(57)【要約】  半導体基板内に複数ドーパントを重畳ドーピングする半導体の製造方法であって、第一のドーパントにより、（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を基板上に形成し、次に、前記半導体基板をエピタキシャル成長可能な温度にして、前記第一のドーパントを蒸着した半導体基板上に、第二あるいは第三以降のドーパントを蒸着させてから、前記半導体基板上に半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、次に前記半導体基板内に第一乃至は第二あるいは第三以降のドーパントからなる重畳ドーピング層を形成し、前期重畳ドーピング層を高温アニールすることにより複数ドーパントを電気的あるいは光学的に活性化する。これにより、元素半導体においてもドーパントとしての複数種の元素を特定深さに重畳ドーピング可能とする。
2008023821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
元素半導体基板内に複数種の元素のドーパントが重畳ドーピングされている半導体であって、基板の元素半導体の格子定数に対して圧縮歪を発生させる元素が少なくとも一つ存在し、この圧縮歪を基準として膨張歪を発生させる元素とが重畳ドーピングされているとともに、その元素の少なくとも２種類はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする半導体。
【請求項２】
元素半導体基板内に複数種の元素のドーパンドが重畳ドーピングされている半導体であって、重畳ドーピングされている少なくとも２種類の元素は、その各々のドーパントの濃度半値幅が２０ｎｍ以下で、かつ、相互の濃度ピーク位置のずれが２ｎｍ以内であり、前記２種類の元素はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする半導体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体において、重畳ドーピング層が２つ以上あることを特徴とする、半導体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の半導体において、元素半導体がＩＶ族半導体であることを特徴とする半導体。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体において、ＩＶ族半導体がシリコン結晶基板又はシリコン元素を含むＩＶ族混晶半導体であることを特徴とする半導体。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の半導体において、重畳ドーピング層以外の半導体基板には、半導体基板内の核スピン同位体元素濃度が自然界平均より一桁以上低いことを特徴とする半導体。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の半導体において、複数元素のドーパントの一つの元素がビスマス元素であることを特徴とする半導体。
【請求項８】
請求項１から６のいずれかに記載の半導体において、面内に該重畳ドーピング層を含むメサ構造を一つ以上持ち、該メサ構造と隣接するメサ構造との間隙が光学波長程度以上であることを特徴とする、半導体。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の半導体において、重畳ドーピング層以外の部分のスピン成分を排除していることを特徴とする半導体。
【請求項１０】
半導体基板内に複数ドーパントを重畳ドーピングする半導体の製造方法であって、第一のドーパントにより、（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を基板上に形成し、次に、前記半導体基板をエピタキシャル成長可能な温度にして、前記第一のドーパントを蒸着した半導体基板上に、第二あるいは第三以降のドーパントを蒸着させてから、前記半導体基板上に半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、次に前記半導体基板内に第一乃至は第二あるいは第三以降のドーパントからなる重畳ドーピング層を形成し、前期重畳ドーピング層を高温アニールすることにより複数ドーパントを電気的あるいは光学的に活性化することを特徴とする、半導体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体の製造方法において、第一のドーパントの蒸着時、又は蒸着後に（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を形成する温度に、基板を加熱することを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の半導体の製造方法において、複数有するように、第一ドーパントの蒸着から高温アニールまでの工程を複数回繰り返し、前記半導体結晶層を複数層有さしめたことを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体の製造方法において、半導体結晶層複数のドーピング層および半導体結晶層を有する前記半導体基板は、高温処理して、ドーピング分布の幅を広くしたことを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１４】
請求項１０から１３のいずれかに記載の半導体の製造方法において、半導体結晶層がＩＶ族半導体から成ることを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体の製造方法において、ＩＶ族半導体がシリコンであることを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１６】
請求項１０から１５のいずれかに記載の半導体の製造方法において、第一のドーパントがビスマスであることを特徴とする半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数元素ドーパントの重畳ドーピング層を有する半導体とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置のドーピング技術は、半導体装置作製プロセスとして不可欠なものである。このドーピングの一手法としてδドーピング技術が知られており、高移動度トランジスタの動作速度を上げるのに有効な手法として使われている。この手法は、ヘテロ界面近傍に原子層レベルのドーピング層を設けると、ドーパントによる合金散乱を回避して界面近傍にキャリアの注入が可能になることに基づいている。化合物半導体の場合には、このδドーピング技術は容易に実現できる。例えばＩＩＩ族とＶ族の元素よりなる化合物半導体では、ＩＩＩ族とＶ族の元素が交互に積層するために、ＩＩＩ族層にドーピングされたドーパント原子はＶ族の元素層の積層で拡散が抑制される傾向にあるからである。【０００３】
このようなδドーピング技術では、一元素のドーパントではなく複数元素ドーパントで重畳できるとすると、半導体装置作製上のプロセスとしての利用範囲が広がる。例えば化合物半導体での以下の従来例をあげることができる。すなわち、まず、化合物半導体で報告されている例では、δドーピング層界面を急峻にする効果が報告されている［「化合物半導体結晶及びその成長法」（特許文献１）］。【０００４】
あるいは、半導体中で、スピン状態と伝導電子とを相互作用させるためにも利用できる。例えば、非特許文献１では、図１７に示すように、ヘテロ構造を使って伝導電子を閉じ込めてスピン状態との相互作用を強めて、強磁性秩序を実証している。この例では、ヘテロ構造周辺に伝導電子を供給するのに、Ｂｅ原子のδドーピングが用いられているが、スピン源であるＭｎ原子のδドーピングは行われていない。両方のドーピングで重畳できると、ヘテロ構造を作製することなく、強磁性秩序を実現できると予測できる。【０００５】
また、同様の複数元素のδドーピングが有効な量子情報処理装置として、全光学制御固体量子情報処理装置が提案されている（非特許文献２）。この場合、図１８に示すように、量子ビットＳ１と量子ビットＳ２が、基底関数Ｗ１と基底関数Ｗ２が重ならないように、量子ビット間距離ＤＳＴＳＳだけ離れており、光学的操作と磁場操作により回転ゲート操作ができる。更に制御ビットＣが、量子ビットＳ１あるいは量子ビットＳ２と、基底関数ＷＣＧとＷ１あるいはＷＣＥとＷ２が重ならないように、量子ビット制御ビット間距離ＤＳＴＳＣだけ離れている。量子ビット間距離ＤＳＴＳＳと量子ビット制御ビット間距離ＤＳＴＳＣは、７−１０ｎｍ程度の距離であれば充分だと理論的に予測されている。この条件を満たしていれば、光学的操作により、制御ビットＣの波動関数が励起状態ＷＣＥへと励起された場合には、励起状態を通じて、量子ビットＳ１と量子ビットＳ２の、基底関数Ｗ１とＷ２のスピン間に相互作用を起こして、エンタングル状態を作ることができる。回転ゲート操作と、エンタングル状態が実現できれば全ての量子情報処理操作ができる（非特許文献３）。【０００６】
シリコン等の元素半導体でも、複数のドーパントを重畳ドーピングするδドーピング技術を利用したいが、化合物半導体とは違ってδドーピング技術自体の実現が難しい。例えば、図１９に一元素のドーパントを用いた例としてシリコン中にボロンをδドーピングする従来例を示すが、この場合には、まず、シリコン基板ＳＳＩにボロンを約一原子層吸着させてボロン吸着層ＢＯを堆積し、次に室温近傍でアモルファス状態のシリコンを堆積する。その後５００℃程度に昇温して放置しておくとアモルファスシリコン層ＡＭＲが固相エピタキシャル成長して下地基板シリコンに整合した結晶シリコン層ＥＰＳＩに変わっていく。ボロン層は挟まれた状態で凍結されて原子層レベルのドーピング層であるδドーピング層ＢＤが形成されることになる。一方、多元素の場合には、ボロン吸着層の代わりに、複数の元素の吸着層を用いることになるが、実例は報告されていない。その理由は、従来では、元素半導体においては固相エピタキシーによって複数元素をドーパントとするδドーピングが困難であることによる。【０００７】
特定深さにドーピングを行う技術としては固相エピタキシーは理想的な手法とは言えないことが大きな問題点としてある。δドーピング技術の問題点は固相エピタキシー中にドーピングプロファイルがシリコン固相エピタキシー中に広がることである。またプロセスに要する手間と時間が長い。固相エピタキシーに要する時間は積層するアモルファス層の厚さにも依存するが時間オーダである。複数のドーパントを重畳ドーピングするδドーピング技術については実例が報告されていないので、推測に過ぎないが、ドーピングプロファイルがシリコン固相エピタキシー中に広がる量は、ドーパントの種類によって異なると考えてよい。従って、固相エピタキシーを利用する多元素δドーピング技術の濃度と分布幅の制御は非常に難しいと推測できる。【０００８】
ただ、これ以外に特定の深さに重畳ドーピングする技術として想定されるものにはイオン打ち込み技術がある。この場合は打ち込みイオンの加速エネルギーとイオンの質量によって打ち込み深さとドーピングプロファイルが自動的に決まる。原理的には、同じ深さに複数元素のドーパントを打ち込むことが可能である。【０００９】
しかし、イオン打ち込み技術も、特定深さにドーピングを行う技術としては理想的ではない。そもそもこのイオン打ち込み技術では、装置が高価な上に打ち込みイオンの加速エネルギーとイオンの質量によって打ち込み深さとドーピングプロファイル決まり、更に打ち込み時に生じる格子損傷を修復するためのアニールが必要となる。原理的には、複数元素をほぼ特定深さに打ち込む複数のドーパントを重畳ドーピングは可能であるが、分布幅は同じにはできない。また、δドーピング技術のように、ナノメートルスケールでドーピング位置を決めたい技術においては、位置決めの誤差はナノメートル程度では不可能であり、深さのずれは致命的である。
【特許文献１】特開２００２−２５９２１号
【非特許文献１】A.M.Nazmul,S.Sugahara and M.Tanaka, Physical Review B67巻(2003年)241308頁
【非特許文献２】A.M.Stoneham,A.J.Fisher and P.T.Greeland,‘Optically driven silicon-based quantum gates with potential for high-temperature operation‘,Journal of Physics.:Condensed.Matter誌15巻,L447-L451頁,2003年.
