JP4811851B2 - Method for cross-linking growth of silicon nanowires - Google Patents
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本発明は、半導体等情報通信用デバイス用素材として用いることのできる単結晶シリコンナノワイヤーを任意の金属粒子ドット間に架橋させる制御成長方法に関するものである。 The present invention relates to a controlled growth method in which single crystal silicon nanowires that can be used as a material for information communication devices such as semiconductors are crosslinked between arbitrary metal particle dots.
ナノテクノロジーの進展にともなって、シリコンナノワイヤーの合成とその応用が注目されている。 With the progress of nanotechnology, the synthesis of silicon nanowires and their application are attracting attention.
このような状況において、本発明者らは、ポリシランの低温CVDにより温度300℃以下においてシリコンナノワイヤーを合成する方法を確立し、これを新しい技術としてすでに提案しているところである(特許文献1)。 Under such circumstances, the present inventors have established a method for synthesizing silicon nanowires at a temperature of 300 ° C. or lower by low-temperature CVD of polysilane, and have already proposed this as a new technology (Patent Document 1). .
一方、シリコンナノワイヤーの応用として、マイクロマシン用の素材やナノサイズ半導体が考えられているが、半導体への応用では、リソグラフィー技術のように、回路に直接半導体ワイヤーが組み込まれるのが望ましい。そのためには、できるだけ低温でワイヤーを合成可能とする必要がある。さらに、任意の位置に制御した方向にナノワイヤーを自発的に成長させることができれば、より回路構成が容易になる。このような回路構成のためのシリコンナノワイヤーの架橋方法としては、対向するシリコンウエファー間にモノシリコンの熱分解を用いてワイヤーを作製する方法が報告されている(非特許文献1)。しかし、この方法ではシリコンナノワイヤーの成長反応に600℃以上の高温条件が必要であり、また形成される架橋構造が複雑であるという問題がある。
本発明は、以上のとおりの背景から、すでに本発明者らが提案しているシリコンナノワイヤーのポリシランCVDによる合成法の特徴を生かし、従来のシリコンナノワイヤーの架橋のための600℃以上の高温での成長という、回路上への熱損傷が避けられず、しかも複雑な架橋構造であるという問題点を解決し、より低温での、回路上の熱損傷を与えることなく、任意の位置においてその場でシリコンナノワイヤーの架橋構造を形成することのできる新しい技術手段を提供することを課題としている。 The present invention is based on the background as described above, taking advantage of the characteristics of the synthesis method of silicon nanowires already proposed by the present inventors by polysilane CVD, and has a high temperature of 600 ° C. or higher for crosslinking of conventional silicon nanowires. This solves the problem of thermal damage on the circuit, which is unavoidable, and is a complicated cross-linked structure, and at a lower temperature without causing thermal damage on the circuit. It is an object to provide a new technical means capable of forming a crosslinked structure of silicon nanowires in situ.
本発明は、上記の課題を解決するための手段として以下のことを特徴としている。 The present invention is characterized by the following as means for solving the above problems.
第1:基板表面上の所定位置に触媒金属がコーティングされたシリコン角柱ドットパターンを配設し、ポリシランガスの300℃以下の温度でのCVDによって所定の触媒金属がコーティングされた前記シリコン角柱間にシリコンナノワイヤーを架橋成長させることを特徴とするシリコンナノワイヤーの架橋成長方法。
First: A silicon prism column pattern coated with a catalytic metal is disposed at a predetermined position on the substrate surface, and between the silicon prisms coated with the predetermined catalytic metal by CVD at a temperature of 300 ° C. or less of polysilane gas. A method for cross-linking and growing silicon nanowires, characterized in that silicon nanowires are cross-linked and grown.
第2:上記の方法により形成された架橋構造を有することを特徴とするシリコンナノワイヤーの架橋構造体。 Second: A crosslinked structure of silicon nanowires having a crosslinked structure formed by the above method.
上記のとおりの本発明によれば、従来の問題点を解消し、回路の熱損傷をともなうことなく、300℃以下の温度で任意の場所に結晶性のシリコンナノワイヤー架橋を作製できる。このため、任意の位置でのナノワイヤー配線による半導体回路作製が実現可能となる。また、反応ガスの圧力、流量を制御することによりワイヤーのサイズの制御が可能である。 According to the present invention as described above, a crystalline silicon nanowire bridge can be produced at an arbitrary place at a temperature of 300 ° C. or lower without solving the conventional problems and without causing thermal damage to the circuit. For this reason, semiconductor circuit fabrication by nanowire wiring at an arbitrary position can be realized. In addition, the wire size can be controlled by controlling the pressure and flow rate of the reaction gas.
本発明においては、ポリシランガスのCVD法によってシリコンナノワイヤーを架橋成長させることを特徴としている。 The present invention is characterized in that silicon nanowires are crosslinked and grown by a CVD method using a polysilane gas.
ポリシランガスは、熱的に不安定で、分解してSiを生成するものから選定されるが、300℃以下の温度でのCVDにおいて、たとえばジシラン、トリシラン等のガスが好適なものとして用いられる。CVDの温度は、300℃以下、より好適には250℃〜300℃の範囲とすることが考慮される。 The polysilane gas is selected from those which are thermally unstable and decompose to produce Si. For CVD at a temperature of 300 ° C. or less, for example, a gas such as disilane or trisilane is preferably used. It is considered that the CVD temperature is 300 ° C. or less, and more preferably in the range of 250 ° C. to 300 ° C.
