーボンナノチューブの軸方向の統一性を改善すると共に、カーボンナノチューブを基板と接触させる。
【００１９】
また、別の第２手段として、カーボンナノチューブの成長中ないし成長後に対向電極を移動させることによって、カーボンナノチューブの軸方向の統一性を改善すると共に、カーボンナノチューブを基板と接触させる。
【００２０】
本発明の第１視点において、対向する一対の電極と、一対の電極間に配されると共に、一対の電極より高い位置に配される触媒と、を備えるカーボンナノチューブ製造用の基板を提供する。
【００２１】
本発明の第２視点において、対向する一対の電極と、一対の電極間に配されると共に電極以上の高さを有する台座と、台座上に配される触媒と、を備えるカーボンナノチューブ製造用の基板を提供する。
【００２２】
本発明の第３視点において、対向する一対の電極と、一対の電極間に配されると共に、一対の電極の上面より高い位置に配される触媒と、を備え、触媒の下面の高さＨは以下の数７の式を満たす。また、第３視点の好ましい形態において、本発明のカーボンナノチューブ製造用の基板は、基板上の電極間に配されると共に電極以上の高さを有する台座を備え、触媒は台座上に配される。
【００２３】
本発明の第４視点において、カーボンナノチューブを成長させる基板上に配されると共に対向する一対の電極と、一対の電極間に配されると共に一対の電極の上面より高い位置に配される触媒と、基板を収容する反応器と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給するガス供給部と、反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備えるカーボンナノチューブの製造装置を提供する。
【００２４】
本発明の第５視点において、カーボンナノチューブを成長させる基板上に配されると共に対向する一対の電極と、基板上の電極間に配されると共に電極以上の高さを有する台座と、台座上に配される触媒と、基板を収容する反応器と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給するガス供給部と、反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備えるカーボンナノチューブの製造装置を提供する。
【００２５】
本発明の第６視点において、カーボンナノチューブを成長させる基板上に配されると共に対向する一対の電極と、一対の電極間に配されると共に一対の電極の上面より高い位置に配される触媒と、基板を収容する反応器と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給するガス供給部と、反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備え、触媒の下面の高さＨは以下の数７の式を満たす。また、第６視点の好ましい形態において、本発明のカーボンナノチューブの製造装置は、基板上の電極間に配されると共に電極以上の高さを有する台座を備え、触媒は台座上に配される。
【００２６】
本発明の第７視点において、カーボンナノチューブを成長させる基板上に配される触媒と、基板を上下に挟むように配されると共に対向する一対の電極と、一対の電極のうち、少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させる移動部と、基板を収容する反応器と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給するガス供給部と、反応器内を所定の温度まで加温する加熱部と、を備えるカーボンナノチューブの製造装置を提供する。
【００２７】
本発明の第８視点において、基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、基板上に配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給して、一対の電極間に配されると共に電極より高い位置に配される触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、を含むカーボンナノチューブの製造方法を提供する。
【００２８】
上記第８視点の好ましい形態において、触媒の下面の高さＨは以下の数７の式を満たす。
【００２９】
本発明の第９視点の第１形態において、触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給して、触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、カーボンナノチューブの少なくとも一部を基板と接触させるように、一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させる移動工程と、を含むカーボンナノチューブの製造方法を提供する。
