JP4869847B2 - ナノワイヤ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ナノワイヤ素子の製造方法に関し、より詳しくは、単結晶半導体基板を用いて半導体ナノワイヤを製造した後、他の基板上にナノワイヤを転写させ、電極構造物を形成させるナノワイヤ素子の製造方法に関する。
ナノワイヤ素子は、ＦＥＴのように各種電子素子の核心部品であるトランジスタとして利用でき、種々の化学センサー及びバイオセンサーなどとして利用できる。各応用に適するようにナノワイヤ素子が動作するには、基本的にナノワイヤ及びナノワイヤの電気的性質を測定するか、活用するための電極構造物が必要である。
このようなナノワイヤ素子の製造方法は２つの方式に大別されるが、既存の半導体工程、特に極微細写真食刻工程などを用いてシリコンなどの材料をエッチングして所望する位置にナノワイヤ素子を直接に製作する“トップダウン”方式と、ナノワイヤをＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）成長法などを用いて合成した後、特定の位置に位置合わせしてナノワイヤ素子を製作する“ボトムアップ”方式とがある。
ＶＬＳ成長法は、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＰ、メタルなどの大部分の半導体及び金属物質のナノワイヤ成長に利用されている。しかし、ボトムアップ方式によりナノワイヤ素子を製作するためには、所望する箇所だけに選択的にナノワイヤを成長させるか、或いは製造されたナノワイヤを所望する位置に位置合わせした後、電極などの追加構造物を製造しなければならない。前記選択的成長法は、技術的に解決するための研究が進行されており、前記位置合わせのためのナノワイヤの位置制御には、ナノワイヤ素子の応用のために電気泳動のような方法によってナノワイヤを所望の位置に位置合わせする方法、或いはＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ法や流路を用いた流体流動でナノワイヤを位置合わせする方法を用いる。
しかし、かかる方法を用いてもナノワイヤが所望する位置に正確に位置合わせられるように制御することが極めて難しく、位置合わせ過程を経ても歩留まりが低いという問題点がある。また、位置合わせられたナノワイヤの電気的コンタクトのための追加的な電極構造物は高価の電子ビームリソグラフィ（ｅ−ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）工程によって製作されるので、ナノワイヤ素子の生産性向上に障害となっている。
一方、トップダウン方式を用いたナノワイヤ素子の製造方法によれば、シリコンをエッチングして直接にナノワイヤを製造するもので、数ｎｍの直径を有するナノワイヤを形成しようとすれば、極微細パターンの製作が必要であるので、電子ビームリソグラフィなど極微細パターン形成工程を利用する。トップダウン方式によって所望する位置に所望のサイズにナノワイヤを製作することができるという利点があるものの、電子ビームリソグラフィのような高価の装備を利用しなければならないので、生産速度が極めて遅くて商用化が困難である。また、形成されるナノワイヤがＶＬＳ法によって製作されたナノワイヤに比して不均一であり、電気的な素子として働くようにするためには、ナノワイヤが絶縁体上に製作されなければならず、このためＳＯＩ基板を用いなければいけないという欠点がある。極微細パターンを利用せずシリコン基板のドライエッチング工程を繰り返すことで得られるリッフル（ｒｉｆｆｌｅ）構造を応用してナノワイヤを製造するか、これを熱酸化させてナノ水準の直径を有するナノワイヤを製造する方法が報告されたことがあるが、ドライエッチング工程により得られるリッフルの表面粗さを制御することが難しいので、良質のナノワイヤを得ることが難しく、信頼性のあるナノワイヤの直径を再現することが困難であるという不具合がある。しかも、リッフル構造を熱酸化させてナノワイヤを得る場合、ナノワイヤは酸化物によって取り囲まれているため、ナノワイヤの応用に制限がある。
したがって、本発明は、上記した従来の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、電子ビームを用いて極微細パターンを形成する代わりに、簡単な方法で所望する直径を有するナノワイヤを形成することにより量産が可能な安価のナノワイヤ素子を製造する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、基板から分離されたシリコンナノワイヤを他の酸化膜又は絶縁膜基板などに転写させることにより、別途の複雑なナノワイヤ位置合わせ過程やＳＯＩ基板無しにナノワイヤ素子を製造することができる方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、ナノワイヤ素子の製造方法において、ナノワイヤが消失することなく他の基板の意図した位置に正確に転写できる方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、ナノワイヤを他の基板へ転写するためのトランスファー工程において、ナノワイヤに加えられるストレスを最小化してナノワイヤの撓み現象を防止することである。
