JP2004500250A - 広範囲なワイヤを形成するためのナノスケール・パターン形成 - Google Patents
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Abstract
Description
関連出願の相互参照
本出願は、「Chemically Synthesized and Assembled Electronic Devices」と題する出願番号09/280,048号に関連し、この出願は、1993年3月29日に出願され、ナノスケール・コンピューティングおよびメモリ回路に使用されるナノワイヤを対象としている。また、本出願は、「Molecular Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications」と題する出願番号09/280,225号、「Molecular Wire Crossbar Logic (MWCL)」と題する出願番号09/280,045号、「Molecular Wire Crossbar Memory」と題する出願番号09/280,189号、「Molecular Wire Transistor (MWT)」と題する出願番号09/280,188号に関連し、これらの出願はすべて、1999年3月29日に出願されており、すべてナノコンピューティングに利用されるメモリおよび論理回路の様々な態様を対象としている。
【0002】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、ナノスケール・コンピューティングおよびメモリ回路を対象とし、より詳細には、装置応用のためのナノワイヤ(nanowire)の形成を対象とする。
【0003】
【従来の技術】
集積回路装置のフィーチャ・サイズが小さくなり続けるのに伴い、ますます細かなリソグラフィ定義によるパターン形成が必要になっているため、技術のさらなる進歩が制限されている。その結果、ナノスケール・スイッチング素子を形成するために、セルフアセンブル型法(self−assembly technique)に多くの努力が払われるようになってきている。これについては、C.P. Collierらによる「Electronically Configurable Molecular−Based Logic Gates」Science, Vol. 285, pp.391−394 (16 July 1999)を参照されたい。セルフアセンブル型スイッチング素子がSi集積回路の上に集積され、それにより、そのセルフアセンブル型スイッチング素子を、下にある基板内の通常のSi電子回路によって駆動することができる。スイッチング素子に対応するためには、10nm未満の幅と1μmを超える長さを有するナノスケール相互接続またはワイヤを必要とする。通常の電子回路をセルフアセンブル型スイッチング素子に接続するセルフアセンブル型ワイヤは、下にある回路で定義された位置に固定され、Si集積回路処理と相性のいい材料で作成されなけばならない。
【0004】
最近の報告書には、AuやFeなどの金属によるSi含有ガスの触媒分解によって、長い「ナノワイヤ」を形成できることが示されている。これは、例えば、J. Westwaterらによる「Growth of silicon nanowires via gold/silane vapor−liquid−solid reaction」, Journal of Vacuum Science and Technology B, Vol.15, pp. 554乃至557 (1997年5月/6月)と、A.M. Moralesらによる「A Laser Ablation Method for the Synthesis of Crystalline Semiconductor Nanowires」, Science, Vol. 279, pp.208乃至211 (1998年1月9日)を参照されたい。これらの研究は、しばしばVLS法(vapor−liquid−solid mechanism)と呼ばれる初期に開発された技術に基づくものであった。金属とSiを含む液体合金の液滴を、ワイヤの先端に付け、ワイヤの成長端と共に移動させる。ワイヤは、気相で形成されてもよく、基板上に一端が固定されてもよい。これについては、J.L. Liuらによる「Gas−source MBE growth of freestanding Si nano−wires on Au/Si substrate」, Superlattices and Microstructures, Vol.25, No.1/2, pp.477乃至479 (1999)を参照されたい。しかしながら、AuとFeがSi内に急速に移動し、深い準位を作成し、これは、従来のSi集積回路技術によって形成されたアドレス指定回路やシステムの他の部分などの素子を劣化させることがある。