【００３０】
本発明の第９視点の第２形態において、触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、カーボンナノチューブの少なくとも一部を基板と接触させるように、一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させながら、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給して、触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、を含むカーボンナノチューブの製造方法を提供する。
【００３１】
本発明の第１０視点において、上層の少なくとも一部は絶縁体である基板と、基板上に配される対向する一対の電極と、一対の電極間に配されると共に、一対の電極より高い位置に配される触媒と、触媒から一対の電極のうち一方の電極の方向へ延在すると共に、少なくとも一部は基板と接触しているカーボンナノチューブを有し、カーボンナノチューブが電子の通路である半導体装置を提供する。
【００３２】
上記第１０視点の好ましい形態において、本発明の半導体装置は、カーボンナノチューブと接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極間にあるカーボンナノチューブにゲート絶縁膜を介して配されるゲート電極と、を有する電界効果トランジスタである。
【００３３】
本発明の第１１視点において、基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、基板上に配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給して、一対の電極間に配されると共に電極より高い位置に配される触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、カーボンナノチューブに接する電極を形成する形成工程と、を含む半導体装置の製造方法を提供する。
【００３４】
本発明の第１２視点の第１形態において、触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給して、触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、カーボンナノチューブの少なくとも一部を基板と接触させるように、一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させる移動工程と、カーボンナノチューブに接する電極を形成する形成工程と、を含む半導体装置の製造方法を提供する。
【００３５】
本発明の第１２視点の第２形態において、触媒を有する基板が置かれている雰囲気を加熱する加熱工程と、基板を上下に挟むように配される対向する一対の電極間に電圧を印加する電圧印加工程と、カーボンナノチューブの少なくとも一部を基板と接触させるように、一対の電極のうち少なくとも上部の電極を少なくとも水平方向に移動させながら、カーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給して、触媒からカーボンナノチューブを成長させる成長工程と、カーボンナノチューブに接する電極を形成する形成工程と、を含む半導体装置の製造方法を提供する。
【００３６】
上記第１１及び第１２視点の好ましい形態において、形成工程においては、カーボンナノチューブと接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極間のカーボンナノチューブにゲート絶縁膜を介して配されるゲート電極と、を形成する。
【００３７】
次に、本発明の第１手段における触媒の高さＨの好ましい範囲を示すと共に、当該範囲が導かれる過程について説明する。カーボンナノチューブが熱振動することが例えば非特許文献５に報告されている。その先端の振幅δは数１で表されることが非特許文献６に示されている。ここでｋＢはボルツマン定数（１．３８１×１０−２３Ｊ／Ｋ）、Ｔは温度（単位［Ｋ］）、Ｙはナノチューブのヤング率（１．０ＴＰａ）、Ｌはナノチューブの長さ（単位［μｍ］）、ｄはナノチューブの直径、Ｇはグラファイトの層間距離（０．３４ｎｍ）である。
【００３８】
【数１】
2007063035.tif 000003
【００３９】
カーボンナノチューブの成長中も同様に振動するが、電界が存在する場合は電界の影響で振幅が修正される。電界下では電界とカーボンナノチューブの双極子モーメント相互作用により、より電界方向に向けられる。そのため振幅が小さくなる。双極子モーメント相互作用のエネルギーＵＥは以下の数２で表される。ここで、Ｅは電界強度（単位［Ｖ／μｍ］）、αはカーボンナノチューブの分極率（単位［Ｃ・μｍ／Ｖ］）、φはナノチューブと電界とのなす角度である。なお、分極率αは単位長さ当たりの値を示している。また、電界強度Ｅは対向電極の間隔で印加電圧を割ったものである。
