(57)【要約】【課題】結晶欠陥準位が少なく、優れた半導体特性を有する微小構造体の製造方法を提供する。【解決手段】単結晶半導体からなる微小構造体の製造方法であって、支持体１０１上に前記単結晶半導体に対して第１導電形のドーパントとなる第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子１３０を形成する工程（ａ）と、前記単結晶半導体を構成する元素を含む原料ガスを前記支持体表面近傍に導入し、前記第１の触媒微粒子により前記原料ガスを分解し、第１の微小構造体１１１を形成するように前記第１のドーパント元素を含む単結晶半導体を成長させる工程（ｂ）とを包含する微小構造体の製造方法。【選択図】図２
2006140293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶半導体からなる微小構造体の製造方法であって、
支持体上に単結晶半導体に対して第１導電形のドーパントとなる第１のドーパント元素のみからなるまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子を形成する工程（ａ）と、
前記単結晶半導体を構成する元素を含む原料ガスを前記支持体表面近傍に導入し、前記第１の触媒微粒子により前記原料ガスを分解し、第１の微小構造体を形成するように前記第１のドーパント元素を含む単結晶半導体を成長させる工程（ｂ）と、
を包含する微小構造体の製造方法。
【請求項２】
前記第１の触媒微粒子は、第１導電形のドーパントとはならないが、前記工程（ｂ）における原料ガスの分解を促進する触媒として機能する第１の触媒金属元素をさらに含む請求項１に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項３】
前記第１の触媒微粒子は、原子比で前記触媒金属元素よりも前記第１のドーパント元素を多く含む請求項２に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第１の触媒微粒子は前記第１のドーパント元素のみを含む請求項１に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）の前に、前記支持体表面上に前記単結晶半導体に対して第２導電形のドーパントとなる第２のドーパント元素のみからなるまたは前記第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子を形成する工程（ｃ）をさらに包含し、
前記工程（ｂ）において、前記単結晶半導体を構成する元素を含む原料ガスを前記支持体表面近傍に導入し、前記第２の触媒微粒子により前記原料ガスを分解することにより、第２の微小構造体を形成するように前記第２のドーパント元素を含む単結晶半導体を前記第１のドーパント元素を含む単結晶半導体と同時に成長させる請求項１から４のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
【請求項６】
前記第２の触媒微粒子は、第２導電形のドーパントとはならないが、前記工程（ｂ）における原料ガスの分解を促進する触媒として機能する触媒金属元素をさらに含む請求項５に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項７】
前記第２の触媒微粒子は、原子比で前記触媒金属元素よりも前記第２のドーパント元素を多く含む請求項６に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項８】
前記第２の触媒微粒子は前記第１のドーパント元素のみを含む請求項５に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項９】
前記単結晶半導体を構成する元素はＩＶ族元素であり、前記第１のドーパント元素はＩＩＩ族またはＶ族元素である請求項１から８のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記単結晶半導体を構成する元素はＩＶ族元素であり、前記第１および第２のドーパント元素はそれぞれＩＩＩ族およびＶ族元素である請求項５から８のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ族元素はＡｌ、ＧａまたはＩｎである請求項１０に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記Ｖ族元素はＰ、Ａｓ、ＳｂまたはＢｉである請求項１０に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記ＩＶ族元素はＳｉまたはＧｅである請求項１０に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記単結晶半導体を構成する元素はＩＩＩ族元素およびＶ族元素である請求項１から８のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１５】
前記単結晶半導体を構成する元素はＩＩ族元素およびＶＩ族元素である請求項１から９のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１６】
前記第１の触媒金属元素または前記第２の触媒金属元素は、Ａｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１つである請求項３または５に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１７】
前記第１の微小構造体は柱形状を有している請求項１から１６のいずれかに記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１８】
