(57)【要約】【課題】  １ナノメートルよりも細い微細ワイヤを提供する。【解決手段】  第１の元素からなる第１のクラスタあるいは第２の元素からなる第２のクラスタと前記第１のクラスタとを複数連結してなる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の元素からなる第１のクラスタあるいは第２の元素からなる第２のクラスタと前記第１のクラスタとを複数連結してなることを特徴とする微細ワイヤ。
【請求項２】
第１及び第２の元素は、水素（Ｈ）、ヘリウム（Ｈｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ネオン（Ｎｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、アルゴン（Ａｒ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ヨウ素（Ｉ）、キセノン（Ｘｅ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、インジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｄ）、ビスマス（Ｂｉ）、ポロニウム（Ｐｏ）、アスタチン（Ａｔ）、ラドン（Ｒｎ）の中のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の微細ワイヤ。
【請求項３】
第１及び第２の元素はいずれもシリコン（Ｓｉ）であることをことを特徴とする請求項１記載の微細ワイヤ。
【請求項４】
第１及び第２のクラスタは、２４個のシリコン（Ｓｉ）原子からなることを特徴とする請求項３記載の微細ワイヤ。
【請求項５】
請求項２あるいは３記載の微細ワイヤの製造方法であって、シリコン（Ｓｉ）基板上に所定の触媒を載置し、この状態でシリコン（Ｓｉ）をスパッタリングすることを特徴とする微細ワイヤの製造方法。
【請求項６】
触媒は遷移金属であることを特徴とする請求項５記載の微細ワイヤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細ワイヤ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンを構成元素とするシリコンナノワイヤの半導体デバイスや光デバイスへの適用が期待されている。このシリコンナノワイヤは、直径がナノメートル（ｎｍ）オーダーで、かつ、電気導電性を有する微細ワイヤ（量子細線）であり、更なる微細化が要求されている次世代の半導体デバイスや光デバイスにおける配線材として有望である。なお、次世代の半導体デバイスや光デバイスにおける配線材としては、カーボンナノチューブの適用も検討されている。
例えば、下記非特許文献１には、シリコンナノワイヤの一例として、直径が１〜７ナノメートル（ｎｍ）の製作が報告されている。また、下記特許文献１にも直径がナノメートルオーダーのシリコンナノワイヤとその作製方法とが開示されている。
【非特許文献１】Small-Diameter Silicon Nanowire Surface, D. D. D. Ma et al. Science 299 (2003) 1874
【特許文献１】特開２００３−１４２６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、現状の報告では、非特許文献１に記載された直径が１〜７ナノメートル（ｎｍ）のシリコンナノワイヤが最も細いものである。しかしながら、半導体集積回路に関する技術展望として、この１ナノメートル程度の微細ワイヤでは２０１５年までが限界であり、これ以降の半導体集積回路ではさらに細線化された配線材が必要である、という見方がある。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、１ナノメートルよりも細い微細ワイヤの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明では、微細ワイヤに係わる第１の解決手段として、第１の元素からなる第１のクラスタあるいは第２の元素からなる第２のクラスタと前記第１のクラスタとを複数連結してなる、という手段を採用する。
この発明によれば、クラスタとを複数連結して形成されるので、１ナノメートルよりも細い微細ワイヤを提供することができる。
【０００６】
微細ワイヤに係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、第１及び第２の元素は、水素（Ｈ）、ヘリウム（Ｈｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ネオン（Ｎｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、アルゴン（Ａｒ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ヨウ素（Ｉ）、キセノン（Ｘｅ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、インジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｄ）、ビスマス（Ｂｉ）、ポロニウム（Ｐｏ）、アスタチン（Ａｔ）、ラドン（Ｒｎ）の中のいずれかである、という手段を採用する。
この発明によれば、上記各元素のいずれか１つの元素からなるクラスタを連結して、あるいは異なる元素からなるクラスタを連結することにより１ナノメートルよりも細い微細ワイヤを形成することができる。
【０００７】
微細ワイヤに係わる第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、第１及び第２の元素はいずれもシリコン（Ｓｉ）である、という手段を採用する。
この発明によれば、シリコン（Ｓｉ）からなるクラスタを連結することにより１ナノメートルよりも細く、かつ、導電性を有するシリコン微細ワイヤを形成することができる。
【０００８】