【００４０】
【数２】
2007063035.tif 000004
【００４１】
近似としてｓｉｎφ＝δＥ／Ｌとすると数２は数３となる。
【００４２】
【数３】
2007063035.tif 000005
【００４３】
振幅が小さくなるから数１のｋＢＴのかわりにｋＢＴ−ＵＥを代入し、数１の〔５．３００×１０１８Ｌ３／ＹｄＧ（ｄ２＋Ｇ２）〕が１より十分大きいから、最終的に電界の存在する下で一端が固定されたカーボンナノチューブの固定されていない他端の熱振動振幅δＥは以下の数４ように表わされる。
【００４４】
【数４】
2007063035.tif 000006
【００４５】
カーボンナノチューブ先端が振動幅δＥより基板から離れていれば、カーボンナノチューブは、その成長が基板によって阻害されることなく電界方向に成長することができる。そこで、そのための条件はカーボンナノチューブの触媒の下面の高さをＨ（単位［μｍ］）とすると、数５のように表される。
【００４６】
【数５】
2007063035.tif 000007
【００４７】
触媒の高さＨがあまりに高い場合には、触媒の位置における電界は非常に弱くなると考えられる。したがって、対向電極の上面から触媒の下面までの距離が対向電極間の間隔より小さいことが好ましい。対向電極の間隔以上に離れると電界強度は急速に減少するためである。そこで、触媒の高さＨは以下の数６を満たすことが好ましい。ここで、ｈは対向電極の上面の高さ（単位［μｍ］）であり、Ｄは対向電極間の間隔（単位［μｍ］）である。
【００４８】
【数６】
2007063035.tif 000008
【００４９】
したがって、数５と数６より、触媒の下面の高さＨの好ましい範囲は、数７として表される。
【００５０】
【数７】
2007063035.tif 000009
【００５１】
一般的に分極率αは半導体ナノチューブと金属ナノチューブでは異なることが非特許文献７でも指摘されている。半導体ナノチューブの分極率は金属のそれよりも小さい。数５は分極率の平方根に反比例するため、金属チューブに限らず、半導体チューブも電界で配向させるための条件は小さい値である半導体ナノチューブの値を用いる必要がある。非特許文献８によると半導体チューブの分極率は直径の自乗に反比例する。バンドギャップは直径に反比例するが実際の応用では０．１ｅＶ程度（室温の３倍程度）以上のものまで含めれば十分である。これは直径が約４ｎｍのものに相当し、この場合の分極率は約０．４μｍ２（４０００Å２）である。なお、本発明においては、分極率αの単位［Ｃ・μｍ／Ｖ］は単位長さ当たりのものであり、非特許文献８の分極率の単位［Å２］とは異なる。便宜上、１×１０−４Å２がＣ・μｍ／Ｖとなるとして対応付ければよい。したがって、以下の説明において、数５及び数７のαには０．４を代入することにする。
【００５２】
非特許文献２に触媒の高さ３μｍの例があるが、成長したナノチューブが完全揃っているわけではない。この場合の実験条件（Ｅ＝０．５Ｖ／μｍ、Ｌ＝１０μｍ、Ｔ＝１１７３Ｋ）から数５の右辺を計算すると４．５０μｍとなり、触媒の高さは数５を満たしていない。同様に非特許文献３に触媒の高さ５０〜１００ｎｍの例があるが、成長したナノチューブが完全に揃っているわけではない。この場合の実験条件（Ｅ＝２Ｖ／μｍ、Ｌ＝１０μｍ、Ｔ＝１１７３Ｋ）から数５の右辺を計算すると１．１２μｍとなり、触媒の高さは数５を満していない。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、カーボンナノチューブの配列方向（軸方向）及び／又は長さを制御することができる。また、カーボンナノチューブを基板と接するように製造することができる。これにより、カーボンナノチューブを一方向に配列することができるので、高密度に集積化したカーボンナノチューブ半導体装置を提供することができる。また、カーボンナノチューブの長さを揃えることができるので、特性が均質な半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
本発明の第１の実施形態として、カーボンナノチューブ製造用の基板ないしカーボンナノチューブの製造装置を説明する。本発明の第１の実施形態に係るカーボンナノチューブ製造用の基板ないし装置の概略断面図を図１に示す。基板２には局所電界を発生するための一対の電極（対向電極）３が配され、その対向電極３の間にはカーボンナノチューブ６を成長させるのに必要な触媒５が配置されている。対向電極３が形成されている基板２の表面は、対向電極３間に電圧を印加できるように絶縁層２ａを有していることが必要である。したがって、基板２自体を絶縁体から形成してもよいし、又は図１に示すようにシリコン基板のような基部２ｂ上に絶縁層２ａを形成しても良い。カーボンナノチューブ製造時には、加熱及び電圧を印加するため、絶縁層２ａの厚さは厚いほうが好ましく、シリコン酸化膜であれば、厚さは０．１μｍから１μｍ程度あると好ましい。
