JP4608607B2 - Method for forming fine pattern and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for forming fine pattern and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体表面にナノメータレベルの微細パターンを形成する方法、及びこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在半導体集積回路の集積化は進み、DRAM等の半導体メモリにおいては、ギガビットレベルの集積密度を有した構造が実現されつつある。ギガビットレベルの集積密度を有した半導体集積回路を製造するためには、半導体集積回路を構成する半導体素子の寸法は、サブクォーターミクロンから更に微細化されたナノメータレベルの微細寸法が要求されることとなる。また、このような微細加工技術の進歩に伴い、メゾ・スコピックからアトム・スコピックレベルの半導体素子も形成出来るようになり、熱電子放射を用いたトランジスタや、単電子の振る舞いを利用した半導体素子等の量子力学的設計を用いた種々の半導体装置の試作が開始されている。
【0003】
更に、最近は光の波長オーダの周期構造をを持つ1次元、2次元、3次元の構造体を構成し、古典光学とは異なる量子光学的現象を得ようとするフォトニック結晶の議論もなされている。
【0004】
従来、半導体表面に微細パターンを形成するためにはフォトリソグラフィー法により微細パターンのマスクを描画し、このマスクを利用して反応性イオンエッチング(RIE)法等により選択的にエッチングする等の高度且つ複雑な微細加工技術を必要としていた。しかし、微細パターンの寸法がナノメータレベル、即ち、光の波長以下になると、光では目的とする微細パターンを露光出来なくなる。このため光学的露光法に代わり、電子ビーム露光法やX線露光法が検討され、使用されつつある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電子ビーム露光法やX線露光法を実施するためには、電子ビーム露光装置やX線露光装置等の1台10億円以上する高価な装置が必要である。また、電子ビーム露光法やX線露光法には解決すべき種々の問題も残っている。特に、装置が大型且つ高価であるのみでなく、ランニングコストも高く、高度な技術を要求される。このため、ナノメータレベルの微細寸法を有した半導体装置は、製造コストが極めて高くなり、スループットが低いという問題がある。
【0006】
本発明は、極めて簡単な方法で、且つ安価に半導体表面にナノメータレベルの微細パターンを形成する方法を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の他の目的は、安価に、ナノメータレベルの微細パターンを有した半導体装置の製造方法を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明による微細パターンの形成方法は、(イ)単結晶基板を−50℃以下−273℃以上の低温に冷却する工程と、(ロ)単結晶基板の表面に荷電粒子を1×1014cm-2以上5×1016cm-2以下のドーズ量にて、所定の加速電圧で注入する工程と、(ハ) 単結晶基板を室温に戻す工程とから少なくともなることを特徴とする。ここで、「単結晶基板」には、化合物半導体単結晶基板やその他の無機材料からなる単結晶基板が含まれる。また、荷電粒子として、種々の元素のイオンを用いることが可能である。即ち、荷電粒子の注入は、周知のイオン注入技術を採用することが可能である。化合物半導体単結晶基板を低温に冷却するためには、化合物半導体単結晶基板を保持・固定する基板ホールダを液体ヘリウムや液体窒素等の所定の冷媒を用いて冷却することにより化合物半導体単結晶基板を冷却する方法等が採用できる。
【0009】
上記の微細パターンの形成方法によれば、荷電粒子の単結晶基板注入時の温度、加速電圧、注入量を選ぶことにより、種々の単結晶基板、例えば、ガリウム・アンチモン(GaSb)、インジウム・アンチモン(InSb)、ガリウム砒素(GaAs)、インジウム砒素(InAs)やインジウム燐(InP)等の化合物半導体単結晶基板の表面に、ナノメータレベルの蜂の巣構造を簡単に形成することが可能である。
【0010】
通常、室温等の一定温度以上で、イオン注入された半導体表面は、デポジットされたエネルギーが臨界値以上になる深さまで非晶質化するだけであり、表面の極端な変形はみられない。実際、本発明者らがこれまでに行った基板温度を室温にしたガリウム砒素(GaAs)やインジウム燐(InP)に対するイオン注入の検討では、表面から一定深さの層の非晶質層と損傷領域が形成されるだけであり、このような特異な構造を見出すことは出来なかった。しかし、単結晶基板を−50℃以下−273℃以上の低温に冷却して、荷電粒子を注入することにより、荷電粒子の射影飛程Rpの5〜10倍程度の深さの凹部が単結晶基板の表面に 形成される。蜂の巣構造を構成する凹部(穴)の直径は、荷電粒子の射影飛程Rpのオーダである。例えば、蜂の巣構造を構成する凹部(穴)の直径がおよそ5 0nmの場合は、深さ250nmの凹部が形成される。凹部と凹部とを隔てる壁の厚さは5nm程度である。
【0011】
例えば、ガリウム・アンチモン(GaSb)単結晶基板の場合、その表面に形成された蜂の巣構造を透過型電子顕微鏡で観察し、そのフーリエ変換による局所解析、及びEDXによる局所組成分析を行った結果、蜂の巣構造を構成する壁にはガリウム(Ga)の濃度が高い。また、蜂の巣構造を構成する壁の上部はアモルファスであるが、下部では結晶性が認められ、その方位は基板のマトリクスと整合している。これらの結果等から、蜂の巣構造の形成には、低温で荷電粒子を単結晶基板に注入した際に形成される点欠陥の挙動が支配していると考えられる。つまり、本発明の単結晶基板の表面に形成される微細構造は、以下の機構により形成されると考えられる。
【0012】
▲1▼荷電粒子の注入(イオン注入)によって、単結晶基板の表面に、原子空孔と格子間原子が形成される;
▲2▼単結晶基板の表面に形成された原子空孔はあまり移動出来ないが、格子間原子は低温で移動する。その一部はループ等の集合体を形成し、単結晶基板表面に脈(盛り上がった部分)が発生する;
▲3▼一定の時間が経過し、低温における荷電粒子の注入が更に進んだ場合、脈の下の部分は荷電粒子が届かないため、欠陥が形成されない;
▲4▼この脈の下の部分には周辺から格子間原子が流れ込み、集合体をつくり、脈は根元部分で成長し高い壁が出来る。他方、脈ではないところでは、原子空孔は単結晶基板の表面に移動・消滅し、単結晶基板の表面はむしろ後退するので、深い巣穴(凹部)となる。
【0013】
従って、本発明の微細パターンの形成方法においては、単結晶基板の温度TSUB、荷電粒子の加速電圧VACと荷電粒子の種類(イオン種)、荷電粒子の注入ド ーズ量φ、単結晶基板の結晶面方位等を選択することにより、凹部の直径2r、深さd、凹部と凹部との間の壁の厚さt、壁の凹部の底面に対してなす角度θを精密に制御出来る。具体的には、単結晶基板の温度TSUBは、格子間原子と原子 空孔の移動度のバランスを考慮して単結晶基板の温度TSUBを決めれば良い。ま た、荷電粒子の注入により、格子間原子が単結晶基板の表面から射影飛程Rpの 深さに形成され、この格子間原子の一部は横方向に射影飛程Rp程度まで移動す る。即ち、注入イオンの射影飛程Rpを選ぶことにより、巣穴(凹部)のサイズ (半径)を決めることが出来る。そして、荷電粒子の注入ドーズ量φを多くすれば、単結晶基板の表面に形成される格子間原子の量が多くなり、壁をより高く出来る。即ち、荷電粒子の注入ドーズ量φが多くすることにより、凹部の深さを深く出来る。また、注入する荷電粒子も質量が大きいほど、欠陥形成量が増えるので、荷電粒子の質量を選択することにより、凹部の深さを制御出来る。従って、荷電粒子の種類として、錫イオン(Sn+)、炭素イオン(C+)、シリコンイオン(Si+)、ゲルマニウウムイオン(Ge+)等の種々のイオンを、その目的とする凹部の構造に応じて選択すれば良い。
【0014】
本発明による半導体装置の製造方法は、上記の微細パターンの形成方法を応用したものである。即ち、上記の単結晶基板の一例として、化合物半導体単結晶基板を選定し、(イ)この化合物半導体単結晶基板の表面に所定の開口部を有するマスク材を形成する工程と、(ロ)化合物半導体単結晶基板を−50℃以下−273℃以上の低温に冷却する工程と、(ハ)マスク材の開口部を介して、単結晶基板の表面に荷電粒子を1×1014cm-2以上5×1016cm-2以下のドーズ量にて、所定の加速電圧で選択的に注入する工程と、(ニ)単結晶基板を室温に戻すことにより、単結晶基板の表面に凹部を形成する工程と、(ホ)凹部の内部にエピタキシャル成長する工程とから少なくともなることを特徴とする。
