JPH10106960A - 量子細線の製造方法 - Google Patents

量子細線の製造方法

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JPH10106960A
JPH10106960A JP27401496A JP27401496A JPH10106960A JP H10106960 A JPH10106960 A JP H10106960A JP 27401496 A JP27401496 A JP 27401496A JP 27401496 A JP27401496 A JP 27401496A JP H10106960 A JPH10106960 A JP H10106960A
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gold
gas
silane gas
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ウエストウォータ ジョナサン
Paru Gosain Daramu
パル ゴサイン ダラム
Miyako Nakakoshi
美弥子 中越
Setsuo Usui
節夫 碓井
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/605—Products containing multiple oriented crystallites, e.g. columnar crystallites

Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な形状のシリコン量子細線を成長させる
ことができる量子細線の製造方法を提供する。 【解決手段】 シリコン（Ｓｉ）基板１１の上に金（Ａ
ｕ）１２を蒸着する。金１２の膜厚は５ｎｍ以下とす
る。そののち、圧力が０．５Ｔｏｒｒ未満のシラン（Ｓ
ｉＨ4 ）ガスを含む雰囲気中において４５０℃以上６５
０℃以下の温度で加熱する。これにより、シリコン基板
１１の表面にシリコンと金との溶融化合物合金１２ａが
形成され、それを触媒としてシランガスの分解反応が起
こり、シリコン量子細線１３が成長する。シリコン量子
細線は、屈曲せず良好な形状となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン基板の表
面にシリコン量子細線を成長させる量子細線の製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】量子細線は、そのナノメータサイズの効
果によってバルクとは異なった新しい物性を得ることが
できる。例えば、シリコン（Ｓｉ）量子細線は、図４に
示したように、細線径が小さくなるに従ってバンドギャ
ップが大きくなる。しかもバルクでは間接遷移型バンド
ギャップを持っている材料が、直接遷移型バンドギャッ
プを持った材料に変化する。これにより、シリコン量子
細線では、励起された電子−正孔の再結合発光効率は著
しく増加し、発光波長も短波長側にシフトして可視光発
光が可能になる。
【０００３】このような物性を得ることができるシリコ
ン量子細線は、従来、シリコン基板を電子ビームリソグ
ラフィなどの方法を用いてエッチングすることにより製
造されていた。しかし、この方法では広い領域にわたっ
て形状のそろったシリコン量子細線を集積して製造する
ことが難しい。
【０００４】そこで、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉ
ｄ−Ｓｏｌｉｄ）法（E. I. Givargizov, J.Vac.Sci.Te
chno.B11(2), p.449参照）を用いてシリコン基板に直接
シリコン量子細線を多数成長させる方法が提案されてい
る。これは、シリコン基板に金（Ａｕ）を蒸着してシリ
コン基板の表面にシリコンと金との溶融化合物合金滴を
形成した後、水素（Ｈ2 ）ガスで希釈した塩化珪素（Ｓ
ｉＣｌ4 ）ガスをシリコンの原料ガスとして供給しつつ
加熱しシリコン量子細線を成長させる方法である（Wagn
er et al., Appl. Phys. Lett. 4, no. 5, 89 (1964),
Givargizov, J.Cryst. Growth, 31, 20 (1975) 参
照）。
【０００５】ここで、塩化珪素ガスは水素ガスと反応
し、式１に示したような熱分解反応によりシリコンを生
成する。
【式１】ＳｉＣｌ4 ＋２Ｈ2 →Ｓｉ＋４ＨＣｌ
【０００６】この熱分解反応は、シリコン基板の上の溶
融化合物合金滴の表面において金の触媒分解反応により
促進される。生成されたシリコンは、液体状態の溶融化
合物合金滴内に拡散し、液体／固体界面の固体シリコン
に結合する。これにより、シリコン基板の上にシリコン
量子細線が成長する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法でシリコン量子細線を成長させるには、１０００℃と