【００５５】
対向電極３は外部の電源（不図示）と接続され、対向電極３の一部は絶縁体（不図示）で覆われていても良い。対向電極３の材質は、電極間に電圧を印加するので低抵抗の材料あると共に、カーボンナノチューブ成長時の温度３５０℃〜１０００℃に耐え得る材料を用いると好ましい。例えば、対向電極は、金属、ドーピングされた半導体結晶、ドーピングされたアモルファス半導体等、導電性を有する材料で形成することができる。対向電極に金属を用いる場合、例えば白金、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブ、鉄、コバルト、ニッケル、チタンなどの単体、またはこれらの金属を一種以上含有する合金を使用することができる。また、金属の代わりに、ドーピングしたポリシリコンを使用することもでき、この場合、対向電極は、レジストのネガポジを反転させたパターンを形成し、そのネガレジストをマスクとしてエッチングで形成する。
【００５６】
対向電極３は、基板２上に形成してもよいし、カーボンナノチューブ製造装置の一部として構成することもできる。対向電極３を基板２上に形成しない場合、基板２をカーボンナノチューブを成長させる反応器内に設置した後、カーボンナノチューブ製造装置の構成要素である対向電極を基板２の所望の位置に配置するようにする。
【００５７】
対向電極３間の間隔は、放電及び基板のリーク電流を考慮して適宜決定する必要がある。カーボンナノチューブを製造するときに印加する電界は電源電圧をこの対向電極３の間隔で割ったものであるが、電界強度が大きく放電現象が生じてしまうと基板２にダメージを与えたり、余計な炭素堆積物を生成することになり望ましくない。放電現象や基板への電流リークは、圧力、温度、電極の被覆状態、絶縁層の厚さ等に依存すると考えられるので、電界強度は一概には決定することができないが、電界強度が０．１Ｖ／μｍから１００Ｖ／μｍ程度になるように対向電極３の間隔を調整すれば十分であると考えられる。したがって、対向電極３の間隔は、０．１μｍ〜数百μｍが好ましい。
【００５８】
触媒５は、カーボンナノチューブ６を気相成長させることができると知られている物質であればいずれのものでもよく、好ましくは、鉄、ニッケル、コバルト、白金、パラジウム、ルテニウムなどの金属、又はこれらの物質を一種以上含む化合物である。
【００５９】
第１の実施形態において、触媒５は、対向電極より高い位置に配置されている。すなわち、触媒５の下面が対向電極３の上面よりも高くなるようにする。触媒５は、対向電極３間に複数個配置することもできる。この場合、各触媒５と一方の対向電極３との距離が一定になるように、触媒５は対向電極３間に一列に配列することが好ましい。この触媒５の配列によれば、複数のカーボンナノチューブが電界方向に並列（略平行）に形成することができる。また、隣接する触媒５間の距離は、触媒５の高さの２倍以上あると好ましい。
【００６０】
また、触媒５は、一方の対向電極３側寄りに配置することが好ましい。複数のカーボンナノチューブを成長させる場合に、触媒５が対向電極３間の中央に配置されていると、各カーボンナノチューブの成長方向に偏りが生じにくくなるからである。しかしながら、カーボンナノチューブが電位の高い電極と電位の低い電極のどちら側に向かって成長するかについて、この分野において統一された見解は示されていない。おそらくは、成長条件毎に異なるものと思われる。したがって、触媒５を、陽極と陰極、どちらの電極側に配置するかは、各成長条件毎に成長性の良い方を選択するようにする。触媒５と一方の対向電極３との距離は、カーボンナノチューブの利用目的に応じて適宜決定する。例えば、電界効果トランジスタのチャネルとして利用する場合、ソース電極及びドレイン電極との接触長をそれぞれ５０ｎｍ、ゲート領域を２０ｎｍとすると、触媒５と一方の対向電極との距離は、基板上に少なくとも１２０ｎｍ程度のカーボンナノチューブが作製できるような距離である必要がある。
【００６１】
図１に示すように第１の実施形態においては、触媒５の位置を高くするために、触媒５は、基板２上に設けた台座４上に配置されている。台座４は２つの対向電極３の間に位置させるか、又は２つの対向電極３のうちの片方の上に配置する。台座４の材料は、カーボンナノチューブ６成長時の温度（３５０℃〜１０００℃）で変形しない材料が好ましく、金属、絶縁体、半導体のいずれでも用いることが出来る。台座４は多層構造にすることもでき、触媒５と接触する部分にこれら異種の材料間の反応を制御するための中間層（不図示）を一層以上設けることもできる。例えば、触媒５と接触する部分に、中間層としてアルミニウム、チタンあるいはそれらの酸化膜ないし水酸化膜を形成することが出来る。台座４の形状は、図１においては直方体状の突起構造を示しているが、触媒５の位置を高くすることができ、かつカーボンナノチューブ６の成長を阻害するものでなければ、いずれの形状でもよい。
