JP2007517136A - ナノストラクチャーの組織化された成長 - Google Patents
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Abstract
本発明は、
−ケイ素イオンまたはゲルマニウムイオンのビームを使用して、基材を照射することによる核生成サイト（４）の形成と、
−形成された核生成サイト上でのナノストラクチャー（８）の成長
とを含むナノストラクチャーの形成方法に関する。
−ケイ素イオンまたはゲルマニウムイオンのビームを使用して、基材を照射することによる核生成サイト（４）の形成と、
−形成された核生成サイト上でのナノストラクチャー（８）の成長
とを含むナノストラクチャーの形成方法に関する。
Description
本発明は、組織化された３Ｄナノストラクチャー、特に半導体材料中での組織化された３Ｄナノストラクチャーの生成方法に関する。
ナノストラクチャーは、ネットワーク形状を取っている。それらは、例えばＳｉＯ２、またはＡｌ２Ｏ３、またはＳｉ３Ｎ４の、またはＨｆＯ２、または別の金属酸化物の誘電体層でありうる基材上に作成される。
これらのナノストラクチャーは、電子光学デバイスまたはオプトエレクトロニクスデバイス（メモリ、単電子トランジスターなど）の作成を意図している。特に、量子アイランド（島）構造の具現のためのクーロンブロッケードデバイスに関する。これらのナノストラクチャーはまた、ナノストラクチャーにＤＮＡ１片を貼り付けることができる場合には、バイオチッププローブの作成を意図している。
マイクロエレクトロニクス回路の性能の絶え間ない改良は、常にそれ以上進歩した、基本コンポーネント（ＭＯＳＦＥＴ）の集積率を要求している。この目的のために、現在までに、マイクロエレクトロニクス産業は、動作において主たる物理的限界に直面することなく、技術的方法を最適化することにより、ＭＯＳＦＥＴの寸法を縮小することが可能であった。
しかしながら、短期または中期的には、「ＳＩＡロードマップ」は、３５ｎｍオーダーのグリッドサイズ、それ以下では量子効果がトランジスターの補正動作を中断するであろうサイズを明示している。
したがって、ＣＭＯＳ技術に代替する解決策を開発することが必要である。
最も有望な計画の１つは、ナノストラクチャーの電荷保持および／またはクーロンブロッケードの性質を利用することである。したがって、デバイス中に、主としてケイ素で作成された、これらのナノストラクチャーを集積化するという最新の試みがある。
これらのナノストラクチャーを製造するいくつかの方法がある。気相化学蒸着（ＣＶＤ）は、工業規模で誘電体にナノストラクチャーを蒸着させるために使用することができる。
メモリまたはトランジスターなどのデバイス中にこれらのナノストラクチャーを集積化することは、既に可能であった。
ケイ素の新規な層の形成を含む、ＣＶＤによる誘電体上へのケイ素ナノストラクチャー（ｎｓ−Ｓｉ）の蒸着、ＣＶＤによるシランまたはジシランなどの前駆体からの蒸着は、ボルマー・ウェーバ型であり、まず三次元の島構造が形成され、コアレッセンスまで成長し、連続層を形成するまでに至る。したがって、蒸着の第一段階で成長を止めることにより、ナノサイズの寸法の島構造を作成することは可能である。
この技術の主たる限界は、本明細書中で挙げた非特許文献１で示されるように、ナノストラクチャーが基材上にランダムに配置されるということである。これは、誘電体上でのケイ素の核生成方法の自然な性質による。
実際、これらのナノストラクチャーは、基材の表面での配置が現在制御することができないサイトまたは欠陥の上に選択的に形成される。このことは、このようなストラクチャーに基づいたデバイスの品質と性能をかなり制限する。
したがって、これらのナノストラクチャーの分布を組織化することを可能にするために、基材の表面に規則的に分布された選択的な核生成サイトを作成することが必要である。この目的のために、ナノストラクチャーは、表面に規則的な変形場を有するＳｉＯ２基材上に配置されるべきであることが提案されている。この型の基材に蒸着したナノストラクチャーは、本明細書中で挙げた非特許文献２で示されるように、列状にナノストラクチャーを組織化する。
しかしながら、得られる組織化構造は十分ではなく、また、ナノストラクチャー間の間隔を制御するのが非常に難しい。さらに、この方法は、ナノストラクチャーと基材との間の電気的分離を保証しえない、非常に細い誘電体の使用を強いるものである。
さらに、これは、ナノストラクチャーの配置と成長を制御することのできる方法を見つけなければならないという問題を残している。
T. Baron, F. Martin, P. Mur, C. Wyon, M. Dupuy, Journal of Crystal Growth 290 (2000), 1004-1008 T. Baron, F. Mazen, C. Busseret, A. Souifi, P. Mur, M. N. Semeria, F. Fournel, P. Gentile, N. Magnea, H. Moriceau, B. Aspar, Microelectronic Engineering 61-62 (2002), 511 P. Schmuki, LE. Erickson, G. Champion, Journal of the Electrochemical Society, vol. 148, no 3, (2001), C177 R. Gerlach, M. Utlaut, Proceedings of the SPIE, The International Society for Optical Engineering, vol 4510 (2001), 96