【非特許文献３】N.Nielsen and I.Chuang,Quantum Compuataion and Quantum Information",Chmbride University Press,2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、以上のとおりの背景から、従来技術の問題点を解消して、元素半導体においてもドーパントとしての複数種の元素を特定深さにするドーピングすることのできる技術を確立することを基本的な課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記の課題を解決するための方策について検討を進めるに際し、本発明者の発明に係わる特許発明：本発明者等は、本特許出願人の一人が取得している特許２９２９００４号（ドーパントをドーピングした半導体装置及びそのドーピング方法、三木一司）についての知見をさらに深め、技術としての適用の拡大の可能性に注目することとした。【００１２】
それと言うのも、この特許発明では、ドーパントの特殊な新配列構造を形成する点がプロセス上の鍵になっているからである。そこで、この新配列構造の一部を、他の元素に置換することができれば、特許発明の方法に従って複数のドーパントを重畳ドーピングすることが実現できるとの発想から上記問題の解決策を検討した。【００１３】
その検討の結果として、本発明者は、以下のとおりの特徴を有する新規な発明を提供する。【００１４】
発明１の半導体は、元素半導体基板内に複数種の元素のドーパントが重畳ドーピングされている半導体であって、基板の元素半導体の格子定数に対して圧縮歪を発生させる元素と膨張歪を発生させる元素とが重畳ドーピングされているとともに、その元素の少なくとも２種類はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする。【００１５】
発明２は、元素半導体基板内に複数種の元素のドーパンドが重畳ドーピングされている半導体であって、重畳ドーピングされている少なくとも２種類の元素は、その各々のドーパントの濃度半値幅が２０ｎｍ程度以下で、かつ、相互の濃度ピーク位置のずれが２ｎｍ以内であり、前記２種類の元素はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする。【００１６】
発明３は、発明１又は２の半導体において、重畳ドーピング層が２つ以上あることを特徴とする。【００１７】
発明４は、発明１から３のいずれかの半導体において、元素半導体がＩＶ族半導体であることを特徴とする。【００１８】
発明５は、発明４の半導体において、ＩＶ族半導体がシリコン結晶基板又はシリコン元素を含むＩＶ族混晶半導体であることを特徴とする。【００１９】
発明６は、発明１から５のいずれかの半導体において、重畳ドーピング層以外の該半導体基板には、該半導体基板内の核スピン同位体元素濃度が自然界平均より一桁以上低いことを特徴とする半導体。【００２０】
発明７は、発明１から６のいずれかの半導体において、複数元素のドーパントの一つの元素がビスマス元素であることを特徴とする。【００２１】
発明８は、発明１から６のいずれかの半導体において、面内に重畳ドーピング層を含むメサ構造を一つ以上持ち、該メサ構造と隣接するメサ構造との間隙が光学波長程度以上であることを特徴とする。【００２２】
発明９は、発明１から８のいずれかの半導体において、重畳ドーピング層以外の部分のスピン成分を排除してあることを特徴とする。【００２３】
発明１０は、半導体基板内に複数ドーパントを重畳ドーピングする半導体の製造方法であって、第一のドーパントにより、（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を基板上に形成し、次に、前記半導体基板をエピタキシャル成長可能な温度にして、前記第一のドーパントを蒸着した半導体基板上に、第二あるいは第三以降のドーパントを蒸着させてから、前記半導体基板上に半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、次に前記半導体基板内に第一乃至は第二あるいは第三以降のドーパントからなる重畳ドーピング層を形成し、前期重畳ドーピング層を高温アニールすることにより該複数ドーパントを電気的あるいは光学的に活性化することを特徴とする。【００２４】
発明１１は、発明１０の半導体の製造方法において、第一のドーパントの蒸着時、又は蒸着後に（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を形成する温度に、基板を加熱することを特徴とする。【００２５】
発明１２は、発明１０又は１１の半導体の製造方法において、複数有するように、第一ドーパントの蒸着から高温アニールまでの工程を複数回繰り返し、前記半導体結晶層を複数層有さしめたことを特徴とする。【００２６】
発明１３は、発明１２の半導体の製造方法において、半導体結晶層複数のドーピング層および半導体結晶層を有する前記半導体基板は、高温処理して、ドーピング分布の幅を広くしたことを特徴とする。【００２７】
発明１４は、発明１０から１３のいずれかの半導体の製造方法において、前記半導体結晶層がＩＶ族半導体から成ることを特徴とする。【００２８】
発明１５は、発明１４の半導体の製造方法において、ＩＶ族半導体がシリコンであることを特徴とする。【００２９】
発明１６は、発明１０から１５のいずれかの半導体の製造方法において、第一のドーパントがビスマスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
以上のとおりの本発明によれば、従来困難であったシリコン等の元素半導体基板に対して重畳ドーピングが可能とされ、さらには高濃度ドーピング層を持つ半導体が実現されることになる。【００３１】
より具体的には、本発明によれば、シリコン等の元素半導体中のドーピングの表面偏析を抑制して複数のドーパントを重畳ドーピングすることが実現でき、イオン注入装置等の高価な装置を用いる事無く、通常の結晶成長装置を用いて余分なプロセス時間を費やす必要も無くなる。また、原理的に原子層スケールで重畳ドーピングすることが可能で、原理的には重畳している複数ドーパントの濃度分布のずれはほぼゼロにすることが可能である。【００３２】
よって、従来には不可能とされていた複数ドーパントの濃度分布幅を少なくとも２０ｎｍ以下に、重畳している複数ドーパントの濃度分布のずれは２ｎｍ以内に抑えることができる。【００３３】
また、このような安定した重複ドーパントが可能になったことで、本発明で、原子層オーダでのプロファイル幅を持つ複数元素ドーパントの重畳ドーピング層を元素半導体内に形成が可能となる。【００３４】
このことは半導体装置作製上のプロセスとしての利用範囲が広がる。【００３５】
（１）単純な伝導キャリア（電子や正孔）発生源としてドーピング層を用いる場合には、元素半導体の格子定数に対して圧縮歪と、膨張歪を発生させる複数のドーパントを共存させた重畳ドーピング層が実現でき、高濃度のドーピング層を持つ半導体装置が提供できる。【００３６】
（２）元素半導体では従来ｎ型やｐ型のドーパントが主に想定されてきたが、磁性不純物とキャリア発生源を同一のドーピング層に重畳させることにより、伝導電子とスピンとの相互作用させた磁性半導体装置が提供できる。【００３７】
（３）更に、局在電子状態をとる不純物元素全てをドーパントとして考えた場合は、特定のスピン状態の保持や、第三局在状態を利用したスピン間相互作用を起こすための、局在状態ドーパントの重畳ドーピング層を持つ量子情報処理装置が提供できる。【００３８】
このように、半導体装置、磁性半導体装置、量子情報処理装置など多様な分野での適用が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
＜原理説明図＞
図１は、本発明の構造を示したものである。元素半導体ＳＢ上に２元素重畳ドーピング層ＤＬＴを挟んでエピタキシャル成長層ＥＰを設けた半導体装置に係わるものである。磁性半導体装置や量子情報処理装置であってもよい。図１では半導体装置ＤＶが示されている。２元素重畳ドーピング層ＤＬＴには、ドーパント元素１とドーパント元素２が共存している。２種類のドーパント元素濃度分布幅はそれぞれＤＳＴ１とＤＳＴ２で異なる分布幅を持つが、何れも２０ｎｍ以下である。また、２種類のドーパント元素濃度分布の中心ピーク位置のずれＥＲは、２ｎｍ以下である。【００４０】
