JPH08274075A - 微細パターン作成方法 - Google Patents

微細パターン作成方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来技術で作成不可能な量子細線（２次元微
細パターン）や量子箱（３次元微細パターン）のよう
な、ｎｍ程度の精度の１０ｎｍレベルの微細パターン
を、良好な制御性並びに再現性のもとに量産可能な方法
を提供する。 【構成】 ２種以上の原子を含む化合物または合金かな
る薄膜２に、局所的に粒子ビーム３を照射して薄膜２内
の特定の原子を選択的に薄膜２外に反跳させることで、
そのビーム照射領域４を特定原子の存在数比を他部位に
比して低くし、薄膜２と同等の厚みを持ち、ビーム３の
照射領域４に応じた平面的形状を有する微細パターンを
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜中に微細なパター
ンを作成する方法に関し、例えば金属あるいは半導体の
微細なパターンを利用する量子効果デバイスをはじめと
する電子デバイスにおける微細パターンの作成等に適し
た方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体において量子薄膜（１次元
量子井戸構造）を作成する技術は、ＭＢＥ（分子線エピ
タキシー）を用いる方法等が既に開発されている。
【０００３】しかし、量子細線（２次元量子井戸構
造）、量子箱（３次元量子井戸構造）については、量子
薄膜を作成するときの薄膜作成技術に加えて、１０ｎｍ
レベルの２次元の微細加工が必要であり、未だその作成
技術は確立されていない。すなわち、２次元的な微細加
工方法として確立しているリソグラフィ技術では、数１
００ｎｍ程度の精度しかないために、上記した構造を得
るための微細加工としては採用できない。現時点におい
て、様々な手法が模索されてはいるものの、実用域に達
したものは未だないのが実情である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術で
は作成不可能であった量子細線（２次元微細パターン）
や量子箱（３次元微細パターン）のような、ｎｍ程度の
精度を持つ１０ｎｍレベルの微細パターンを、良好な制
御性のもとに、かつ、良好な再現性のもとに量産するこ
とのできる方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の微細パターンの
作成方法は、２種以上の原子を含む化合物または合金か
らなる薄膜に、局所的に粒子ビームを照射することによ
り、その薄膜内の特定の原子を選択的に薄膜外に反跳さ
せ、その特定原子の存在数比が当該薄膜内の他の部位に
比して低い領域のパターンを作成することによって特徴
づけられる。
【０００６】ここで、本発明における粒子ビームとは、
イオンビームおよび中性原子ビームのいずれをも含み、
ビームの形態としては集束されていないものおよび集束
されているもののいずれでもよい。そして、集束されて
いない粒子ビームによるパターニングに際しては、必要
に応じてマスクを用いることができる。
【０００７】また、本発明は、対象とする薄膜の表面に
対して粒子ビームを直接的に打ち込むほか、その薄膜と
は異なる物質からなる層により薄膜を挟んだ状態で、そ
の積層構造の端面部分から粒子ビームを照射することに
より、対象薄膜内に、粒子ビームの飛程に相当する奥行
きと、粒子ビームのビーム幅に相当する幅を持つ、特定
原子の存在数比の低い領域のパターンを作成する場合を
含む。
【０００８】
【作用】例えば物質Ａと物質Ｂの化合物であり、物性が
物質Ａとは異なると物質ＡＢからなる薄膜に、高速粒子
ビームないしは集束イオンビームを照射すると、ビーム
の粒子と薄膜の構成物質ＡＢとの衝突が生じ、Ａまたは
Ｂの原子が反跳する。反跳したＡ，Ｂの原子（または分
子、以下同）は反跳エネルギに対応した飛程だけ移動す
る。ＡとＢの原子の質量が異なると飛程が異なり、例え
ばＢの原子の方が質量が小さい場合にはその飛程はより
大きくなる。Ｂ原子の飛程が薄膜を通過してしまう程度
に大きく、かつ、Ａ原子の飛程が薄膜を通過しない程度
である場合には、物質ＡＢからなる薄膜からＢ原子が選
択的に抜け出すことになり（キックアウト効果）、ビー
ム照射領域においてのみ相対的にＡ原子のリッチな領域