【００６２】
本発明の第１の実施形態においては、カーボンナノチューブ６を成長させる触媒５の位置を対向電極３より高くすることによって、カーボンナノチューブの成長方向を制御すると共に、カーボンナノチューブ６と基板２とを接触させている。触媒５の高さは、上記数７の式を満足するよう設定すると好ましい。触媒５の高さが低いと、成長初期においてカーボンナノチューブ先端の振動により先端が基板２と接触し、成長が阻害されるものと考えられる。そこで、触媒５の高さを高くすると、カーボンナノチューブの先端と基板との距離が広がるので、カーボンナノチューブ先端の振動による基板２との接触を防止でき、それにより成長方向の制御性が改善されると考えられる。
【００６３】
しかしながら、カーボンナノチューブ６が、いつ、どのように、基板２に着地するかは明確ではない。おそらく、電圧がなくなった状態でそのまま基板２と接触するか、ガスと電界が存在している間に一部が接触し、そのまま残りの全体又は一部が基板２と接触していくと考えられる。例えば、対向電極３の厚みが触媒５の高さを越えている場合にカーボンナノチューブを成長させると、カーボンナノチューブ６の終端が対向電極３の側面に接して成長が止まってしまうことになる。こうなるとカーボンナノチューブ６は、触媒５と対向電極３とを橋渡しするだけで中空に浮いたままになり、十分な長さを得られないので基板２表面と接しない状況となる。カーボンナノチューブ６が宙に浮いた状態では、その後の半導体装置作製が困難になる。そこで、触媒５の高さを対向電極３の厚み（高さ）より高くすれば、カーボンナノチューブ６は基板２と接触できるだけの十分な長さまで成長することができるので、最終的に基板に着地することができるものと考えられる。対向電極３の厚さは、好ましくは、触媒５の高さの２０分の１〜２分の１、より好ましくは１５分の１〜５分の１、さらに好ましくは、１２分の１〜８分の１である。対向電極３の厚さの下限は、対向電極の断線がない程度の厚さでよく、最低でも５ナノメートル程度以上であれば良い。
【００６４】
次に、第１の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を、カーボンナノチューブ製造用の基板ないし装置の製造方法と合わせて説明する。図２は、第１の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を示す工程図である。始めに工程（Ａ）において、絶縁層２ａとなるシリコン酸化膜をシリコン基板の基部２ｂ上に形成する。
【００６５】
次に工程（Ｂ）において、電界印加するための対向電極３を絶縁層２ａ上に形成する。対向電極３は、例えば、一般的なリソグラフィ技術を用いてポジ型レジスト膜をパターン形成し、金属を堆積するリフトオフ法によって形成することができる。
【００６６】
次に工程（Ｃ）において、対向電極３間の所望の位置に台座４を形成する。台座４のパターン形成は、例えば通常のリソグラフィ技術で行うことができる。次にカーボンナノチューブを成長するための触媒５を台座４上に形成する。この形成は、通常のリソグラフィ技術でパターン形成を行い、金属を堆積して行うことができる。金属の加工は、リフトオフまたはエッチングで行うことができる。リソグラフィ用のネガ型レジストに触媒またはその化合物を混ぜて直接パターン形成してもよい。ちなみに、台座４の材料を堆積した後に連続して触媒を堆積して、リフトオフ法、またはエッチングによって形成することもできる。このように連続して形成すれば、工程数を削減することが可能である。
【００６７】
次に、工程（Ａ）〜（Ｃ）により作製したカーボンナノチューブ製造用の基板ないし装置を用いて、基板２上にカーボンナノチューブを成長させる。工程（Ｄ）において、まず、カーボンナノチューブを成長させる反応器（不図示）内に基板２ごと配置する。製造装置は、基板を収容する反応器のほかに、反応器内を加熱する加熱部（不図示）、及びカーボンナノチューブの原料となるガスを基板上に供給するガス供給部（不図示）を有する。反応器内を３５０℃から１０００℃程度の範囲に加熱し、昇温が終了した段階で対向電極３に電圧を印加する。その状態を保持したままで基板２上に原料ガスを流す。原料ガスはメタン、エチレン、アセチレン、一酸化炭素またはエタノール蒸気など、一般的にカーボンナノチューブを成長させることができると知られているガスならば用いることが出来る。原料ガスに、水素などの還元性のガス、または水蒸気などの酸化、還元性のガス、または窒素、アルゴンなどの不活性なガスを混合しても良い。カーボンナノチューブの成長時間は数十秒から数時間である。カーボンナノチューブ６は、ガスを流している間は触媒５から２つある対向電極３の１つ又は両方の方向へ成長する。
【００６８】