図２は、本発明の構造の作製プロセスを示したものである。まず、元素半導体基板ＳＢの表面上に第一のドーパント元素ＤＰ１の特殊な表面構造ＳＳを形成する［図２（ａ）］。この表面上に、第二のドーパント元素ＤＰ２を蒸着すると［図２（ｂ）］、第一のドーパント元素ＤＰ１の一部と第二のドーパント元素ＤＰ２は、表面構造ＳＳ上の置換位置ＣＰで置換することができる［図２（ｃ）］。この表面上に、元素半導体の元素のエピタキシャル層ＥＰを成長すると、大部分の、第一のドーパント元素および第二のドーパント元素は、表面偏析するが、一部の第一のドーパント元素ＤＤ１および第二のドーパント元素ＤＤ２は重畳ドーピング層ＤＬＴとして残る。残るのは、特殊構造を形成している第一のドーパント元素と、この特殊構造を形成している第一のドーパント元素と置換した第二のドーパント元素の一部である。この一連のプロセスにより、原子層オーダでのプロファイル幅を持つ第一元素のドーパントおよび第二元素のドーパントの重畳ドーピング層を元素半導体基板ＳＢ内に形成が可能になる。第二元素のドーパントの蒸着時に、更に第三以降のドーパントも蒸着しておけば、３種類以上のドーパントの重畳ドーピング層を元素半導体ＳＢ内に形成が可能になる。得られた重畳ドーピング層は、熱的アニール処理により電気的あるいは光学的に活性化させることができる。【００４１】
この表面上に、元素半導体の元素のエピタキシャル層ＥＰを成長すると、大部分の、第一のドーパント元素および第二のドーパント元素は、表面偏析するが、一部の第一のドーパント元素ＤＤ１および第二のドーパント元素ＤＤ２は重畳ドーピング層ＤＬＴとして残る。残るのは、特殊構造を形成している第一のドーパント元素と、この特殊構造を形成している第一のドーパント元素と置換した第二のドーパント元素の一部である。この一連のプロセスにより、原子層オーダでのプロファイル幅を持つ第一元素のドーパントおよび第２元素のドーパントの重畳ドーピング層を元素半導体ＳＢ内に形成が可能になる。第２元素のドーパントの蒸着時に、更に第三以降のドーパントも蒸着しておけば、３種類以上のドーパントの重畳ドーピング層を元素半導体ＳＢ内に形成が可能になる。得られた重畳ドーピング層は、熱的アニール処理により電気的あるいは光学的活性化させることができる。電気的活性化と光学的活性化は、得られた重畳ドーピング層の電気伝導度・ホール測定を行うか、あるいは図１２を用いて後述するフォトルミネッセンス測定により明らかにできる。重畳ドーピング層の第一のドーパント元素、あるいは第２元素のドーパント乃至は第三以降のドーパント元素が、何れもシリコン置換位置に配置していれば良く、電気的散乱になるような欠陥や、光吸収素因になる欠陥が除かれていれば、電気的活性化と光学的活性化されたことが前記測定手法により検出できる。電気的活性なキャリア数も評価できるために、図９で説明した二次イオン質量分析により得られる重畳ドーピング層の第一のドーパント元素、あるいは第２元素のドーパント乃至は第三以降のドーパント元素の濃度と比較して、活性化率も評価できる。【００４２】
以下の実施例においては、第一のドーパント元素と第二のドーパント元素との組合わせとして、Ｂｉ（ビスマス）−Ｅr（エルビウム）、そしてＢｉ（ビスマス）−Ｓｂ（アンチモン）が例示されているが、これらに限定されることはない。通常は、 III族とＶ族の元素によるIII−Ｖ、Ｖ−Ｖ等の組合わせとして好適に考慮される。 III族元素としては、たとえば前記のＥr（エルビウム）をはじめとするランタノイド元素やＹ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）を含めた希土類元素、そしてＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等が含まれる。またＶ族元素としては、たとえば前記のＢｉ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐ等が含まれる。【００４３】
この組合わせの選択においては、第１の発明のように、基板の元素半導体の格子定数に対して圧縮歪を発生させる元素と、この圧縮歪を基準として膨張歪みを発生させる元素とであってもよい。【００４４】
一般的には、圧縮歪みを生じさせる元素としては、例えばＢｉ、Ｓｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｇａ等があり、膨張歪を発生させる元素としては、例えば＝Ｂ，Ｐ等がある。また、例えば、Ｂｉに対してのＥr等の希土類元素やＳｂ等がある。【００４５】
いずれにしても複数元素ドーパントの組合わせの選択では、例えば、スピン源とキャリア源、キャリア濃度を増やすようなキャリア源同士の組合わせなどが考慮される。なお、これらのドーパントの元素の選択においてはシリサイド化を防ぐような配慮が望まれる。【００４６】
そして本発明の重畳ドーピング半導体の製造方法では、シリコン等の元素半導体基板を対象としてこれまでにない半導体が実現されることになる。【００４７】
そのプロセスは、蒸着と加熱によるエピタキシ−の組合せ、そして最後アニールによる活性化という簡便な手段である。【００４８】
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、以下の例によって本発明が限定されることはない。
【実施例１】
【００４９】
図１と図２に基づいて第一の実施例について述べる。元素半導体基板ＳＢとしてシリコン（００１）結晶基板、第一のドーパント元素ＤＰ１としてビスマス元素、第一のドーパント元素ＤＰ１の特殊な表面構造ＳＳとしてビスマス細線構造、第二のドーパント元素ＤＰ２としてエルビウム元素を実施例とすることができる。【００５０】
この実施例のプロセス手順を図３に示す。シリコン（００１）基板上にビスマスを、基板温度Ｔ１で蒸着してビスマス細線構造を形成する。Ｔ１はビスマスのシリコン基板上からの蒸発温度近傍の温度（５００℃−６００℃）の範囲で選ぶ。温度によってビスマス細線構造の形成時間が異なるが、それ以外の違いは無い。続いて、基板温度をＴ２に下げて、エルビウムの蒸着とシリコンの蒸着を行う。本実施例の場合には、基板温度Ｔ２はシリコンのエピタキシャル成長が可能な温度範囲内で基板温度Ｔ１より低く設定した。実際には、エルビウム蒸着時の基板温度はシリコン蒸着時と同じ温度にする必要は無い。本実施例ではＴ１は５００℃、Ｔ２は４００℃に設定した。【００５１】
シリコンやビスマス等の蒸着方法に制限が無いが、図４のように元素半導体基板（シリコン基板）ＳＢを加熱するための手段としてヒータ１５等が設けられ、この基板が排気装置（図外）によって排気された真空槽１０に設置される。シリコンの半導体基板ＳＢに対してシリコン等半導体材料が蒸着できる原料供給装置１３ａとビスマスやエルビウム等ドーパント材料が蒸着できるドーパント原料供給装置１３ｂ、１３ｃ、蒸着時間制御のためのシャッター１４が設けられているような装置であればよい。【００５２】
シリコンやビスマス等の蒸着の際には、高速電子線回折により元素半導体基板（シリコン基板）ＳＢ上の構造をリアルタイムで調べることができる構成になっている。高速電子線回折では、高速電子線源１１から出た高速電子線入射ビーム１１ｉが、元素半導体基板（シリコン基板）ＳＢ上で回折を受けて、出射した回折ビーム１１ｄが蛍光スクリーン１２で光らすことによって表面構造の情報を得ることができる。本実施例では、シリコンの蒸着のために原料供給装置１３ａとして電子銃型蒸発源、ビスマス、エルビウムの蒸着のためのドーパント原料供給装置１３ｂ、１３ｃとしてＫセル型蒸発源を用い、蒸着レートはそれぞれ、０．１ｎｍ／ｓｅｃ、０．０００１−０．００１ｎｍ／ｓｅｃ、０．０００１−０．００１ｎｍ／ｓｅｃにした。【００５３】
ビスマスがシリコン（００１）基板表面に吸着すると、通常はシリコンの様にダイマー構造を基板上に作り、（２×ｎ）構造と呼ばれる再配列構造になる。この表面上のビスマスは煩雑に基板最上面のシリコンと置換しているが、ビスマス蒸発温度近傍では細線構造を安定構造とし形成する。（２×ｎ）構造ビスマスに比べてビスマス細線の蒸発エネルギーは高く、結果として（２×ｎ）構造ビスマスが蒸発してもビスマス細線構造は表面に残る。この構造をドーパントのために特殊な表面構造として用いることができる。【００５４】
図５の走査型トンネル顕微鏡像で観察されるようなビスマスの細線構造Ｌがシリコン基板上に形成されて、蒸発温度近傍であっても残る。この細線構造はシリコン基板表面テラス内に埋め込まれた構造が特徴である。この特徴のため、上部にシリコン結晶をエピタキシャル成長しても表面偏析せずに細線構造の一部のビスマスが残留する。【００５５】
細線構造は高速電子線回折により、図６に示す半円状の電子線回折像Ｄ１で確認が可能で、該高速電子線回折像の輝度からビスマス細線の濃度を見積もる事も可能である。【００５６】