前記第１の微小構造体において柱の伸びる方向と垂直な断面の最大長は１００μｍ以下である請求項１７に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１９】
前記工程（ａ）は、前記第１のドーパント元素を含む薄膜を前記支持体上に形成する工程と、
前記薄膜を熱処理することにより前記第１のドーパント元素を含む微粒子形状の前記第１の触媒微粒子を形成する工程と、
を含む請求項１に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項２０】
支持体上に第１のソース・ドレイン電極及び第２のソース・ドレイン電極を形成する工程と、
前記第２のソース・ドレイン電極上に第１のマスクを形成して、前記第１のソース・ドレイン電極上に、単結晶半導体に対して第１導電形のドーパントとなる第１のドーパント元素のみからなるまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子を形成する工程と、
前記第２のソース・ドレイン電極上の前記第１のマスクを除去する工程と、
前記第１のソース・ドレイン電極上に第２のマスクを形成して、前記第２のソース・ドレイン電極上に、単結晶半導体に対して第２導電形のドーパントとなる第２のドーパント元素のみからなるまたは前記第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子を形成する工程と、
前記第１のソース・ドレイン電極上に前記第２のマスクを除去する工程と、
前記単結晶半導体を構成する元素を含む原料ガスを前記支持体表面近傍に導入し、前記第１の触媒微粒子及び前記第２の触媒微粒子により前記原料ガスを分解し、前記第１のドーパント元素を含む単結晶半導体を成長させて第１の微小構造体を形成すると同時に前記第２のドーパント元素を含む単結晶半導体を成長させて第２の微小構造体を形成する工程と、
前記第１の微小構造体および前記第２の微小構造体を覆うようにゲ−ト酸化膜を形成する工程と、
前記ゲ−ト酸化膜上にゲ−ト電極を形成する工程と、
を包含する電界効果型トランジタの製造方法。
【請求項２１】
支持体上に形成され、第１導電形を有する単結晶半導体からなる第１の微小構造体と、
前記微小構造体に接触し、前記第１導電形となる第１のドーパント元素のみまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子と、
を備えた半導体微小構造体。
【請求項２２】
支持体上に形成され、第２導電形を有する単結晶半導体からなる第２の微小構造体と、
前記微小構造体に接触し、前記第２導電形となる第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子と、
をさらに備えた請求項２１に記載の半導体微小構造体。
【請求項２３】
前記第１の微小構造体は柱形状を有している請求項２１に記載の半導体微小構造体。
【請求項２４】
前記第１および第２の微小構造体はそれぞれ柱形状を有している請求項２２に記載の半導体微小構造体。
【請求項２５】
前記柱形状は長手方向と垂直な断面の最大長が１００μｍ以下である請求項２４に記載の半導体微小構造体。
【請求項２６】
支持体と、
前記支持体上に形成された第１のソース・ドレイン電極及び第２のソース・ドレイン電極と、
前記第１のソース・ドレイン電極間に形成された第１導電形を有する単結晶半導体からなる第１の微小構造体と、
前記第１の微小構造体と接触し、かつ前記第１のソース・ドレイン電極の少なくとも一方と接触する、前記第１導電形となる第１のドーパント元素のみからなるまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子と、
前記第２のソース・ドレイン電極間に形成された第２導電形を有する単結晶半導体からなる第２の微小構造体と、
前記第２の微小構造体と接触し、かつ前記第２のソース・ドレイン電極の少なくとも一方と接触する、前記第２導電形となる第２のドーパント元素のみからなるまたは前記第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子と、
前記第１の微小構造体および前記第２の微小構造体を覆うゲ−ト酸化膜と、
前記ゲ−ト酸化膜上に形成されたゲ−ト電極と、
からなる電界効果型トランジタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタなどの半導体装置に用いられる微細な半導体構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路は、多くの半導体トランジスタによって構成されており、これまでトランジスタを微細化することによって、大規模集積回路の動作速度を高めたり、消費電力の低減を図ったりするなど、特性の向上を達成してきた。
【０００３】
今後も、トランジスタの微細化によって大規模集積回路の特性を向上させ続けることが可能であるという予測がなされている。しかし、トランジスタの作製に用いられるリソグラフィやエッチング技術は、近い将来、微細加工の限界に達し、リソグラフィやエッチング技術を用いる限り、微細加工の限界により、大規模集積回路の特性の向上が困難になるとの予測もある。これらの背景から、リソグラフィを用いることなく半導体の微細加工を行う技術が注目されている。
【０００４】
リソグラフィを用いずに半導体の微細構造を形成する方法の一つとして、半導体ナノワイヤ技術が注目されている。たとえば、非特許文献１は、半導体ナノワイヤ技術を用いたトランジスタを開示している。図５（ａ）〜（ｃ）を参照してこの従来の半導体ナノワイヤ技術を説明する。
【０００５】