本発明の更に別の目的は、他の基板の所望する位置だけにナノワイヤを転写させることができ、これを繰り返して行うことでナノワイヤ素子の集積度を向上させることができる製造方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、ナノワイヤ製造時、シリコン基板の結晶方法に拘束されず、ナノワイヤの形態を多様に製造することができるナノワイヤ素子の製造方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、ＳＯＩウエハーやナノワイヤを転写するための別途の基板を必要としないナノワイヤ素子の製造方法を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明は、（１００）単結晶シリコン基板に第１熱酸化膜を形成する段階と、ナノワイヤ領域及び前記ナノワイヤよりも広い幅を有し前記ナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物領域を確保するために前記第１熱酸化膜をパターン化する段階と、前記シリコン基板をドライエッチングして支持構造物及びコラム構造を形成する段階と、前記シリコン基板をシリコン異方性エッチング液でウェットエッチングして支持構造物及びコラム構造の高さ方向中央部分の幅を上部及び下部の幅より狭くする段階と、前記シリコン基板に第２熱酸化膜を形成する段階と、前記第１及び第２熱酸化膜を取り除いて前記ナノワイヤのうち前記支持構造物領域により支持される部分を除く部分を前記単結晶シリコン基板から離隔する段階と、前記ナノワイヤを他の基板に転写する段階と、を含むことを特徴とする。
また、前記目的を達成するために、本発明は、（１００）単結晶半導体基板に第１熱酸化膜を形成する段階と、ナノワイヤ領域及び前記ナノワイヤよりも広い幅を有し前記ナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物領域を確保するために前記第１熱酸化膜をパターン化する段階と、前記単結晶半導体基板をドライエッチングして支持構造物及びコラム構造を形成する段階と、前記単結晶半導体基板をシリコン異方性エッチング液でウェットエッチングして支持構造物及びコラム構造の高さ方向中央部分の幅を上部及び下部の幅より狭くする段階と、前記単結晶半導体基板に第２熱酸化膜を形成する段階と、前記単結晶半導体基板及びナノワイヤ構造物の上面に位置する酸化膜をドライエッチングで取り除く段階と、前記単結晶半導体基板に第３熱酸化膜を形成する段階と、前記ナノワイヤを他の基板に転写する段階と、を含むことを特徴とする。
また、前記目的を達成するために、本発明は、半導体第１基板にフォトレジストを形成してパターン化し、ナノワイヤ形成領域及びナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物形成領域を確保する段階と、前記半導体第１基板を反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物を形成する段階と、前記半導体第１基板をディープ反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物の下部にアンダーカット形状を形成する段階と、前記半導体第１基板を熱酸化させて半導体ナノワイヤを形成する段階と、前記半導体ナノワイヤのうち前記支持構造物により支持される部分を除く部分が前記シリコン第１基板から離隔されるように前記半導体第１基板に形成された熱酸化膜を取り除く段階と、前記半導体第１基板に形成された前記半導体ナノワイヤを第２基板に転写する段階と、前記第２基板に電極を形成する段階と、を含むことを特徴とする。
更に、前記目的を達成するために、本発明は、半導体基板をフォトレジストでパターン化し、半導体ナノワイヤ形成領域及び半導体ナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物形成領域を確保する段階と、前記半導体基板を反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物を形成する段階と、前記半導体基板をディープ反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物の下部にアンダーカット形状を形成する段階と、前記半導体基板を熱酸化して熱酸化膜を形成する段階と、前記半導体ナノワイヤの上層部が露出されると共に前記半導体ナノワイヤと前記半導体基板との間の熱酸化膜は完全に除去されないように熱酸化膜をエッチングする段階と、前記半導体基板に電極を形成する段階と、前記ナノワイヤのうち前記支持構造物により支持される部分を除く部分が前記半導体ナノワイヤ基板からリリースされるように酸化膜を取り除く段階と、前記半導体ナノワイヤを他の基板に転写する段階と、を含むことを特徴とする。
尚、前記目的を達成するために、本発明は、単結晶シリコン基板をドライエッチング及びウェットエッチングして狭幅の下部構造が広幅の上部構造を支持する断面構造を有するコラムを形成する段階と、基板を酸化させる段階と、酸化された部分を取り除く段階と、ナノワイヤ支持構造物上に電極物質を蒸着する段階と、を含むことを特徴とする。