T. Baron, F. Martin, P. Mur, C. Wyon, M. Dupuy, Journal of Crystal Growth 290 (2000), 1004-1008 T. Baron, F. Mazen, C. Busseret, A. Souifi, P. Mur, M. N. Semeria, F. Fournel, P. Gentile, N. Magnea, H. Moriceau, B. Aspar, Microelectronic Engineering 61-62 (2002), 511 P. Schmuki, LE. Erickson, G. Champion, Journal of the Electrochemical Society, vol. 148, no 3, (2001), C177 R. Gerlach, M. Utlaut, Proceedings of the SPIE, The International Society for Optical Engineering, vol 4510 (2001), 96
本発明は、ナノストラクチャーの配置と成長を制御するために、核生成サイトの規則的なネットワークを作成させることができる。核生成サイトの規則的なネットワークは、例えば基材上に化学蒸着（ＣＶＤ）により蒸着させ、有利には誘電材料中に存在することができる。
つまり、本発明は、表面にナノストラクチャーを組織化することを可能にする。
第一段階では、基材の表面は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、例えばケイ素イオンまたはゲルマニウムイオンのビームを使った核生成サイトの蒸着により局所的に機能化させる。
第二段階では、ナノストラクチャーは、あらかじめＦＩＢ方法により形成された核生成サイト上に、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）により、選択的に成長する。
したがって、本発明によれば、核生成センターは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を使って規則的に蒸着される。次いで、三次元ナノストラクチャーは、形成された核生成センター上に選択的に成長する。
特に、本発明は、絶縁体上に、半導体ナノストラクチャー、例えばケイ素またはゲルマニウムまたはＩＶ族またはＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の組織化された蒸着を作成させることができる。金属ナノストラクチャーを調製することもまた可能である。
これらのナノストラクチャーの配置は制御される。なぜならば、ＦＩＢ方法は、非常に局所的な照射を行うことができ、そのため非常に局所的な成長サイトを形成することができ、またナノストラクチャー間の間隔を制御することができるからである。
最終的には、これらのナノストラクチャーの密度もまた制御される。なぜならばＦＩＢにより作成されたサイトの密度と等しいからである。
したがって、ナノストラクチャーのサイズは正確に制御され、また、ナノストラクチャーのランダムな蒸着に対して、サイズのばらつきは減少する。
照射に使用される元素は、ナノストラクチャーを構成する元素と同じであるか、または似た性質を有するものであることができる。また、ナノストラクチャーの電気的性質または光学的性質は、不純物の存在により劣化されない。
本発明に係る方法は、図１と図２と関連して記載される。
第一段階では、表面（２）は、好適な核生成サイト（４）として作用する材料上に局所的な蒸着を行うためのイオンビームに暴露され、次いで、ナノストラクチャーがその上に成長することができる。
集束イオンビームはこの目的のために使用される。この目的に利用されるＦＩＢワークステーションは、非常に高い電流密度で基材（２）表面上にイオンビームを非常に正確に集束させるために使用される。
このようなワークステーションは、例えば本明細書中で挙げた非特許文献４に記載されている。
表面のあらかじめ定められた領域への集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射は、基材（２）の性質の局所的な改変を生じさせる。
イオンビームの照射により作成された反応性サイト（４）は、例えば表面の照射に使用された元素の（ごくわずかな原子の）集まりでありうるか、または基材中へのこの元素の導入でありうるか、または、イオン衝撃（あるいは注入）により再度作成された欠陥でありうる。
したがって、核生成サイト（４）は、局所的なイオンビーム（集束イオンビーム）を用いた表面照射により、選択された位置にまず作成される。
表面照射に使用される元素は、好ましくは、作成したいナノストラクチャーを構成する元素に近い性質を有する。ケイ素またはゲルマニウムのナノストラクチャーを製造するために、例えばケイ素を照射することは可能である。また、ゲルマニウムのビームを使用することは可能である。
第２段階では、三次元ナノストラクチャー（図２の８）は、あらかじめ形成されたサイト（４）の上に形成される。
この目的のために、基材に関してサイト上に選択的な蒸着を生じる前駆体が好ましくは使用される。