まず、図５（ａ）に示すように基板２０１の表面に触媒となる微粒子２０２を形成する。基板２０１の表面にはシリコン酸化膜や単結晶シリコンの表面がよく用いられているが、特に材料に限定されることなく以下同様の結晶成長が生じる。微粒子２０２の材料には、非特許文献１においてはＡｕが用いられている。Ａｕ以外には、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄなどを用いた例が報告されている。微粒子２０２の直径は５ｎｍから５０ｎｍ程度が通常用いられる。
【０００６】
図５（ｂ）に示すように、微粒子２０２が形成された基板２０１の表面上に、半導体原料ガス２０３を噴射する。Ｓｉのナノワイヤを成長するときにはＳｉＨ4が用いられ、Ｇｅのナノワイヤを成長するときにはＧｅＨ4などの水素化物が通常用いられている。半導体原料ガス２０３を噴射することにより、微粒子２０２が触媒となり微粒子２０２上でのみ半導体原料ガス２０３が分解する。その結果、図５（ｃ）に示すように、単結晶からなる柱状の半導体ナノワイヤ２０４が成長する。
【０００７】
基板２０１の表面の微粒子２０２が形成されていない領域では半導体原料ガス２０３の分解が生じない。このため、半導体ナノワイヤ２０４は微粒子２０２が形成されていた部分のみに局所的に形成される。半導体ナノワイヤ２０４の直径は、微粒子２０２の直径と同程度となる。つまり、５ｎｍから５０ｎｍ程度の微細構造をパターニングすることなく形成することができる。
【０００８】
非特許文献１では、この手法によって形成した半導体ナノワイヤ２０４を電界効果トランジスタのチャネルとして用いている。このように、半導体ナノワイヤ技術は、リソグラフィを用いることなく、ナノメートルレベルの微細構造を自己形成することができる有用な技術であるといえる。
【非特許文献１】Applied Physics Letters vol.83 (2003) p2432-2434.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の半導体ナノワイヤ技術は、リソグラフィを用いることなく微細構造が形成できるという利点を持つ一方、以下に述べる２つの課題を有する。
【００１０】
第１の課題は、微粒子を構成する金属原子が半導体ナノワイヤ内に微量に取り込まれることにより、結晶欠陥準位を形成することである。微粒子として用いられるＡｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄなどは、重金属原子であり、半導体中に取り込まれることによって、キャリアをトラップする結晶欠陥準位として働く。これにより、半導体ナノワイヤのキャリア移動度が低下したり、キャリアの寿命を短くしたりし、デバイス特性の劣化を引き起こす。
【００１１】
第２の課題は、半導体ナノワイヤをチャネルに用いた相補型ＭＯＳトランジスタ（ＣＭＯＳトランジスタ）を作製する場合における工程の複雑さに関する。ＣＭＯＳトランジスタを形成するためには、ｐチャネルトランジスタおよびｎチャネルトランジスタ、つまり、ｐ形ナノワイヤおよびｎ形ナノワイヤを成長させる必要がある。たとえば、図６（ａ）に示すように、基板３０１の表面上に、ｐチャネルトランジスタおよびｎチャネルトランジスタに用いるソース・ドレイン電極３０２およびソース・ドレイン電極３０３をそれぞれ形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、ソース・ドレイン電極３０２およびソース・ドレイン電極３０３上に微粒子３０４を形成する。図６（ｃ）に示すように、ソース・ドレイン電極３０３を含み、ｎチャネルトランジスタを形成する領域にマスク３０５を形成する。マスク３０５の形成方法は一般的に知られているリソグラフィやエッチングなどの微細加工技術である。具体的には、酸化膜を基板３０１の表面全体に形成した後、酸化膜を残したい部分にレジスト膜を形成し、レジスト膜をマスクとして酸化膜をエッチングして図６（ｃ）の左側のように、ソース・ドレイン電極３０２を露出させ、一方図６（ｃ）の右側のように、酸化膜のマスク３０５を形成する。その後、ソース・ドレイン電極３０２上の微粒子３０４により、ｐチャネルナノワイヤ３０６を成長する。ｐチャネルナノワイヤ３０６を成長する際には、半導体原料ガス３０７と同時にｐ型ドーパントを含むガス３０８を供給する。半導体原料ガス３０７にはＳｉＨ4あるいはＧｅＨ4を用い、ｐ型ドーパントを含むガス３０８にはＢ2Ｈ6などを用いることができる。
【００１２】
マスク３０５を除去後、図６（ｃ）と同様の方法で、図６（ｄ）に示すように、ソース・ドレイン電極３０２を含むｐチャネルトランジスタを形成する領域にマスク３０９を形成し、ｎチャネルナノワイヤ３１０を成長する。ｎチャネルナノワイヤ３１０を成長する際には、半導体原料ガス３０７と同時にＰＨ3などｎ型ドーパントを含むガス３１１を供給する。その後、マスク３０９を除去し、ゲート酸化膜、ゲート電極形成および配線などを形成し、ＣＭＯＳトランジスタが形成される。
【００１３】
このように、従来技術による半導体ナノワイヤを用いて、ＣＭＯＳトランジスタを作製するためには、ｐチャネルワイヤとｎチャネルワイヤをそれぞれ２回に分けて成長する必要がある。特に、ｐチャネルワイヤやｎチャネルワイヤが、従来のリソグラフィやエッチングなどの微細加工技術により作製しにくい大きさであるので、ｐチャネルワイヤとｎチャネルワイヤと別々に２回に分けて成長させるために、従来のリソグラフィやエッチングなどの微細加工技術を用いることは、ＣＭＯＳトランジスタ製造の困難さや複雑さを増すと考えられる。
【００１４】
