JP2000286245A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アスペクト比が大きく、かつ先端の実効面積
の小さい細い円錐形状の形成。 【解決手段】 シリコン基板或いはシリコン層中に不純
物、例えば酸素を導入し、熱処理することにより不純物
析出領域を形成し、この析出領域をマイクロマスク１４
として高選択比異方性エッチングを行う。マイクロマス
ク１４を頂点とする円錐台の形成後、さらに高選択比異
方性エッチングを行って円錐台１８上面を露出させ、さ
らにエッチングを続行して、円錐台１８の上面から底面
に向かってすり鉢状に円錐台上部をエッチングし、環形
状の先端を有する円錐台１８を得る。オーバエッチング
によって円錐台１８の上面に形成されるすり鉢状部分２
０は、円錐台１８と同様アスペクト比１０程度であり、
円錐台１８の先端にすり鉢状部分２０の存在により形成
される環の幅は１ｎｍ〜２ｎｍ程度とすることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高アスペクト比
で微細な錐体であり、例えば電界電子放出素子（ＦＥ
Ｄ：field emission device(display)）、量子効果デバ
イス、高周波デバイス、走査型顕微鏡の探針等に利用可
能な錐体に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上にμｍオーダー以下の微小
な突起を形成し、この突起を電子放出源等に用いること
が従来より提案されている。この微小突起の作製方法と
して、従来、シリコン基板の特定結晶面をウエットエッ
チングによってエッチングすることで、図２（ａ）に示
すような錐体を形成することが知られていた。また、
『低電圧化シリコン微構造電子源』（堀和義他、信学技
報；ＥＤ９４−９５、Ｐ１−６）には、図２（ｂ）に示
されるようなタワー状突起の作製方法が示されている。
図２（ｂ）に示すこのタワー状突起は、シリコン基板上
にフォトリソグラフィによってマスクを形成し、このマ
スクを用いて、まず該シリコン基板を異方性ドライエッ
チングし柱状構造を形成する。次に、得られた柱状構造
に対して異方性ウエットエッチングを施すことで、柱状
構造の先端部分を円錐形状として尖らせて構成してい
る。

【０００３】また、『Fabrication of Metal-Oxide-Sem
iconductor Field-Effect-Transistor-Structured Sili
con Field Emitters with a Polysilicon Dual Gate』
（Jpn. J. Appl. Phys. Vol.36 (1997) pp. 7736 - 774
0）等には、シリコン基板上にフォトリソグラフィによ
りマスクを形成し、これを用いて基板を等方性ドライエ
ッチングすることで、図２（ｃ）のような突起を基板上
に形成することが記載されている。また、これら図２
（ａ）〜（ｃ）に示すようなμｍサイズの円錐の作製方
法や構造については、『ナノメートル加工の応用
（１）』（応用物理 Vol.67 No.12, 1390(1998)）にも
記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような微細な突
起を例えばデバイスの電子放出源等に適用する場合、良
好なデバイス特性を得るためには、突起先端の曲率半径
が小さくかつアスペクト比が大きいことが好ましい。先
端曲率半径が大きいと電子放出抵抗が高く、その上ゲー
トなどの駆動電極との間の寄生容量が大きくなり、低電
圧動作が困難であるためである。また、突起先端のみの
曲率半径が小さくても、突起のアスペクト比が小さい
と、突起底面積が大きくなり、半導体デバイスとしての
集積度向上が図れず、また上述のような寄生容量を増大
させる原因ともなる。従ってアスペクト比が大きい突起
が望まれる。

【０００５】ところが、例えば、図２（ａ）及び図２
（ｃ）等に示す突起では、突起の先端直径は１００ｎｍ
〜３００ｎｍ、突起の底角は３０゜程度であり、アスペ
クト比で１程度の突起しか作製することができなかっ
た。また、図２（ｂ）の突起は、突起先端の曲率半径を
５ｎｍ以下とできることが上記文献中に記載されている
が、突起の底角は図示するように３０゜程度であり、図
２（ａ）に示す突起の底面積と同程度を占有してしま
う。

【０００６】このように従来の作製方法では、先端が小
さく鋭く、かつ底面積の小さな高アスペクト比の突起を
形成することができなかった。

【０００７】本発明は、先端が小さくかつ底面積も小さ
い鋭い錐体の提供及びそのような錐体に適した製造方法
を提案することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体装置は、半導体材料基板又は半
導体材料層の所定位置に形成された不純物析出領域をマ
イクロマスクとして該材料基板又は材料層を高選択比異
方性エッチングして形成した錐台であって、該錐台は、
前記不純物析出領域を頂点として形成されたものであ
り、先端付近の曲率半径が数ｎｍ〜十数ｎｍ又は先端付
近の直径が概ね数ｎｍ〜３０ｎｍで、アスペクト比がお
よそ１０又はそれ以上の錐体形状を有し、さらに、該錐
台の先端は中央部が一部除去された環形状を備えること
を特徴とする。