いう高温において反応させる必要がある。このような高
温においては、溶融化合物合金滴が形成されていないシ
リコン表面においても塩化珪素ガスの分解反応がわずか
ではあるが生じてしまう。そのため、シリコン量子細線
は根元が太いコーン型になってしまうという問題があっ
た。このように、コーン型となると、シリコン量子細線
全体で一様な量子閉じ込め効果を得ることができない。
【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、良好な形状のシリコン量子細線を成
長させることができる量子細線の製造方法を提供するこ
とにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係る量子細線の
製造方法は、シリコン基板の上に金を蒸着する第１の工
程と、金を蒸着したのちシリコン基板を圧力が０．５Ｔ
ｏｒｒ未満のシランガスを含む雰囲気中において４５０
℃以上の温度で加熱する第２の工程とを含むものであ
る。
【００１０】本発明に係る量子細線の製造方法では、ま
ず、シリコン基板の上に金を蒸着し、そののち、０．５
Ｔｏｒｒ未満のシランガスを含む雰囲気中において４５
０℃以上の温度で加熱する。これにより、シリコン基板
の上に蒸着した金は、凝集し、シリコンと金の溶融化合
物合金滴を形成する。この溶融化合物合金滴においてシ
ランガスの分解反応が選択的に起こり、シリコン基板の
上にシリコン量子細線が成長する。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】図１は本発明の一実施の形態に係る量子細
線の製造方法を表すものである。まず、本実施の形態に
おいては、図示しないが、シリコン基板の洗浄を行い表
面の酸化物を取り除く。
【００１３】次いで、図１（ａ）に示したように、この
シリコン基板１１を図示しない反応室内に挿入し、減圧
状態として、シリコン基板１１の表面に金１２を蒸着す
る（第１の工程）。蒸着する金１２の厚さは、５ｎｍ以
下が好ましい。これは、後述する第２の工程において形
成する溶融化合物合金滴１２ａの大きさを小さくするた
めである。
【００１４】続いて、ヘリウム（Ｈｅ）ガスにより希釈
したシラン（ＳｉＨ4 ）ガスを図示しない反応室内に導
入してシランガスの圧力が０．５Ｔｏｒｒ未満となるよ
うに調節し、シリコン基板１１を４５０℃以上に加熱す
る（第２の工程）。なお、好ましくは、４５０℃以上６
５０℃以下で加熱する。更に、好ましくは、シランガス
の圧力を０．１５Ｔｏｒｒ以下とする。
【００１５】これにより、図１（ｂ）に示したように、
シリコン基板１１の表面の金１２は凝集し、シリコン基
板１１の表面でシリコンと金の溶融化合物合金滴１２ａ
を形成する。この溶融化合物合金滴１２ａは、式２に示
したシランガスの分解反応の触媒となり、シランガスの
分解反応がこの溶融化合物合金滴１２ａにおいて選択的
に起こる。すなわち、溶融化合物合金滴１２ａのないシ
リコン基板１１の表面１１ａにおいては、シランガスの
分解反応が起こらない。
【００１６】
【式２】ＳｉＨ4 →Ｓｉ＋２Ｈ2
【００１７】シランガスの分解反応により生じたシリコ
ンは、溶融化合物合金滴１２ａの中に拡散し、溶融化合
物合金滴１２ａとシリコン基板１１との界面においてシ
リコン基板１１に対しエピタキシャル結合する。これに
より、図１（ｃ）に示したように、シリコン量子細線１
３がシリコン基板１１の上に成長する。なお、このシリ
コン量子細線１３の直径は、溶融化合物合金滴１２ａの
直径により決定される。
【００１８】このように本実施の形態に係る量子細線の
製造方法によれば、シリコン基板１１の上に金１２を蒸
着したのち圧力が０．５Ｔｏｒｒ未満のシランガスを含
む雰囲気中において４５０℃以上（好ましくは６５０℃
以下）の温度で加熱するようにしたので、太さが均一の
良好な形状を有するシリコン量子細線１３を成長させる
ことができる。よって、シリコン量子細線１３全体にわ
たって一様な量子閉じ込め効果を得ることができる。
【００１９】また、この量子細線の製造方法によれば、
金１２を５ｎｍ以下の厚さで蒸着するようにしたので、
溶融化合物合金滴１２ａの大きさを小さくすることがで
き、直径が十分に小さいシリコン量子細線１３を成長さ
せることができる。
【００２０】
【実施例】また、本発明の具体的な実施例について図面
を参照して具体的に説明する。
【００２１】まず、研磨されたｎ型シリコンウェハ（１
１１面，ρ＝０．４Ωｃｍ）を用意し、長方形のシリコ
ン基板１１（１ｃｍ×５ｃｍ）を切り取った。このシリ
コン基板１１をアセトン内で洗浄し、硝酸（ＨＮＯ3 ）
とフッ酸（ＨＦ）の混合溶液を用いてエッチングを行い
表面の酸化物を除去した。
【００２２】次いで、シリコン基板１１を図示しない反
応室内に挿入し、反応室内を５×１０-8Ｔｏｒｒまで減
圧した。そののち、タングステン（Ｗ）フィラメントを
用いてシリコン基板１１の表面に金１２を蒸着した（図
１（ａ）参照）。このときの金１２の膜厚をモニタ（結
晶石英板）を用いて計測した。金１２の膜厚は０．６ｎ