【0015】
本発明による半導体装置の製造方法によれば、凹部と凹部との間の間隔が5nm程度の構造が、高価な電子ビーム露光装置やX線露光装置等を用いなくても、簡単に形成出来る。従って、トンネル注入効果、バリスティック輸送効果やその他の量子力学的効果を用いたメゾスコピックスケール、アトミックスケールの半導体装置が簡単に製造出来る。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0017】
(微細パターンの形成方法)
まず、具体的な半導体装置の製造方法の説明に入る前に、単結晶基板の表面にナノメータレベル、メゾスコピックスケール、アトミックスケールの微細パターンを形成を形成するための具体的条件について説明する。即ち、本発明の実施の形態に係る微細パターンの形成方法としては、「単結晶基板」として、化合物半導体単結晶基板を用いた場合について説明する。この化合物半導体単結晶基板として特に、面方位が(111)面のInSb単結晶基板及び面方位が(100)面のGaSb単結晶基板を用いた場合について説明する。
【0018】
(イ)まず、InSb単結晶基板及びGaSb単結晶基板を−130℃乃至−123℃の低温に冷却する。具体的には、InSb単結晶基板及びGaSb単結晶基板を、イオン注入装置の試料室内の基板ホールダに密着性を保ってセットし、この試料室の内部を、10-3Pa乃至10-8Paの所定の圧力まで真空排気し、真空中で冷却する。即ち、基板ホールダの温度を熱電対等の温度モニタで測定しながら、液体窒素(LN2)等の冷媒を用いて冷却する。
【0019】
(ロ)次に、InSb単結晶基板及びGaSb単結晶基板の表面に荷電粒子としての錫イオン(Sn+)を、加速電圧VAC=60kVにおいて、所定のドーズ量 でイオン注入する。
具体的には、4種の試料(試料A,試料B,試料C,及び試料D)を用意し以下の条件でイオン注入する。試料Aは、InSb単結晶基板であり、試料B乃至Dは、GaSb単結晶基板である。
(試料A)−130℃でドーズ量φ=6.7×1014cm-2
(試料B)−130℃でドーズ量φ=4×1014cm-2
(試料C)−130℃でドーズ量φ=8×1014cm-2
(試料D)−123℃でドーズ量φ=1.1×1015cm-2
(ハ)上記条件のイオン注入が終了したら、自然加熱により、InSb単結晶基板及びGaSb単結晶基板を室温に戻す。InSb単結晶基板及びGaSb単結晶基板が室温に戻ったら、これらのInSb単結晶基板及びGaSb単結晶基板を、イオン注入装置の試料室から取り出す。
【0020】
そして、これら4種の試料(試料A,試料B,試料C,及び試料D)の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)、断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察すると、図1(a)に示すような平面形状、及び図1(b)に示すような断面形状が得られる。即ち、本発明の実施の形態に係る微細パターンの形成方法によれば、図1(b)に示すように、化合物半導体単結晶基板1の表面に直径2r、深さdの複数個の凹部2が、蜂の巣(マトリクス)状に形成される。凹部2と凹部2との間には、厚さtの壁が形成され、この壁は凹部の底面に対して角度θをなしている。4種の試料について、形状を説明すると以下のようである。
【0021】
(試料A)2r=〜50nm,t=〜10nm,d=〜200nm,θ=〜90°;
(試料B)2r=〜40nm,穴の密度〜5×1013/m2
(試料C)2r=〜50nm,t=〜5nm〜10nm,d=〜250nm,
θ=65°〜90°,穴の密度〜3×1013/m2
(試料D)2r=〜50nm,t=〜10nm,d=〜250nm〜300nm
穴の密度〜3×1013/m2
である。
【0022】
以上の結果から、蜂の巣(マトリクス)状の凹部2の形成機構として次のようなモデルが推定出来る。
【0023】
(1)まず、イオン注入により生成される点欠陥(格子欠陥と原子空孔)のうち、単結晶基板(試料A,試料B,試料C,及び試料D)の保持されている基板温度TSUBでは、格子間原子がある程度の距離を移動するが原子空孔はあまり移動 しないと考える。
【0024】
(2)イオン注入初期に、格子間原子が移動、その一部がループ等の集合体を形成し、単結晶基板表面に盛り上がったところ(脈)が出来ると仮定する。そして、脈に囲まれた部分を盆地とする。
【0025】
(3)脈の上の方では点欠陥が形成されるが、単結晶基板の表面が近いので消滅する。一定の時間が経過し、低温における荷電粒子の注入が更に進んだ場合、脈の下の部分は荷電粒子が届かないため、脈の下部には点欠陥が出来ない。
【0026】
(4)盆地の直下(イオン射影飛程Rpは30nmぐらい)では、点欠陥が形成 される。格子間原子の一部は濃度の低い方(即ち、脈の下)に移動する。
【0027】
(5)それらは、脈の根元部分に移動し、脈は高くなり壁となる。
【0028】
(6)盆地直下に形成される原子空孔は、あまり移動出来ず表面にでていく。即ち盆地は高くならない(むしろ低くなる)。
【0029】
(7)この結果、蜂の巣構造が形成される。
【0030】
このようにして、本発明の微細パターンの形成方法においては、単結晶基板の温度TSUB、荷電粒子加速電圧VACと荷電粒子の種類(イオン種)、注入ドーズ 量φ、結晶面方位を規定することにより、蜂の巣の構造を構成している凹部2の直径2r、深さd、凹部2と凹部2との間の壁の厚さtの壁、壁の凹部の底面に対してなす角度θを制御出来る。つまり、本発明の微細パターンの形成方法においては、以下のように条件を選定することにより、凹部の寸法や形状が制御できる。
【0031】
(イ)単結晶基板の温度TSUB:格子間原子と原子空孔の移動度のバランスを考 慮して単結晶基板の温度TSUBを決めれば良い。
【0032】
(ロ)加速電圧VACとイオン種:格子間原子が表面からhの深さに形成されるとすると、一部は横方向にh程度まで移動出来る。格子間原子の横方向移動距離が凹部(巣穴)のサイズを決め、凹部の半径がh程度になる。加速電圧VACを低くする、或いはイオン種を重くすると、注入イオンの射影飛程Rpが小さく(浅く )なる。即ち、注入イオンは基板表面の浅いところまでしか届かず、凹部の半径は小さくなり、逆の場合は、注入イオンの射影飛程Rpが深くなり、凹部の半径 が大きくなる。巣穴成長初期では、注入ドーズ量φもサイズに関係する。
【0033】
(ハ)注入ドーズ量φ:注入ドーズ量φが多いと形成される格子間原子の量が多くなり、壁がより高くなる。即ち、巣穴が深くなる。注入イオン種も質量が大きいほど、欠陥形成量が増え、巣穴が深くなる。
【0034】
(半導体装置の製造方法)
上記の蜂の巣構造は、そのサイズから、光学デバイス・量子効果半導体デバイスを中心とする広範囲の応用が可能である。
【0035】
例えば、本発明の実施の形態に係る微細パターンの形成方法により形成された構造の隔壁の厚さはおよそ5nm程度であり、隔壁中の電子の振る舞いに、トンネル効果や量子力学的効果が現れる。また、上記の微細パターンの形成方法により形成された凹部、若しくは凹部と凹部との間のサイズが光の波長オーダになるので、2次元、3次元のフォトニック結晶が、自己形成的に簡単に製造出来る。即ち、本発明の実施の形態に係る微細パターンの形成方法により、ナノメータレベルの規則的組織構造を構成し、フォトニックギャップを実現することが可能である。このため、フォトニック結晶を用いて、光の閉じこめ効果や発光特性の制御をすることにより、半導体レーザなみの動作速度とコヒーレンスを持つ発光ダイオード(LED)等の製造が可能である。或いは、半導体レーザとして利用すれば、利得の大きく、尖鋭な利得スペクトルが期待出来る。
【0036】
また、ナノメータレベルの規則的組織構造により、一定のチップ面積に対して、その表面積を相対的に大きくできる。このため、本発明の実施の形態に係る微細な凹部構造を、嗅覚センサやコンデンサ等の大きな表面積を必要とする素子に適用すれば、小型で高性能な素子を実現することが可能である。
【0037】
更に、以下に示すようなメゾスコピックスケール、アトミックスケールの構造を有する機能素子や半導体メモリを構成することも可能である。
【0038】
[具体例1:機能素子]