微細ワイヤに係わる第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、第１及び第２のクラスタは、２４個のシリコン（Ｓｉ）原子からなる、という手段を採用する。
この発明によれば、２４個のシリコン（Ｓｉ）原子からなるクラスタを連結するので、直線状のシリコン微細ワイヤを形成することができる。
【０００９】
また、本発明では、微細ワイヤの製造方法に係わる第１の解決手段として、上記第１あるいは第２の微細ワイヤの製造方法において、シリコン（Ｓｉ）基板上に所定の触媒を載置し、この状態でシリコン（Ｓｉ）をスパッタリングする、という手段を採用する。
この発明によれば、シリコン（Ｓｉ）基板上にシリコン（Ｓｉ）からなるクラスタを積み上げるようにして成長させることが可能であり、よってシリコン（Ｓｉ）からなる１ナノメートルよりも細く、かつ、導電性を有するシリコン微細ワイヤを容易に製造することができる。
【００１０】
微細ワイヤの製造方法に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、触媒は遷移金属である、という手段を採用する。シリコン（Ｓｉ）基板上にシリコン（Ｓｉ）からなるクラスタを積み上げるための触媒として遷移金属を採用するので、シリコン微細ワイヤを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、後述するように、シリコン（Ｓｉ）を構成原子とするクラスタ（つまりシリコンクラスタ）を連結したシリコン微細ワイヤに関するものである。なお、クラスタ（あるいは原子クラスタ）は、一般的に数個から数千個の原子からなる原子の集合体を指す用語であるが、本実施形態においてもこれと同様の意味でクラスタという用語を用いる。
【００１２】
図１は、本シリコン微細ワイヤを構成するシリコンクラスタＡの斜視図である。このシリコンクラスタＡは、２４個のシリコン原子１から構成されたクラスタ（Ｓｉ２４クラスタ）であり、各シリコン原子１が互いに隣り合う３つのシリコン原子１と結合関係を持つことにより１４面体を構成している。この図から分かるように、シリコンクラスタＡの各面のうち、斜線で示す六角形の面ｍは互いに平行に対峙する平行面である。なお、この平行面ｍ以外の面は、図示するように五角形の面である。このようなシリコンクラスタＡは、幅が最も大きい部分の幅が０．８ナノメートル（ｎｍ）以下である。
【００１３】
図２は、上記シリコンクラスタＡを６つ連結して構成したシリコン微細ワイヤＢの構成を示す側面図である。平行面ｍを互いに繋ぎ合わせるようにシリコンクラスタＡを連結することにより、このシリコン微細ワイヤＢは、直線状のワイヤ形状となると共に、その直径は０．８ナノメートル（ｎｍ）以下となる。
【００１４】
続いて、図３は、このようなシリコン微細ワイヤＢの構造体としての安定性を示す特性図である。この特性図は、周知の第一原理分子動力学法に基づくコンピュータ・シミュレーションにより、シリコンクラスタＡの連結数に応じた結合エネルギを求めたものであり、連結数が増加するに従って結合エネルギが低下し、構造体としての安定性が増すことを示している。また、この特性図では、連結数が６以上になると結合エネルギの低下が略飽和して変化しなくなる傾向にあることをも示している。この特性図によれば、シリコンクラスタＡが複数連結したシリコン微細ワイヤＢは構造体として十分に安定であることを示している。
【００１５】
図４は、シリコン微細ワイヤＢの物質としての反応性をＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップとして示す特性図である。この特性図は、第一原理分子動力学法に基づくコンピュータ・シミュレーションにより、シリコンクラスタＡの連結数に応じたＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップを求めたものであり、連結数が増加するに従って、つまりシリコン微細ワイヤＢが長くなる程にＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが低下し、シリコン微細ワイヤＢが長く成長するための必要な反応性が高まることを示している。また、このＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップについては、連結数が５あるいは６になると低下傾向が略飽和して変化しなくなる。
【００１６】
図５は、上記シリコン微細ワイヤＢの電気伝導性を示す特性図である。この特性図は、第一原理分子動力学法に基づくコンピュータ・シミュレーションにより、シリコン微細ワイヤＢを有限長（例えば２つのシリコンクラスタＡを連結した長さ）とした場合の電子状態密度を求めたものである。なお、この図５では、エネルギ（ｅＶ）を示す縦軸がフェルミ準位（フェルミエネルギ）を基準エネルギー（つまりエネルギ「０」）として示している。
【００１７】
このようなシリコン微細ワイヤＢの電子状態密度を見ると、フェルミエネルギを有する電子が存在するので、シリコン微細ワイヤＢが金属であることが分かる。すなわち、シリコン（Ｓｉ）は一般的には真性半導体として知られているが、シリコンクラスタＡを連結して構成されたシリコン微細ワイヤＢは、金属として電気伝導性を示す。したがって、半導体デバイスの配線材として利用することができる。
【００１８】
図６は、シリコン（Ｓｉ）原子の３ｓ軌道と３ｐ軌道の各電子状態密度及び当該２つの軌道の合計電子状態密度を第一原理分子動力学法に基づいて計算した結果である。なお、この図でも、エネルギ（ｅＶ）を示す横軸は、フェルミ準位（フェルミエネルギ）を基準エネルギー（つまりエネルギ「０」）として示している。この計算結果を見ると、シリコン（Ｓｉ）原子の３ｐ軌道の電子状態密度は、図５に示したシリコン微細ワイヤＢの電子状態密度と良く似た傾向を示しており、したがって当該シリコン微細ワイヤＢの電子状態密度は、シリコン（Ｓｉ）原子の３ｐ軌道の電子状態密度の寄与が大であることが分かる。
【００１９】
以上のように、本シリコン微細ワイヤＢは、構造物として安定しているだけでなく、直径が０．８オングストローム以下、かつ金属としての電気導電性を有する微細ワイヤである。したがって、本シリコン微細ワイヤＢは、将来の半導体集積回路の配線材として十分な性能を有している。