例えば、誘電体がＳｉＯ２である場合、また最初の照射がケイ素で行われる場合、それぞれジクロロシランまたはゲルマンを使用することにより、ケイ素またはゲルマニウムのナノストラクチャーを蒸着させることが可能であり、ジクロロシランまたはゲルマンはＳｉＯ２基材に対して選択的なケイ素サイト上に蒸着させるために使用することができる前駆体である。これは特に、照射がケイ素の凝集またはケイ素の非常に濃い領域を基材表面に形成させる場合である。
したがって、ナノストラクチャーは、照射された領域（４）上に選択的に成長する。
所望の材料は、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）により核生成サイト（４）上に選択的に蒸着される。
したがって、本発明によれば、ＦＩＢ技術は原則としては３Ｄナノストラクチャーの多量の作成に有効でないことが知られているにもかかわらず、核生成サイト（選択された物質のごくわずかな原子）の蒸着は、ＦＩＢによりまず行なわれる。
次に、ＦＩＢにより蒸着された成長核上にナノストラクチャー（８）の選択成長が起こる。各ナノストラクチャーの成長は、したがって非常に局所的であり、またそのサイズは、最大直径Ｄが平面２と平行な平面で測定して、ごくわずかなナノメートルオーダー、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍまたは１ｎｍ〜１５ｎｍまたは１ｎｍ〜２０ｎｍに制御されている。高さは例えば約１００ｎｍであり、また、これらのストラクチャーは、半球と球体の間に近い形状でありうる。マイクロエレクトロニクス技術への応用においては、高さは、２０ｎｍ未満であり、有利には１０ｎｍのオーダーである。
したがって規則的に配置されたナノストラクチャーは、１０８／ｃｍ２〜１０１３／ｃｍ２でありうる密度で形成される。
得られたサイズのばらつきは２０％未満であり、また、すべてのサイズの平均を計算すると、結晶間での差は２０％未満である。
さらに、すでに知られている方法のように、電気化学的方法の介在は、このような選択成長の作成にとって不可欠なものではない。
ナノストラクチャーの成長後、様々な熱処理が、ナノストラクチャーの電気的または光学的性質を改善するために、特に基材（２）の照射により発生した欠陥を修復するために、適用されうる。
本発明は、基材（２）に対して蒸着選択性を示す、すべての物質に関する。さらに、ＦＩＢによる照射は、蒸着材料に核生成サイトをもたらす。
例えば、基材上に選択的に局所的に蒸着させるために、有利には本発明を使用することは可能であり、この基材は絶縁体（例えばＳｉＯ２、Ａ１２Ｏ３、ＳｉＮｘなど）、ＩＶ族材料（例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイヤモンドＣなど）またはＩＩＩ−Ｖ族材料（ガリウム砒素、窒化ガリウム、ＧａＰなど）、または金属などの性質を有することができる。
２ 基材
４ 核生成サイト
８ ナノストラクチャー
４ 核生成サイト
８ ナノストラクチャー
Claims (15)
- − ケイ素イオンまたはゲルマニウムイオンのビームを使って基材（２）を照射することにより、核生成サイトの形成に適している原子を局所的に蒸着することによる、多量の核生成サイト（４）の形成と、
− 形成された核生成サイト上でのナノストラクチャー（８）の成長
とを含むナノストラクチャーの形成方法。 - 成長が、化学蒸着により行われる、請求項１記載の方法。
- 誘電材料の基材を用いる、請求項１または２に記載の方法。
- 基材が、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）である、請求項３記載の方法。
- 形成されたナノストラクチャーが、半導体材料中に存在する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 半導体材料が、ケイ素またはゲルマニウムである、請求項５記載の方法。
- 形成されたストラクチャーが、ガス前駆体として、それぞれジクロロシランまたはゲルマンを使って作成される、請求項６記載の方法。
- 形成された半導体ストラクチャーが、ＩＶ族の半導体材料中に存在する、請求項５記載の方法。
- 形成された半導体ストラクチャーが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはダイヤモンドＣ中に存在する、請求項８記載の方法。
- 半導体ストラクチャーが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料中に存在する、請求項５記載の方法。
- 半導体ストラクチャーが、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはりん化ガリウム（ＧａＰ）中に存在する、請求項５記載の方法。
- 形成されたナノストラクチャーが、金属材料中に存在する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 形成されたナノストラクチャーが、３次元である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
- 形成されたナノストラクチャーの最大直径（Ｄ）が、１ｎｍ〜１５ｎｍである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
- ナノストラクチャーが、１０８／ｃｍ２〜１０１３／ｃｍ２の密度で形成されている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
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