このようにビスマス細線を形成させた後、図３に示す手順の内、基板温度Ｔ２でエルビウムを蒸着させることによって、図２（ｂ）のように、第一のドーパント元素ＤＰ１としてのビスマス原子の一部と、第二のドーパント元素ＤＰ２としてのエルビウム原子の一部は、表面構造ＳＳとしてのビスマス細線上で置換することができる［図２（ｃ）］。ビスマス原子は原子半径が大きく、シリコン上ではもっとも歪エネルギーを伴った状態でビスマス細線構造を形成していると考えられる。図７にはビスマス原子の構造モデルを示した（Stress relief as the driving force for self-assembled Bi nanolines. Physical Review Letters誌 88巻（2002年） 226104ページ．J.H.G.Owen, K.Miki, H.Koh, H.W.Yoem and D.R.Bowler参照）。このモデルでは、ビスマス細線構造のために、シリコン基板側に、シリコン結晶と異なる構造である５員環や７員環構造が認められる。ビスマス原子の歪のために、エルビウム原子と原子位置を置換して歪エネルギーを減少させることが全体エネルギーを下げることになる。ビスマス元素の原子半径から判断して、殆どのドーパント元素は、エルビウム同様に置換すると考えてよい。【００５７】
この表面上に、元素半導体の元素をエピタキシャル層ＥＰとしてシリコンをエピタキシャル成長すると、大部分のビスマス原子とエルビウム原子は表面偏析するが一部は残る。残るのは、ビスマス細線構造を形成しているビスマス原子の一部と、このビスマス細線構造を形成していたビスマス原子と置換したエルビウム原子の一部である。【００５８】
上述のプロセスのより得られた２元素重畳ドーピングの断面プロファイルは図８のようになる。シリコン（００１）基板ＳＳＩに、ビスマスとエルビウムの２元素重畳ドーピング層ＤＬＴを挟んで、シリコンエピタキシャル成長層ＥＰがある。２元素重畳ドーピング層では、エルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩが共存する状態でドーピングされている。本実施例では、２元素重畳ドーピング層を形成しなかったエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩは表面偏析して表面偏析層ＳＳＬを形成している。この試料のビスマス濃度分布を２次イオン質量分光法により調べたのが図９である。２元素重畳ドーピング層に相当する位置ＰＤに顕著なピークｐＥｒ１とｐＢｉ１が認められる。ドーパントの分布幅は２次イオン質量分光法の分解能によるものである。高速電子線回折による観察では高速電子線回折像はシリコン数原子層の成長の時点で急激に消滅しており、ドーパントの実際の分布幅は原子層スケールを考えられる。図９から、ビスマス原子とエルビウム原子の種類の元素がドーパント原子として重畳ドーピングされており、これら２種類元素のドーパントの濃度半値幅が２０ｎｍ程度以下であり、これら２種類元素のドーパントの濃度のピーク位置のずれが２ｎｍ以内になっていることが分かる。本発明では、本質的に複数元素のドーパントの濃度分布幅が非常に似通っており、２０ｎｍ程度以下と分布幅が狭く、濃度分布ピーク位置がほぼ同じと看做せて、濃度のピーク位置のずれが２ｎｍ以内となっている。【００５９】
エルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩの表面偏析層ＳＳＬを確認するために、図３に従ったドーピングのプロセス後、更に室温でシリコンアモルファス層を積層して、シリコンアモルファスとシリコン結晶層の界面に表面偏析層を凍結した。図８に示す試料構造の最上層がこれに当たる。表面偏析したビスマスが凍結されて挟み込まれたシリコンアモルファスとシリコン結晶層の界面に相当する位置ＰＴに、図９に示す２次イオン質量分光プロファイルにピークｐＥｒ２とｐＢｉ２が認められる。【００６０】
ドーパント層としては不要な表面偏析層ＳＳＬは除去可能である。まず、除去前に、表面偏析層がエピタキシャル層ＳＳＬ内に残留しないようにする必要がある。エピタキシャル層ＳＳＬ内に残留するエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩを減少させるには、基板温度を上げることが効果的である。ビスマスの場合には６００℃では、残留がほぼゼロになる（参考：結晶成長方法、特許第２０５３８４４号）。表面偏析現象は、同様な温度依存性を示すことから、基板温度を上げることは効果があると考えてよい。【００６１】
次に必要な表面偏析層ＳＳＬの除去は、硫酸：過酸化水素＝１：２〜２：１での化学エッチングや、ＳＦ６等を用いたドライエッチングで除去できる。【００６２】
重畳ドーパント層内のエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩの濃度の制御は可能である。本実施例では、エルビウムは０．２５原子層の蒸着を４００℃の基板温度で行った。図９ではエルビウム原子の濃度の方が、ビスマス原子の濃度よりも高くなっている。所望のエルビウム原子の濃度と、ビスマス原子の濃度を得るのは、基板温度、ビスマス原子細線の形成密度、エルビウム原子の蒸着量をパラメータとして制御可能である。【００６３】
図１０と図１１を用いて具体的な制御例を示す。図１０はビスマス原子細線上を形成後にエルビウム一原子層分だけ蒸着後にシリコンを結晶成長し、その後に、重畳ドーパント層内のエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩの濃度の深さ方向分布を二次イオン質量分光により調べた結果得られた各濃度の積分値である。プロセスは前述したのと同じものであるが、エルビウム原子ＥＲの蒸着量が一原子層になるように蒸着時間を調整している。図１０では、重畳ドーパント層内のエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩの濃度が、シリコンを結晶成長する際の基板温度が３５０℃から４５０℃の範囲で変化することを示している。本例ではエルビウム原子ＥＲの濃度は余り変化が無いが、僅かでも変化はしている。この基板温度依存性は、表面偏析速度が、シリコン結晶中の基板温度に依存していることによる。基板温度によってエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩが、成長層のシリコン原子と置換する速度が変わる。同様にシリコン結晶の成長速度によっても同じ事が起きることを確かめている。本例ではシリコンの結晶成長の速度が０．１原子層／秒（〜１０１５個／秒）で行っているが、この成長速度より結晶成長速度が遅いと表面偏析速度は速く、早いと遅くなる。表面偏析速度は原子置換によりどれだけのエネルギー利得が生じるかで決まり、ビスマスの方がエルビウムよりも利得が大きい。このことは結晶成長速度や基板温度を変えた際に、ビスマス残留濃度の方が変化しやすいことを意味する。また、図１１は、ビスマス原子細線上を形成後に蒸着するエルビウムの量を変化させたもので、プロセスの内容は図１０の場合と同じである。プロセス後に、重畳ドーパント層内のエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩの濃度の深さ方向分布を二次イオン質量分光により調べた結果得られた各濃度の積分値をプロットしてある。図１１より、エルビウムの蒸着量により重畳ドーパント層内のエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩの濃度が制御できること、この量も基板温度によって変化することが分かる。この例では、ビスマスとエルビウムをそれぞれ０．０１原子層／秒から１原子層／秒（１０１３個／秒〜１０１５個／秒）の範囲で重畳ドーパント層内のエルビウム原子ＥＲとビスマス原子ＢＩの濃度が制御できる事を示しており、それらの濃度は基板温度３８０℃と４４０℃で異なっている事から、基板温度の併用で制御範囲が大きくなっていることがわかる。【００６４】
上述のような手法で得られた２元素重畳ドーピング層を電気的あるいは光学的に活性化するには、表面偏析層を除去した後に、熱的なアニール処理プロセスが必要である。アニール処理は、常圧１リットル／分で窒素ガスを流しながら石英管中に２元素重畳ドーピング層を含むシリコン基板を置いたものを外部ヒータ加熱して行った。シリコン基板を石英基板ホルダー上に置いてあるが、加熱終了後に石英基板ホルダーごと常温温度のところへ取り出した。【００６５】