【0005】
チタンとTiSi2は、集積回路技術と相性がよく、シリコンおよび多結晶シリコン導電領域の抵抗を減少させるためにSi回路によく使用される。Tiは、Si内に深い準位を形成するが、Siにおける溶解度と拡散係数は低く、中間ギャップに深い準位はない。適切な処理により、一般に、Tiは集積回路機構に受け入れられる。
【0006】
シリコンや炭素などの他の材料の長くて細い「ナノワイヤ」は、気体前駆物質の触媒強化反応によって形成することができる。これについては、例えば、前述の特許出願09/280,048号を参照されたい。触媒は、多くの場合、基板の表面上にあるかまたは反応器雰囲気中に浮遊した金属含有ナノ粒子である。ナノワイヤは、電子装置や他の装置において、スイッチなどの電子素子への接続または電子素子自体として有用なことがある。これについては、例えば、前述の特許出願09/280,225号、09/280,045号、09/280,189号および09/280,188号を参照されたい。しかしながら、そのような自立型のワイヤの配置の制御は困難であり、したがって、そのようなナノワイヤを実際の集積回路に使用することは困難である。
【0007】
ナノワイヤの製造は、論理回路、クロスバー・メモリなどの装置応用には重要である。これまで大規模装置に使用されていた2つのリソグラフィ製造方法は、電子ビームとX線を含む。電子ビームの代表的なサイズは、約20nmであり、表面にビームをラスタリングする必要がある。X線ビームの代表的なサイズは、約50nmであり、X線ビームを集束することができるレンズはない。また、X線を使用するためにはシンクロトロンが必要であり、したがってきわめて費用がかかる。どちらの手法も、ナノワイヤの製造に必要な約10nmのビームを生成したり使用したりすることができない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
いずれにしても、10nmまでのパターン形成における限界寸法を、現在達成することはできない。本発明は、この問題を解決し、10nmより小さい幅とマイクロスケールの寸法にまで及ぶ長さとを有するナノワイヤの製造を可能にし、それにより、ラスタリングの困難さとシンクロトロンのコストを回避し、同時にナノワイヤの配置をより正確に制御できるようにする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明により、装置応用のためのナノスケール・ワイヤを形成するのに有用な圧盤(platen)を形成する方法が提供される。この方法は、
(a)主面を有する基板を提供する段階と、
(b)基板上に2つの異種材料の複数の交互層を形成して、基板の主面と平行な主面を有するスタックを形成する段階と、
(c)スタックを主面と垂直に切断して複数の交互層を露出させる段階と、
(d)一方の材料を他方の材料と異なる速度でエッチングするエッチング液を使用して、露出した複数の交互層を、選択された深さにエッチングして、それにより、表面に広範囲なくぼみのストリップ(strip of indentationstrip)を設け、ナノインプリンティング技法(nano−imprinting technology)のための原型を成形するのに有用な圧盤を形成する段階とを含む。
【0010】
次に、圧盤のパターンは、次にさらに他の処理に使用されるパターンのネガ(negative)を形成するようにより柔軟な材料を含む基板に転写される。
【0011】
また、本発明によれば、ナノインプリンティング装置すなわち圧盤は、2つの異種材料の複数の交互層を含み、一方の材料の層と他方の材料の層が相対的にエッチングされて一方の材料のくぼみが形成される。それぞれの材料は単独で、約0.4nm乃至数百nmの範囲の厚さを有する。次に、装置は、刻印される面に対してくぼみが平行になるように向けられ、くぼみによって作成されたパターンが、その面に刻印される。
【0012】
本明細書において開示され請求されるナノワイヤの製造は、従来技術の問題のすべてではないがほとんどを回避する。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1に示したように、異なる材料AおよびBの複合薄膜を付着させることにより、装置応用のためのナノスケールのストリップを作成する。後で詳しく説明するように、本質的に、材料A 10と材料B 12の複数の交互層が、基板14の主面14aに付着されてスタック16が構成され、また基板の主面と平行な主面16aを有する。材料10と12の間に滑らかな成長面と平らで明確な境界を維持するために、基板14との格子不整合が最小の材料を付着させることが好ましい。