【００２０】
続いて、このようなシリコン微細ワイヤＢの製造方法について、図７を参照して説明する。なお、図７は、本シリコン微細ワイヤＢを製造するためのスパッタリング装置の概略図である。この図に示されているように、本シリコン微細ワイヤＢは、表面に触媒が載置されたシリコン基板上にシリコンターゲットから飛散したシリコン原子を堆積させることによって製造される。ここで、触媒は、例えば遷移金属であり、シリコン原子をシリコンクラスタＡの形態でシリコン基板上に成長さるためのものである。
【００２１】
このようなスパッタリング装置（製造装置）によれば、本シリコン微細ワイヤＢの構成原子であるシリコンを原子単位でシリコン基板上に降らせることができる一方、触媒の存在によって各シリコン原子を上述したシリコンクラスタＡの形態でシリコン基板上に順次成長さることができ、結果としてシリコンクラスタＡが順次積み上げられた形態のシリコン微細ワイヤＢを製造することができる。
【００２２】
ここで、図３に示したように、本シリコン微細ワイヤＢは結合エネルギが小さく、構造体として十分に安定なものであるが、シリコンクラスタＡにおける各シリコン原子１の位置を最適化することにより上記結合エネルギをさらに低減させて、安定性を向上させることができる。
【００２３】
図８は、上記シリコンクラスタＡ及び各シリコン原子１の位置が最適化されたシリコンクラスタＢ’の側面図である。上述した第一原理分子動力学法に基づくコンピュータ・シミュレーションによって内部エネルギが最小化される各シリコン原子１の位置を求め、このようにして最適化されたシリコンクラスタＡ’は、上記シリコンクラスタＡよりも内部エネルギが小さく、よってより安定である。したがって、このようなシリコンクラスタＡ’を連結して構成したシリコン微細ワイヤＢ’（図９参照）は、上述したシリコン微細ワイヤＢよろも結合エネルギが小さく、よってより安定である。
【００２４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、シリコン（Ｓｉ）を構成原子とするシリコンクラスタＡ，Ａ’を連結したシリコン微細ワイヤＢ，Ｂ’について説明したが、クラスタの構成原子はシリコンに限定されない。クラスタの構成原子は。例えば水素（Ｈ）、ヘリウム（Ｈｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ネオン（Ｎｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、アルゴン（Ａｒ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、カドニウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、ヨウ素（Ｉ）、キセノン（Ｘｅ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、インジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｄ）、ビスマス（Ｂｉ）、ポロニウム（Ｐｏ）、アスタチン（Ａｔ）、ラドン（Ｒｎ）の中のいずれかであれば良い。
【００２５】
（２）上記実施形態では、微細ワイヤを構成する全てのクラスタがシリコンを構成原子としているが、本発明はこれに限定されない。構成原子が異なるクラスタを連結して微細ワイヤを構成しても良い。スパッタリングにおけるターゲットを交換することにより異なる構成原子からなるクラスタを連結・成長させて微細ワイヤを製造することができる。
【００２６】
（３）また、上記実施形態では、２４個のシリコン原子１から構成されたＳｉ２４クラスタを用いた。これは互いに平行に対峙する六角形の面ｍが平行面であり、この平行面を突合せ面としてシリコンクラスタＡを連結することにより直線状のシリコン微細ワイヤＢを構成することができるからである。しかしながら、このような平行面を有しないシリコンクラスタ、例えば２０個のシリコン原子からなるＳｉ２０クラスタや２８個のシリコン原子からなるＳｉ２８クラスタを連結することによってもシリコン微細ワイヤを構成することが可能である。但し、この場合のシリコン微細ワイヤは湾曲したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係わるシリコン微細ワイヤを構成するシリコンクラスタＡの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わるシリコン微細ワイヤの構成を示す側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わるシリコン微細ワイヤＢの構造体としての安定性を示す特性図である。
【図４】本発明の一実施形態に係わるシリコン微細ワイヤＢの物質としての反応性を示す特性図である。
【図５】本発明の一実施形態に係わるシリコン微細ワイヤＢの電気伝導性を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施形態に係わるシリコン微細ワイヤＢ並びにシリコン（Ｓｉ）原子の３ｓ軌道と３ｐ軌道の電子状態密度とを示す特性図である。
【図７】本発明の一実施形態に係わるシリコン微細ワイヤＢを製造するための製造装置（スパッタリング装置）の概略図である。
【図８】本発明の一実施形態において、構造最適化後のシリコンクラスタＡ’の構成を示す側面図である。
【図９】本発明の一実施形態において、構造最適化後のシリコンクラスタＡ’を連結したシリコン微細ワイヤＢ’の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００２８】
Ａ，Ａ’…シリコンクラスタ、Ｂ，Ｂ’…シリコン微細ワイヤ、１…シリコン原子、ｍ…平行面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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