【０００９】このような本発明に係る微小な錐体形状
は、以下のような原理に基づき形成される。図１は、錐
体形成原理を示している。半導体材料基板（以下の説明
ではシリコン基板を例にする）には、不純物として例え
ば酸素が導入されている。なお、本発明において不純物
とは、材料基板又は材料層の主成分と異なる元素を意味
する。但し該主成分が複数の元素を有する場合には、そ
の内の一部のみの元素も本発明で不純物を意味する。

【００１０】このような酸素が導入されたシリコン基板
に対し熱処理を行うと、酸素が導入されていた領域には
不純物析出領域として酸素析出領域（酸素析出欠陥Ｓｉ
Ｏ₂）が形成される（図１（ａ）→（ｂ）参照）。熱処
理後、このシリコン基板に対しＳｉＯ₂ 選択比の大きい
条件で異方性エッチングを施すと、Ｓｉ結晶とエッチン
グレートの異なる（ここでは、Ｓｉ結晶よりもエッチン
グされ難い）酸素析出物がマイクロマスクとなり、この
マスクを頂点としてＳｉ錐体がエッチング露出面に形成
される（図１（ｄ））。

【００１１】異方性エッチングは、例えば、シリコン基
板又はシリコン膜中の酸素析出領域をマイクロマスクと
する場合、ハロゲン系（Ｂｒ、Ｃｌ、Ｆ）ガスを含むガ
スを用いてドライエッチング（例えば反応性イオンエッ
チング）により行うことができる。この様な条件でエッ
チングすれば、図１（ｄ）のような酸素析出領域を頂点
とした錐体、ここでは、円錐が得られる。

【００１２】このような原理により得られる本発明に係
る錐台は、上述のようにその先端付近の曲率半径が数ｎ
ｍ〜十数ｎｍで、アスペクト比が１０程度の非常に細長
い針状の錐体である。また、錐台の底角は、例えば８０
゜程度或いはそれ以上と極めて大きくすることができ、
更に錐台の高さを数μｍ程度とすることも可能である。

【００１３】本発明ではこのような錐台の先端がさらに
環形状を備えている。具体的には、錐台の上面から底面
に向かってすり鉢形状（又は逆錐体形状）に除去され
て、錐台の先端には錐台の先端外径と、該すり鉢部分の
径との差に応じた環形状部分が形成されており、その先
端の実効面積が非常に小さくなっている。錐台の先端外
径、つまり環形状の外径数ｎｍ〜３０ｎｍ程度に対し、
環の内径は上記外径との差が例えば２ｎｍ〜４ｎｍに構
成されており、環の幅は例えば１ｎｍ〜２ｎｍ程度であ
る。

【００１４】本発明において、このような環形状先端を
備える錐台は、例えば、以下に示すような方法によって
製造される。即ち、半導体材料基板又は半導体材料層の
所定位置に不純物を導入して不純物析出領域を形成し、
前記不純物析出領域をマイクロマスクとして前記材料基
板又は前記材料層に対して高選択比異方性エッチングを
行い、前記材料基板又は前記材料層のエッチング露出面
にマイクロマスク部分を頂点とする錐台を形成する。錐
台形成後エッチングにより前記錐台上面を露出させ、そ
の後、高選択比異方性エッチングを行って前記錐台の上
面から底面に向かってすり鉢状に錐台の先端部分をエッ
チングすることで、環形状の先端を有する錐台が得られ
る。

【００１５】錐台上面にすり鉢状部分が形成されるの
は、マイクロマスクを用いて基板等をエッチングして錐
台を形成する際、錐体の側壁に形成される側壁保護膜の
存在に起因する。

【００１６】つまり、マイクロマスクを頂点として錐台
を形成した後、さらにエッチングを行って、マイクロマ
スクが除去され錐台上面が露出した際、錐台上面の外径
部分は、側壁保護膜に覆われている。このため、エッチ
ングを続けても上面の外径部分はエッチングされず、錐
台の上面の中央から優先的にエッチングが進むこととな
る。この結果、錐台の上面中央部が自動的にエッチング
され、ここにすり鉢状又は逆錐体状に孔が形成されるの
である。このような原理により錐台の上面から形成され
るすり鉢状部分は、その外径（環の内径）に対する深さ
の比であるアスペクト比が、およそ１０又はそれ以上あ
り、非常に鋭い形状のすり鉢状部分が錐台上面に形成さ
れるため、錐台の先端の環幅は非常に狭くなる。