【0014】
次に、図2に示したように、スタック16の主面16aと垂直な線18に沿って層10および12が切断され、断面が露出される。この切断は、異種材料の複数の交互層を切断するのに役立つ任意の従来技法によって行われる。そのような技法は、層AおよびBに使用される材料に関して当技術分野において周知であり、後で考察される。
【0015】
次に、材料B、すなわち層12が、図3に示し後でより詳しく説明するように、ある一定の深さにエッチングされ、それにより表面に、矢印20によって示された広範囲なくぼみのストリップが設けられる。したがって、例えば基板から2番目、4番目、6番目の層がエッチングされる。
【0016】
くぼみ20は、図4に示したように、ナノインプリンティング技術用の層22の原型を成形する圧盤16’として使用することができる。層22は、例えば、半導体材料や金属材料を含むことができる基板24上に形成された熱可塑性重合体を含む。次に、図5に示した層22に形成された重合体ナノワイヤのパターンが、従来のリソグラフィ印刷法およびインク印刷法を使用して金属および/または半導体ナノワイヤに転写される。これについては、X. Sunらによる「Multilayer resist methods for nanoimprint lithography on nonflat surfaces」, Journal of Vacuum Science and Technology, Vol.B16, No.6, pp.3922乃至3925(1998)を参照されたい。
【0017】
下の表Iに、材料Aと材料Bの例を示す。
【0018】
【表1】
【0019】
材料Aと材料Bにエッチング速度の差がある限り、他の半導体の組合せを使用することもできる。材料Bが材料Aよりも早い速度でエッチングされなければならない他は、一方の材料と他方の材料のエッチング速度の比率は重要ではない。材料Aのエッチング量を最少にするために、5倍以上のエッチング速度を採用することが好ましい。
【0020】
材料Bとしてシリコン・ゲルマニウム合金を使用する場合は、シリコンの濃度が、約70乃至90原子百分率(at%)であり、残り(30乃至10at%)が、ゲルマニウムである。材料Aとしてアルミニウム・ガリウム・ヒ素合金を使用する場合、Alの濃度は、数at%乃至100at%の範囲である(AlAs)。合金は、AlxGa1−xAsと表され、ここで、xは、数at%乃至100at%の範囲である。
【0021】
2つの層10、12はそれぞれ、約0.4nm乃至数百nmの範囲の厚さを有し、周知のように、(Si/Si−Ge系の場合)オルガノシランとオルガノゲルマンあるいはAlGaAsとGaAsの適切な前駆物質を使用して、化学蒸着法(CVD)によって付着されると好都合である。代替として、2つの材料の付着に、周知の手順を使用する分子線エピタキシ(MBE)を使用することができる。層AおよびBを形成する特定の方法は、本発明の一部分を構成しない。
【0022】
2つの材料AおよびBは、Si/Si−Ge系の場合にはシリコンあるいはAlGaAs/GaAs系の場合にはガリウム・ヒ素の半導体基板上に付着されると好都合である(表Iを参照)。半導体層を付着させる半導体基板を使用する半導体系では、格子不整合が常に問題であり、基板および材料AとBの選択は、格子不整合による歪みを最小にするように決定される。そのような決定は、当業者の能力の範囲内で容易であり、したがって、過度の実験を構成しない。
【0023】
材料AおよびBの層は、基板上に交互に付着されており、各層は、前に示した範囲内の厚さを有する。A層とB層の数は、装置の要件に依存し、装置が多いほど必要とする平行なワイヤを多く、装置が少ないほど必要とする平行なワイヤが少ない。一般に、A層とB層の数は、それぞれの材料が数層から数千層の範囲である。
【0024】
当業者は、本明細書の教示に基づいて、非周期的なワイヤ配列を作成するために、A層とB層を異なる厚さで形成することができることを理解されよう。例えば、本発明の教示によれば、様々な幅と非周期的構造のワイヤおよび間隔を形成することができる。そのような非周期的な配列は、例えば、多重化のためにより大きいワイヤでクロスバー・ブロックを作成するのに有用である。
【0025】
2つの材料AおよびBのエッチングは、化学的エッチングで行われると有利であり、使用される2つの材料の間に必要なエッチング速度の違いがある既知のエッチング液が使用される。エッチングの深さ(くぼみ20)は、数nm乃至数百nmの範囲でよく、最終的にはナノインプリンティング法によって形成されるナノワイヤの高さの要件に依存する。