図１２には１２００℃で５秒、１０秒、２０秒で熱的なアニール処理プロセスを施した後に得た、重畳ドーパント層を含むシリコン基板からのフォトルミネッセンススペクトルである。通常、ドーパントの電気的活性化に最適なアニール温度は異なるので、２元素のドーパントを用いる場合には両ドーパントの電気的活性化を満たす条件を探す必要がある。しかし、基本的にはシリコン結晶基板の融点が上限であるため、高速アニール炉などを上手く使えば、条件だしは楽観視できる。図１２には、ビスマスの励起ピークＰｂｉとエルビウムの励起ピークＰｅｒが明瞭に観測され、ビスマスドーパントとエルビウムドーパントが共に電気的あるいは光学的に活性化されていることが実証されている。アニール処理は、窒素ガス流中に限らず、アルゴンガスなどの不活性ガスや水素ガス等の還元ガス中でも行う事ができる。ガス流量も流れていれば多くても少なくても良い。また、石英管中での外部ヒータ加熱に限らず、高速アニール炉などでも可能である。赤外線イメージ炉を利用した高速アニール炉では、上記条件は１，３００℃で１秒程度のアニール条件となる。【００６６】
本実施例同様に細線構造を利用して、原子層オーダでのプロファイル幅を持つ複数元素のドーパントの重畳ドーピング層を持つ半導体装置の作製は、シリコンと同じＩＶ族半導体であるゲルマニウム及びスズはもとより、元素半導体全般でできる。【００６７】
本実施例同様に細線構造を利用して、原子層オーダでのプロファイル幅を持つ複数元素のドーパントの重畳ドーピング層を持つ半導体装置の作製は、２元素で無く三元素以上のドーパントでできるのは、既に説明している。
【実施例２】
【００６８】
図１と図２に基づいて別の実施例について述べる。元素半導体基板ＳＢとしてシリコン（００１）結晶基板、第一のドーパント元素ＤＰ１としてビスマス元素、第一のドーパント元素ＤＰ１の特殊な表面構造ＳＳとしたビスマス細線構造、第二のドーパント元素ＤＰ２としてアンチモン元素を実施例とすることができる。アンチモンの蒸着時の基板温度Ｔ１も実施例１と同様の４００℃で行い、アンチモンの総蒸着量は一原子層にした。図２（ｃ）に相当する状態のビスマス元素とアンチモン元素の濃度分布を調べた報告が、文献：Bismuth and Antimony Nanoline in Si Epitaxial Layer. Microscopy of Semiconducting Materials 1999 (Edited by A G Cullis, and J L Hutchison, IOP Publishing Ltd, London), Inst. Phys. Conf. Ser. 164巻(1999年) 167-170ページ. K. Miki, H. Matsuhata, K. Sakamoto, J. H. G. Owen, D.R. Bowler, and G.A.D. Briggs.に掲載されている。実施例と同様に、ビスマス原子とアンチモン原子が置換されて、約１：２５の比率になっている。図２（ｄ）に相当するプロセスを行えば、実施例１同様に重畳ドーパント層を持つ半導体装置構造が実現できる。
【実施例３】
【００６９】
他の一実施例を図１３に示す。この構成で前述の実施例と異なる点は、重畳ドーピング層を繰り返し形成している点である。一度の重畳ドーピング層のドーパント量では不十分な場合に繰り返しにより所望量を達成したり、かなりの厚みに亙ってある濃度のドーピングを実現したい場合には有効な手段となる。得られるドーピング構造の断面図を図１２に示す。【００７０】
この実施例では、ドーピング技術としては重要なことが一つある。それは本特許では複数のドーピングを繰り返すことが基板の温度変更と蒸着量の制御のみで簡単に実現できることである。この点は従来手法であるδドーピング法及びイオン打ち込み技術では一回のドーピングを行う事だけでも容易ならない手順を要しているのと対照的である。制御は図１０と図１１を用いた実施例で述べたものを基盤技術に用いることで実現できる。シリコン基板上にビスマス原子細線作成後に、他元素を基板上に蒸着すると、ビスマス元素と他元素の重畳ドーピング層が形成できる。この他元素蒸着量と、基板温度により重畳ドーピング中の各元素のドーピング量が制御できることは図１０と図１１を用いた実施例で述べた。複数のドーピング層形成を行うたびに、他元素蒸着量と、基板温度を変更することで、各重畳ドーピング中の各元素のドーピング量を独立に制御できる。図１０と図１１を用いた実施例で述べたように、シリコン結晶成長速度も制御に活用できる。図１０と図１１を用いた実施例では、他元素としてエルビウムを例にしたが、ＩＩＩ族、Ｖ族ドーパント全ての元素で適用が可能であり、また元素は２つ以上の多元素へと拡張できることも確認されている。【００７１】
また任意のドーピング分布を実現できることも重要である。この手法によって分布を制御すれば、従来問題になっていたシリコン微細デバイスにおけるドーパントの統計揺らぎを抑えることも可能である。ドーパント揺らぎはドーピング層が薄い場合に問題となり、ドーパントが局在化している際に電気的な特性が局所的に変化する。これを避けるには、１×１０１８／ｃｍ３、２×１０１８／ｃｍ３、４×１０１８／ｃｍ３、８×１０１８／ｃｍ３、１．６×１０１９／ｃｍ３の濃度の重畳ドーピング層を１ｎｍおきに作製することで統計的な揺らぎを実効的に無くすことが可能である。重畳ドーピングは原子層レベルでのドーピングのため、ドーピング深さ近傍では揺らぎが少ない高密度層になっている。重畳ドーピング間にシリコン層をスペース層としていれることで、必要なドーピング濃度を調整する。重畳ドーピングのドーピング濃度を変えた層をつくることで、ドーパントが抜けやすいシリコン酸化膜層近辺から高濃度ドーパント層を離すこともできる。重畳ドーピング層は、ビスマス元素と燐元素を重畳ドーピングすることで歪を実効的にキャンセルすることが可能で高密度なドーパント濃度が実現可能である。このような実施例は、ビスマスの蒸着時間ｔ１、燐の蒸着時間ｔ２、シリコンの蒸着時間ｔ３、ビスマス蒸着時の基板温度Ｔ１，燐とシリコンの蒸着時の基板温度Ｔ２は固定になっているが、所望に応じて任意の値を採用することで実現できる。【００７２】
図１３に示したプロセスでは、シリコンの成長時間ｔ４とこの蒸着時の基板温度は、表面偏析層ＳＳＬ除去を考えると重要なステップである。この除去プロセスについては、図８を用いた実施例で既に記述してある。表面偏析層ＳＳＬ除去のための化学エッチングまたはドライエッチングでは、表面のシリコン層をエッチング除去することになるので、この分の膜厚を考慮してシリコンの成長時間ｔ４を決定する必要がある。また、表面偏析は高温ほど促進するため、成長時間ｔ４に相当するシリコン層はドーパント残留が少ない状態を達成するために、比較的高い基板温度をＴ２として採用するのが望ましい。この温度は４００℃に比べて充分高ければよい。
【実施例４】
【００７３】
他の実施例として、実施例１や実施例３で得られた重畳ドーピング層を持つ半導体装置構造に、更に高温熱処理を施して、多元素重畳ドーピングの分布幅を広げることができる。この場合には、ドーパント元素の濃度分布幅が２０ｎｍより大きくすることも可能である。ドーパント元素の濃度分布ピーク位置のずれもやや大きくなるが、重畳している特徴は維持することができる。この実施例の効果がある例としては、図８で示す、ビスマス原子間距離、ビスマス原子エルビウム原子間距離を制御する手順が増えたことである。この距離が７−１０ｎｍとなれば、図１８で示した量子情報処理装置が実現できることになる。ビスマス原子とエルビウム原子以外でも、他の複数元素重畳ドーピングの分布幅を広げることができる。アニール処理は、図８を用いた実施例と同様に、常圧１リットル／分で窒素ガスを流しながら石英管中に２元素重畳ドーピング層を含むシリコン基板を置いたものを外部ヒータ加熱して行った。シリコン基板を石英基板ホルダー上に置いてあるが、加熱終了後に石英基板ホルダーごと常温温度のところへ取り出した。１２００℃で４０秒で行ったアニール処理では幅がドーパント層分布が２０ｎｍへと、１２００℃で２０秒に比べて約倍に広がった。このアニール処理の場合には重畳ドーピング層内の元素の拡散係数を利用して数値シミュレーションによる予測も可能である。アニール処理は、窒素ガス流中に限らず、アルゴンガスなどの不活性ガスや水素ガス等の還元ガス中でも行うことができる。ガス流量も流れていれば多くても少なくても良い。また、石英管中での外部ヒータ加熱に限らず、高速アニール炉などでも可能である。赤外線イメージ炉を利用した高速アニール炉では、上記条件は１，３００℃で２秒程度のアニール条件となる。
【実施例５】
【００７４】