図4及び図5(c)は、機能素子の一例としてのトンネル注入型ニュウロン素子の構造を示す模式的な断面図及び平面図である(図5(c)のB−B方向に沿った断面図が図4である)。本発明の実施の形態に係るトンネル注入型ニュウロン素子は、図4及び図5(c)に示すように、第1電極161と第2電極162との間に複数個のゲート電極141,142,143,・・・・が配置されている。図4の断面図に明らかなように、GaSbからなるn型領域121とn型領域122との間、n型領域122とn型領域123との間、n型領域123とn型領域124との間、・・・・・には、それぞれ厚さ5nmのp型GaSb層からなるト ンネル注入層が形成されている。n型領域120,121,122,・・・・・,1 29は、p型GaSb基板11中に1次元的に配列されている。n型領域120,121,122,・・・・・,129の1次元的配列の一方の端部に位置するn型 領域120には、n+型GaSb領域からなる第1コンタクト領域171、他方 の端部に位置するn型領域129には、n+型GaSb領域からなる第2コンタ クト領域172が形成されている。そして、第1コンタクト領域171、及び第2コンタクト領域172には、オーミック接触するように、金・ゲルマニウム(Au−Ge)/ニッケル(Ni)/金(Au)等の金属からなる第1電極161,第2電極162がそれぞれ接続されている。複数個のゲート電極141,142,143,・・・・は、アルミニウム(Al)等の単層金属膜、チタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)等の多層金属膜、タングステンシリサイド(WSix )等から構成されている。そして、この複数個のゲート電極141,142,143,・・・・に、図5(c)の平面図に示したゲート電極パッド141p,142p,143p,・・・・・を介して、それぞれ複数の入力信号が印加される。ゲート 電極141,142,143,・・・・の直下には図4に示すように、ゲート絶縁膜13が形成され、ゲート電極141,142,143,・・・・に印加される複数の入力信号に応じて、ゲート電極141,142,143,・・・・直下のトンネル注入層の電界が制御され、それぞれのトンネル注入層を流れるトンネル電流が制御される。この結果、複数の入力信号に応じて、第1電極161と第2電極162との間に多値の論理信号が流れ、神経細胞的動作をすることが出来る。
【0039】
図4及び図5(c)に示すトンネル注入型ニュウロン素子は、以下のような製造方法によって実現出来る。
【0040】
(イ)まず化合物半導体単結晶基板として、(100)面を有したp型のGaSb基板11を用意する。この化合物半導体単結晶基板11の表面に酸化膜、若しくは金属薄膜、又はこれらの複合膜を堆積する。そして、周知のフォトリソグラフィー技術及びRIE法等を用い、この酸化膜、若しくは金属薄膜、又はこれらの複合膜の一部に、所定の開口部を形成し、イオン注入用のマスク材とする。
【0041】
(ロ)そして、この化合物半導体単結晶基板11を、イオン注入装置の試料室内の基板ホールダにセットする。試料室の内部を、10-3Pa乃至10-8Paの所定の圧力まで、真空排気する。そして、基板ホールダの温度を熱電対等の温度モニタで測定しながら、液体窒素等の冷媒を用いて、−50℃以下−273℃以上の低温、例えば、−130℃程度に冷却する。この結果、化合物半導体単結晶基板11が、所定の温度まで冷却される。
【0042】
(ハ)化合物半導体単結晶基板11が所定の温度まで冷却されたら、マスク材の開口部を介して、単結晶基板の表面に荷電粒子として、錫イオン(Sn+)を1 ×1014cm-2以上5×1016cm-2以下のドーズ量にて、所定の加速電圧、例えば、60kVで選択的に注入する。
【0043】
(ニ)化合物半導体単結晶基板11を室温に戻し、化合物半導体単結晶基板11を、イオン注入装置の試料室から取り出す。以上の工程により、図5(a)に示すように、化合物半導体単結晶基板11の表面に凹部20,21,・・・・,29が形成される。マスク材を用いて、選択的にイオン注入しているので、図1(a)とは異なり、凹部20,21,・・・・,29が一次元的に配列される。
【0044】
(ホ)その後、塩素(Cl2)系のエッチングガスを用たドライエッチングによ り、凹部20,21,・・・・,29の表面をスライトエッチングすれば、4面を{110}面で囲まれた矩形の凹部31,32,・・・・・,39が形成出来る。一定 の目的の場合には、このスライトエッチングを省略して、図5(a)に示すような不定型な凹部を採用することも可能である。図5(a)のA−A方向に沿った断面図が図2(a)である。そして、図2(b)に示すように、有機金属CVD(MOCVD)法、分子線エピタキシャル(MBE)法等を用いて、凹部31,32,33,34,・・・・・の内部にn型のGaSbからなるエピタキシャル成長 層12をエピタキシャル成長する。
【0045】
(ヘ)続いて、化学的機械研磨(CMP)等の手法により、図2(c)に示すように、表面を平坦化し、凹部31,32,・・・・・,39の内部に、n型のGaS b領域121,122,123,124を埋め込む。その後、光励起低温CVD法等を用いて、厚さ20nm乃至80nmの酸化膜、窒化膜等のゲート絶縁膜13を図2(d)に示すように堆積する。酸化膜、窒化膜等の絶縁膜の代わりに、GaSbよりも禁制帯幅の大きなアルミニウムアンチモン(AlSb)、窒化アルミニウム(AlN)やセレン化亜鉛(ZnSe)等の半導体層をエピタキシャル成長して、GaSbとの界面にヘテロ接合を形成しても、ゲート絶縁膜13と同等の機能を果たすことが可能である。
【0046】
(ト)その後、図3(e)に示すように、ゲート絶縁膜13の上に、アルミニウム(Al)等の単層金属膜、チタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)等の多層金属膜、タングステンシリサイド(WSix)等のシリサイド膜等の導体膜1 4を、CVD法、真空蒸着法、スパッタリング法等の周知の手法を用いて堆積する。そして、フォトリソグラフィー技術及びRIE法を用い、導体膜14をパターニングすれば、ゲート電極141,142,143が完成する。
【0047】
なお、図4に示すように、n型のGaSb領域120に接続したn+型GaS b領域からなる第1コンタクト領域171、及びn型のGaSb領域129に接続したn+型GaSb領域からなる第2コンタクト領域172を形成する場合は 、Sn+の選択的イオン注入の前に、シリコン(Si+)、セレン(Se+)等のIV属元素の室温における選択的イオン注入とこの活性化の熱処理を行っておけば 良い。そして、フォトリソグラフィー技術及びRIE法を用い、ゲート絶縁膜13にコンタクトホールを開口し、金・ゲルマニウム(Au−Ge)/ニッケル(Ni)/金(Au)等の金属からなる第1電極161,第2電極162を形成すれば良い。第1電極161,第2電極162のパターニングは、周知のリフトオフ工程を用いれば良い。
【0048】
このように、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、高価な電子ビーム露光装置やX線露光装置等を用いなくても、メゾスコピックスケール、アトミックスケールの半導体装置が簡単に製造出来る。
【0049】
また、図4及び図5(c)において、n型領域120,121,122,・・・・・,129の1次元的配列のうちの隣接する2個のみの配置としてもよい。即ち 、隣接する2個のGaSbからなるn型領域の間のp型GaSb層の上部に1本のゲート電極を設ければ、隣接する2個のn型領域をソース・ドレイン領域とする絶縁ゲート型トランジスタとすることが可能である。
【0050】
[具体例2:半導体メモリ]
図6(a)は、NAND型半導体メモリ(EEPROM)の等価回路図で、図6(b)は、その一部(破線で示した範囲内)のストリングの断面図である。図6(a)に示すように、このNAND型EEPROMは、複数のビット線BLi ,BLi+1,BLi+2,・・・・・と、これに直交する複数のワード線WLj,WLj+1 ,・・・・・,WLj+nによりマトリクスが構成されている。各ビット線BLi,BLi+1,BLi+2,・・・・・はそれぞれ複数の絶縁ゲート型トランジスタのセルが直列接続されたストリングにより構成されている。各ストリングの両端には、ストリング選択トランジスタと接地選択トランジスタが接続されている。各ストリングのそれぞれのストリング選択トランジスタ及び接地選択トランジスタには、共通のストリング選択線SSLKと接地選択線GSLKが接続されている。
【0051】