本発明はこのような従来技術の課題の少なくとも１つを解決し、結晶欠陥準位が少なく、優れた半導体特性を有する微小構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の微小構造体の製造方法は、単結晶半導体からなる微小構造体の製造方法であって、支持体上に単結晶半導体に対して第１導電形のドーパントとなる第１のドーパント元素のみからなるまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子を形成する工程（ａ）と、前記単結晶半導体を構成する元素を含む原料ガスを前記支持体表面近傍に導入し、前記第１の触媒微粒子により前記原料ガスを分解し、第１の微小構造体を形成するように前記第１のドーパント元素を含む単結晶半導体を成長させる工程（ｂ）とを包含する。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記第１の触媒微粒子は、第１導電形のドーパントとはならないが、前記工程（ｂ）における原料ガスの分解を促進する触媒として機能する第１の触媒金属元素をさらに含む。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記第１の触媒微粒子は、原子比で前記触媒金属元素よりも前記第１のドーパント元素を多く含む。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記第１の触媒微粒子は前記第１のドーパント元素のみを含む。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、本発明の微小構造体の製造方法は前記工程（ｂ）の前に、前記支持体表面上に前記単結晶半導体に対して第２導電形のドーパントとなる第２のドーパント元素のみからなるまたは前記第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子を形成する工程（ｃ）をさらに包含し、前記工程（ｂ）において、前記単結晶半導体を構成する元素を含む原料ガスを前記支持体表面近傍に導入し、前記第２の触媒微粒子により前記原料ガスを分解することにより、第２の微小構造体を形成するように前記第２のドーパント元素を含む単結晶半導体を前記第１のドーパント元素を含む単結晶半導体と同時に成長させる。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記第２の触媒微粒子は、第２導電形のドーパントとはならないが、前記工程（ｂ）における原料ガスの分解を促進する触媒として機能する触媒金属元素をさらに含む。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記第２の触媒微粒子は、原子比で前記触媒金属元素よりも前記第２のドーパント元素を多く含む。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記第２の触媒微粒子は前記第１のドーパント元素のみを含む。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記単結晶半導体を構成する元素はＩＶ族元素であり、前記第１のドーパント元素はＩＩＩ族またはＶ族元素である。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記単結晶半導体を構成する元素はＩＶ族元素であり、前記第１および第２のドーパント元素はそれぞれＩＩＩ族およびＶ族元素である。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記ＩＩＩ族元素はＡｌ、ＧａまたはＩｎである。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記Ｖ族元素はＰ、Ａｓ、ＳｂまたはＢｉである。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記ＩＶ族元素はＳｉまたはＧｅである。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記単結晶半導体を構成する元素はＩＩＩ族元素およびＶ族元素である。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記単結晶半導体を構成する元素はＩＩ族元素およびＶＩ族元素である。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記第１の触媒金属元素または前記第２の触媒金属元素は、Ａｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１つである。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記第１の微小構造体は柱形状を有している。
【００３２】
ある好ましい実施形態において、前記第１の微小構造体において柱の伸びる方向と垂直な断面の最大長は１００μｍ以下である。
【００３３】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、前記第１のドーパント元素を含む薄膜を前記支持体上に形成する工程と、前記薄膜を熱処理することにより前記第１のドーパント元素を含む微粒子形状の前記第１の触媒微粒子を形成する工程とを含む。
【００３４】
本発明の電界効果型トランジタの製造方法は、支持体上に第１のソース・ドレイン電極及び第２のソース・ドレイン電極を形成する工程と、前記第２のソース・ドレイン電極上に第１のマスクを形成して、前記第１のソース・ドレイン電極上に、単結晶半導体に対して第１導電形のドーパントとなる第１のドーパント元素のみからなるまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子を形成する工程と、前記第２のソース・ドレイン電極上の前記第１のマスクを除去する工程と、前記第１のソース・ドレイン電極上に第２のマスクを形成して前記第２のソース・ドレイン電極上に、単結晶半導体に対して第２導電形のドーパントとなる第２のドーパント元素のみからなるまたは前記第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子を形成する工程と、前記第１のソース・ドレイン電極上に前記第２のマスクを除去する工程と、前記単結晶半導体を構成する元素を含む原料ガスを前記支持体表面近傍に導入し、前記第１の触媒微粒子及び前記第２の触媒微粒子により前記原料ガスを分解し、前記第１のドーパント元素を含む単結晶半導体を成長させて第１の微小構造体を形成すると同時に前記第２のドーパント元素を含む単結晶半導体を成長させて第２の微小構造体を形成する工程と、前記第１の微小構造体および前記第２の微小構造体を覆うようにゲ−ト酸化膜を形成する工程と、前記ゲ−ト酸化膜上にゲ−ト電極を形成する工程とを包含する。