他の実施例として、実施例１や実施例３あるいは実施例４を、磁性半導体あるいは量子情報処理装置に用いる場合には、重畳ドーピング層以外の余分なスピンを排除することも可能である。シリコン基板ＳＢとエピタキシャル成長層ＥＰからシリコンのスピン成分を排除する事ができる。シリコンは、核スピンを持つ２９Ｓｉ（４．７％）と３０Ｓｉ（３．１％）が核スピンを持たない２８Ｓｉと自然界で共存している。スピン成分である２９Ｓｉ（４．７％）と３０Ｓｉ（３．１％）は、量子情報処理装置の量子ビットのスピン状態を乱すことにより保持時間を短くしてしまう。このために、２９Ｓｉ（４．７％）と３０Ｓｉ（３．１％）の濃度を下げたシリコン基板ＳＢを用いたり、２９Ｓｉ（４．７％）と３０Ｓｉ（３．１％）の濃度を下げたシリコン成長原料を用いてエピタキシャル成長層ＥＰを形成することができる。純度の高い同位体シリコンは、レーザ分離等で作製可能で、例えば文献：D. Kavaiskaj, et al, PHYSICAL REVIEW LETTERS 86巻(2001年) 6010-6013のように９９．８９６％の純度の２８Ｓｉ同位体を用いた物性実験の報告例がある。純度の高い２８Ｓｉ同位体結晶を、図８の結晶成長装置１の原料供給装置１３ａの原料に用いる事で、本発明の全ての実施例と同じ手法で、余分なスピンを排除したシリコン層が実現できる。シリコン基板から余分なスピンを排除すれば殆どの不要なスピンを排除できる。図８の結晶成長装置１には原料供給装置１３ｂや原料供給装置１３ｃなどのドーパント原料を成長する装置が付随しているが、シリコン同様に純度の高い同位体を利用することで、スピン排除をすることが可能である。天然では９２．２％純度の２８Ｓｉが、９９．８９６％の純度の２８Ｓｉ同位体を用いて約二桁さげることができる。レーザ分離技術の発展により、更にスピンを排除することも可能となる。
【実施例６】
【００７５】
本発明の他の実施例として、実施例１や実施例３、実施例４あるいは実施例５を、量子情報処理装置として用いる場合には、メサ構造を持つ構造が有効である。この実施例を図１５と図１６に示す。実施例１や実施例３、実施例４あるいは実施例５で示した図１あるいは図１４の構造を利用して、メサ構造を作製した例である。図示したように、メサ構造ＭＳは、立方体構造の凸構造をしており、半導体の微細加工技術を用いて作製することができる。具体的には、重畳ドーピング層を持つシリコン基板を、図１３のメサ部分だけが保護できるようなデザインのフォトマスクを用意して、フォトリソグラフィ工程によりレジスト材でメサ部分だけを保護する。この状態で、ドライエッチング工程を行うと保護領域以外がエッチングされる。シリコンのエッチングはＣｌ２ガス８ｓｃｃｍとＣＨＦ３ガス２ｓｃｃｍを、混合ガス圧力１Ｐａ、プラズマ出力５００Ｗ、バイアス出力５０Ｗの条件で行い、２２５ｎｍの深さまで行った。これにより、２００ｎｍ×２００ｎｍ、高さ２２５ｎｍのメサ構造を形成した。メサ構造ＭＳは、断面図に示されたように２元素重畳ドーピング層構造ＤＬＴが残っており、メサ構造ＭＳ部分以外では、エッチング技術により２元素重畳ドーピング層構造ＤＬＴが除去されている。エッチングはＮａＯＨなどやフツ酸と硝酸の混酸など溶液エッチングでも可能であるし、ドライエッチングも多くの手法が開発されている。【００７６】
本実施例では、エッチングにより除去される深さは、２元素重畳ドーピング層構造ＤＬＴを除去できる深さであれば、充分である。あるメサ構造ＭＳと隣接するメサ構造とは、Ｘ方向間隔ＤＸとＹ方向間隔ＤＹで、ＸＹ軸方向で離れている。光学的操作を行う量子情報処理装置の場合には、素子間が光学波長程度に離れていれば、電子デバイスで言うところの素子分離になっていると考えることができる。【００７７】
ＤＸまたはＤＹが光学波長程度離れていれば、光学的なビーム方向や焦点位置を独立して指定することができる。１ｅＶ程度の光を用いる場合には１．２４μｍの波長程度のＤＸまたはＤＹを指定することになり。同じ波長を用いても、別々のメサ構造で同じ量子情報処理を独立して行い、つまり複数の量子情報処理が可能となる。【００７８】
メサ構造は、図示しているように四角形の必要は無く、ＸＹ両軸方向で光学的に区別できる構造になっていれば充分である。またＸＹ方向でなくても、図１６に示すようにＸ方向のみに間隔があるメサ構造であっても良く。あるいは回転軸方向などでも、空間的に光学軸の焦点位置が指定できれば十分である。
【実施例７】
【００７９】
シリコン基板上に、シリコン８０％ゲルマニウム２０％混晶を３８０℃で結晶成長し、その後６００℃でビスマス細線構造を作製し、３８０℃に降温後アンチモンを１原子層蒸着した後でシリコン８０％ゲルマニウム２０％混晶のエピタキシャル成長して重畳ドーピングを実施した。シリコンと同様のドーピング濃度分布が二次イオン質量分析により検出された。なお、ゲルマニウムはＫセル蒸着源を用いて１．２分子層／分の速度で成長を行った。シリコン、ビスマスについては前述と同様の条件で蒸着を行い、アンチモンはＫセル蒸着源を用いて０．１分子層／分の速度で１０分間成長を行った。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の基本的実施例の説明図
【図２】本発明の基本的作成手順の説明図
【図３】本発明の基本的実施例の手順図
【図４】本発明を行う装置の構成例の説明図
【図５】本発明の基本的実施例で生じるビスマス細線構造の走査型トンネル顕微鏡像。
【図６】本発明の基本的実施例で生じるビスマス細線構造の高速電子線回折パターン。
【図７】本発明の基本的実施例で生じるビスマス細線構造の構造モデル。
【図８】本発明の基本的実施例で作製した試料の断面図。
【図９】本発明の基本的実施例で作製した試料の二次イオン質量分光プロファイル。
【図１０】本発明の基本的実施例で作製した試料のドーパント濃度の基板温度依存性を示すグラフ。
【図１１】本発明の基本的実施例で作製した試料のドーパント濃度の蒸着量依存性を示すグラフ。
【図１２】本発明の基本的実施例で作製した試料のフォトルミネッセンス分光プロファイル。
【図１３】本発明の別の一実施例
【図１４】本発明の別の一実施例で作製した試料の断面図。
【図１５】本発明の別の一実施例
【図１６】本発明の別の一実施例
【図１７】ドーピングの従来例。
【図１８】重畳ドーピングを利用した予測例。
【図１９】ドーピングの別の従来例
【符号の説明】
【００８１】
ＳＢ  元素半導体基板
ＥＰ  エピタキシャル成長層
ＤＬＴ  ２元素重畳ドーピング層
ＤＳＴ  １ドーパント元素１の濃度分布
ＤＳＴ  ２ドーパント元素２の濃度分布
ＳＤ１  ドーパント元素１の分布幅
ＳＤ２  ドーパント元素２の分布幅
ＥＲ  重畳位置のずれ
ＳＳ  ドーパント第１元素の特殊構造
ＤＰ  １ドーパント第１元素
ＤＰ  ２ドーパント第２元素
ＣＰ  ドーパント置換位置
ＤＤ１  第１元素ドーパント
ＤＤ２  第２元素ドーパント
Ｔ１  ドーパント第１元素の表面構造を形成するための基板温度
Ｔ２  シリコンのエピタキシャル成長のための基板温度
ｔ１  ドーパント第１元素の表面構造を形成するための時間
ｔ２  ドーパント第２元素の蒸着時間
ｔ３  シリコンのエピタキシャル成長のための時間
ｔ４  シリコンのエピタキシャル成長のための時間
１  結晶成長装置
１０  真空槽
１１  高速電子線源
１１ｉ  高速電子線入射ビーム
１１ｄ  回折ビーム
１２  蛍光スクリーン
１３ａ  原料供給装置
１３ｂ  ドーパント原料供給装置
１３ｃ  ドーパント原料供給装置
１４  シャッター
１５  ヒータ
ＳＳＩ  シリコン基板
Ｌ  ビスマス細線
Ｄ１  電子線回折線
ＢＩ  ビスマス原子
ＳＩ  シリコン原子
ＳＳＬ  表面偏析層
ＤＳＴ１  ビスマス元素間距離
ＤＳＴ２  異種ドーパント元素間距離
ＰＴ  結晶成長層表面
ＰＤ  ２元素重畳ドーピング層位置
ｐＥｒ１  ２元素重畳ドーピング層内のエルビウムの濃度ピーク
ｐＢｉ１  ２元素重畳ドーピング層内のビスマスの濃度ピーク
ｐＥｒ  ２表面偏析層内のエルビウムの濃度ピーク
ｐＢｉ  ２表面偏析層内のビスマスの濃度ピーク
Ｐｅｒ  エルビウムの励起ピーク
Ｐｂｉ  ビスマスの励起ピーク
ＤＸ  Ｘ方向間隔
ＤＹ  Ｙ方向間隔
ＭＳ  メサ構造
ＰＬ  量子情報処理装置
ＭＳＴ  短冊状メサ構造
Ｗ１  量子ビット原子の電子の基底状態
Ｗ２  量子ビット原子の電子の基底状態
ＷＣＥ  制御ビット原子の電子の励起状態
ＷＣＧ  制御ビット原子の電子の基底状態
Ｃ  制御ビット
Ｓ１  量子ビット１
Ｓ２  量子ビット２
ＤＳＴＳＳ  量子ビット間距離
ＤＳＴＳＣ  量子ビット制御ビット間距離
ＢＯ  ボロン吸着層
ＡＭＲ  アモルファスシリコン層
ＥＰＳＩ  シリコン結晶層
ＢＤ  ボロン
δ  ドーピング層