図6(b)の断面図に明らかなように、GaSbからなるn型領域321とn型領域322との間、n型領域322とn型領域323との間、・・・・・n型領域 327とn型領域328との間、・・・・・には、それぞれ厚さ5nmのp型GaS b層が形成されている。n型領域321,322,・・・・・,328は、p型Ga Sb基板11中に1次元的に配列されている。この1次元的配列は、図5と同様に、−130℃程度の低温において、錫イオン(Sn+)を1×1014cm-2以 上5×1016cm-2以下のドーズ量にて、60kV程度の加速電圧で、選択的に注入すればよい。n型領域322とn型領域323との間のp型GaSb層の上部には、浮遊ゲート電極242及び制御ゲート電極252が配置されている。同様に、n型領域323とn型領域324との間のp型GaSb層の上部には、浮遊ゲート電極243及び制御ゲート電極253が、・・・・・、n型領域326とn 型領域327との間のp型GaSb層の上部には、浮遊ゲート電極245及び制御ゲート電極255が配置されている。n型領域321とn型領域322との間のp型GaSb層の上部には、接地選択トランジスタのゲート電極241,n型領域327とn型領域326との間のp型GaSb層の上部には、ストリング選択トランジスタのゲート電極246が配置されている。
【0052】
このように、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、高価な電子ビーム露光装置やX線露光装置等を用いなくても、図6に示すような、微細寸法の半導体メモリがが簡単に製造出来る。
【0053】
(その他の例)
上記の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0054】
例えば、上記において、低温でのイオン注入の材料として、GaSb,InSbを例示したが、化合物半導体単結晶基板表面に観察される蜂の巣構造は、イオン注入条件を選ぶならば、他の化合物半導体単結晶基板は勿論、多くの無機物質からなる基板の表面にも形成することが可能である。
【0055】
図7は、凹部の内部にn+型GaSbからなるエピタキシャル成長層埋め込ん だ後、中央部の3×3のマトリクスを取り囲んでp型領域を形成し、素子分離領域21を構成した例である。3×3のマトリクスの中央部のn+型GaSbをド レイン領域、その外側の8個のn+型GaSbをソース領域、この境界部にゲー ト電極145を構成すれば、単位絶縁ゲートトランジスタが構成される。この単位絶縁ゲートトランジスタを基礎としたユニットセルをマトリクス状に配置して、DRAM等の半導体メモリや2次元イメージセンサを構成することが可能である。
【0056】
また、図7においては、矩形の凹部を示しているが、結晶構造の対称性(異方性)に応じて、三角形や六角形等の凹部を構成することも可能である。
【0057】
このように、本発明は、上記の半導体装置以外の他の新機能性半導体デバイスや、ポーラス性無機材料を用いた種々の機能を有する電子装置、或いはポーラス性磁性材料を用いた磁気記録媒体等に適用可能である。
【0058】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0059】
【発明の効果】
本発明によれば、極めて簡単に単結晶基板の表面にナノメータレベルの微細パターンを形成出来る。
【0060】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、安価に、ナノメータレベルの微細パターンを有した半導体装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は、本発明の実施の形態に係る微細パターンの形成方法により形成した半導体表面の走査型電子顕微鏡(SEM)平面図で、図1(b)は対応する透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した断面形状である。
【図2】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である(その1)。
【図3】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である(その2)。
【図4】本発明の実施の形態に係る半導体装置の具体例1としての、トンネル注入型ニュウロン素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図5】図4のトンネル注入型ニュウロン素子の製造方法を説明するための工程平面図である。
【図6】図6(a)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の具体例2としてのNAND型EEPROMの等価回路図で、図6(b)はその一部のストリングの断面図である。
【図7】本発明の実施の形態に係る半導体装置の他の例として、マトリクス構造を構成する単位絶縁ゲートトランジスタを示す模式的平面図である。
【符号の説明】
1,11 半導体単結晶
2,20〜24,27,30〜34,39 凹部
12 エピタキシャル成長層
13 ゲート絶縁膜
14 導体膜
21 素子分離領域
120〜124,129,321〜328 n型GaSb領域
141,142,143,145,241,246 ゲート電極
141p,142p,143p ゲート電極パッド
161 第1電極
162 第2電極
171 第1コンタクト領域
172 第2コンタクト領域
242〜245 浮遊ゲート電極
252〜255 制御ゲート電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a nanometer-level fine pattern on the surface of a compound semiconductor and a method for manufacturing a semiconductor device using the same.
[0002]
[Prior art]
Currently, integration of semiconductor integrated circuits is progressing, and a structure having an integration density of gigabit level is being realized in a semiconductor memory such as a DRAM. In order to manufacture a semiconductor integrated circuit having a gigabit level integration density, the dimensions of the semiconductor elements constituting the semiconductor integrated circuit are required to be sub-quarter micron and further reduced to a nanometer level. Become. As microfabrication technology advances, it is now possible to form mesoscopic to atom-scopic semiconductor elements, such as transistors using thermionic emission and semiconductor elements using single-electron behavior. Trial production of various semiconductor devices using quantum mechanical design such as the above has been started.
[0003]
Furthermore, recently, photonic crystals have been debated to construct a one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional structure having a periodic structure of the wavelength order of light and to obtain quantum optical phenomena different from classical optics. ing.