【００３５】
本発明の半導体微小構造体は、支持体上に形成され、第１導電形を有する単結晶半導体からなる第１の微小構造体と、前記微小構造体に接触し、前記第１導電形となる第１のドーパント元素のみまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子とを備える。
【００３６】
ある好ましい実施形態において、微小半導体構造は、支持体上に形成され、第２導電形を有する単結晶半導体からなる第２の微小構造体と、前記微小構造体に接触し、前記第２導電形となる第２のドーパント元素のみまたは前記第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子とをさらに備える。
【００３７】
ある好ましい実施形態において、前記第１の微小構造体は柱形状を有している。
【００３８】
ある好ましい実施形態において、前記第１および第２の微小構造体はそれぞれ柱形状を有している。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記柱形状は長手方向と垂直な断面の最大長が１００μｍ以下である。
【００４０】
本発明の電界効果型トランジスタは、支持体と、前記支持体上に形成された第１のソース・ドレイン電極及び第２のソース・ドレイン電極と、前記第１のソース・ドレイン電極間に形成された第１導電形を有する単結晶半導体からなる第１の微小構造体と、前記第１の微小構造体と接触し、かつ前記第１のソース・ドレイン電極の少なくとも一方と接触する、前記第１導電形となる第１のドーパント元素のみからなるまたは前記第１のドーパント元素を含む第１の触媒微粒子と、前記第２のソース・ドレイン電極間に形成された第２導電形を有する単結晶半導体からなる第２の微小構造体と、前記第２の微小構造体と接触し、かつ前記第２のソース・ドレイン電極の少なくとも一方と接触する、前記第２導電形となる第２のドーパント元素のみからなるまたは前記第２のドーパント元素を含む第２の触媒微粒子と、前記第１の微小構造体および前記第２の微小構造体を覆うゲ−ト酸化膜と、前記ゲ−ト酸化膜上に形成されたゲ−ト電極とを備える。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、成長した単結晶半導体中の重原子の含有量が低減し、結晶欠陥準位が半導体中に生じるのを抑制できる。このため、優れた半導体特性を有する微小構造体を得ることができる。また、ｐ型半導体からなる微小構造体およびｎ形半導体からなる微小構造体を同時に形成することができるため、ＣＭＯＳトランジスタなどｐ形半導体およびｎ形半導体を備えた半導体装置の製造工程を大幅に簡略化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
図１（ａ）〜（ｃ）、図２および図３を参照して、本発明による単結晶半導体からなる微小構造体の製造方法を説明する。
【００４４】
まず、図１（ａ）に示すように、基板などの支持体１０１上に触媒微粒子１３０を形成する。支持体１０１は、以下の製造工程において用いる熱処理温度で変形しない限り、種々の材料によって構成することができる。具体的には、ガラス基板、Ｓｉ基板、シリコン酸化膜が形成された基板などを用いることができる。支持体１０１の表面は結晶性を有している必要はない。また、支持体１０１は基板の表面に設けられた電極であってもよい。
【００４５】
図３に示すように触媒微粒子１３０は、成長させる単結晶半導体に対してｐ形あるいはｎ形のドーパントとなり、かつ単結晶半導体を成長させる際、原料ガスを分解する触媒として機能するドーパント元素１３１のみからなる場合と（図３（ａ））、ドーパント元素１３１とともにドーパントとならない触媒金属元素１３２を含んでいる場合（図３（ｂ））とがある。
【００４６】
ＩＶ族の単結晶半導体を形成させる場合、ドーパント元素としてＩＩＩ族元素を用いることによりｐ形の単結晶半導体を形成することができる。具体的には、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどをドーパント元素に用いることができる。また、ドーパント元素としてＶ族元素を用いることによりｎ形の単結晶半導体を形成することができる。具体的には、Ｐ、Ａｓ、Ｂｉなどをドーパント元素に用いることができる。
【００４７】
成長させる単結晶半導体は化合物半導体であってもよい。具体的には、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体またはＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の単結晶を成長させてもよい。この場合、化合物半導体に対して、ドーパント元素がｐ形ドーパントとなるか、ｎ形ドーパントとなるかは、その元素の族によっては一義的には決まらず、ドーパント元素が化合物半導体中のいずれのサイトに入るかによって変化する。
【００４８】