本発明によるナノワイヤ素子の製造方法は、半導体単結晶基板を用いてウエハーレベルでナノワイヤを製造した後、他の基板上にナノワイヤを転写させ、金属電極を写真食刻技術でパターン化してナノワイヤ素子を製造するものである。まず、基板を非等方性エッチングして熱酸化させた後、酸化膜を取り除いて基板から浮かんでいるナノワイヤを製造し、基板から離隔されたナノワイヤは必要によってトランスファー方式でナノワイヤが形成された基板から酸化膜又は絶縁膜基板へ転写させる。ここで、応用に応じてポリマー、プラスチック基板へもナノワイヤを転写させることができる。ナノワイヤの他の基板へのトランスファーは、転写されるウエハー基板に粘着特性に優れているフォトレジストなどのポリマーや粘着剤（ａｄｈｅｓｉｖｅ）などの助けにより達成でき、ボンディング工程を介してナノワイヤを基板に直接固定させることもできる。トランスファーによるナノワイヤの移動がなされた後、粘着剤は酸素プラズマを用いたドライエッチングにより除去され、粘着剤除去後にもナノワイヤは接着によって基板表面にそのまま残存することになる。ナノワイヤが転写された基板に電気的コンタクトのための電極構造物を後続工程で製作すれば、ナノワイヤ素子をウエハーレベルにて製造することが可能であるので、ナノワイヤ素子を低コストで量産することができる。
また、本発明ではナノワイヤの形成された基板から絶縁膜などの形成された他の基板へ転写せず、ナノワイヤの形成された基板を用いてナノワイヤ素子を製造する方法を提示する。
以下、添付図面を参照して本発明による好適な実施形態をより詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるシリコンナノワイヤ製造工程を順次に図示している。
結晶構造が（１００）方向を有するシリコン第１基板１００に第１熱酸化膜１１０を形成し、写真食刻工程によりシリコンナノワイヤ及びその支持構造物を形成しない領域における酸化膜を取り除く（図１ａ）。ここで、写真食刻工程においてステッパー（ｓｔｅｐｐｅｒ）を用いる場合、数百ナノメートル（ｎｍ）の線幅が具現できる。一方、本実施形態によって製造されるシリコンナノワイヤ１５０は、空中に浮かんでいる（リリースされた）構造となることができるので、シリコンナノワイヤ１５０の両端や一端を固定させてシリコンナノワイヤ１５０が消失したり損傷しないようにすることが必要である。従って、シリコンナノワイヤ１５０が形成される領域の一端や両端に支持構造物１４０のためのパターンが必要となる。支持構造物１４０領域はシリコンナノワイヤ１５０の線幅より広い幅を有するようにして後述する熱酸化膜除去工程後もシリコン第１基板１００からリリースされないようにする。但し、支持構造物１４０領域の幅は後述するナノワイヤのトランスファー工程が円滑に行われるようにあまり広くないように調節することが望ましい。尚、支持構造物１４０領域とナノワイヤ１５０領域との連結部の幅をナノワイヤ領域の幅より狭くしてもよい。これは後述するナノワイヤのトランスファー工程においてナノワイヤの途切れ部分が前記連結部となるようにする。
ディープＲＩＥ工程のような異方性ドライエッチング工程によりシリコン第１基板１００にコラム構造１２０を形成する（図１ｂ）。コラム構造１２０のエッチングの深さは、後述するシリコンナノワイヤトランスファー工程が容易になされる程度の深さに調節する。ＫＯＨなどのシリコン異方性エッチング液を用いてシリコン第１基板１００をウェットエッチングする（図１ｃ）。ウェットエッチングにおいて、シリコン第１基板１００は（１００）結晶方向のエッチング特性を有するので、ウェットエッチング後にコラム構造の断面は中央部分が上部や下部よりも狭い幅を有する形態となる。
シリコン第１基板１００を２次熱酸化させて第２熱酸化膜１３０を形成する（図１ｄ）。このとき、コラム構造の凹んでいる断面の上部はナノワイヤを形成し、２次熱酸化工程の時間を調節することで、シリコンナノワイヤ１５０の直径を数十ｎｍ程度に調節することができるようになる。また、コラム構造１６０の凹部は狭くなるか、完全に酸化されてシリコンナノワイヤ１５０が基板からリリースされることができる。支持構造物１４０も断面上に凹部を持つが、支持構造物は適当に広い幅を有することにより、凹部が完全に酸化されずに、後続する熱酸化膜エッチング工程を経てもリリースされたナノワイヤを支持するようになる。一方、第２熱酸化膜を形成する前に第１熱酸化膜をエッチングしてもよい。
次に、熱酸化膜をＢＯＥ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｅｔｃｈａｎｔ）を用いたウェットエッチング又はプラズマドライエッチングを利用して取り除く（図１ｅ）。熱酸化膜が除去されると、シリコン基板からリリースされ、両端が支持構造物によって支持される数ｎｍ乃至数百ｎｍの直径及び数μｍ乃至数百μｍ長さを有するシリコンナノワイヤ１５０が得られる。一方、熱酸化膜除去工程において、フッ酸蒸気（ＨＦ ｖａｐｏｒ）を利用することもできる。これはナノワイヤに加えられるストレスを最小化して酸化膜除去工程やナノワイヤのトランスファー工程時、ナノワイヤの消失を最小化することができ、ナノワイヤの撓み現象及び位置変化を減少させることにより、後述するナノワイヤのトランスファー工程が容易になる。更に、シリコン第１基板１００と基板の上部に位置するシリコンナノワイヤ１５０との間の距離は、数十ｎｍ乃至数十μｍが好ましく、かかる距離はドライエッチングされたコラム構造１２０の深さ及び、中央部に狭い断面を有するコラム構造１６０が形成されるとき、シリコン第１基板１００のウェットエッチング程度によって決定される。
このように製造されるナノワイヤを素子に使用するためには、シリコンナノワイヤ１５０が意図された半導体特性を有することが望ましい。全てのシリコン第１基板１００或いは一部の領域に拡散（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）又はイオン注入（Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）などの方法で不純物を注入することにより、シリコンナノワイヤに半導体特性を導入することができる。かかるシリコンナノワイヤ１５０の半導体特性は、注入される不純物の種類及びドープ濃度によって調節可能である。