[0004]
Conventionally, in order to form a fine pattern on a semiconductor surface, a mask having a fine pattern is drawn by a photolithography method, and this mask is used to perform selective etching by a reactive ion etching (RIE) method or the like. It required complicated fine processing technology. However, when the dimension of the fine pattern is at the nanometer level, that is, below the wavelength of light, the target fine pattern cannot be exposed with light. For this reason, instead of the optical exposure method, an electron beam exposure method and an X-ray exposure method are being studied and used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to carry out the electron beam exposure method and the X-ray exposure method, an expensive apparatus of 1 billion yen or more such as an electron beam exposure apparatus or an X-ray exposure apparatus is required. Further, various problems to be solved still remain in the electron beam exposure method and the X-ray exposure method. In particular, the apparatus is not only large and expensive, but also has a high running cost and requires advanced technology. For this reason, a semiconductor device having a nanometer level fine size has a problem that the manufacturing cost is extremely high and the throughput is low.
[0006]
An object of the present invention is to provide a method for forming a nanometer level fine pattern on a semiconductor surface at a low cost by a very simple method.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having a nanometer level fine pattern at a low cost.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fine pattern forming method according to the present invention includes (a) a step of cooling a single crystal substrate to a low temperature of −50 ° C. or lower and −273 ° C. or higher, and (b) charging the surface of the single crystal substrate. 1 × 10 particles14cm-25 × 10 or more16cm-2It is characterized by comprising at least a step of implanting with a predetermined acceleration voltage at the following dose, and (c) a step of returning the single crystal substrate to room temperature. Here, the “single crystal substrate” includes a compound semiconductor single crystal substrate and a single crystal substrate made of other inorganic materials. In addition, ions of various elements can be used as charged particles. In other words, a well-known ion implantation technique can be used for the injection of charged particles. In order to cool the compound semiconductor single crystal substrate to a low temperature, the compound semiconductor single crystal substrate is cooled by cooling a substrate holder for holding and fixing the compound semiconductor single crystal substrate using a predetermined refrigerant such as liquid helium or liquid nitrogen. A cooling method can be employed.
[0009]
According to the fine pattern forming method described above, various single crystal substrates such as gallium antimony (GaSb), indium antimony, for example, can be selected by selecting the temperature, acceleration voltage, and injection amount when the single crystal substrate is charged with charged particles. A nanometer-level honeycomb structure can be easily formed on the surface of a compound semiconductor single crystal substrate such as (InSb), gallium arsenide (GaAs), indium arsenide (InAs), or indium phosphide (InP).
[0010]
Usually, the surface of an ion-implanted semiconductor at a certain temperature or higher, such as room temperature, is only amorphized to a depth at which the deposited energy is equal to or higher than a critical value, and no extreme deformation of the surface is observed. In fact, in the examination of ion implantation for gallium arsenide (GaAs) and indium phosphide (InP) performed by the inventors so far at a substrate temperature of room temperature, an amorphous layer having a certain depth from the surface and damage Only a region was formed, and such a unique structure could not be found. However, by cooling the single crystal substrate to a low temperature of −50 ° C. or lower and −273 ° C. or higher and injecting charged particles, the projected range R of the charged particlespIs formed on the surface of the single crystal substrate. The diameter of the concave part (hole) constituting the honeycomb structure is the projected range R of the charged particles.pOf the order. For example, when the diameter of the recess (hole) constituting the honeycomb structure is approximately 50 nm, a recess having a depth of 250 nm is formed. The thickness of the wall separating the recess from the recess is about 5 nm.
[0011]
For example, in the case of a gallium antimony (GaSb) single crystal substrate, the honeycomb structure formed on the surface is observed with a transmission electron microscope, and the result of local analysis by Fourier transform and local composition analysis by EDX is the result of the honeycomb. The walls constituting the structure have a high concentration of gallium (Ga). In addition, the upper part of the wall constituting the honeycomb structure is amorphous, but crystallinity is observed in the lower part, and its orientation is consistent with the matrix of the substrate. From these results, it is considered that the behavior of point defects formed when charged particles are injected into a single crystal substrate at a low temperature dominates the formation of a honeycomb structure. That is, it is considered that the fine structure formed on the surface of the single crystal substrate of the present invention is formed by the following mechanism.
[0012]
(1) By injection of charged particles (ion implantation), atomic vacancies and interstitial atoms are formed on the surface of the single crystal substrate;
(2) Atomic vacancies formed on the surface of a single crystal substrate cannot move so much, but interstitial atoms move at a low temperature. Some of them form aggregates such as loops, and pulses (raised portions) occur on the surface of the single crystal substrate;
(3) When a certain period of time has passed and the injection of charged particles at a low temperature has further progressed, no defects are formed because the charged particles do not reach the part below the pulse;
(4) Interstitial atoms flow from the periphery into the area below this vein, forming an aggregate, and the vein grows at the root and forms a high wall. On the other hand, where it is not a pulse, atomic vacancies move and disappear on the surface of the single crystal substrate, and the surface of the single crystal substrate is rather receded, resulting in a deep nest (recess).
[0013]
Therefore, in the fine pattern forming method of the present invention, the temperature T of the single crystal substrateSUB, Acceleration voltage V of charged particlesACAnd charged particle type (ion species), charged particle injection dose φ, crystal plane orientation of the single crystal substrate, etc., so that the diameter 2r of the recess, the depth d, and the distance between the recesses It is possible to precisely control the wall thickness t and the angle θ formed with respect to the bottom surface of the wall recess. Specifically, the temperature T of the single crystal substrateSUBTakes into account the balance of mobility of interstitial atoms and vacancies and the temperature T of the single crystal substrateSUBYou can decide. In addition, by the injection of charged particles, interstitial atoms are projected from the surface of the single crystal substrate to a projected range R.pA part of this interstitial atom is projected in the lateral direction RpMove to the extent. That is, the projected range R of the implanted ions RpBy selecting, the size (radius) of the burrow (recess) can be determined. If the injection dose φ of charged particles is increased, the amount of interstitial atoms formed on the surface of the single crystal substrate increases, and the wall can be made higher. That is, the depth of the recess can be increased by increasing the injection dose φ of the charged particles. Moreover, since the amount of defect formation increases as the mass of charged particles to be injected increases, the depth of the concave portion can be controlled by selecting the mass of the charged particles. Therefore, as the kind of charged particles, tin ions (Sn+), Carbon ion (C+), Silicon ions (Si+), Germanium ion (Ge+) And the like may be selected according to the intended structure of the recess.
[0014]
The semiconductor device manufacturing method according to the present invention is an application of the above-described fine pattern forming method. That is, as an example of the single crystal substrate, a compound semiconductor single crystal substrate is selected, and (b) a step of forming a mask material having a predetermined opening on the surface of the compound semiconductor single crystal substrate; A step of cooling the semiconductor single crystal substrate to a low temperature of −50 ° C. or lower and −273 ° C. or higher, and (c) 1 × 10 charged particles on the surface of the single crystal substrate through the opening of the mask material.14cm-25 × 10 or more16cm-2A step of selectively injecting at a predetermined acceleration voltage with the following dose; (d) forming a recess on the surface of the single crystal substrate by returning the single crystal substrate to room temperature; and (e) a recess. And at least a step of epitaxial growth inside.
[0015]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a structure in which the distance between the recesses is about 5 nm can be easily formed without using an expensive electron beam exposure apparatus or X-ray exposure apparatus. Therefore, mesoscopic scale and atomic scale semiconductor devices using the tunnel injection effect, ballistic transport effect, and other quantum mechanical effects can be easily manufactured.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Accordingly, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[0017]
(Fine pattern formation method)
First, before entering a description of a specific method for manufacturing a semiconductor device, specific conditions for forming a nanometer level, mesoscopic scale, and atomic scale fine pattern on the surface of a single crystal substrate will be described. That is, as a method for forming a fine pattern according to an embodiment of the present invention, a case where a compound semiconductor single crystal substrate is used as a “single crystal substrate” will be described. In particular, a case where an InSb single crystal substrate having a (111) plane orientation and a GaSb single crystal substrate having a (100) plane orientation is used as the compound semiconductor single crystal substrate will be described.