触媒金属元素には、Ａｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｄなどを用いることができる。これらの金属は、単結晶半導体中では深い不純物準位を形成し、キャリアのトラップとなるため、ｐ形あるいはｎ形のドーパントとはならない。しかし、原料ガスの分解促進に優れ、半導体を構成する元素と共晶状態を形成し、半導体の成長を促す。
【００４９】
触媒微粒子１３０において、ドーパント元素と触媒金属元素とは好ましくは合金を形成している。ドーパント元素と触媒金属元素との含有比率は、半導体に導入したいドーパント元素の濃度やドーパント元素の原料ガスを分解する触媒能に依存する。形成する半導体の不純物濃度を高めたい場合には、触媒微粒子１３０中にドーパント元素を多く含むことが好ましい。ドーパント元素の原料ガスを分解する能力が高い場合には、触媒金属元素は、触媒微粒子１３０に含まれていなくてもよい。この場合、深い不純物準位を形成する触媒金属元素を全く含まず、優れた特性を有する単結晶半導体を形成することが可能となる。
【００５０】
触媒金属元素の中にドーパント元素を含んでいる場合であっても、触媒微粒子１３０中に含まれる触媒金属元素の濃度は、従来のナノワイヤを製造する方法に比べて低くなる。このため、成長する単結晶半導体中の触媒金属元素の濃度も低減し、半導体特性が向上する。
【００５１】
触媒微粒子１３０の大きさは、成長させる半導体の直径とほぼ等しくなる。このため、所望の直径の半導体が得られるよう、触媒微粒子１３０の直径を選択することができる。しかし、触媒微粒子１３０の直径が大きくなりすぎると単結晶半導体を成長させることが困難となる。好ましくは、触媒微粒子１３０の直径は１００ｎｍ以下であり、より好ましくは、５ｎｍから５０ｎｍの範囲内である。
【００５２】
触媒微粒子１３０の形成には、微粒子を形成する公知の方法を用いることができる。たとえば、図１（ｂ）に示すように、支持体１０１の表面にドーパント元素と触媒金属元素とを含む薄膜１３０をスパッタ法や蒸着法などによる公知の薄膜形成装置を用いて形成する。その後、薄膜１３０’を熱処理すると、薄膜１３０’が自己凝集し、図１（ｃ）に示すように粒子状の複数の触媒微粒子１３０が支持体１０１上に形成される。触媒微粒子１３０の直径ｄ１および隣接する触媒微粒子１３０間の距離Ｌ１は、薄膜１３０’の厚さおよび熱処理条件に依存し、これらを調整することによりｄ１およびＬ１を変化させることができる。上述したように好ましくは、触媒微粒子１３０の直径ｄ１は１００ｎｍ以下である。たとえば、支持体１上にドーパント元素としてＩｎのみを含む厚さ５ｎｍ程度の薄膜１３０’を形成し、約２００℃の温度で１０分程度の熱処理をおこなうことにより、直径２０ｎｍ程度のＩｎ粒子が生成する。このＩｎ粒子を触媒微粒子１３０として用いることができる。
【００５３】
触媒微粒子１３０は、このほか、ドーパント元素および触媒金属元素を含む溶液を支持体１０１の表面に塗布あるいは噴霧することによっても形成することができる。また、必要に応じて、薄膜１０３’を形成後、パターニングを行い、支持体１０１上の所定の領域にのみ触媒微粒子１３０を形成することも可能である。
【００５４】
次に、図２（ａ）に示すように、触媒微粒子１３０が形成された支持体１０１をＣＶＤ装置など、支持体１０１を加熱することが可能であり、圧力調整が可能なチャンバ内に導入する。半導体を構成する元素を含む原料ガス１０８をチャンバに導入し、所定の圧力に保つ。これにより、支持体１０１の触媒微粒子１３０が形成された表面は所定の圧力の原料ガス雰囲気と接する。支持体１０１は原料ガス１０８が分解する温度よりも低い温度で加熱される。
【００５５】
原料ガスとしては、半導体を構成する元素の水素化物を好適に用いることができる。たえば、ＩＶ族半導体を成長させるには、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6、ＧｅＨ4などを用いることができる。本実施形態では、ＧｅＨ4を原料ガス１０８として用い、０．１Ｔｏｒｒの圧力でチャンバを維持しながら、支持体１０１を２００℃程度に加熱する。化合物半導体を成長させる場合には、有金属化合物を好適に用いることができる。
【００５６】
図２（ｂ）に示すように、導入された原料ガス１０８は、触媒微粒子１３０の近傍においてのみ選択的に分解する。分解により半導体を構成する元素が析出し、析出した元素が凝集し単結晶半導体が成長する。これにより単結晶半導体からなる微小構造体１１１が形成されてゆく。単結晶半導体の成長メカニズムは、まだ完全には解明されていないが、析出した元素はまず、触媒微粒子１３０と合金を構成すると考えられる。この合金は多くの場合、液体になっている。元素の析出にともない、合金中の半導体を構成する元素濃度が上昇し、飽和状態に達した後、半導体を構成する元素が凝集し単結晶半導体を形成してゆくと考えられる。
【００５７】
このため、結晶の成長は、触媒微粒子１３０と成長した単結晶半導体からなる微小構造体１１１との境界で起こると考えられる。単結晶半導体の成長にともなって、触媒微粒子１３０は支持体１０１から離間し、支持体１０１上に微小構造体１１１接触する。微小構造体１１１の支持体１０１と接していない他端に触媒微粒子１３０が保持されるように接触する。これにより、図２（ｃ）に示すように単結晶半導体が成長し、微小構造体１１１が形成される。このとき、単結晶半導体は不純物を含まないように結晶化するが、微量の触媒微粒子１３０を構成するドーパント元素および触媒金属元素が含まれる。このドーパント元素の添加により、微小構造体１１１はｐ形またはｎ形の導電形を有するようになる。また、触媒金属元素も微小構造体１１１も含まれる。
【００５８】