【００１７】エッチングによって形成される錐台及びす
り鉢状部分のアスペクト比は、例えばその異方性エッチ
ングに用いる混合ガスの混合比などを制御することによ
って１０以上とできる。但し、必要に応じて１０より小
さくすることも可能である。

【００１８】また、エッチング条件が同じであれば、複
数の不純物析出領域をそれぞれマイクロマスクとして得
られる複数の錐台の底角は同一基板上で一定となり、各
錐台は相似形状となる。そこで、例えば、不純物析出領
域の平面位置及び深さ位置が所望位置となるように該領
域を形成することで、半導体材料基板又は半導体材料層
中の所定位置に、鋭くかつ同じ形状・大きさの複数の錐
体を形成することができる。また、このマイクロマスク
を除去して露出した錐台の上面をさらにエッチングする
ことによって形成されるすり鉢状部分についても、各錐
台において、底角がほぼ一定で、相似形状をとる。そし
て、錐台及びすり鉢状部分の底角は、典型的には例えば
８０゜程度と非常に急峻な形状とすることができる。

【００１９】更に、本発明において、例えばシリコン材
料基板又は層に対して所定量の酸素を導入するととも
に、シリコンより酸素と結合しやすいボロンイオンなど
を導入する方法も適用でき、これによりマイクロマスク
をより確実に形成することが可能となる。

【００２０】

【発明の好適な実施の形態】以下、本発明の好適な実施
の形態（以下、実施形態という）について図面を参照し
て説明する。

【００２１】［実施形態１］図３は、本発明の実施形態
１に係る錐台の概要を示している。本実施形態１では錐
体は、円錐であり、以下の説明において、錐台として
は、円錐台を例に挙げて説明する。図３の（ａ）は円錐
台を側方から見た場合の構造、（ｂ）は該円錐台をその
先端方向からみた場合の平面構造を示している。そし
て、この円錐台は、その上面がすり鉢状に除去されてい
ることで、円錐先端が環形状を備えている。なお、円錐
台以外の錐台の場合、その先端は、錐台の側壁に沿った
環形状（例えば、多角形の角錐台の場合、対応する多角
の環形状）を備えている。

【００２２】半導体材料基板内又は所定半導体材料層内
の特定領域に不純物析出領域を作製してマイクロマスク
を形成し、このマイクロマスクに対して高選択比の異方
性エッチングを施すことで、エッチング露出面にマイク
ロマスクを頂点とする円錐台を形成する。エッチングを
続行すると、マイクロマスクが除去され、更にエッチン
グを続けることで露出した円錐台の上面の中央部から円
錐台下面に向かってすり鉢状にエッチングが進行し、こ
れにより、図示するような環形状の先端を有する円錐台
が得られる。

【００２３】得られる円錐台の先端付近の曲率半径は、
数ｎｍ〜十数ｎｍで、アスペクト比が１０程度であり、
非常に細長い針状の円錐を作製することができる。円錐
台の底角は、例えば８０゜程度或いはそれ以上に大きく
することができる。更に円錐台の高さは、数μｍ程度と
することも可能である。円錐台の上面の直径が数ｎｍ〜
３０ｎｍ程度の場合に、上面に形成されるすり鉢状部分
の直径は、円錐台上面直径より例えば２ｎｍ〜４ｎｍ程
度小さい。これにより、円錐台先端に残される環状部
は、１ｎｍ〜２ｎｍ程度の肉厚さ（幅）となる。すり鉢
形状は、円錐台と概ね相似形であって、上面での直径に
対する深さを表すアスペクト比は円錐台と同等の１０程
度、底角も８０゜程度を得ることができる。

【００２４】（製法例１）図４及び図５は、このような
本実施形態１に係る円錐台の製造方法の一例を示してい
る。なお、以下においては、半導体材料基板としてシリ
コン基板を用い、このシリコン基板中に、不純物として
酸素を導入してマスクとして機能する酸素析出領域（析
出欠陥）を形成する場合を例に挙げて説明する。また、
使用するシリコン基板１０が酸素を高濃度に含有してい
ると、その酸素自身が析出してマイクロマスクとなって
しまう。従って、本実施形態においては、低酸素濃度基
板（例えば、酸素濃度１０¹⁰／ｃｍ³）を用いる。

【００２５】低酸素濃度のシリコン基板１０を洗浄した
後（図４（ａ））、シリコン基板１０の表面にフォトリ
ソグラフィによりレジストパターンを形成し、レジスト
１２の開口部に例えばイオン注入法によって不純物とし
て酸素イオンを基板１０の所定深さ、例えば約０．２μ
ｍ程度の深さに注入する（図４（ｂ））。