[0018]
(A) First, the InSb single crystal substrate and the GaSb single crystal substrate are cooled to a low temperature of -130 ° C to -123 ° C. Specifically, the InSb single crystal substrate and the GaSb single crystal substrate are set in a substrate holder in the sample chamber of the ion implantation apparatus while maintaining adhesion, and the inside of the sample chamber is set to 10-3Pa to 10-8Evacuate to a predetermined pressure of Pa and cool in vacuum. That is, while measuring the temperature of the substrate holder with a temperature monitor such as a thermocouple, the liquid nitrogen (LN2) Or other refrigerant.
[0019]
(B) Next, tin ions (Sn as charged particles) are formed on the surfaces of the InSb single crystal substrate and the GaSb single crystal substrate.+), Acceleration voltage VAC= Ion implantation at a predetermined dose at 60 kV.
Specifically, four types of samples (sample A, sample B, sample C, and sample D) are prepared, and ion implantation is performed under the following conditions. Sample A is an InSb single crystal substrate, and samples B to D are GaSb single crystal substrates.
(Sample A) Dose amount φ = 6.7 × 10 at −130 ° C.14cm-2,
(Sample B) Dose amount φ = 4 × 10 at −130 ° C.14cm-2,
(Sample C) Dose amount φ = 8 × 10 at −130 ° C.14cm-2,
(Sample D) Dose amount φ = 1.1 × 10 at −123 ° C.15cm-2,
(C) When ion implantation under the above conditions is completed, the InSb single crystal substrate and the GaSb single crystal substrate are returned to room temperature by natural heating. When the InSb single crystal substrate and the GaSb single crystal substrate return to room temperature, the InSb single crystal substrate and the GaSb single crystal substrate are taken out from the sample chamber of the ion implantation apparatus.
[0020]
When the surface of these four types of samples (sample A, sample B, sample C, and sample D) is observed with a scanning electron microscope (SEM) and the cross section is observed with a transmission electron microscope (TEM), FIG. And a cross-sectional shape as shown in FIG. 1B are obtained. That is, according to the method for forming a fine pattern according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1B, a plurality of recesses 2 having a diameter 2r and a depth d are formed on the surface of the compound semiconductor single crystal substrate 1. Is formed in a honeycomb shape. A wall having a thickness t is formed between the recess 2 and the recess 2, and the wall forms an angle θ with respect to the bottom surface of the recess. The shape of the four types of samples will be described as follows.
[0021]
(Sample A) 2r = -50 nm, t = -10 nm, d = -200 nm, θ = -90 °;
(Sample B) 2r = ˜40 nm, hole density˜5 × 1013/ M2;
(Sample C) 2r = ˜50 nm, t = ˜5 nm-10 nm, d = ˜250 nm,
θ = 65 ° to 90 °, hole density to 3 × 1013/ M2;
(Sample D) 2r = -50 nm, t = -10 nm, d = -250 nm-300 nm
Hole density ~ 3 x 1013/ M2,
It is.
[0022]
From the above results, the following model can be estimated as the formation mechanism of the honeycomb-shaped recess 2.
[0023]
(1) First, among the point defects (lattice defects and atomic vacancies) generated by ion implantation, the substrate temperature T on which the single crystal substrates (sample A, sample B, sample C, and sample D) are held.SUBThen, the interstitial atoms move a certain distance, but the atomic vacancies do not move much.
[0024]
(2) Interstitial atoms move at the beginning of ion implantationShiSuppose that a part forms an aggregate such as a loop, and a bulge (pulse) is formed on the surface of the single crystal substrate. And let the part surrounded by the pulse be a basin.
[0025]
(3) A point defect is formed on the upper side of the pulse, but disappears because the surface of the single crystal substrate is close. When the injection of charged particles at a low temperature further proceeds after a certain period of time, the charged particles do not reach the lower part of the pulse, so that no point defect can be formed in the lower part of the pulse.
[0026]
(4) Directly under the basin (ion projection range RpIs about 30 nm), point defects are formed. Some of the interstitial atoms move to the lower concentration (ie below the pulse).
[0027]
(5) They move to the root part of the pulse, the pulse becomes higher and becomes a wall.
[0028]
(6) Atomic vacancies formed just below the basin cannot move so much and go to the surface. That is, the basin does not rise (rather lower).
[0029]
(7) As a result, a honeycomb structure is formed.
[0030]
Thus, in the fine pattern forming method of the present invention, the temperature T of the single crystal substrateSUB, Charged particle acceleration voltage VACAnd the charged particle type (ion type), implantation dose φ, and crystal plane orientation, the diameter 2r and depth d of the concave portion 2 constituting the honeycomb structure, and the distance between the concave portion 2 and the concave portion 2 It is possible to control the angle θ formed with respect to the wall having the thickness t of the wall and the bottom surface of the wall recess. That is, in the fine pattern forming method of the present invention, the size and shape of the recess can be controlled by selecting the conditions as follows.
[0031]
(B) Temperature T of the single crystal substrateSUB: Considering the balance between interstitial atoms and vacancies mobility, temperature T of single crystal substrateSUBYou can decide.
[0032]
(B) Acceleration voltage VACAnd ion species: If interstitial atoms are formed at a depth of h from the surface, a part of the interstitial atoms can move to about h in the lateral direction. The lateral movement distance of the interstitial atoms determines the size of the recess (burrow), and the radius of the recess becomes about h. Acceleration voltage VACIf the ion species is lowered or the ion species is increased, the projected range R of the implanted ionspBecomes smaller (shallow). That is, the implanted ions reach only a shallow part of the substrate surface, and the radius of the concave portion becomes small. In the opposite case, the projected range R of the implanted ionspBecomes deeper and the radius of the recess becomes larger. At the initial stage of burrow growth, the implantation dose φ is also related to the size.
[0033]
(C) Implanted dose amount φ: When the implanted dose amount φ is large, the amount of interstitial atoms formed increases and the wall becomes higher. That is, the burrow becomes deep. The greater the mass of the implanted ion species, the greater the amount of defect formation and the deeper the burrow.
[0034]
(Method for manufacturing semiconductor device)
The honeycomb structure described above can be used in a wide range of applications centering on optical devices and quantum effect semiconductor devices because of its size.
[0035]
For example, the thickness of the partition wall having a structure formed by the fine pattern forming method according to the embodiment of the present invention is about 5 nm, and a tunnel effect or a quantum mechanical effect appears in the behavior of electrons in the partition wall. In addition, since the size of the recess formed by the fine pattern formation method or between the recess and the recess is on the order of the wavelength of light, a two-dimensional or three-dimensional photonic crystal can be easily formed in a self-forming manner. Can be manufactured. That is, by the fine pattern forming method according to the embodiment of the present invention, it is possible to form a regular nanostructure structure and realize a photonic gap. For this reason, by using a photonic crystal to control the light confinement effect and the light emission characteristics, it is possible to manufacture a light emitting diode (LED) or the like having an operation speed and coherence similar to that of a semiconductor laser. Alternatively, if used as a semiconductor laser, a large gain and a sharp gain spectrum can be expected.
[0036]
Moreover, the regular surface structure of the nanometer level can relatively increase the surface area with respect to a certain chip area. For this reason, if the fine concave structure according to the embodiment of the present invention is applied to an element requiring a large surface area such as an olfactory sensor or a capacitor, a small and high-performance element can be realized.
[0037]
Furthermore, it is also possible to configure functional elements and semiconductor memories having the following mesoscopic scale and atomic scale structures.