図３（ａ）および（ｂ）は、このようにして成長された単結晶半導体からなる微小構造体１１１を模式的に示す図である。上述したように、微小構造体１１１は好ましくは、成長方向に垂直な断面の最大長ｄ２が１００ｎｍ以下であり、より好ましくは、５〜５０ｎｍである。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、微小構造体１１１は、支持体１０１に支持されており、その先端には、触媒微粒子１３０が接している。上述したように、半導体成長中触媒微粒子１３０は溶融し、球状となるため、成長する微小構造体１１１は円柱形状を備える。しかし、微小構造体１１１の断面は円以外の形状を備えていてもよい。
【００５９】
図３（ｂ）に示すように、触媒微粒子１３０を構成しているドーパント元素１３１および触媒金属元素１３２が上述した理由から微小構造体１１１にも含まれている。しかし、触媒微粒子１３０から取り込まれる触媒金属元素１３２は、ドーパント元素１３１と合わせても従来の方法により混入する触媒金属元素１３２の量と同程度であり、微小構造体１１１における触媒金属元素１３２の濃度は従来より低減されている。このため、キャリアのトラップとなる不純物準位が低減し半導体特性が向上する。図３（ａ）に示すように、触媒微粒子１３０中に触媒金属元素１３２を含まない場合には、微小構造体１１１には触媒金属元素１３２を全く含まず、キャリアのトラップとなる不純物準位は非常に少なくなり、半導体特性もさらに向上する。また、原料ガスにドーパント元素を添加しなくてもｐ形あるいはｎ形の半導体からなる微小構造体１１１を形成することができる。触媒微粒子１３０中のドーパント元素１３１の濃度は微小構造体１１１中のドーパント元素１３１の濃度より高い。
【００６０】
なお、微小構造体１１１の結晶成長方向の長さＬ２は、結晶を成長させる時間によって調節可能である。十分長い時間結晶成長を行えば、長さＬ２が数μｍの微小構造体１１１を形成することも可能である。微小構造体１１１の直径がおよび１００μｍ以下であり、結晶成長方向が長手方向と一致している場合には、微小構造体１１１は「ナノワイヤ」と一般的に呼ばれる外形形状を備える。しかし、結晶成長の時間を短くすることによって、長さＬ２を微小構造体１１１の直径ｄ２よりも小さくしてもよい。このような形状の微小構造体１１１も微小構造体１１１により形成する半導体デバイスの種類や用途によっては有用である。
【００６１】
また、図２（ｂ）および（ｃ）では、微小構造体１１１は支持体１０１から上方へおおよそ垂直に成長しているが、単結晶半導体の成長方向は支持体１０１の表面に対して、横（水平）あるいは斜めであってもよい。ある方向への成長が優先的に生じるように、単結晶半導体の成長条件を最適化してもよいし、ランダムな方向へ単結晶半導体を成長させてもよい。
【００６２】
（実施の形態２）
次に、本発明の製造方法を用いて、ｐ形の微小構造体およびｎ形微小構造体を同じ支持体上に形成する例を説明する。特に、以下では、ｐ形チャネルを有する電界効果型トランジスタおよびｎ形チャネルを有する電界効果型トランジスタを備えたＣＭＯＳトランジスタの製造方法を説明する。
【００６３】
まず、図４（ａ）に示すように、支持体１０１の表面上にソース・ドレイン電極１０２およびソース・ドレイン電極１０３を形成する。ここでは支持体１０１としてガラス基板を用いるが、上述したように、Ｓｉ基板やシリコン酸化膜を被覆したＳｉ基板などを用いてもよい。ソース・ドレイン電極１０２およびソース・ドレイン電極１０３はそれぞれｐチャネルトランジスタおよびｎチャネルトランジスタに用いられる。ソース・ドレイン電極１０２間の間隔はたとえば１００ｎｍに設定する。図４（ａ）では近接しているが、ソース・ドレイン電極１０２とソース・ドレイン電極１０３との間に半導体が成長して接続されないよう、ソース・ドレイン電極１０２とソース・ドレイン電極１０３との間は十分に離れていることが好ましい。ソース・ドレイン電極１０２およびソース・ドレイン電極１０３は、支持体１０１上にＮｉ膜を堆積した後、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いてパターニングして形成することができる。
【００６４】
次に、図４（ｂ）に示すように、ソース・ドレイン電極１０３を含むｎチャネルトランジスタ領域に、フォトレジストなどによりマスク１０４を形成した後、ソース・ドレイン電極１０２の上及びマスク１０４上に、第１の触媒微粒子１０５を含む溶液を塗布または噴霧し、第１の触媒微粒子１０５をソース・ドレイン電極１０２の上に形成する。第１の触媒微粒子１０５は、本実施形態では第１のドーパント元素としてＩｎのみを含む。第１のドーパント元素は、Ｉｎ以外にＡｌ、Ｇａなどの他のＩＩＩ族元素を用いてもよい。
【００６５】
マスク１０４を除去した後、図４（ｃ）に示すように、ソース・ドレイン電極１０２を含むｐチャネルトランジスタ領域にフォトレジストなどにより、マスク１０６を形成する。その後、図４（ｂ）と同様の方法で、ソース・ドレイン電極１０３の上に第２の触媒微粒子１０７を形成する。第２の触媒微粒子１０７は、本実施形態では第２のドーパント元素としてＳｂのみを含む。第２のドーパント元素は、Ｓｂ以外にＰ、Ａｓ、Ｂｉなどの他のＶ族元素を用いてもよい。
【００６６】
本実施形態では、第１の触媒微粒子１０５および第２の触媒クラタ１０７は、第１のドーパント元素および第２のドーパント元素のみを含むが、上述したＡｕなど、ドーパントとしては機能しないが、原料ガスの分解および単結晶の成長促進に優れた触媒作用を発揮する触媒金属元素の中にドーパント元素を含ませたものを用いてもよい。
【００６７】
マスク１０６を除去後、第１の触媒微粒子１０５および第２の触媒微粒子１０７が形成された支持体１０１の表面をＩＶ族半導体原料ガス１０８であるＧｅＨ4雰囲気で満たす。このとき支持体１０１は２００℃程度に加熱する。原料ガス１０８の圧力は０．１Ｔｏｒｒ程度に設定する。これにより、図４（ｄ）に示すように、原料ガス１０８が第１の触媒微粒子１０５および第２の触媒微粒子１０７近傍で分解し、第１の触媒微粒子１０５および第２の触媒微粒子を触媒として、それぞれ単結晶Ｇｅ半導体が成長する。そして、単結晶Ｇｅ半導体からなる第１の微小構造体１０９および第２の微小構造体１１０が形成される。原料ガス１０８として、ＳｉＨ4やＳｉ2Ｈ6を用いた場合は、単結晶Ｓｉ半導体が成長する。