一方、本発明の他の実施形態では第１熱酸化膜を形成する前に、ナノワイヤが形成される領域のうち両端或いは一端領域に予め不純物、望ましくはホウ素を高濃度にドープする。高濃度にドープされた領域では図１ｂのウェットエッチング工程によりほかの領域よりエッチングが遅延される。これによって、支持構造物１４０と連結される部分のナノワイヤの厚さは厚いとともに、支持構造物１４０から遠ざかるほど次第に細くなってナノワイヤの緩やかな厚さの変化を作ることができる（図２ａ）。基板からリリースされたナノワイヤ製造に際して、ナノワイヤの両端にはストレスが集中される。このため、ナノワイヤを薄く製造すると、その両端も同様に薄くなるので、ストレスによってナノワイヤが消失する確立が高くなり、これによって一層薄いナノワイヤを製造することが困難となる。しかし、不純物の高濃度ドープ方法を用いれば、ナノワイヤ１５０を薄く形成しても厚く形成されたナノワイヤの両端又は一端領域はストレスに強くなる。従って、本実施形態では数十ｎｍ或いはその以下の薄い厚さを有するシリコンナノワイヤも製造可能である。また、後述するナノワイヤのトランスファー工程において、粘着剤によりナノワイヤに加えられる力は、ナノワイヤの両端に集中されるので、主にその部分にナノワイヤの途切れが発生する。しかしながら、ナノワイヤの両端又は一端を適当な厚さにするとともに、厚さの変化を適宜に調節すると、トランスファー時にナノワイヤの途切れ部分を制御できるようになる。また、ナノワイヤの両端又は一端領域のみならずナノワイヤが形成される領域のうち一部にも不純物を高濃度に注入して不純物が注入された領域のナノワイヤ部分がそうではないナノワイヤ部分よりも太くなるようにすることができる（図２ｂ）。このような応用は本発明によって形成されるナノワイヤの応用範囲を更に広めることができる。
図３は、シリコン第１基板１００に形成されたシリコンナノワイヤ１５０を第２基板３００へ転写させる工程を示している。ナノワイヤのトランスファーは、第２基板３００上に粘着剤を塗布する段階、ナノワイヤが形成されたシリコン第１基板１００を第２基板３００に向かって密着させる段階（図３ａ）、シリコン第２基板１００を第２基板３００から分離する段階（図５ａ）、及び第２基板３００上の粘着剤３１０を取り除く段階（図３ｃ）からなる。ナノワイヤが転写される第２基板３００は第２基板上に電気的素子が製作されることを考慮して酸化膜や窒化膜が蒸着されたシリコンウエハーを用い、そのほかにも水晶、セラミックス、ガラス、及びポリマーなどからなる基板を用いることができる。この際、第２基板３００にはトランスファー以前に一部の電極構造物が予め形成されることもできる。
第２基板３００に粘着特性がない場合、ナノワイヤのトランスファのために第２基板３００上に粘着剤３１０を均一に塗布する。粘着剤３１０はナノワイヤ１５０を粘着させる役割を果たし、これはナノワイヤ１５０が転写された後はプラズマ灰化（ｐｌａｓｍａ ａｓｈｉｎｇ）工程によって除去できなければならない。前記粘着剤３１０には粘着性ポリマー（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）、熱的リフローポリマー（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｏｗ ｐｏｌｙｍｅｒ）が使用可能である。とりわけ、フォトレジストを使用した場合、熱を加えたときリフローされるフォトレジストの特性を利用すれば、ナノワイヤのトランスファーを容易に行うことができる。従って、ナノワイヤが形成されたシリコン第１基板１００を第２基板３００に向かって密着させた状態で熱及び圧力を加えてナノワイヤ１５０を第２基板３００上に粘着させてもよい。ナノスケールではこのようにフォトレジストのようなポリマー系の粘着剤３１０を用いてナノワイヤを転写させることができる。その後、粘着剤を除去しても転写されたナノワイヤ１５０は粘着によって第２基板３００に粘着された状態を保つことができるので、第２基板３００へ転写されたナノワイヤ１５０の位置は粘着剤３１０の除去後も大きく変わらない。また、第２基板３００上にフォトリソグラフィ工程或いはインプリンティング工程を行うことにより、粘着剤にパターンを形成することができる。粘着剤パターン上にナノワイヤを転写させることで、転写される第２基板３００の意図した位置だけにナノワイヤ１５０を転写させることができる。これを繰り返して遂行することで、意図した位置だけにナノワイヤ１５０の集積度を向上させることができる。更に、転写される第２基板３００に位置合わせ用マークパターンを予め形成することができる。位置合わせ用マークパターンは、粘着剤パターン形成、ナノワイヤトランスファー、及び電極形成工程などに際して、基準杭としての役割を遂行して工程を容易にするとともに、ナノワイヤのトランスファー工程を繰り返し行う場合はナノワイヤ素子の集積度を向上させることができる。