【００２６】酸素イオン導入後、レジスト１２を除去
し、基板１０に対し、所定条件下で（例えば、６００℃
〜１１００℃の温度、酸化性又は非酸化性雰囲気）、熱
処理を行う。これにより、レジスト１２の開口領域の所
定深さ（例えば基板表面から２μｍ程度）に、酸素析出
欠陥（ＳｉＯ₂）、つまりマイクロマスクとなる酸素析
出領域１４が形成される（図４（ｃ））。なお、このマ
イクロマスク１４は、例えばその直径が１０ｎｍ〜３０
ｎｍ程度となるように形成する。

【００２７】熱処理が施された基板１０には、酸化性雰
囲気で熱処理を行った場合にはＳｉＯ₂膜が形成され、
また非酸化性雰囲気で熱処理を行った場合にも、その表
面に酸化膜が形成されており、酸化膜があるとこれがマ
スクになって異方性エッチングが進まない。従って、ま
ずこの酸化膜を除去し、その後、高選択比の異方性エッ
チング、例えばＲＩＥ（reactive ion etching）を行
う。この異方性エッチングにより、シリコン基板１０の
エッチング露出面には、図５（ａ）に示すように、エッ
チング量に応じた高さの円錐１８が酸素析出領域（マイ
クロマスク）１４を頂点として形成され始める（ハーフ
エッチ状態）。

【００２８】異方性エッチングでは、エッチング装置内
に、別途ガス供給装置からエッチングガスを供給してエ
ッチングを行うが、エッチングガスとしては、例えば、
シリコン基板中の酸素析出物に対し、一般的なマグネト
ロンＲＩＥ装置を用いてエッチングを行う場合に、ハロ
ゲン系混合ガス（例えば、ＨＢｒ／ＮＦ₃ ／Ｈｅ＋Ｏ₂
混合ガス）を用いることが好適である。このハロゲン系
のエッチングガスは、シリコン中の酸素析出領域（析出
欠陥）に対し、そのエッチング選択比がＦ、Ｃｌ、Ｂｒ
の順で選択比が高くなる。従って、この異方性エッチン
グによって円錐を確実に形成するためには、Ｂｒ系ガス
が最も好ましく、以下Ｃｌ、Ｆの順となる。なお、エッ
チングの際に発生する反応生成物などが、円錐台の側壁
に付着することで側壁保護膜１６が形成され、この側壁
保護膜１６の存在により、エッチング時に円錐形状が維
持される。

【００２９】所定深さまでこのようなＲＩＥを進めてい
くことで、図５（ｂ）のように元の表面から所定深さに
形成されていたマイクロマスク１４についてもエッチン
グにより除去され、円錐台１８の上面が露出する（ジャ
ストエッチ状態）。

【００３０】さらにエッチングを続けて、オーバエッチ
ングを行うと、円錐台１８の上面の外径側は側壁保護膜
１６で覆われていてエッチングが阻止されるため、上面
の中央部分から優先的にエッチングが進む。これによ
り、図５（ｃ）に示すように円錐台１８の上面中央から
底面に向かってエッチングが進み、すり鉢状部分２０が
形成され、円錐台１８の先端が環形状となる。また、す
り鉢状部分２０の側壁にもエッチングにより発生した反
応生成物などが付着して側壁保護膜１６が形成されるた
め、すり鉢形状がエッチング時に維持されることとな
る。なお、オーバエッチングにより形成されるすり鉢状
部分２０の深さと同程度だけ基板１０の表面はさらにエ
ッチングされ、その分円錐台１８の高さが増すこととな
る。

【００３１】以上のようにしてシリコン基板上に形成さ
れる円錐台１８は、アスペクト比１０程度或いはそれ以
上、先端の直径１０ｎｍ〜３０ｎｍ（曲率半径数ｎｍ〜
十数ｎｍ程度）、円錐の底角が８０゜以上、例えば８５
゜などの値を示し、また高さが数μｍの鋭く高アスペク
ト比の円錐形状となる。また、円錐台の底面付近の直径
は例えば０．５μｍ程度と非常に小さい。さらに、円錐
台１８の上面には円錐台とほぼ相似形のすり鉢状部分２
０が形成される。すり鉢状部分２０の直径は、オーバエ
ッチング時間の制御により、円錐台１８の上面直径より
例えば２ｎｍ〜４ｎｍ程度小さくなるように形成でき、
例えば上述のように円錐台先端に形成される環状部分を
１ｎｍ〜２ｎｍ程度の肉厚さ（幅）とできる。従って、
円錐台の先端の実効面積は、図３（ｂ）に斜線で示す環
部分となり非常に小さくなる。

【００３２】なお、ＲＩＥを施すことによって円錐台１
８及びすり鉢状部分２０の側壁に形成される側壁保護膜
は、異方性エッチング終了後、基板１０を例えば希フッ
酸に浸すことで除去することができる。但し、この側壁
保護膜除去工程は必ずしも必要ではなく、省略しても良
い。