ｍであった。
【００２３】続いて、ヘリウムガスにより１０％に希釈
したシランガスを図示しない反応室内に導入すると共に
シリコン基板１１を加熱し、シリコン量子細線１３を成
長させた（図１（ｂ）（ｃ）参照）。このときの混合ガ
スの流量は４０ｓｃｃｍとし、シランガスの分圧は０．
０１〜１Ｔｏｒｒの範囲で変化させた。また、加熱はシ
リコン基板１１の長軸に沿って直流電流を流すことによ
り行い、加熱温度は３２０℃〜６００℃の範囲で変化さ
せた。なお、シリコン基板１１の温度は光学式高温計と
熱電対により計測した。
【００２４】このようにして成長させたシリコン量子細
線１３を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察
した。図２にその結果を示す。この図は、シランガスの
圧力および加熱温度とシリコン量子細線１３の形態およ
び太さとの関係を表している。
【００２５】図２からも分かるように、図２において梨
子地で表した範囲（すなわち加熱温度は約４５０℃以
上，シランガスの分圧は０．５Ｔｏｒｒ未満）で成長さ
せたシリコン量子細線１３については、屈曲することな
くシリコン基板１１に対して垂直に成長した良好な形状
が観察された。例えば、加熱温度５２０℃，シランガス
の圧力０．０１Ｔｏｒｒの条件下で１時間成長させたシ
リコン量子細線のＳＥＭ写真を図３に示す。この写真は
シリコン基板１１に対して斜め上方から撮像したもので
ある。このように、シリコン基板１１に対してほぼ垂直
で直径が約４０ｎｍのシリコン量子細線１３を観察する
ことができる。
【００２６】これに対し、図２において梨子地で表した
以外の範囲のシリコン量子細線１３については、屈曲し
た形状が観察された。
【００２７】このように、シリコン量子細線１３の屈曲
は、シランガスの圧力が高く加熱温度が低い範囲におい
て発生する傾向がある。シランガスの圧力が高くなると
溶融化合物合金滴１２ａ（図１（ｂ）参照）に対して単
位時間当たりに混入するシリコンの量が増加し、シリコ
ン量子細線１３の成長速度が速くなる。シリコン量子細
線１３の屈曲の原因は液体／固体界面の不安定性にある
と考えられるので、成長速度が早くなると液体／固体界
面の不安定性となり屈曲を生じてしまうものと思われ
る。
【００２８】また、図２に示したように、シリコン量子
細線１３の太さは、シランガスの圧力が高いほうが細く
なる傾向が観察された。これは、次のような理論によっ
て裏付けられる。
【００２９】シリコン量子細線１３の直径はシリコン基
板１１の表面に形成される溶融化合物合金滴１２ａの直
径によって決定される。この溶融化合物合金滴１２ａ
は、シリコン基板１１の表面に蒸着された金１２が加熱
されることにより形成され、小滴が凝集して大きな滴を
形成することもある。
【００３０】また、ＶＬＳ反応において一定の条件下で
成長させることのできるシリコン量子細線１３の太さの
最低値は、式３に示したギブズ−トムソンの式によって
規定される。
【００３１】
【式３】Δμwire ＝ Δμbulk ＋ ４Ωα／ｄ 但し、Δμwire ＝ μwire − μvapor Δμbulk ＝ μbulk − μvapor なお、μwire，μbulk，μvapor はそれぞれ細線相，バ
ルク相，気相におけるシリコンの有効化学ポテンシャル
である。ｄはシリコン量子細線１３の直径、αはシリコ
ン量子細線１３の表面の自由エネルギー、Ωはシリコン
の原子容である。
【００３２】これから分かるように、溶融化合物合金滴
が非常に小さい場合は、シリコン量子細線１３を成長さ
せることができない。なぜなら、体積に対するシリコン
量子細線１３の表面積の比が高いので、細線相の有効化
学ポテンシャルが気相の有効化学ポテンシャルより高く
なるからである。小滴が凝集して臨界の直径に達した場
合には、成長が可能になる。
【００３３】そこで、シランガスの圧力が高くなると、
μvapor は大きくなり、Δμbulkの値は小さくなり、シ
リコン量子細線１３の直径は細くなる。すなわち、図２
において示した結果と一致する。
【００３４】以上、実施の形態および実施例を挙げて本
発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施
例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例
えば、上記実施の形態および実施例においては、シリコ
ン基板１１に金１２を蒸着したのちシランガスを含む雰
囲気中において加熱して溶融化合物合金滴１２ａを形成
するようにしたが、シリコン基板１１に金１２を蒸着し
たのちシランガスを導入する前に加熱して溶融化合物合
金滴１２ａを形成するようにしてもよく、シリコン基板
１１を加熱しながら金１２を蒸着し蒸着と同時に溶融化
合物合金滴１２ａを形成するようにしてもよい。
【００３５】また、上記実施の形態および実施例におい
ては、シランガスをヘリウムガスにより希釈して反応室
内に導入するようにしたが、アルゴン（Ａｒ）ガスなど
の他の不活性ガスにより希釈するようにしてもよく、ま