一方、本発明の他の実施形態によるシリコンナノワイヤ１５０のトランスファー方法によれば、粘着剤３１０を用いずシリコンナノワイヤ１５０を直接に複数のボンディング工程によって第２基板に固定させてナノワイヤを転写させることができる。具体的には、ナノワイヤが形成されたシリコン第１基板１００を第２基板３００に向かって密着させる段階、熱及び圧力を加えてナノワイヤ１５０を第２基板３００に粘着させる段階、及びシリコン第１基板１００を第２基板３００から分離する段階からなる。この場合、第２基板３００は基板そのものが粘着特性を有するフレキシブル基板（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）、或いは粘性基板（ｓｔｉｃｋｙ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）などが用いられ、具体的にはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ；ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）などが用いられることができる。基板に加えられる熱及び圧力はナノワイヤ１５０のトランスファー効率が高くなる条件により決められ、転写される基板の材質によって異なる。また、この場合第２基板３００にフォトリソグラフィ工程或いはホットエンボス加工を行って粘着用パターンを形成することができる。更に、第２基板３００に位置合わせ用マークパターンを形成することができる。
尚、ナノワイヤ１５０のトランスファーは、繰り返して行うことができ、特に互いに異なる基板に形成されたナノワイヤを同一の第２基板にトランスファーさせることで、高密度のナノワイヤアレイやクロスされたナノワイヤアレイの積層構造及び多層構造のような複雑な構造のナノワイヤアセンブリを形成させることができる。この際、ナノワイヤアレイの積層構造及び多層構造を形成する場合、２番目以降のトランスファーは既に転写された第２基板３００の粘着特性の有無に関係なく第２基板に転写されたナノワイヤの厚さよりも厚い粘着剤を塗布した後、前記他の実施形態と同様な粘着剤を用いたナノワイヤトランスファー方法を遂行する。
ナノワイヤが転写された基板に電気的コンタクトのための電極構造３２０を形成すれば、ナノワイヤ素子の製造工程が終了される（図３ｄ）。電極３２０の材料として用いられる金属薄膜を蒸着すると、ナノワイヤが永久に基板の表面に固定されるので、他の工程が追加されてもナノワイヤが消失する恐れはない。ナノワイヤがトランスファーされた基板に電極３２０を形成させるために追加的に進行する工程はウエハー単位で進行でき、パターンの位置合わせは、必要な場合マスクの位置合わせパターンやトランスファー工程で使用された位置合わせ用マークパターンを用いて円滑に進行できる。
次に、本発明の他の実施形態によるシリコンナノワイヤ素子の製造方法を説明する。まず、図１に示した工程によって基板にナノワイヤを形成した後、ナノワイヤ支持構造物上に電極物質を形成してナノワイヤ素子を製造する。本実施形態ではナノワイヤをトランスファーさせる実施形態とは異なり、第２基板にナノワイヤをトランスファーさせる必要がなく、ナノワイヤが形成された基板に直接にナノワイヤ素子を形成することができる。本実施形態に係るナノワイヤ素子はナノワイヤが酸化膜などの絶縁膜上に存在しない。従って、本実施形態では真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）半導体基板を使用することが望ましく、予めナノワイヤが形成される領域に不純物をドープする場合、ドープの深さを薄くしてナノワイヤの下方の基板領域はドープされないようにすることで、ナノワイヤ素子の漏れ電流を最小することが望ましい。このように形成されたナノワイヤ素子は、従来のナノワイヤ素子の応用に利用できることはもちろん、無線周波数回路（ＲＦＣ）において極めて正確に同調された発振器として使用可能なナノワイヤ共振器に用いられることができる。特に本発明によるナノワイヤは従来よりも一層小さな線幅を有することができ、非常に低コストで製造できるので、その応用範囲は遥かに広いと言える。
図４は、本発明のまた他の実施形態によるシリコンナノワイヤの製造工程を示している。結晶構造が（１００）方向を有するシリコン第１基板４００に対してパターン化された第１熱秋酸化膜４１０をマスクとして用いて異方性ドライエッチングしてシリコン第１基板４００にコラム構造４２０を形成する（図４ａ）。このとき、ナノワイヤに対する支持構造物を形成する必要はない。ＫＯＨなどのシリコン異方性エッチング液を用いてシリコン第１基板４００をウェットエッチングする（図４ｂ）。これによって、所定の傾斜角を有するナノワイヤ構造物４６０が形成される。更に、シリコン第１基板４００を２次熱酸化させて第２熱酸化膜４３０を形成させる（図４ｃ）。第１、２熱酸化膜４１０、４３０が形成された状態で、シリコン第１基板４００をドライエッチングすることにより、第１基板４００上の酸化膜を除去してナノワイヤ構造物４６０の上のシリコンが露出されるようにする（図４ｄ）。次に、シリコン第１基板４００を３次熱酸化させて第３熱酸化膜４７０を形成する（図４ｅ）。第２熱酸化膜４３０および第３熱酸化膜４７０の蒸着時間を調節することで、シリコンナノワイヤ４５０の直径を数十ｎｍのサイズに調節することができる。
図５は、本発明のまた他の実施形態によるシリコンナノワイヤの製造工程を示している。図４の工程によってシリコンナノワイヤが形成されたシリコン第１基板４００を用いてナノワイヤ４５０を第２基板５００へ転写させる（図５ａ乃至図５ｃ）。このとき、ナノワイヤのトランスファーが終了しても、第２基板５００上のシリコンナノワイヤ６５０の上端には酸化膜５１０が残るようになる。よって、残っている酸化膜５１０を取り除くことで、シリコンナノワイヤ４５０のトランスファーが終了するようになる（図５ｄ）。この場合、熱酸化膜除去時、フッ酸（ＨＦ）蒸気を使用することができる。ここでも、前述した他の実施形態と同様に、第２基板５００に粘着剤５２０を用いるか、第２基板５００として基板そのものが粘着特性を有するフレキシブル基板或いは粘性基板などを用いてナノワイヤを転写させることができ、粘着剤パターン又は位置合わせ用マークパターンを形成し、シリコンナノワイヤ４５０を第２基板５００へ転写させることができる。本実施形態では基板からリリースされたナノワイヤを転写させる実施形態と比較してみるとき、より強い粘着力が求められるので、プラスチック基板などを用いたホットエンボス加工を利用することが好ましい。次いで、電極構造物５３０を形成してナノワイヤ素子の製造工程を終了する（図５ｅ）。本実施形態によって製造されたシリコンナノワイヤ４５０は、基板４００及びシリコンナノワイヤ４５０に残っている酸化膜を転写後に除去するため、シリコンナノワイヤ４５０が消失するか損傷される恐れがない。