成長が終了したら、印加電圧をゼロにし、原料ガスの供給を停止する。反応器の加熱を止め降温し、室温まで冷却できた時点で取り出す。このようにして、工程（Ｅ）のように、最終的に突起構造上から対向電極の一方または両方へ伸びると共に、基板２の一部と接するカーボンナノチューブ６が得られる。
【００６９】
第２の実施形態として、第１の実施形態にように対向電極を基板上に形成するかわりに、反応器（成長装置）側に可動対向電極を設ける形態のカーボンナノチューブ製造装置及び製造方法を説明する。第２の実施形態に係るカーボンナノチューブ製造装置の構成及びカーボンナノチューブの製造工程を図３に示す。第２の実施形態の構成においては、工程（Ａ）に示すように、一対の対向電極７ａ、７ｂが触媒５の位置の上部および下部にそれぞれ基板２から離れて設置されている。この構成においては、台座を設ける必要がない。対向電極のうち少なくとも上部電極７ａは、少なくとも水平方向に移動可能に構成されている。好ましくは、上部電極７ａ及び下部電極７ｂ共に、水平方向のみならず垂直方向に移動可能に構成され、さらに好ましくは斜め方向に移動可能に構成される。図３に示す形態においては、対向電極７ａ、７ｂは、移動部であるローラー８に保持されており、ローラーの回転によって水平移動される。また、ローラー８は鉛直方向に移動可能であり、対向電極７ａ、７ｂを上下に移動することができる。第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様にして、成長初期のカーボンナノチューブの先端方向を上向きにすることができるので、カーボンナノチューブの軸方向を制御することができると思われる。
【００７０】
図３に示す形態においては、上部電極７ａは、成長させるカーボンナノチューブの所望の長さと同じ程度の距離を触媒５から離して設置される。工程（Ｂ）においては、第１の実施形態と同様にして、反応器内の加熱、電圧の印加、及び原料ガスの供給を行って、カーボンナノチューブ６を成長させる。カーボンナノチューブの６長さは、カーボンナノチューブ６の先端が上部電極７ａと接触する前に成長を停止させることで制御する。カーボンナノチューブ６を成長させる時間は、使用ガスや温度、触媒によって異なる。次に、工程（Ｃ）において、カーボンナノチューブ６の成長を停止させるときに、原料ガスを止め、降温してから、電圧を印加したまま、上部電極７ａを移動させてカーボンナノチューブ６を倒すことで、工程（Ｄ）のように基板２面に沿ったカーボンナノチューブ６を形成することができる。この方法によれば、カーボンナノチューブの軸方向を統一することができるだけでなく、カーボンナノチューブの長さも統一することが容易になる。
【００７１】
また、図３に示す工程ではカーボンナノチューブ６の成長を終えてから上部電極７ａを移動させたが、カーボンナノチューブ６を成長させながら上部電極７ａ及び／又は下部電極７ｂを移動させることもできる。この場合、カーボンナノチューブ６の成長開始と同時に２つの電極７ａ、７ｂ又は上部電極７ａのみを触媒５から離れる方向へ移動させる。カーボンナノチューブ６は、上部電極７ａに引きつけられるように成長する。この方法によれば、長いカーボンナノチューブ６を製造することができる。
【００７２】
上部電極７ａ及び／又は下部電極７ｂを移動させる距離は、カーボンナノチューブ６の長さ、対向電極７ａ、７ｂとカーボンナノチューブ６との距離、電界強度等に依存する。上部電極７ａ及び／又は下部電極７ｂの移動に伴い、印加電圧を増減して対向電極間の電界強度が一定になるように調整してもよい。
【００７３】
第３の実施形態として、第１ないし第２の実施形態によって得られたカーボンナノチューブを用いた半導体装置を説明する。第３の実施形態に係る半導体装置の概略断面図を図４に示す。図４に示す半導体装置１２は電界効果トランジスタであり、カーボンナノチューブ６上にソース電極９ａ、ドレイン電極９ｂ及びゲート構造１０、１１を形成することにより、カーボンナノチューブ６は、ソース電極９ａとドレイン電極９ｂ間のチャネルとして作用する。ソース電極９ａ、ドレイン電極９ｂ及びゲート構造１０、１１の形成には、第１の実施形態における対向電極を形成する工程と同様の手段を用いることができる。例えば、ソース電極９ａ及びドレイン電極９ｂは、リソグラフィ技術を用いてレジストをパターニングした後に、蒸着法、スパッタ法等の方法によって金属を成膜し、レジスト及び不要の金属膜を除去するリフトオフ法で形成することができる。カーボンナノチューブ６上の絶縁層１０は、気相堆積法、蒸着、原子層堆積法（ＡＬＤ）等を用いて形成することができる。また、ゲート電極１１は、ソース電極９ａ及びドレイン電極９ｂと同様の方法で形成することができる。
【００７４】