[0038]
[Specific example 1: functional element]
4 and 5C are a schematic cross-sectional view and a plan view showing a structure of a tunnel injection type neuron element as an example of a functional element (a cross-section along the BB direction of FIG. 5C). The figure is FIG. 4). As shown in FIGS. 4 and 5C, the tunnel injection type neuron device according to the embodiment of the present invention includes a plurality of gate electrodes 141, 142, and a plurality of gate electrodes 141, 142, between the first electrode 161 and the second electrode 162. 143,... Are arranged. As is apparent from the cross-sectional view of FIG. 4, the n-type region 121 and the n-type region 122 made of GaSb, the n-type region 122 and the n-type region 123, the n-type region 123 and the n-type region 124, In the meantime, a tunnel injection layer composed of a p-type GaSb layer having a thickness of 5 nm is formed. The n-type regions 120, 121, 122,..., 129 are arranged one-dimensionally in the p-type GaSb substrate 11. The n-type region 120 located at one end of the one-dimensional array of n-type regions 120, 121, 122,.+The first contact region 171 made of a type GaSb region and the n type region 129 located at the other end include n+A second contact region 172 made of a type GaSb region is formed. The first electrode 161 made of a metal such as gold / germanium (Au—Ge) / nickel (Ni) / gold (Au) is provided so as to make ohmic contact with the first contact region 171 and the second contact region 172. The second electrodes 162 are connected to each other. The plurality of gate electrodes 141, 142, 143,... Are a single layer metal film such as aluminum (Al), a multilayer metal film such as titanium (Ti) / platinum (Pt) / gold (Au), tungsten silicide (WSix ) Etc. The gate electrodes 141, 142, 143,... Are respectively connected to the gate electrodes 141p, 142p, 143p,... Shown in the plan view of FIG. A plurality of input signals are applied. As shown in FIG. 4, a gate insulating film 13 is formed immediately below the gate electrodes 141, 142, 143,... And a plurality of inputs applied to the gate electrodes 141, 142, 143,. In accordance with the signal, the electric field of the tunnel injection layer immediately below the gate electrodes 141, 142, 143,... Is controlled, and the tunnel current flowing through each tunnel injection layer is controlled. As a result, a multi-value logic signal flows between the first electrode 161 and the second electrode 162 in accordance with a plurality of input signals, and a neuronal operation can be performed.
[0039]
The tunnel injection type neuron element shown in FIGS. 4 and 5C can be realized by the following manufacturing method.
[0040]
(A) First, a p-type GaSb substrate 11 having a (100) plane is prepared as a compound semiconductor single crystal substrate. An oxide film, a metal thin film, or a composite film thereof is deposited on the surface of the compound semiconductor single crystal substrate 11. Then, using a well-known photolithography technique, RIE method, or the like, a predetermined opening is formed in a part of the oxide film, the metal thin film, or a composite film thereof, and used as a mask material for ion implantation.
[0041]
(B) The compound semiconductor single crystal substrate 11 is set in a substrate holder in the sample chamber of the ion implantation apparatus. 10 inside the sample chamber-3Pa to 10-8Vacuum exhaust to a predetermined pressure of Pa. Then, while measuring the temperature of the substrate holder with a temperature monitor such as a thermocouple, it is cooled to a low temperature of −50 ° C. or lower and −273 ° C. or higher, for example, about −130 ° C. using a refrigerant such as liquid nitrogen. As a result, the compound semiconductor single crystal substrate 11 is cooled to a predetermined temperature.
[0042]
(C) When the compound semiconductor single crystal substrate 11 is cooled to a predetermined temperature, tin ions (Sn) are formed as charged particles on the surface of the single crystal substrate through the openings of the mask material.+) 1 x 1014cm-25 × 10 or more16cm-2The implantation is selectively performed at a predetermined acceleration voltage, for example, 60 kV at the following dose.
[0043]
(D) The compound semiconductor single crystal substrate 11 is returned to room temperature, and the compound semiconductor single crystal substrate 11 is taken out from the sample chamber of the ion implantation apparatus. Through the above steps, as shown in FIG. 5A, recesses 20, 21,..., 29 are formed on the surface of the compound semiconductor single crystal substrate 11. Since ions are selectively implanted using a mask material, the recesses 20, 21,..., 29 are arranged one-dimensionally, unlike FIG.
[0044]
(E) Chlorine (Cl2If the surface of the recesses 20, 21,..., 29 is subjected to a light etching process by dry etching using a system etching gas, rectangular recesses 31, 32 surrounded by {110} planes on the four surfaces are formed. , ..., 39 can be formed. In the case of a certain purpose, it is also possible to omit this slight etching and adopt an irregular recess as shown in FIG. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the AA direction in FIG. Then, as shown in FIG. 2B, n is formed inside the recesses 31, 32, 33, 34,... Using an organic metal CVD (MOCVD) method, a molecular beam epitaxial (MBE) method, or the like. Epitaxial growth layer 12 made of type GaSb is epitaxially grown.
[0045]
(F) Subsequently, as shown in FIG. 2C, the surface is flattened by a method such as chemical mechanical polishing (CMP), and n in the recesses 31, 32,. Type GaSb regions 121, 122, 123, 124 are embedded. Thereafter, a gate insulating film 13 such as an oxide film or a nitride film having a thickness of 20 nm to 80 nm is deposited as shown in FIG. Instead of an insulating film such as an oxide film or a nitride film, a semiconductor layer such as aluminum antimony (AlSb), aluminum nitride (AlN) or zinc selenide (ZnSe) having a larger forbidden band than GaSb is epitaxially grown, and GaSb Even if a heterojunction is formed at the interface, a function equivalent to that of the gate insulating film 13 can be achieved.
[0046]
(G) Thereafter, as shown in FIG. 3E, on the gate insulating film 13, a single layer metal film such as aluminum (Al), titanium (Ti) / platinum (Pt) / gold (Au), etc. Multilayer metal film, tungsten silicide (WSixA conductive film 14 such as a silicide film is deposited using a known method such as a CVD method, a vacuum evaporation method, or a sputtering method. Then, if the conductor film 14 is patterned using the photolithography technique and the RIE method, the gate electrodes 141, 142, and 143 are completed.
[0047]
As shown in FIG. 4, n connected to the n-type GaSb region 120+N connected to the first contact region 171 composed of a GaSb region and an n-type GaSb region 129+Sn is formed when forming the second contact region 172 made of the type GaSb region.+Before selective ion implantation of silicon (Si+), Selenium (Se+) And other group IV elements may be selectively ion-implanted at room temperature and heat-treated for this activation. Then, a contact hole is opened in the gate insulating film 13 using photolithography technique and RIE method, and the first electrode 161 made of a metal such as gold / germanium (Au—Ge) / nickel (Ni) / gold (Au) is used. The second electrode 162 may be formed. For the patterning of the first electrode 161 and the second electrode 162, a known lift-off process may be used.
[0048]
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, a mesoscopic scale or atomic scale semiconductor device can be easily obtained without using an expensive electron beam exposure apparatus or X-ray exposure apparatus. Can be manufactured.
[0049]
4 and FIG. 5C, only two adjacent ones of the one-dimensional arrays of n-type regions 120, 121, 122,. That is, if one gate electrode is provided on the p-type GaSb layer between two adjacent n-type regions composed of GaSb, an insulated gate having the two adjacent n-type regions as source / drain regions. Type transistor.