た、希釈することなくシランガスのみを導入するように
してもよい。
【００３６】更に、上記実施の形態および実施例におい
ては、シリコンの原料ガスとしてシランガスを用いるよ
うにしたが、シランガスに代えてジシラン（Ｓｉ
2 Ｈ6 ）ガスまたはトリシラン（Ｓｉ3 Ｈ8 ）ガスを用
いるようにしてもよく、あるいはシランガス，ジシラン
ガスおよびトリシランガスのうちの少なくとも２種以上
を混合した混合ガスを用いるようにしてもよい。この場
合も、シランガスと同様の条件でシリコン量子細線を成
長させることができる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る量子細
線の製造方法によれば、シリコン基板の上に金を蒸着し
たのち圧力が０．５Ｔｏｒｒ未満のシランガスを含む雰
囲気中において４５０℃以上の温度で加熱するようにし
たので、太さが均一の良好な形状を有するシリコン量子
細線を成長させることができる。よって、シリコン量子
細線全体にわたって一様な量子閉じ込め効果を得ること
ができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る量子細線の製造方
法の各工程を表す断面図である。
【図２】本発明の実施例においてシランガスの圧力と加
熱温度とを変化させて成長させたシリコン量子細線をＳ
ＥＭにより観察した結果を表す相関図である。
【図３】本発明の実施例において成長させたシリコン量
子細線を撮像したＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真であ
る。
【図４】シリコン量子細線の直径とバンドギャップとの
関係を表す関係図である。
【符号の説明】
１１…シリコン基板、１２…金、１２ａ…溶融化合物合
金滴、１３…シリコン量子細線
【手続補正書】
【提出日】平成９年１月１０日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３１】
【式３】 Δμｗｉｒｅ ＝ Δμｂｕｌｋ − ４Ωα／ｄ 但し、Δμｗｉｒｅ ＝ μｖａｐｏｒ − μ
ｗｉｒｅ Δμｂｕｌｋ ＝ μｖａｐｏｒ − μｂｕｌｋ なお、μｗｉｒｅ，μｂｕｌｋ，ｕｖａｐｏｒはそれぞ
れ細線相，バルク相，気相におけるシリコンの有効化学
ポテンシャルである。ｄはシリコン量子細線１３の直
径、αはシリコン量子細線１３の表面の自由エネルギ
ー、Ωはシリコンの原子容である。１対のビット線にそ
れぞれ接続される第１、第２の内部ノードを有するラッ
チ回路と、前記第１、第２の内部ノードにおいて前記ラ
ッチ回路に接続され、読み出し制御信号に応じて前記ラ
ッチ回路の各内部ノードの状態に応じたデータをデータ
線に出力する列読み出しアンプとを具備することを特徴
とする集積回路メモリ用センスアンプ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３３】そこで、シランガスの圧力が高くなると、
μｖａｐｏｒは大きくなり、Δμｂｕｌｋの値は大きく
なり、シリコン量子細線１３の直径は細くなる。すなわ
ち、図２において示した結果と一致する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 碓井 節夫 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリコン基板の上に金を蒸着する第１の
    工程と、 金を蒸着したのちシリコン基板を圧力が０．５Ｔｏｒｒ
    未満のシランガスを含む雰囲気中において４５０℃以上
    の温度で加熱する第２の工程とを含むことを特徴とする
    量子細線の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記第２の工程における加熱温度は６５
    ０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の量子細
    線の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記第１の工程において蒸着する金の厚
    さは５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の
    量子細線の製造方法。
  4. 【請求項４】 シリコン基板の上に金を蒸着する第１の
    工程と、 金を蒸着したのちシランガス，ジシランガスあるいはト
    リシランガスのいずれか少なくとも１種を圧力が０．５
    Ｔｏｒｒ未満の範囲内において含む雰囲気中において４
    ５０℃以上の温度でシリコン基板を加熱する第２の工程
    とを含むことを特徴とする量子細線の製造方法。
JP27401496A 1996-09-25 1996-09-25 量子細線の製造方法 Pending JPH10106960A (ja)

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