半導体装置１２において、カーボンナノチューブ６の本数は、ソース電極９ａとドレイン電極９ｂ間の設定電流の大きさにしたがって適宜決定する。また、１本のカーボンナノチューブ６上に複数の半導体素子を配置するように半導体装置１２を構成することも可能である。本発明においてはカーボンナノチューブ６の方向性が決まっているので、半導体装置を効率的に製造することができる。また、カーボンナノチューブは、ソース電極及びドレイン電極によってＰ型またはＮ型動作させることができることから、相補的なトランジスタ構成を１本のカーボンナノチューブ上で効率的に構成することができる。また、カーボンナノチューブトランジスタにおいて、大気中でＰ型動作するカーボンナノチューブにカリウムなどの不純物をドーピングすれば、カーボンナノチューブはＮ型動作することができる。１本のカーボンナノチューブ上に部分的にドーピングして、それぞれドーピングした部分のカーボンナノチューブをＰ型半導体又はＮ型半導体として動作させることもできる。第３の実施形態の活用例として、例えば、演算回路、記憶回路に使用されるカーボンナノチューブ半導体装置が挙げられる。
【００７５】
半導体装置１２において、カーボンナノチューブ６の製造の際に使用した対向電極３や台座４は、必要に応じて除去することもできる。例えば、台座４を除去する方法としては、台座４が蒸着法によりＳｉＯ２で形成されている場合にはフッ化水素酸で除去することが可能である。この場合に、基板２上に熱酸化法によるＳｉＯ２膜２ａが形成されていたとしても、熱酸化法によるＳｉＯ２のほうが蒸着法のＳｉＯ２より質が良いので、エッチンググレードの違いを利用して台座４のみを除去することが可能となる。また、対向電極３については、除去する部分以外をレジスト膜で覆い、イオンミリングという手法で除去することができる。
【実施例１】
【００７６】
本発明の第１の実施形態に係るカーボンナノチューブ用の基板ないし製造装置及び製造方法を使用して、軸方向を制御したカーボンナノチューブを製造した。まず、シリコン基板上に、厚さ１μｍのシリコン基板からなる絶縁層を形成した。次に、絶縁層上に、基板からの厚さがそれぞれ５ｎｍ、１５ｎｍのチタン／白金膜で対向電極を形成し、対向電極間の間隔を約４μｍにした。次に、対向電極間にシリコン酸化膜からなる高さ２００ｎｍの台座を形成した。台座は、リフトオフ法により、電子ビーム露光法によるレジストパターンを形成し、シリコン酸化膜を蒸着堆積して形成した。台座上には、カーボンナノチューブ成長の触媒として、厚さ８ｎｍのアルミニウム膜の中間層上に厚さ０．６ｎｍの鉄を配置した。このように作製した基板を、カーボンナノチューブを成長させる反応器内に設置した。
【００７７】
次に、カーボンナノチューブを製造するために、反応器内を８００°に加熱し、対向電極間に電圧４０Ｖを印加して電界強度が１０Ｖ／μｍになるようにした。原料ガスとしてメタンを使用し、カーボンナノチューブを５分間成長させた。なお、製造したカーボンナノチューブの長さを約４μｍとして、数７の式の右辺を計算する１３６ｎｍとなり、上記条件は数７の式を満している。
【００７８】
上記条件においてシリコン酸化膜上に成長させたカーボンナノチューブの電子顕微鏡写真を図５に示し、比較例として台座を使用せずに製造したカーボンナノチューブの成長例を図６に示す。図５を参照すると、本発明によって製造したカーボンナノチューブは、多くが上下に（電界方向に）延びるように成長しており、成長方向が制御されていることが分かる。また、すべてのカーボンナノチューブは、少なくともその一部が基板と接触している。一方、図６を参照すると、台座を使用せずに製造したカーボンナノチューブは、その成長方向に統一性が見られない。
【００７９】
そこで、電界方向（台座の根元から対向電極へ下ろした垂線）とカーボンナノチューブとのなす角度を測定した。図７は本発明によって製造したカーボンナノチューブの軸方向の分布を示し、図８は台座を使用しない場合の分布を示す。図７に示すデータの標準偏差は７°であり、正規分布の理論から、本発明によれば、９５％のカーボンナノチューブが電界方向から±１４°以内に分布していることを意味している。一方、図８に示すデータの標準偏差は３２°であり、９５％のカーボンナノチューブが電界方向から±６４°以内に分布していることを意味している。したがって、本発明の第１の実施形態によれば、触媒の位置を高くすることにより、カーボンナノチューブの方向を制御できると共に、カーボンナノチューブを基板と接触させることができた。
【実施例２】
【００８０】
本発明の第２の実施形態に係るカーボンナノチューブの製造装置及び製造方法を使用して、カーボンナノチューブを製造した。原料ガスに一酸化炭素、触媒に鉄を用い、上部電極と基板との距離を１００μｍに設定した。電圧を４００Ｖ印加しながら、３０秒間一酸化炭素を供給して、上部電極は固定したままカーボンナノチューブを成長させた。一酸化炭素をアルゴンガスに切替えて成長を停止し、降温させた。それから上部電極を基板と平行に移動し触媒位置から横に３０ｃｍ離れたところで固定した。反応器内が室温になってから基板を取り出し、電子顕微鏡で確認すると長さ約１００μｍのナノチューブが一方向に伸びていることが確認できた。第２の実施の形態においては、成長初期のカーボンナノチューブの先端が上向きになるため、台座が不要になると共に、基板上に対向電極を形成しないですむという効果を奏する。