[0050]
[Specific Example 2: Semiconductor memory]
FIG. 6A is an equivalent circuit diagram of a NAND type semiconductor memory (EEPROM), and FIG. 6B is a cross-sectional view of a part of the string (within a range indicated by a broken line). As shown in FIG. 6A, the NAND type EEPROM includes a plurality of bit lines BL.i , BLi + 1, BLi + 2,... And a plurality of word lines WL orthogonal theretoj, WLj + 1 , ..., WLj + nThus, a matrix is configured. Each bit line BLi, BLi + 1, BLi + 2,... Are each constituted by a string in which cells of a plurality of insulated gate transistors are connected in series. A string selection transistor and a ground selection transistor are connected to both ends of each string. A common string selection line SSL is used for each string selection transistor and ground selection transistor of each string.KAnd ground selection line GSLKIs connected.
[0051]
6B, the n-type region 321 made of GaSb and the n-type region 322, the n-type region 322 and the n-type region 323, n-type. A p-type GaSb layer having a thickness of 5 nm is formed between the region 327 and the n-type region 328. The n-type regions 321, 322,..., 328 are arranged one-dimensionally in the p-type Ga Sb substrate 11. This one-dimensional arrangement is similar to FIG. 5 in that the tin ions (Sn+) 1x1014cm-25 × 1016cm-2What is necessary is just to selectively implant at an acceleration voltage of about 60 kV with the following dose. A floating gate electrode 242 and a control gate electrode 252 are arranged on the p-type GaSb layer between the n-type region 322 and the n-type region 323. Similarly, on the p-type GaSb layer between the n-type region 323 and the n-type region 324, the floating gate electrode 243 and the control gate electrode 253 are provided as the n-type region 326 and the n-type region. A floating gate electrode 245 and a control gate electrode 255 are disposed on the p-type GaSb layer between the first and second layers 327. On the upper part of the p-type GaSb layer between the n-type region 321 and the n-type region 322, the gate electrode 241 of the ground selection transistor, on the upper part of the p-type GaSb layer between the n-type region 327 and the n-type region 326. The gate electrode 246 of the string selection transistor is disposed.
[0052]
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, a semiconductor with a fine dimension as shown in FIG. 6 can be used without using an expensive electron beam exposure apparatus or X-ray exposure apparatus. Memory can be easily manufactured.
[0053]
(Other examples)
The discussion and drawings that form part of the above disclosure should not be construed as limiting the invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0054]
For example, in the above, GaSb and InSb are exemplified as the material for ion implantation at a low temperature. However, the honeycomb structure observed on the surface of the compound semiconductor single crystal substrate can be selected from other compound semiconductor single crystals if ion implantation conditions are selected. It can be formed on the surface of a substrate made of many inorganic substances as well as the substrate.
[0055]
FIG. 7 shows n inside the recess.+In this example, an element isolation region 21 is formed by embedding an epitaxial growth layer made of type GaSb and then forming a p-type region surrounding a 3 × 3 matrix in the center. N at the center of the 3 × 3 matrix+Type GaSb drain region, 8 n outside it+If the type GaSb is used as the source region and the gate electrode 145 is formed at the boundary, a unit insulated gate transistor is formed. Unit cells based on the unit insulated gate transistors can be arranged in a matrix to form a semiconductor memory such as a DRAM or a two-dimensional image sensor.
[0056]
Further, in FIG. 7, a rectangular recess is shown, but a recess such as a triangle or a hexagon can be formed according to the symmetry (anisotropy) of the crystal structure.
[0057]
As described above, the present invention provides a new functional semiconductor device other than the above semiconductor device, an electronic device having various functions using a porous inorganic material, a magnetic recording medium using a porous magnetic material, and the like. It is applicable to.
[0058]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, a nanometer level fine pattern can be formed on the surface of a single crystal substrate very easily.
[0060]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having a nanometer level fine pattern can be provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a scanning electron microscope (SEM) plan view of a semiconductor surface formed by a fine pattern forming method according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is the cross-sectional shape observed with the scanning electron microscope (TEM).
FIG. 2 is a process cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention (No. 1).
FIG. 3 is a process cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a tunnel injection type neuron element as a specific example 1 of the semiconductor device according to the embodiment of the invention.
5 is a process plan view for explaining the manufacturing method of the tunnel injection type neuron element of FIG. 4; FIG.
FIG. 6A is an equivalent circuit diagram of a NAND type EEPROM as a specific example 2 of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a cross-sectional view of a part of the string. It is.
FIG. 7 is a schematic plan view showing unit insulated gate transistors constituting a matrix structure as another example of the semiconductor device according to the embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
1,11 Semiconductor single crystal
2, 20-24, 27, 30-34, 39 Recess
12 Epitaxial growth layer
13 Gate insulation film
14 Conductor film
21 Device isolation region
120-124, 129, 321-328 n-type GaSb region
141, 142, 143, 145, 241, 246 Gate electrode
141p, 142p, 143p Gate electrode pad
161 First electrode
162 Second electrode
171 First contact region
172 Second contact region
242-245 Floating gate electrode
252 to 255 Control gate electrode

Claims (2)

単結晶基板に荷電粒子を注入して生成した格子間原子の移動度が、前記注入により生成された原子空孔の移動度よりも大きくなるように、前記単結晶基板を−50℃以下−273℃以上の低温に冷却する工程と、
前記単結晶基板の表面に前記荷電粒子を1×1014cm−2以上5×1016cm−2以下のドーズ量にて、所定の加速電圧で注入する工程と、
前記単結晶基板を室温に戻す工程
を含み、
前記単結晶基板の表面に、それぞれの直径が前記荷電粒子の射影飛程のオーダである複数の凹部からなる蜂の巣構造のパターンを形成することを特徴とする微細パターンの形成方法。
The single crystal substrate is heated to −50 ° C. or lower and −273 so that the mobility of interstitial atoms generated by injecting charged particles into the single crystal substrate is larger than the mobility of atomic vacancies generated by the injection. Cooling to a low temperature of ℃ or higher,
Wherein at single crystal 1 × 10 14 cm -2 or more 5 × 10 16 cm -2 or less of a dose of the charged particles to the surface of the substrate, implanting a predetermined acceleration voltage,
Returning the single crystal substrate to room temperature ,
A method for forming a fine pattern, comprising: forming a honeycomb structure pattern comprising a plurality of recesses each having a diameter on the order of a projected range of the charged particles on the surface of the single crystal substrate .
単結晶基板の表面に所定の開口部を有するマスク材を形成する工程と、
前記単結晶基板に荷電粒子を注入して生成した格子間原子の移動度が、前記注入により生成された原子空孔の移動度よりも大きくなるように、前記単結晶基板を−50℃以下−273℃以上の低温に冷却する工程と、
前記マスク材の開口部を介して、前記単結晶基板の表面に前記荷電粒子を1×1014cm−2以上5×1016cm−2以下のドーズ量にて、所定の加速電圧で選択的に注入する工程と、
前記単結晶基板を室温に戻すことにより、前記単結晶基板の表面に、それぞれの直径が前記荷電粒子の射影飛程のオーダである複数の凹部からなる蜂の巣構造のパターンを形成する工程と、
前記複数の凹部の内部にそれぞれエピタキシャル成長する工程
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a mask material having a predetermined opening on the surface of the single crystal substrate ;
The single crystal substrate is heated to −50 ° C. or lower so that the mobility of interstitial atoms generated by injecting charged particles into the single crystal substrate is larger than the mobility of atomic vacancies generated by the injection. Cooling to a low temperature of 273 ° C. or higher;
Through the opening of the mask material, the said charged particles on the surface of the single crystal substrate at 1 × 10 14 cm -2 or more 5 × 10 16 cm -2 or less of the dose, selective in predetermined acceleration voltage Injecting into
Returning the single crystal substrate to room temperature to form a honeycomb structure pattern having a plurality of recesses each having a diameter on the order of the projected range of the charged particles on the surface of the single crystal substrate;
The method of manufacturing a semiconductor device which comprises a step of each epitaxially grown inside the plurality of recesses.
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