【００３３】上述のような環形状の先端を備える円錐台
は、具体的には例えば以下のような条件により形成する
ことができる。

【００３４】基板１０としてはシリコン基板を用い、さ
らに含有酸素濃度が１．６×１０¹⁸ｃｍ^-3のＣＺ基板を
用い、このＣＺ基板を６００℃〜１１００℃の範囲、例
えば１０００℃、酸素雰囲気で２２５分間熱処理して、
シリコン基板中にマイクロマスクとなる約２０ｎｍ酸素
析出領域（ＳｉＯ₂）を形成した。次に、基板表面の自
然酸化膜を除去し、その後、一般的なマグネトロンＲＩ
Ｅ装置を用い、ＨＢｒ／ＮＦ₃ ／Ｈｅ＋Ｏ₂ 混合ガスを
用いてシリコン基板を高選択比異方性エッチングした。
なお、このＲＩＥは、マイクロマスク１４となるＳｉＯ
₂に対するエッチング性がＳｉ単結晶に対するエッチン
グ性の２００分の１（選択比２００）の条件とした。図
５（ｃ）のオーバエッチング終了状態で基板表面からの
エッチング深さは６μｍとした。この深さまでエッチン
グすると、元のシリコン基板表面から２μｍまでの深さ
に形成されていたマイクロマスク１４はこの状態では全
てエッチングによって除去される。従って、元のシリコ
ン基板表面から２μｍより浅い位置に形成されたマイク
ロマスク１４を頂点とする円錐台１８の上面は、上記本
発明の原理により、すり鉢状にオーバエッチングされ、
先端が環形状の円錐台１８が得られた。

【００３５】図６は、このようにして得られた先端が環
形状の円錐台をＴＥＭ断面観察像を図示化したものであ
り、円錐台形成後、側壁保護膜を除去する前の状態を表
している。図６に示されるようにシリコン基板上には高
さ４μｍ程度の円錐台が得られると共に、先端部のすり
鉢状部分の底角は８０゜程度、円錐台先端部に残った環
の幅は１〜２ｎｍ程度であった。

【００３６】従って、図６からも明らかなように、酸素
析出領域をマイクロマスクとして異方性エッチングを行
うことで、先端曲率が小さくかつアスペクト比の大きい
円錐台であって、その先端が環形状を備えるものを実際
に形成できることがわかる。

【００３７】（製法例２）上記製法例１では、マイクロ
マスク１４をマスクとして円錐台を形成した後、更にオ
ーバエッチングすることで円錐台の先端にすり鉢状部分
を形成している。これに対し、円錐台の高さを基板上で
より均一とするために、異なるエッチング条件の組合せ
を利用した製法によって円錐台を形成することもでき
る。

【００３８】以下、製法例２としてエッチング条件の組
合せによる製法について図７を参照して説明する。な
お、基板上に所望レジストパターンを形成して選択的に
酸素イオンを注入し、熱処理することで直径１０ｎｍ〜
３０ｎｍのマイクロマスクを形成するまでの工程は、上
述の図４（ａ）〜（ｃ）と同様の方法で行う。図４
（ｃ）のように基板１０の所定位置にマイクロマスク１
４を形成した後、マイクロマスク形成のための熱処理時
に形成される酸化膜を除去し、ＲＩＥなどの高選択比の
異方性エッチングを行う。これにより、図７（ａ）に示
すように、マイクロマスク（酸素析出領域）１４を頂点
とした円錐台が形成されていく。所定量この高選択比異
方性エッチングを行ったところで、エッチング条件を低
選択比に変更し、マイクロマスク１４を図７（ｂ）に示
すようにエッチング除去し、円錐台１８の上面を露出さ
せる。なお、円錐台１８の側壁は、側壁保護膜１６に覆
われていてエッチングが進み難く、円錐形状が維持され
る。一方、基板１０の表面はこの低選択比エッチングに
よってエッチングされ、円錐台１８の高さが増してい
く。

【００３９】図７（ｂ）に示すように、円錐台１８の上
面が露出したところで、エッチング条件を再び高選択比
異方性エッチングに変更する。これにより、露出した円
錐台１８の上面は、側壁保護膜１６のない中央付近から
優先的にエッチングされ、すり鉢状（底角８０゜以上で
高アスペクト比）部分２０が円錐台１８の先端に形成さ
れ、環状の先端が形成される。円錐台１８の先端にすり
鉢状部分２０が形成される原理は、上記製法例１と同様
である。