【実施例３】
【００８１】
第１ないし第２の実施形態によって製造したカーボンナノチューブをチャネルとして図４に示すような電界効果トランジスタを作製した。カーボンナノチューブ上に、ソース電極及びドレイン電極として金を１００ｎｍ堆積し、ソース電極とドレイン電極との間にゲート絶縁層としてシリコン酸化膜を２０ｎｍ熱化学気相成長させ、その上にゲート電極として厚さ１００ｎｍのアルミニウムを形成した。この半導体装置においては、通常のＭＯＳトランジスタのＰ型に相当する特性が得られた。
【実施例４】
【００８２】
第１の実施形態によって製造したカーボンナノチューブをチャネルとして、カーボンナノチューブ上に複数の電界効果トランジスタを作製した。図９は本実施例において作製した半導体装置の概略の断面図である。第１のトランジスタは実施例３と同様にソース電極及びドレイン電極として金を１００ｎｍ堆積し、ソース電極とドレイン電極の間にゲート絶縁層としてシリコン酸化膜を２０ｎｍ熱化学気相成長させ、その上にゲート電極として厚さ１００ｎｍのアルミニウムを形成した。第１のトランジスタにおいては、通常のＭＯＳトランジスタのｐ型に相当する特性が得られた。第２のトランジスタにおいては、ソース電極及びドレイン電極としてアルミニウムを１００ｎｍ堆積し、ソース電極とドレイン電極の間にゲート絶縁層としてシリコン酸化膜を２０ｎｍ熱化学気相成長させ、その上にゲート電極として厚さ１００ｎｍのアルミニウムを形成した。第２のトランジスタにおいては、通常のＭＯＳトランジスタのｎ型に相当する特性が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
上記においては、本発明によって製造されるカーボンナノチューブの利用例として電界効果トランジスタについて説明したが、本発明は、カーボンナノチューブの長さ及び／又は配列方向（軸方向）を制御する必要のある分野、及びカーボンナノチューブを基板と接触させる必要のある分野において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るカーボンナノチューブ製造用の基板ないし装置の概略断面図。
【図２】本発明の第１実施形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を示す工程図。
【図３】本発明の第２実施形態に係るカーボンナノチューブの製造装置の概略断面図及びカーボンナノチューブの製造方法を示す工程図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略断面図。
【図５】実施例１において本発明の装置及び方法によって製造したカーボンナノチューブの電子顕微鏡写真。
【図６】実施例１において従来技術によって製造したカーボンナノチューブの電子顕微鏡写真。
【図７】実施例１において本発明の装置及び方法によって製造したカーボンナノチューブの方向分布を示すグラフ。
【図８】実施例１において従来技術によって製造したカーボンナノチューブの方向分布を示すグラフ。
【図９】実施例４において作製した半導体装置の概略断面図。
【図１０】従来技術を説明するための半導体装置の概略断面図。
【符号の説明】
【００８５】
１          カーボンナノチューブ製造基板ないし製造装置
２          基板
２ａ        絶縁層
２ｂ        基部
３          対向電極
４          台座
５          触媒
６          カーボンナノチューブ
７          移動対向電極
７ａ        上部電極
７ｂ        下部電極
８          移動部（ローラー）
９ａ、９ｃ  ソース電極
９ｂ、９ｄ  ドレイン電極
１０        ゲート絶縁層
１１        ゲート電極
１２        半導体装置
２１        半導体装置
２２        基板
２２ａ      絶縁層
２２ｂ      基部
２３        カーボンナノチューブ
２４ａ      ソース電極
２４ｂ      ドレイン電極
２５        ゲート絶縁層
２６        ゲート電極
【図１】
2007063035.tif 000013
【図２】
2007063035.tif 000014
【図３】
2007063035.tif 000015
【図４】
2007063035.tif 000016
【図７】
2007063035.tif 000017
【図８】
2007063035.tif 000018
【図９】
2007063035.tif 000019
【図１０】
2007063035.tif 000020
【図５】
2007063035.tif 000021
【図６】
2007063035.tif 000022