図６は、本発明のまた他の実施形態によるシリコンナノワイヤ製造工程を示している。まず、シリコン第１基板６１０を用意した後、写真食刻工程を介してフォトレジスト６２０をパターン化する（図６ａ乃至図６ｂ）。パターニング領域はシリコンナノワイヤ及びその支持構造物のための領域を含む。この際、シリコン第１基板６１０は前述した実施形態とは異なり、必ずしも（１００）方向の面を有する必要はない。第１基板６１０を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）のようなシリコンドライエッチング工程を用いてエッチングを遂行して垂直のトレンチ構造物を形成する（図６ｃ）。その後、第１基板６１０をディープ反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）のスカラップ（Ｓｃａｌｌｏｐ）を誘導するシリコンドライエッチング工程によってエッチングして垂直のトレンチ構造物の下部にアンダーカット（ｕｎｄｅｒｃｕｔ）６３０形状が生じるようにする（図６ｄ）。この場合、ディープ反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）は、ボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）工程が利用できる。次に、熱酸化工程によってシリコン第１基板６１０に熱酸化膜６４０を形成する（図６ｅ）。熱酸化膜形成工程を介してシリコンナノワイヤ構造物の下端部の狭い部分が完全に酸化されてシリコンナノワイヤを熱酸化膜６４０によって基板から分離させることができる。また、かかる熱酸化工程によって数ｎｍ乃至数十ｎｍサイズの直径を有するシリコンナノワイヤ６７０が作られ、熱酸化工程の調節でシリコンナノワイヤ６７０の直径を調節することができる。酸化膜６４０がフッ酸蒸気（ＨＦ ｖａｐｏｒ）或いはＢＯＥ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｏｘｉｄｅ ｅｔｃｈａｎｔ）によって除去されると、数ｎｍ乃至数十ｎｍサイズに形成されたナノワイヤ６７０が得られる（図６ｆ）。酸化膜６４０が除去されると、ナノワイヤ６７０は空中に浮かんでいる構造となるが、ナノワイヤ６７０のためのパターン形成時に一緒にパターン化された支持構造物６７５によりナノワイヤ６７０が固定されることができる。一方、このように製造されたシリコンナノワイヤ６７０はドライエッチング工程、熱酸化工程、及び酸化膜エッチング工程を用いて作製されるので、シリコン基板６１０の結晶方向に依存しないナノワイヤ製作ができるので、その結果直線又は曲線など様々な形状のナノワイヤの製作が可能である。このように形成されたナノワイヤは前述したナノワイヤのトランスファー方法を用いて第２基板に転写させ、シリコンナノワイヤ素子を製造することができる。
一方、本発明の他の実施形態によるシリコンナノワイヤ素子の製造方法によれば、図６ａ乃至図６ｄの工程によりシリコン基板にナノワイヤを形成した後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のドライエッチング又はウェットエッチングによってナノワイヤ６７０の上層部を覆っている酸化膜を取り除く（図７ａ）。ついで、電気的コンタクトのための電極構造７１０を形成する（図７ｂ）。従って、本実施形態では別途の第２基板を利用することが必要なく、シリコン第１基板上にナノワイヤ素子を製造することができる。一方、電極７１０が形成された後、ナノワイヤの下部の酸化膜を除去してナノワイヤがシリコン基板からリリースされた構造のナノワイヤ素子の製作も可能である。かかるナノワイヤ素子は従来のナノワイヤ素子の応用にも使用できることはもちろん、無線周波数回路（ＲＦＣ）において極めて正確に同調された発振器として使用可能なナノワイヤ共振器に用いられることができる。
図８は、前記各実施形態によって製作されたシリコンナノワイヤ素子を用いてバイオセンサーを製作した一例を示している。
バイオセンサーは、電解質溶液が検査試料として用いられるので、ノイズを減少させてセンサーの感度を向上させるために、ナノワイヤ素子の電極上部に絶縁層８３０を形成することで、電解質溶液と電極８２０とが接触することを防止しなければならない。ナノワイヤ８１０の表面は、センサーとして適用するために硫酸又は酸素プラズマを用いて活性化される。また、ナノワイヤ８１０の表面には酸化膜８４０が形成され、酸化膜８４０上には有機シラン層８５０及び受容体８６０を形成することにより、電解質溶液に含まれたタンパク質などの検出対象粒子８７０を捕捉して検出できるようにする。
以上、本発明を好適な実施形態を挙げて図面に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、当該技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術的思想及び特許請求の範囲内で種々の修正や変形が可能であることは明らかである。
１００ ： シリコン第１基板 １１０ ： 第１熱酸化膜