【００４０】以上の製法例２の方法のように、マイクロ
マスク１４を低選択比エッチングによって取り除いてか
ら、露出した円錐台に高選択比エッチングを行うこと
で、円錐台１８の高さを基板平面上で均一とすることが
できる。更に、各円錐台１８の上面が露出してから、同
一条件で高選択比異方性エッチングを行うので、円錐台
１８の上面に形成されるすり鉢状部分２０を均一な直径
とすることが可能となる。このため、最終的に基板上に
形成される環状先端を有する円錐台は均一な大きさ（特
に高さ）となり、また、先端の環の大きさを等しくでき
る。

【００４１】（製法例３）本製法例３は、円錐台の大き
さを基板上でより均一とするための上記製法例２と更に
異なる方法である。以下、この製法例３について図８及
び図９を用いて説明する。図８（ａ）〜（ｃ）の工程
は、上述の図４（ａ）〜（ｃ）と実質的に同一である。
非常に小さいマイクロマスク（酸素析出物）をシリコン
基板中に形成した後、高選択比異方性エッチングを行う
ことで図８（ｄ）に示すように、マイクロマスクを頂点
とする円錐を形成する。

【００４２】円錐形成後、図９（ａ）に示すように、Ｓ
ｉＯ₂膜をＣＶＤなどにより基板上の円錐が埋まるよう
に基板全体に成膜する。次に、図９（ｂ）に示すよう
に、ＳｉＯ₂膜によって全面が覆われた基板の表面をＣ
ＭＰ（chemical mechanical polish）又はエッチバック
等によってエッチングし、シリコンの円錐先端をエッチ
ング表面に露出させる。特に円錐の先端がある程度エッ
チングされて円錐台形状となるまでエッチングを行うこ
とが好適である。図９（ｂ）のように円錐の先端を露出
させた後、円錐を埋め込んだＳｉＯ₂膜はそのままで、
ＲＩＥなどの高選択比異方性エッチングを行う。このエ
ッチングにより、露出した円錐の上面がエッチングされ
ることとなる。ここで、上面の外周（円錐の側壁部分）
はＳｉＯ₂膜で覆われているため、高選択比異方性エッ
チングは、シリコンからなる円錐部分、特に露出した円
錐の上面の中央部から優先的に進み、この結果、図９
（ｃ）に示すように、円錐上面にすり鉢状部分が形成さ
れる。すり鉢状部分を形成した後、図９（ｄ）に示すよ
うに、円錐を埋め込んでいるＳｉＯ₂膜を取り除けば、
基板上に突出した先端が環状の円錐が得られる。以上の
ように、この製法例３では、形成した円錐を一旦埋め込
み、埋め込んだ膜を一律にエッチングしていくことで、
予め円錐の先端位置（先端の高さ）を揃えてから、円錐
上面にすり鉢状部分を形成する。従って、最終的に得ら
れる円錐台の高さを基板上で同一とできる。円錐の頂点
が各円錐で概ね同じ高さであれば、各円錐の形状は同じ
となり、円錐台の上面位置が均一であれば、上面の面積
が均一となる。その上、すり鉢状部分の形成が、各円錐
台に対し同一の条件（特に、同一エッチング時間）で実
行されるため、すり鉢状部分の直径にバラツキが生じ難
い。このため、基板上に形成される先端が環状の複数の
円錐台をより均一な形状とすることができる。

【００４３】以上の実施形態１において、円錐台の先端
径、高さ、すり鉢状部分の径、深さなどは、マイクロマ
スクのサイズ、エッチングのマスクと基板に対する選択
比、エッチング量などを制御することで所望の値に形成
することができる。また、上記具体例では、マイクロマ
スクとなるＳｉＯ₂の原料となる酸素を元々含有するシ
リコン基板を用いたが、図４に示すようにイオン注入で
酸素を導入すれば高さの揃った複数の円錐台を基板上の
所望位置に形成することができる。

【００４４】以上本実施形態１においては半導体材料基
板としてシリコン基板を用いた場合を例に挙げている
が、これに限らずシリコン以外の他の材料基板でもよ
い。また、半導体材料層としては、半導体或いは絶縁体
基板上に形成された単結晶シリコン層又はその他の材料
層でもよい。また、マイクロマスクは、Ｓｉ材料中の酸
素析出物（ＳｉＯ₂）に限らず、エッチングガス及びエ
ッチング条件を材料に応じて適切なものとすることで、
Ｓｉ材料中の窒素析出物（ＳｉＮ）、炭素析出物（Ｓｉ
Ｃ）であってもよい。なお、この場合、析出物ＳｉＮ、
ＳｉＣに対するエッチング材料としては、上記ＳｉＯ₂
の場合と同様に異方性エッチングのエッチングガスとし
てフッ素系のガスを用いることが可能である。そして、
これらＳｉＮ、ＳｉＣに対して例えばフッ素系ガス材料
を用いて異方性エッチングすることで、これら頂点とし
た円錐台を形成することができ、さらに円錐台形成後、
オーバエッチングすることで先端を環形状とすることが
できる。また、ＳｉＯ₂材料中のＳｉは、主成分ＳｉＯ₂
と異なるエッチングレートを有する不純物と考えること
ができ、これをマイクロマスクとして円錐台を形成する
こともできる。更に、ＳｉＮ材料中のＳｉ、或いはＳｉ
Ｃ材料中のＳｉをそれぞれマイクロマスクとして円錐台
を形成することも可能である。