が形成され、薄膜中に他とは異質な組成を持つ微細パタ
ーンが作成される。粒子ビームにより反跳するＢ原子の
数を次第に増やしていくと、そのビーム照射領域の組成
は次第に物質Ａに近づき、ＡＢ薄膜中に、ほぼ物質Ａに
近い物質からなる微細なパターンを作成することができ
る。
【０００９】このパターンの厚さは、薄膜の厚さとほぼ
同じで、パターンの薄膜中での大きさは、集束イオンビ
ームを用いた場合には、スポット的に照射するとビーム
その断面と同等のサイズを持つ点となり、ビームを操作
すればビームサイズと同等の幅をもつ線となり、また、
マスクを用いた場合にはそのマスクパターンのサイズと
同等となる。
【００１０】一方、上記と同様な物質ＡＢからなる薄膜
を他の物質からなる層で挟み込み、その積層構造の端面
部から粒子ビームを照射した場合には、その端面から粒
子ビームの飛程により定まる深さにビーム打ち込み領域
が形成されるが、このビーム打ち込み領域とＡＢ薄膜と
が交差する領域がＡ原子のリッチな領域とり（図３参
照）、粒子ビームのエネルギを制御することで、容易に
１０ｎｍレベルの２次元パターンを、良好な制御性のも
とに再現性良く作成可能である。
【００１１】
【実施例】図１は本発明実施例の微細パターン作成工程
の説明図で、素子の模式的断面図を示している。
【００１２】基板１上に、物質Ａと物質Ｂの化合物で、
かつ、物質Ａとは物性が異なる物質ＡＢからなる薄膜２
を形成している。この薄膜２の膜厚は１０ｎｍ程度であ
る。ここで、物質Ａの原子は、物質Ｂの原子よりも質量
が大きく、その質量差は大きい方が望ましい。このよう
な組み合わせの一例としては、物質Ａが金属または半導
体の原子あるいは分子で、物質Ｂは物質Ａとの結合によ
り物性が大きく異なるもので、かつ、質量が物質Ａに比
して大幅に異なるものが望ましいことから、例えば酸
素、窒素、または水素等である。
【００１３】以上のような物質ＡＢからなる薄膜２に、
エネルギが数ｋｅＶから数１０ｋｅＶ程度の集束イオン
ビーム（例えば金属集束イオンビーム、ガス集束イオン
ビーム）３を照射する。これにより、集束イオンビーム
３を構成するイオンが、薄膜２を構成するＡ原子（また
は分子）あるいはＢ原子に衝突してこれらを反跳させる
が、この反跳時のＡ，Ｂ各原子の飛程は、これらの原子
の質量の相違に起因して、Ｂ原子の方が大きく、よって
薄膜２中の集束イオンビーム３の照射領域４から選択的
にＢ原子が抜け、その領域４は物質Ａそのもの、あるい
は物質Ａに近い物性を持つに至る。集束イオンビーム３
を適当に走査することで、そのビーム照射部位に対応し
た任意の微細パターンを作成できる。このパターンの厚
みは薄膜２の厚みと同等となり、それ以外のパターンの
寸法精度は、集束イオンビーム３のサイズにより定まる
ことになる。
【００１４】ここで、集束イオンビーム３を構成するイ
オンは、少なくともその一部が薄膜２中に注入される
が、物質Ａそのものをビーム源に用いたり、あるいは物
質Ａの物性を損なわない元素をビーム源に用いることに
より、その影響を抑制することができる。
【００１５】図２は本発明の他の実施例の微細パターン
の作成工程の説明図で、同じく素子の模式的断面図を示
している。この例は、集束されていない高速粒子ビーム
５を用いる例であり、先の例と同じ基板１上の薄膜２の
表面に、所望のパターニングを施したマスク６を設け、
そのマスク６を介して薄膜２に向けて集束されていない
高速粒子ビーム５を照射する。この例においても、上記
した図１の例と同様に、物質ＡＢからなる薄膜２内に、
物質Ａまたはそれに近い物性を持つ領域７が形成され
る。この例における領域７の厚みは薄膜２の厚みと同等
で、それ以外の寸法精度はマスク６のパターニング精度
で決まる。
【００１６】図３は本発明の更に他の実施例の微細パタ
ーンの作成工程の説明図で、同じく素子の模式的断面図
を示している。この図３の例では、上記各例と同様の物
質ＡＢからなる薄膜２を、これとは異なる物質Ｃからな
る層８ａ，８ｂで挟んだ構造の積層体を基板１上に形成
するとともに、その一部をエッチングする等により、薄
膜２の端面部が露呈し、かつ、基板１の法線方向に対し
て傾斜した端面９を形成している。そして、この積層体
の端面９に向けて、先の例と同様な高速粒子ビーム５を
照射する。照射したビーム５は、そのエネルギによって
決まる深さに注入されるため、端面９から所定の深さを
持つ層状の注入領域１０が形成される。そして、この層