１２０ ： コラム構造 １３０ ： 第２熱酸化膜
１４０ ： 支持構造物 １５０ ： シリコンナノワイヤ
１６０ ： コラム構造 ３００ ： 第２基板
３１０ ： 粘着剤 ３２０ ： 電極
４００ ： シリコン第１基板 ４１０ ： 第１熱酸化膜
４２０ ： コラム構造 ４３０ ： 第２熱酸化膜
４５０ ： シリコンナノワイヤ ４６０ ： ナノワイヤ構造物
４７０ ： 第３熱酸化膜 ５００ ： 第２基板
５１０ ： 酸化膜 ５２０ ： 粘着剤
５３０ ： 電極構造物 ６１０ ： シリコン第１基板
６２０ ： フォトレジスト ６３０ ： アンダーカット
６４０ ： 熱酸化膜 ６７０ ： シリコンナノワイヤ
６７５ ： 支持構造物 ７１０ ： 電極構造
８１０ ： ナノワイヤ ８２０ ： 電極
８３０ ： 絶縁層 ８４０ ： 酸化膜
８５０ ： 有機シラン層 ８６０ ： 受容体
８７０ ： 検出対象粒子
１２０ ： コラム構造 １３０ ： 第２熱酸化膜
１４０ ： 支持構造物 １５０ ： シリコンナノワイヤ
１６０ ： コラム構造 ３００ ： 第２基板
３１０ ： 粘着剤 ３２０ ： 電極
４００ ： シリコン第１基板 ４１０ ： 第１熱酸化膜
４２０ ： コラム構造 ４３０ ： 第２熱酸化膜
４５０ ： シリコンナノワイヤ ４６０ ： ナノワイヤ構造物
４７０ ： 第３熱酸化膜 ５００ ： 第２基板
５１０ ： 酸化膜 ５２０ ： 粘着剤
５３０ ： 電極構造物 ６１０ ： シリコン第１基板
６２０ ： フォトレジスト ６３０ ： アンダーカット
６４０ ： 熱酸化膜 ６７０ ： シリコンナノワイヤ
６７５ ： 支持構造物 ７１０ ： 電極構造
８１０ ： ナノワイヤ ８２０ ： 電極
８３０ ： 絶縁層 ８４０ ： 酸化膜
８５０ ： 有機シラン層 ８６０ ： 受容体
８７０ ： 検出対象粒子
Claims (21)
- （１００）単結晶シリコン基板に第１熱酸化膜を形成する段階と、
ナノワイヤ領域及び前記ナノワイヤよりも広い幅を有し前記ナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物領域を確保するために前記第１熱酸化膜をパターン化する段階と、
前記シリコン基板をドライエッチングして支持構造物及びコラム構造を形成する段階と、
前記シリコン基板をシリコン異方性エッチング液でウェットエッチングして支持構造物及びコラム構造の高さ方向中央部分の幅を上部及び下部の幅より狭くする段階と、
前記シリコン基板に第２熱酸化膜を形成する段階と、
前記第１及び第２熱酸化膜を取り除いて前記ナノワイヤのうち前記支持構造物領域により支持される部分を除く部分を前記単結晶シリコン基板から離隔する段階と、
前記ナノワイヤを他の基板に転写する段階と、
を含むことを特徴とする半導体ナノワイヤ素子の製造方法。 - 前記単結晶シリコン基板をシリコン異方性エッチング液でウェットエッチングする段階後に、前記第１熱酸化膜をエッチングする段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記第１及び第２熱酸化膜の除去はフッ酸蒸気を用いて取り除くことを特徴とする請求項１に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記単結晶シリコン基板に第１熱酸化膜を形成する段階前に、前記支持構造物が形成される領域またはナノワイヤが形成される領域の一部に高濃度の不純物をドープする段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記不純物はホウ素であることを特徴とする請求項４に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記単結晶シリコン基板に第１熱酸化膜を形成する段階前に、前記全てのシリコン基板或いは前記ナノワイヤが定義される一部の領域に不純物をドープする段階を更に含み、前記ナノワイヤの電気的特性は前記不純物の種類及び濃度によって調節されることを特徴とする請求項１に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記ナノワイヤの支持構造物上に電極物質を蒸着する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- （１００）単結晶半導体基板に第１熱酸化膜を形成する段階と、
ナノワイヤ領域及び前記ナノワイヤよりも広い幅を有し前記ナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物領域を確保するために前記第１熱酸化膜をパターン化する段階と、
前記単結晶半導体基板をドライエッチングして支持構造物及びコラム構造を形成する段階と、
前記単結晶半導体基板をシリコン異方性エッチング液でウェットエッチングして支持構造物及びコラム構造の高さ方向中央部分の幅を上部及び下部の幅より狭くする段階と、
前記単結晶半導体基板に第２熱酸化膜を形成する段階と、
前記単結晶半導体基板及びナノワイヤ構造物の上面に位置する酸化膜をドライエッチングで取り除く段階と、
前記単結晶半導体基板に第３熱酸化膜を形成する段階と、
前記ナノワイヤを他の基板に転写する段階と、
を含むことを特徴とする半導体ナノワイヤ素子の製造方法。 - 前記ナノワイヤを前記他の基板へ転写する段階は、前記他の基板に予め形成された位置合わせ用マークパターンを用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記ナノワイヤを前記他の基板へ転写する段階は、