【0026】
本明細書において使用されているようなナノインプリンティング法は、熱可塑性重合体のようなより柔軟な材料22に圧盤16’を押しつけ、それによりくぼみ18によって形成されたネガのパターンをより柔軟な材料に転写することを含む。適切な熱可塑性材料の例には、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)とメタクリル酸メチル(MMA)がある。しかしながら、本発明の実施において、材料22が圧盤16’の材料よりも柔らかい限り、他の熱可塑性材料および実際には熱可塑性材料以外の材料を使用することができる。
【0027】
その結果圧盤16’によってより柔軟な材料22に刻印された刻印パターンは、例えば半導体や金属の基板に圧盤のポジ像として転写される。次に、この転写されたパターンを、ナノスケール装置の形成におけるさらに他の処理に使用することができる。
【0028】
パターンを基板に転写する方法はたくさんある。図4乃至図8は、そのような1つの方法を示しているが、本発明が、そのような方法に限定されないことを理解されたい。図4に示したように、基板24上の柔軟な材料22を形成する前に、最初に基板上に薄い金属層26が形成され、次にその上に柔軟な材料が形成される。薄い金属層26の厚さは、ナノスケール範囲、すなわち約数ナノメートル乃至数百メートルである。
【0029】
図5に示したように、パターンを柔軟な材料22に刻印した後で、柔軟な材料22の薄い部分を、例えば柔軟な材料を除去するけれども金属層26をエッチングしないエッチング液でエッチングすることによって除去し、それにより薄い金属層の一部分を露出させる。図6に、この段階を示す。
【0030】
次に、図7に示したように、金属層26の露出部分を除去し、柔軟な材料22で覆われた金属層の部分26’が残る。次に、残りの柔軟な材料22を除去し、基板24の表面に複数の並列の金属線26’を残す。次に、ナノスケールの厚さの金属線26’が、他で教示されているように、ナノスケール装置を形成するためにさらに処理される。
【0031】
以上の方法は、圧盤16’を形成するために使用される複数の交互層10、12の形成を対象としている。複数の交互層10、12を形成する特定の方法は、本発明の方法に重要ではないが、以上では、CVDとMBEの2つの方法について述べた。本発明の実施に役立つもう1つの方法は、「自発的秩序形成(spontaneous ordering)」と呼ばれる代替技術である。自発的秩序形成は、例えばZ. Lilienthal−Weberらによる「Spontaneous Ordering in Bulk GaN:Mg Samples」Physical Review Let−Vol. 83, No.12, pp.2370−2373 (20 Sept. 1999)によって考察されている。自発的秩序形成おいて、均質な構造(または濃度)を有する1つの材料は、異なる構造(または濃度)を有する複数の異種材料の交互層による超格子を分解しかつ形成することができる。例えば、MgをドープしたGaN単結晶内で、GaN中のマグネシウム原子が、集中し、GaNに埋め込まれた規則的で周期的な薄いMgを多く含む層を形成する傾向がある。自発的秩序形成によって形成されたそのような周期的超格子は、圧盤16’を形成するためのものでもよい。
【0032】
産業上の利用可能性
広範囲のナノワイヤを形成するためのナノスケール・パターン形成方法は、ナノスケール・コンピューティングおよびメモリ回路に利用されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】基板の主面にスタックを形成する2つの材料の複数の交互層の断面図であり、切断面を示す。
【図2】切断面を下に向けて配置するように90度回転したスタックの断面図である。
【図3】図2と類似の図であるが、材料の一方を他方に対して部分的にエッチングした結果を示す。
【図4】図3と類似の図であり、エッチングされた材料よりも柔らかい材料のナノインプリンティング用の原型としてエッチングされたスタックの使用法を示し、基板上に薄い(ナノメートルスケールの)金属層を使用してナノインプリンティングを行う1つの実施形態を示す。
【図5】図4と類似の図であり、より柔軟な材料に形成されたネガを示す。
【図6】薄い重合体残留物層をエッチングして薄い金属層の一部分を露出させた後の図5と類似の図である。
【図7】薄い金属層の露出部分をエッチングした後の図6と類似の図である。