【図１】
2008023821.tif 000003
【図２】
2008023821.tif 000004
【図３】
2008023821.tif 000005
【図４】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2008023821.tif 000012
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
2008023821.tif 000016
【図１９】
2008023821.tif 000017
【図５】
2008023821.tif 000018
【図６】
2008023821.tif 000019
【図７】
2008023821.tif 000020
【図１７】
2008023821.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月24日(2008.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
元素半導体基板内に複数種の元素のドーパンドがドーピングされたドーピング層を有する半導体であって、ドーピングされている少なくとも２種類の元素は、その各々のドーパントの濃度半値幅が２０ｎｍ以下で、かつ、相互の濃度ピーク位置のずれが２ｎｍ以内であり、前記２種類の元素はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする半導体。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体において、基板の元素半導体の格子定数に対して圧縮歪を発生させる元素が少なくとも一つ存在し、この圧縮歪を基準として膨張歪を発生させる元素とがドーピングされているとともに、その元素の少なくとも２種類はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする半導体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体において、前記ドーピング層が２つ以上あることを特徴とする半導体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の半導体において、元素半導体がＩＶ族半導体であることを特徴とする半導体。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体において、ＩＶ族半導体がシリコン結晶基板又はシリコン元素を含むＩＶ族混晶半導体であることを特徴とする半導体。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の半導体において、前記ドーピング層以外の半導体基板には、半導体基板内の核スピン同位体元素濃度が自然界平均より一桁以上低いことを特徴とする半導体。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の半導体において、複数種の元素のドーパントのうちの一つの元素がビスマス元素であることを特徴とする半導体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の半導体において、面内に前記ドーピング層を含むメサ構造を一つ以上持ち、該メサ構造と隣接するメサ構造との間隙が光学波長程度以上であることを特徴とする半導体。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の半導体において、前記ドーピング層以外の部分のスピン成分を排除していることを特徴とする半導体。
【請求項１０】
元素半導体基板内に複数種の元素のドーパントがドーピングされたドーピング層を有する半導体の製造方法であって、第一のドーパントにより、（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を半導体基板上に形成し、次に、前記半導体基板をエピタキシャル成長可能な温度にして、前記第一のドーパントを蒸着した半導体基板上に、第一のドーパントの蒸着の後に同時に蒸着される第二あるいは第三以降のドーパントを蒸着させてから、前記半導体基板上に半導体結晶層をエピタキシャル成長させることにより、前記半導体基板内に第一乃至は第二あるいは第三以降のドーパントからなる前記ドーピング層を形成し、前記ドーピング層を高温アニールすることにより複数ドーパントを電気的あるいは光学的に活性化することを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体の製造方法において、第一のドーパントの蒸着時、又は蒸着後に（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を形成する温度に、前記半導体基板を加熱することを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の半導体の製造方法において、前記ドーピング層を複数有するように、第一のドーパントの蒸着から高温アニールまでの工程を複数回繰り返し、前記半導体結晶層を複数層有さしめたことを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体の製造方法において、複数のドーピング層および複数の半導体結晶層を有する前記半導体基板は、高温処理して、ドーピング分布の幅を広くしたことを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１４】
請求項１０から１３のいずれかに記載の半導体の製造方法において、半導体結晶層がＩＶ族半導体から成ることを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体の製造方法において、ＩＶ族半導体がシリコンであることを特徴とする半導体の製造方法。
【請求項１６】
請求項１０から１５のいずれかに記載の半導体の製造方法において、第一のドーパントがビスマスであることを特徴とする半導体の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
［００１０］
本発明は、以上のとおりの背景から、従来技術の問題点を解消して、元素半導体においてもドーパントとしての複数種の元素を特定深さにするドーピングすることのできる技術を確立することを基本的な課題としている。
［課題を解決するための手段］
［００１１］
本発明者は、上記の課題を解決するための方策について検討を進めるに際し、本発明者の発明に係わる特許発明：本発明者等は、本特許出願人の一人が取得している特許２９２９００４号（ドーパントをドーピングした半導体装置及びそのドーピング方法、三木一司）についての知見をさらに深め、技術としての適用の拡大の可能性に注目することとした。
［００１２］
それと言うのも、この特許発明では、ドーパントの特殊な新配列構造を形成する点がプロセス上の鍵になっているからである。そこで、この新配列構造の一部を、他の元素に置換することができれば、特許発明の方法に従って複数のドーパントを重畳ドーピングすることが実現できるとの発想から上記問題の解決策を検討した。
［００１３］
その検討の結果として、本発明者は、以下のとおりの特徴を有する新規な発明を提供する。
［００１４］
発明１の半導体は、元素半導体基板内に複数種の元素のドーパンドがドーピングされたドーピング層を有する半導体であって、ドーピングされている少なくとも２種類の元素は、その各々のドーパントの濃度半値幅が２０ｎｍ以下で、かつ、相互の濃度ピーク位置のずれが２ｎｍ以内であり、前記２種類の元素はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする。
［００１５］
発明２は、発明１の半導体において、基板の元素半導体の格子定数に対して圧縮歪を発生させる元素が少なくとも一つ存在し、この圧縮歪を基準として膨張歪を発生させる元素とがドーピングされているとともに、その元素の少なくとも２種類はいずれも電気的あるいは光学的に活性であることを特徴とする。
［００１６］
発明３は、発明１又は２の半導体において、前記ドーピング層が２つ以上あることを特徴とする。
［００１７］
発明４は、発明１から３のいずれかの半導体において、元素半導体がＩＶ族半導体であることを特徴とする。
［００１８］
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
発明５は、発明４の半導体において、ＩＶ族半導体がシリコン結晶基板又はシリコン元素を含むＩＶ族混晶半導体であることを特徴とする。