本発明のシリコンナノワイヤーの架橋成長においては、たとえば好適には、約2μm角以下の触媒金属粒子のドットをあらかじめリソグラフィーによって作製し、全圧1〜5Torr、ポリシランガス流量0.1〜1SCCMの条件で温度約250〜300℃でパターン上に接触させることによってドット間にシリコンナノワイヤーの架橋を作る。ドットに用いる金属として金、銀、鉄、ニッケル等が例示される。その厚さは1〜5nm程度であることが望ましい。 In the cross-linking growth of the silicon nanowire of the present invention, for example, preferably, dots of catalyst metal particles of about 2 μm square or less are prepared in advance by lithography, and the total pressure is 1 to 5 Torr and the polysilane gas flow rate is 0.1 to 1 SCCM. The silicon nanowires are cross-linked between the dots by contacting them on the pattern at a temperature of about 250-300 ° C. Gold, silver, iron, nickel etc. are illustrated as a metal used for a dot. The thickness is desirably about 1 to 5 nm.
架橋成長されるシリコンナノワイヤーは、結晶性であって、好適には単結晶である。このシリコンナノワイヤーを架橋成長させる基板としては、たとえば好適にはシリコンあるいはシリカ等が例示される。 The silicon nanowires that are cross-linked and grown are crystalline and are preferably single crystals. Examples of the substrate on which the silicon nanowires are crosslinked and grown preferably include silicon or silica.
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。 Therefore, an example will be shown below and will be described in more detail. Of course, the invention is not limited by the following examples.
<実施例1>
シリコンナノワイヤーを成長、位置制御するために、シリコン基板上に触媒金属粒子のパターニングが必要である。まず、SOI(Silicon On Insurator)基板を用いてSiO2上に図1aの平面図のように、厚さ2μm、2μm角のSi単結晶ドットを約15μm間隔でエッチングにより作製する。続いてスパッタリングにより金を約2nmコーティングする。さらに、希釈フッ酸によりSiO2層を取り除くと、金粒子に覆われたシリコン角柱のパターンが得られる(図1b)。ここで、図1(a)(b)での符号は次のものを示している。
<Example 1>
In order to grow and control the position of silicon nanowires, it is necessary to pattern catalytic metal particles on a silicon substrate. First, using a SOI (Silicon On Insurator) substrate, Si single crystal dots having a thickness of 2 μm and a 2 μm square are formed on SiO 2 by etching at intervals of about 15 μm as shown in the plan view of FIG. Subsequently, about 2 nm of gold is coated by sputtering. Furthermore, when the SiO 2 layer is removed with diluted hydrofluoric acid, a silicon prism pattern covered with gold particles is obtained (FIG. 1b). Here, the symbols in FIGS. 1A and 1B indicate the following.
1:ドット間隔3〜20μm、2:金属/シリコン柱、3:SiO2層、4:シリコン基板。 1: dot spacing of 3-20 μm, 2: metal / silicon pillar, 3: SiO 2 layer, 4: silicon substrate.
実際に得られた像を図2に示す。 The actually obtained image is shown in FIG.
図2のように得られた金ドットパターン試料を反応容器内で1×10 −6 Torrまで真空に引く。ついで試料を296℃まで加熱する。温度が一定になったら、容器内にH2ガスで10%に希釈したSi2H6ガス(1SCCM)とアルゴンガス(20SCCM) を5Torrまで導入し、その状態で20min保持する。実験後、基板表面を電子顕微鏡で観察すると、図3のようにシリコンナノワイヤーが生成する。金ドット間で架橋されていることがわかる。
<参考例1>
シリコン基板上に金を約2nm厚さでスパッタコーティングし、約15μm幅の細い傷を入れる。その後、参考例1と同様な条件によりシリコンナノワイヤーを形成させる。図4に示すようにシリコンナノワイヤーによる架橋が行われていることがわかる。なお図4では反応ガスは右上から左下へ流しており、ほぼ流れの方向に沿ってワイヤーが形成される。
The gold dot pattern sample obtained as shown in FIG. 2 is evacuated to 1 × 10 −6 Torr in a reaction vessel. The sample is then heated to 296 ° C. When the temperature becomes constant, Si 2 H 6 gas (1 SCCM) and argon gas (20 SCCM) diluted to 10% with H 2 gas are introduced into the container up to 5 Torr, and kept in that state for 20 min. After the experiment, when the substrate surface is observed with an electron microscope, silicon nanowires are generated as shown in FIG. It can be seen that the gold dots are cross-linked.
< Reference Example 1 >
On a silicon substrate, gold is sputter-coated with a thickness of about 2 nm, and a thin scratch having a width of about 15 μm is made. Thereafter, silicon nanowires are formed under the same conditions as in Reference Example 1 . As shown in FIG. 4, it can be seen that crosslinking with silicon nanowires is performed. In FIG. 4, the reaction gas flows from the upper right to the lower left, and a wire is formed substantially along the flow direction.
1 ドット間隔3−20μm
2 金属/シリコン柱
3 SiO2層
4 シリコン基板
1 dot spacing 3-20μm
2 Metal / silicon pillar 3 SiO 2 layer 4 Silicon substrate
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A crosslinked structure of silicon nanowires having a crosslinked structure formed by the method of claim 1.
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