【００４５】［実施形態２］次に、上記実施形態１の円
錐台を電界電子放出素子などの電子放出源に用いた場合
の一例を実施形態２として説明する。

【００４６】図１０は、電界電子放出素子を用いた発光
装置の構造を示している。図１０において、シリコン基
板１０上には、実施形態１に示した方法によって先端が
環形状を備える円錐台１８が形成されている。円錐台１
８の側壁保護膜を除去した後、Ｓｉ円錐台１８を埋める
ように絶縁層（例えばＳｉＯ₂）層２４を形成し、絶縁
層２４上にゲート電極２６となる多結晶シリコン（ｐｏ
ｌｙ−Ｓｉ）層を形成する。フォトリソグラフィ等によ
ってＳｉ円錐台１８の形成領域上においてｐｏｌｙ−Ｓ
ｉ層を除去してゲート電極２６を形成する。次に、ゲー
ト電極２６の開口部で露出した絶縁層２４をＲＩＥなど
によってエッチングすることで、ゲート電極２６の開口
部に、基板と同一材質のＳｉ単結晶からなるＳｉ円錐台
１８を露出させる。これにより素子構造体基板３０が得
られる。

【００４７】さらに、この構造体基板３０に向き合うよ
うに、ＲＧＢなどの蛍光材料層４０の形成された基板４
２を配置する。このような構成において、所定位置のゲ
ート電極２６に所定の駆動電圧を印加してＳｉ円錐台１
８の先端より電子（ｅ^-）を放出させれば、対応する領
域の蛍光材料層４０を発光させることができ、所望の表
示が行われることとなり、円錐台１８を電界電子放出源
（微細電子銃）等として用いた装置、例えばカラー平面
ディスプレイ（ＦＥＤ）などが構成される。なお、１つ
のゲート電極開口部領域に複数のＳｉ円錐台１８が形成
されている構成でもよい。

【００４８】［実施形態３］次に上記実施形態１の円錐
台を単電子トランジスタとして用いた場合の一例を実施
形態３として説明する。

【００４９】図１１は、上述円錐台を単電子トランジス
タとして用いた場合の構造例を示している。図１１にお
いて、単電子トランジスタは、針状結晶（円錐台）底部
にソース、針状結晶先端部のすり鉢部分の周囲にゲート
電極、針状結晶情報にドレイン電極を形成した３端子素
子である。

【００５０】そして、この単電子トランジスタは、円錐
台のすり鉢状の微細構造部に縦方向に電流を流すことを
特徴としている。針状結晶及び基板の導電型は、同一で
あればｎ型でもｐ型でも良い。ゲート電極としては、針
状結晶先端部分の周囲を取り囲むように形成した多結晶
シリコンを用いた。ドレイン電極と針状結晶先端のすり
鉢部分には、熱酸化膜などの絶縁物を形成した。但し、
この絶縁物は形成しなくても良い。絶縁物が形成されて
いる場合、伝導時に先端には電界集中が起き、絶縁破壊
が発生して電流経路が形成される。

【００５１】針状結晶先端のすり鉢状の微小領域は、１
ｎｍ〜２ｎｍであり、電子はその領域を流れる。そのた
め、電子にとってすり鉢状部分に存在する欠陥や不純物
トラップなどが無視できなくなり、それらに起因した量
子ドットが電子に影響を及ぼす。結局、量子ドットの上
下に電流経路が形成され、量子ドットの電位がゲート電
極によって変化する縦型単電子トンネル現象が発現す
る。すり鉢状領域の電位を制御して量子ドットの電位を
制御し単電子トンネルが起きるか起きないか（クーロン
ブロッケードが起きるか起きないか）を制御する。この
様子を図１２に示す。本実施形態の構造は、針状結晶の
先端が１ｎｍ〜２ｎｍ程度（環の幅）であるため、従来
の単電子トランジスタよりも、室温で明瞭な特性（量子
効果）が得られる。

【００５２】なお、本発明において、上述の実施形態１
に示すような円錐台は、上記実施形態２で例示したよう
なＦＥＤや量子効果デバイス等に限らず、その他高周波
のスイッチングデバイスや、走査型顕微鏡の探針等など
として利用することも可能である。