状注入領域１０と薄膜２とが交差する領域１１が先の各
例と同様に組成変化を受け、物質Ａまたはそれに近い物
性を持つ領域１１が形成される。この領域１１の厚みＴ
は、元の薄膜２の厚みと同等であり、奥行きＤは照射ビ
ーム５の飛程によって決まる。照射ビーム５のエネルギ
は精密に制御が可能であるため、領域１１の奥行きＤは
ｎｍ程度の精度で容易に制御可能である。このようにし
て、ｎｍ程度の精度を持つ１０ｎｍレベルの厚みＴおよ
び奥行きＤを持つ２次元微細パターン１１を作成するこ
とができる。
【００１７】更に、この図３の例において、照射ビーム
を集束イオンビームとすれば、厚みＴ、奥行きＤのほ
か、幅（紙面に直交する方向）もビームサイズで制御で
きるので、３次元微細パターンの作成が可能となる。
【００１８】ここで、以上の各実施例では、主に物質Ａ
とＢの反跳時における飛程の違いを利用して、一方の物
質Ｂをキックアウトしているわけであるが、キックアウ
トすべき物質Ｂをビーム源に用いと、物質Ｂに与える反
跳エネルギは最大となることが知られている。この点を
利用して、物質Ｂからなる粒子ビームを薄膜２に照射
し、物質Ｂ効率的にキックアウトすることも可能であ
る。
【００１９】以上の各例において、薄膜２を例えば金属
酸化物とし、ビーム照射領域から酸素原子を選択的にキ
ックアウトすると、金属酸化物からなる絶縁体膜中に、
微細な導電パターンを形成することができる。また、薄
膜２をSiO2として、ビームにより酸素原子を選択的にキ
ックアウトすれば、絶縁膜中に微細なSiパターンないし
はSiリッチなパターンを形成することができる。更に、
薄膜２をAgCl2 とし、ビームによりCl原子を選択的にキ
ックアウトすれば、誘電膜中に微細な導電パターンを形
成することができる。更にまた、薄膜２を金属超伝導体
の酸化物とし、ビーム照射領域から酸素原子をキックア
ウトすると、絶縁膜中に微細な超伝導パターンを形成す
ることができる。また、薄膜２を有機化合物とし、ビー
ム照射によりそのうちの特定の原子ないしは分子をキッ
クアウトすることにより、特定原子ないしは分子の少な
い、他領域とは異なる組成の微細パターンの形成が可能
である。また更に、薄膜２を合金として、ビーム照射に
よってその合金組成中の特定の原子をキックアウトすれ
ば、合金薄膜中に、それとは異なる組成ないしは単体金
属からなるパターンを形成することができる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２種以上の原子を含む化合物または合金からなる薄膜に
対して局所的に粒子ビームを照射することで、そのビー
ム照射領域から特定の原子を選択的に薄膜外に反跳さ
せ、特定原子の存在数比が他の部位に比して低い領域の
パターンを作成するため、比較的簡単で制御性の良好な
プロセスにより、２次元あるいは３次元的な微細パター
ンを再現性良く作成することが可能となった。また、対
象薄膜の上下を他の物質からなる層で積層した積層体の
端面部分に粒子ビームを照射すると、表面に露呈しない
薄膜の所望領域に２次元あるいは３次元の微細パターン
を形成することも可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】素子の模式的断面図で示す本発明実施例の微細
パターンの作成工程の説明図
【図２】同じく素子の模式的断面図で示す本発明の他の
実施例の微細パターンの作成工程の説明図
【図３】同じく素子の模式的断面図で示す本発明の更に
他の実施例の微細パターンの作成工程の説明図
【符号の説明】
１ 基板 ２ 薄膜（物質ＡＢ） ３ 集束イオンビーム ４，７，１１ ビーム照射領域（物質Ａまたはそれに近
い物性の領域） ５ 高速粒子ビーム ６ マスク ８ａ，８ｂ 物質Ｃの層 ９ 端面 １０ ビーム注入領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２種以上の原子を含む化合物または合金
    からなる薄膜に、局所的に粒子ビームを照射することに
    より、その薄膜内の特定の原子を選択的に薄膜外に反跳
    させ、その特定原子の存在数比が当該薄膜内の他の部位
    に比して低い領域のパターンを作成する、微細パターン
    作成方法。
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