［００１９］
発明６は、発明１から５のいずれかの半導体において、前記ドーピング層以外の半導体基板には、半導体基板内の核スピン同位体元素濃度が自然界平均より一桁以上低いことを特徴とする。
［００２０］
発明７は、発明１から６のいずれかの半導体において、複数種の元素のドーパントのうちの一つの元素がビスマス元素であることを特徴とする。
［００２１］
発明８は、発明１から７のいずれかの半導体において、面内に前記ドーピング層を含むメサ構造を一つ以上持ち、該メサ構造と隣接するメサ構造との間隙が光学波長程度以上であることを特徴とする。
［００２２］
発明９は、発明１から８のいずれかの半導体において、前記ドーピング層以外の部分のスピン成分を排除していることを特徴とする。
［００２３］
発明１０の半導体の製造方法は、元素半導体基板内に複数種の元素のドーパントがドーピングされたドーピング層を有する半導体の製造方法であって、第一のドーパントにより、（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を半導体基板上に形成し、次に、前記半導体基板をエピタキシャル成長可能な温度にして、前記第一のドーパントを蒸着した半導体基板上に、第一のドーパントの蒸着の後に同時に蒸着される第二あるいは第三以降のドーパントを蒸着させてから、前記半導体基板上に半導体結晶層をエピタキシャル成長させることにより、前記半導体基板内に第一乃至は第二あるいは第三以降のドーパントからなる前記ドーピング層を形成し、前記ドーピング層を高温アニールすることにより複数ドーパントを電気的あるいは光学的に活性化することを特徴とする。
［００２４］
発明１１は、発明１０の半導体の製造方法において、第一のドーパントの蒸着時、又は蒸着後に（２×ｎ）構造を蒸発させ、その細線構造を形成する温度に、前記半導体基板を加熱することを特徴とする。
［００２５］
発明１２は、発明１０又は１１の半導体の製造方法において、前記ドーピング層を複数有するように、第一のドーパントの蒸着から高温アニールまでの工程を複数回繰り返し、前記半導体結晶層を複数層有さしめたことを特徴とする。
［００２６］
発明１３は、発明１２の半導体の製造方法において、複数のドーピング層および複数の
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
半導体結晶層を有する前記半導体基板は、高温処理して、ドーピング分布の幅を広くしたことを特徴とする。
［００２７］
発明１４は、発明１０から１３のいずれかの半導体の製造方法において、前記半導体結晶層がＩＶ族半導体から成ることを特徴とする。
［００２８］
発明１５は、発明１４の半導体の製造方法において、ＩＶ族半導体がシリコンであることを特徴とする。
［００２９］
発明１６は、発明１０から１５のいずれかの半導体の製造方法において、第一のドーパントがビスマスであることを特徴とする。
［発明の効果］
［００３０］
以上のとおりの本発明によれば、従来困難であったシリコン等の元素半導体基板に対して重畳ドーピングが可能とされ、さらには高濃度ドーピング層を持つ半導体が実現されることになる。
［００３１］
より具体的には、本発明によれば、シリコン等の元素半導体中のドーピングの表面偏析を抑制して複数のドーパントを重畳ドーピングすることが実現でき、イオン注入装置等の高価な装置を用いる事無く、通常の結晶成長装置を用いて余分なプロセス時間を費やす必要も無くなる。また、原理的に原子層スケールで重畳ドーピングすることが可能で、原理的には重畳している複数ドーパントの濃度分布のずれはほぼゼロにすることが可能である。
［００３２］
よって、従来には不可能とされていた複数ドーパントの濃度分布幅を少なくとも２０ｎｍ以下に、重畳している複数ドーパントの濃度分布のずれは２ｎｍ以内に抑えることができる。
［００３３］
また、このような安定した重複ドーパントが可能になったことで、本発明で、原子層オーダでのプロファイル幅を持つ複数元素ドーパントの重畳ドーピング層を元素半導体内に形成が可能となる。
［００３４］
このことは半導体装置作製上のプロセスとしての利用範囲が広がる。
［００３５］
（１）単純な伝導キャリア（電子や正孔）発生源としてドーピング層を用いる場合には、元素半導体の格子定数に対して圧縮歪と、膨張歪を発生させる複数のドーパントを共存させた重畳ドーピング層が実現でき、高濃度のドーピング層を持つ半導体装置
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
が例示されているが、これらに限定されることはない。通常は、ＩＩＩ族とＶ族の元素によるＩＩＩ−Ｖ、Ｖ−Ｖ等の組合わせとして好適に考慮される。ＩＩＩ族元素としては、たとえば前記のＥｒ（エルビウム）をはじめとするランタノイド元素やＹ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）を含めた希土類元素、そしてＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等が含まれる。またＶ族元素としては、たとえば前記のＢｉ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐ等が含まれる。
［００４３］
この組合わせの選択においては、第２の発明のように、基板の元素半導体の格子定数に対して圧縮歪を発生させる元素と、この圧縮歪を基準として膨張歪みを発生させる元素とであってもよい。
［００４４］
一般的には、圧縮歪みを生じさせる元素としては、例えばＢｉ、Ｓｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｇａ等があり、膨張歪を発生させる元素としては、例えば＝Ｂ，Ｐ等がある。また、例えば、Ｂｉに対してのＥｒ等の希土類元素やＳｂ等がある。
［００４５］
いずれにしても複数元素ドーパントの組合わせの選択では、例えば、スピン源とキャリア源、キャリア濃度を増やすようなキャリア源同士の組合わせなどが考慮される。なお、これらのドーパントの元素の選択においてはシリサイド化を防ぐような配慮が望まれる。
［００４６］
そして本発明の重畳ドーピング半導体の製造方法では、シリコン等の元素半導体基板を対象としてこれまでにない半導体が実現されることになる。
［００４７］
そのプロセスは、蒸着と加熱によるエピタキシーの組合せ、そして最後アニールによる活性化という簡便な手段である。
［００４８］
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、以下の例によって本発明が限定されることはない。
［実施例１］
［００４９］
図１と図２に基づいて第一の実施例について述べる。元素半導体基板ＳＢとしてシリコン（００１）結晶基板、第一のドーパント元素ＤＰ１としてビスマス元素、第一のドーパント元素ＤＰ１の特殊な表面構造ＳＳとしてビスマス細線構造、第二のドーパント元素ＤＰ２としてエルビウム元素を実施例とすることができる。
［００５０］
この実施例のプロセス手順を図３に示す。シリコン（００１）基板上にビスマスを、基板温度Ｔ１で蒸着してビスマス細線構造を形成する。Ｔ１はビスマスのシリコン基板上か
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
ＤＳＴ１  ドーパント元素１の濃度分布
ＤＳＴ２  ドーパント元素２の濃度分布
ＳＤ１  ドーパント元素１の分布幅
ＳＤ２  ドーパント元素２の分布幅
ＥＲ  重畳位置のずれ
ＳＳ  ドーパント第１元素の特殊構造
ＤＰ１  ドーパント第１元素
ＤＰ２  ドーパント第２元素
ＣＰ  ドーパント置換位置
ＤＤ１  第１元素ドーパント
ＤＤ２  第２元素ドーパント
Ｔ１  ドーパント第１元素の表面構造を形成するための基板温度
Ｔ２  シリコンのエピタキシャル成長のための基板温度
ｔ１  ドーパント第１元素の表面構造を形成するための時間
ｔ２  ドーパント第２元素の蒸着時間
ｔ３  シリコンのエピタキシャル成長のための時間
ｔ４  シリコンのエピタキシャル成長のための時間
１  結晶成長装置
１０  真空槽
１１  高速電子線源
１１ｉ  高速電子線入射ビーム
１１ｄ  回折ビーム
１２  蛍光スクリーン
１３ａ  原料供給装置
１３ｂ  ドーパント原料供給装置
１３ｃ  ドーパント原料供給装置
１４  シャッター
１５  ヒータ
【国際調査報告】
2008023821.tif 000022
2008023821.tif 000023
2008023821.tif 000024
2008023821.tif 000025