【００５３】以上各実施形態では、錐台として円錐台、
錐体として円錐を利用した例を説明しているが、本発明
では、円錐台（円錐）に限らず、楕円錐（台）、多角錐
（台）も適用可能である。そしてこれらの錐台（錐体）
は、上記円錐台（円錐）形成時のエッチング条件を所望
の条件とすることで形成することができる。

【００５４】

【発明の効果】以上示したように、本発明の半導体装置
又はその製造方法によれば、極めて鋭く細い円錐台であ
って、その先端が環形状で先端面積が非常に小さい円錐
台を形成することが可能となる。

【００５５】このような円錐台は、基板中などにマイク
ロマスクとなる析出領域を形成し異方性エッチングを行
うことでこのマイクロマスクを頂点として形成され、さ
らにオーバエッチングを行うことでその先端を環形状と
できるため、例えばフォトリソグラフィなどの露光解像
度の限界よりさらに小さいサイズの円錐台を容易に作製
することが可能となる。

【００５６】また、本発明のような円錐を各種半導体デ
バイス素子に用いた場合、例えば円錐の先端と所定の駆
動電極などとの間の寄生容量を小さくでき、スイッチン
グデバイス等に利用した場合には、スイッチングの高速
化を図ることができる。また本発明の円錐台は、先端の
実効面積が小さい上に、アスペクト比が大きいため円錐
台の底面を非常に小さく形成できる。よって素子の集積
化に非常に有利である。更に、円錐の先端より電子を放
出させる場合には、円錐先端が非常に細いことから電子
の放出、量子細線効果が起こりやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の円錐台の形成原理を模式的に示す図
である。

【図２】 本発明で得られる円錐台及び従来の突起を示
す図である。

【図３】 本発明に係る円錐台の構造を示す図である。

【図４】 円錐台の作製方法を説明するための図であ
る。

【図５】 円錐台の作製方法を説明するための図であ
る。

【図６】 本発明に係る円錐台を実際に作製した際のＴ
ＥＭ写真像を作図化した図である。

【図７】 円錐台の他の作製方法を説明するための図で
ある。

【図８】 円錐台の更に別の作製方法を説明するための
図である。

【図９】 図８に続く円錐台の作製方法を説明するため
の図である。

【図１０】 本発明の円錐台を用いた実施形態２に係る
電界電子放出素子を用いた発光装置の構成を示す図であ
る。

【図１１】 本発明の円錐台を用いた実施形態２に係る
単電子トランジスタの構成を示す図である。

【図１２】 図１１の単電子トランジスタの示す単電子
効果を表す図である。

【符号の説明】

１０ 基板、１２ レジスト、１４ マイクロマスク
（析出欠陥）、１６ 側壁保護膜、１８ 円錐台、２０
すり鉢状部分、２４ 絶縁層、２６ ゲート電極、３
０ 素子構造体基板、４０ 蛍光材料層、４２ 基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 光嶋 康一 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 5C031 DD09 DD19 5C036 EF01 EF06 EG02 EG12 5F004 AA02 DA00 DA17 DA22 DA26 DB01 EA03 EA06 EA07 EB08 FA02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体材料基板又は半導体材料層の所定
   位置に形成された不純物析出領域をマイクロマスクとし
   て該材料基板又は材料層を高選択比異方性エッチングし
   て形成した錐台であって、 該錐台は、前記不純物析出領域を頂点として形成された
   ものであり、その錐台先端付近の曲率半径が数ｎｍ〜十
   数ｎｍ又は先端付近の直径が概ね数ｎｍ〜３０ｎｍで、
   アスペクト比がおよそ１０又はそれ以上の錐体形状を有
   し、 さらに、該錐台の先端は中央部が一部除去された環形状
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体装置において、 該錐台の先端には、該錐台の上面から錐台の底面に向か
   って錐体内部がエッチングされたすり鉢状部分が形成さ
   れ、前記環形状の先端が構成されていることを特徴とす
   る半導体装置。
3. 【請求項３】 半導体材料基板又は半導体材料層の所定
   位置に不純物を導入して不純物析出領域を形成し、 前記不純物析出領域をマイクロマスクとして前記材料基
   板又は前記材料層に対して高選択比異方性エッチングを
   行い、前記材料基板又は前記材料層のエッチング露出面
   にマイクロマスク部分を頂点として錐台を形成し、 錐台形成後エッチングにより前記錐台上面を露出させ、
   その後、高選択比異方性エッチングを行って前記錐台の
   上面から底面に向かってすり鉢状に錐台の先端部分をエ
   ッチングし、環形状の先端を有する錐台を形成すること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。