前記ナノワイヤが形成された前記単結晶半導体基板と前記他の基板とを密着させる段階と、
前記単結晶半導体基板及び前記他の基板に熱と圧力を加える段階と、
前記単結晶半導体基板を前記他の基板から分離する段階と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。 - 前記他の基板は酸化膜又は窒化膜が形成されたシリコン基板或いは水晶、セラミックス、ガラス、プラスチック、及びポリマー基板のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記ナノワイヤを前記他の基板に転写する段階後に、前記他の基板に電極を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記ナノワイヤを前記他の基板に転写する段階前に、前記他の基板に粘着剤を均一に塗布する段階と、
前記単結晶シリコン基板を前記他の基板から分離する段階後に、前記粘着剤を前記他の基板から取り除く段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。 - 前記他の基板に粘着剤を均一に塗布する段階後に、前記粘着剤にパターンを形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記粘着剤にパターンを形成する段階は、フォトリソグラフィ工程又はインプリンティング工程により行われることを特徴とする請求項１４に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記単結晶半導体基板上に形成されたナノワイヤを前記他の基板に転写する段階前に、フォトリソグラフィ工程又はホットエンボス加工を行って前記他の基板に粘着用パターンを形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 半導体第１基板にフォトレジストを形成してパターン化し、ナノワイヤ形成領域及びナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物形成領域を確保する段階と、
前記半導体第１基板を反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物を形成する段階と、
前記半導体第１基板をディープ反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物の下部にアンダーカット形状を形成する段階と、
前記半導体第１基板を熱酸化させて半導体ナノワイヤを形成する段階と、
前記半導体ナノワイヤのうち前記支持構造物により支持される部分を除く部分が前記シリコン第１基板から離隔されるように前記半導体第１基板に形成された熱酸化膜を取り除く段階と、
前記半導体第１基板に形成された前記半導体ナノワイヤを第２基板に転写する段階と、
前記第２基板に電極を形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体ナノワイヤ素子の製造方法。 - 半導体基板をフォトレジストでパターン化し、半導体ナノワイヤ形成領域及び半導体ナノワイヤをその一端又は両端において支持する支持構造物形成領域を確保する段階と、
前記半導体基板を反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物を形成する段階と、
前記半導体基板をディープ反応性イオンエッチングして支持構造物及び垂直のトレンチ構造物の下部にアンダーカット形状を形成する段階と、
前記半導体基板を熱酸化して熱酸化膜を形成する段階と、
前記半導体ナノワイヤの上層部が露出されると共に前記半導体ナノワイヤと前記半導体基板との間の熱酸化膜は完全に除去されないように熱酸化膜をエッチングする段階と、
前記半導体基板に電極を形成する段階と、
前記ナノワイヤのうち前記支持構造物により支持される部分を除く部分が前記半導体ナノワイヤ基板からリリースされるように酸化膜を取り除く段階と、
前記半導体ナノワイヤを他の基板に転写する段階と、
を含むことを特徴とする半導体ナノワイヤ素子の製造方法。 - 半導体ナノワイヤの上層部が露出されると共に前記半導体ナノワイヤと前記半導体基板との間の熱酸化膜は完全に除去されないように熱酸化膜をエッチングする段階は、ウェットエッチング又はドライエッチングを用いることを特徴とする請求項１８に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 請求項８の方法により半導体ナノワイヤが転写された他の基板に前記単結晶半導体基板ではない相異なる基板上に形成された半導体ナノワイヤを繰り返して転写する方法で高密度のナノワイヤアレイ、クロスされたナノワイヤアレイの積層又は多層構造を形成することを特徴とする半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
- 前記半導体ナノワイヤを繰り返して転写する方法は、
既に転写されたナノワイヤの厚さより一層厚い粘着剤を前記他の基板上に塗布する段階Ｓ１と、
半導体ナノワイヤを転写する段階Ｓ２と、
前記粘着剤を取り除く段階Ｓ３と、
前記段階Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を繰り返して行う段階と、
を含むことを特徴とする請求項２０に記載の半導体ナノワイヤ素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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