【図8】残りのより柔軟な材料を除去して複数の並列のナノワイヤを露出させた後の図7と類似の図である。
Claims (26)
- 装置応用のためのナノスケール・ワイヤを形成するのに役立つ圧盤を形成する方法であって、
(a)主面を有する基板を提供する段階と、
(b)前記基板上に2つの異種材料の複数の交互層を形成して、前記基板の主面と平行な主面を有するスタックを形成する段階と、
(c)前記スタックをその主面と垂直に切断して、前記複数の交互層を露出させる段階と、
(d)一方の材料を他方の材料と異なる速度でエッチングするエッチング液を使用して、前記露出した複数の交互層を選択された深さにエッチングして、それにより、前記表面に広範囲のくぼみのストリップを設け、ナノインプリンティング技法のための原型を成形するのに役立つ前記圧盤を形成する段階と、
を含む方法。 - 前記エッチングが、化学的エッチングによって行われる請求項1に記載の方法。
- 一方の材料が、前記他の材料に対して数十nm乃至数百nmの範囲に深さにエッチングされる請求項2に記載の方法。
- 前記2つの異種材料が、シリコン/シリコン・ゲルマニウム合金とアルミニウム・ガリウム・ヒ素/ガリウム・ヒ素からなるグループから選択された請求項2に記載の方法。
- 前記シリコン・ゲルマニウム合金が、約70乃至90at%のシリコンと、30乃至10at%のゲルマニウムを含む請求項4に記載の方法。
- 前記アルミニウム・ガリウム・ヒ素が、AlxGa1−xAsを含み、xが、数at%乃至100at%の範囲である請求項4に記載の方法。
- 前記材料がそれぞれ単独で、約0.4nm乃至数百nmの範囲の厚さを有する請求項1に記載の方法。
- 一方の材料の層がすべて、第1の均一な厚さを有し、他方の材料の層がすべて、前記第1の均一な厚さと同じでも同じでなくてもよい第2の均一な厚さを有する請求項7に記載の方法。
- それぞれの前記材料の層がすべて、互いに異なる厚さを有する請求項7に記載の方法。
- 前記基板が、半導体材料を含む請求項1に記載の方法。
- 前記半導体材料が、シリコンとガリウム・ヒ素からなるグループから選択された請求項10に記載の方法。
- 前記複数の交互層が、数層のそれぞれの前記材料から数千層のそれぞれの前記材料までの範囲である請求項1に記載の方法。
- 前記圧盤の前記パターンを前記圧盤の材料よりも柔らかい材料に刻印して、ネガの前記パターンを形成する段階をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記より柔軟な材料が、第2の基板上に支持され、前記刻印パターンが、前記第2の基板に転写される請求項13に記載の方法。
- 前記第2の基板が、金属と半導体からなるグループから選択される請求項14に記載の方法。
- 前記2つの異種材料の複数の交互層が、化学蒸着法、分子線エピタキシ、および自発的秩序形成からなるグループから選択された方法によって、前記基板上に形成される請求項1に記載の方法。
- 2つの異種材料の複数の交互層を含むナノインプリンティング装置であって、前記一方の材料層が、前記他方の材料層に対してエッチングされて、前記一方の材料のくぼみが形成され、前記装置は、前記くぼみが刻印面と平行になるように向けられ、それぞれの前記材料が単独で、約0.4nm乃至数百nmの範囲の厚さを有するナノインプリンティング装置。
- 一方の材料が、前記他方の材料に対して数nm乃至数百nmの範囲のエッチングの深さを有する請求項17に記載の装置。
- 前記2つの異種材料が、シリコン/シリコン・ゲルマニウム合金とアルミニウム・ガリウム・ヒ素/ガリウム・ヒ素からなるグループから選択された請求項17に記載の装置。
- 前記シリコン・ゲルマニウム合金が、約70乃至90重量%のシリコンと30乃至10重量%のゲルマニウムを含む請求項19に記載の装置。
- 前記アルミニウム・ガリウム・ヒ素が、AlxGa1−xAsを含み、ここで、Xは、数at%乃至100at%の範囲である請求項19に記載の装置。
- 一方の材料の層がすべて、第1の均一な厚さを有し、他方の材料の層がすべて、前記第1の均一な厚さと同じでも同じでなくてもよい第2の均一な厚さを有する請求項17に記載の装置。
- それぞれの前記材料の層がすべて、互いに異なる厚さを有する請求項17に記載の装置。
- 前記基板が、半導体材料を含む請求項17に記載の装置。
- 前記半導体材料が、シリコンとガリウム・ヒ素からなるグループから選択される請求項24に記載の装置。
- 前記複数の交互層が、数層のそれぞれの前記材料から数千層のそれぞれの前記材料の範囲である請求項17に記載の装置。
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