【００６８】
第１の微小構造体１０９が形成される際、単結晶Ｇｅ半導体には、第１の触媒微粒子１０５を構成する第１のドーパント元素が自然に取り込まれる。このため、第１の微小構造体１０９の単結晶Ｇｅ半導体はｐ形となる。また、第２の微小構造体１１０が形成される際、単結晶Ｇｅ半導体には、第２の触媒微粒子１０７を構成する第２のドーパント元素が自然に取り込まれる。このため、第２の微小構造体１１０の単結晶Ｇｅ半導体はｎ形となる。このｐ形単結晶Ｇｅ半導体からなる第１の微小構造体１０９およびｎ形単結晶Ｇｅ半導体からなる第２の微小構造体１１０の形成は実質的に同時であり、一回の原料ガス１０８を導入により、ｐ形半導体とｎ形半導体とが同時に形成される。
【００６９】
なお、第１の微小構造体１０９および第２の微小構造体１１０を形成する際、単結晶半導体の成長方向は、一般的にはランダムであり、ソース・ドレイン電極１０２間およびソース・ドレイン電極１０３間においてのみ半導体が成長するとは限らない。しかし、たとえば、半導体を成長させる際に電界を印加するなど、成長条件を工夫することにより支持体１０１の表面に対して水平方向への成長が優先的に生じるように制御することは可能である。また、ソース・ドレイン電極１０２とびソース・ドレイン電極１０３との間に半導体が成長して電気的に接続されなければ問題はない。ソース・ドレイン電極１０２およびソース・ドレイン電極１０３との間に成長した半導体が存在する場合であっても、レーザービームなどを用いて、結晶成長後に不要な半導体を切断してもよい。
【００７０】
図４（ｄ）に示すように、ソース・ドレイン電極１０２および１０３の間に架橋した第１の微小構造体１０９および第２の微小構造体１１０をチャネルに用いることによりＣＭＯＳトランジスタを作製することができる。ここでは、触媒微粒子間を微小構造体が連結した構造を示したが、図７のように微小構造体の一端がソース・ドレイン電極に直接接合していてもよい。
【００７１】
図４（ｅ）に示すように、柱状の第１の微小構造体１０９および第２の微小構造体１１０の側面を覆うようにゲート酸化膜１１２を形成する。ゲート酸化膜はたとえばスパッタ法により形成されたＴｉＯ2膜を用いる。その後、ゲート酸化膜１１２導電性薄膜を形成し、パターニングを行うことによりゲート電極１１３を形成する。これにより、ｐ形チャネルトンランジスタ１２１およびｎ形チャネルトランジスタ１２２が形成され、ｐ形チャネルトンランジスタ１２１およびｎ形チャネルトランジスタ１２２を含むＣＭＯＳトランジスタが完成する。
【００７２】
本実施形態では、触媒微粒子の形成方法として触媒微粒子を含む溶液を塗布または噴霧し、触媒微粒子をソース・ドレイン電極上に形成したが、厚さ約５ｎｍ程度の触媒微粒子の薄膜（例えばＩｎ薄膜やＳｂ薄膜など）をソース・ドレイン電極上に堆積した後、熱処理を施すことにより、触媒微粒子の微粒子をソース・ドレイン電極上に形成してもよい。その場合、触媒微粒子の粒径は約２０ｎｍとなる。第１のドーパント元素は、Ｉｎ以外にＡｌ、Ｇａなどの他のＩＩＩ族元素を用いてもよい。また第２のドーパント元素は、Ｓｂ以外にＰ、Ａｓ、Ｂｉなどの他のＶ族元素を用いてもよい。
【００７３】
本発明のＣＭＯＳトランジスタによれば、ｐ形チャネルトンランジスタ１２１およびｎ形チャネルトランジスタ１２２の半導体領域である第１の微小構造体１０９および第２の微小構造体１１０中には従来技術を用いて製造した半導体ナノワイヤと異なり、Ａｕなどの重金属を含有しない。このため、結晶欠陥準位の形成が抑制され、トランジスタの移動度を向上することができる。また、ｐ型半導体ナノワイヤ１０９とｎ型半導体ナノワイヤ１１０を同時に形成することができるため、従来技術を用いてＣＭＯＳを作製する場合と比較して、工程を大幅に簡略化することが可能となる。
【００７４】
また、これまでＣＭＯＳトランジスタを製造する実施形態を説明したが、本発明による、結晶欠陥準位の形成が抑制された半導体の微小構造体は、発光素子や受光素子などの他の半導体素子や、電界効果型以外の接合型トランジスタなどにも好適に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の製造方法による半導体微小構造体は、ナノスケール程度の微小なサイズの発光素子、受光素子、スイッチング素子やこれらを組み合わせた集積回路に好適に用いることができる。特に、ｐ形およびｎ形の半導体領域を持つナノスケール程度の微小なサイズの半導体装置等に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】（ａ）は本発明による微小構造体の製造方法における途中の工程を示す斜視図であって、触媒微粒子が形成された支持体を示している。（ｂ）および（ｃ）は、触媒微粒子を形成するための製造工程図。
【図２】本発明による微小構造体の製造工程図。
【図３】本発明による微小構造体の製造方法により製造された微小構造体の模式図。
【図４】本発明によるＣＭＯＳトランジスタの製造工程図。
【図５】従来の半導体ナノワイヤの製造工程図。
【図６】従来の半導体ナノワイヤの製造方法によるＣＭＯＳトランジスタの製造工程図。
【図７】本発明のＣＭＯＳトランジスタ電極部の拡大図。
【符号の説明】
【００７７】
１０１  支持体
１０２、１０３、３０２、３０３  ソース・ドレイン電極
１０４、１０６、３０５、３０９  マスク
１０５  第１の触媒微粒子
１０７  第２の触媒微粒子
１０８、２０３、３０７、  原料ガス
１０９  第１の微小構造体
１１０  第２の微小構造体
１３０  触媒微粒子
２０４  半導体ナノワイヤ
２０１、３０１  基板
２０２、３０４  微粒子
３０６  ｐ型半導体ナノワイヤ
３０８  ｐ型ドーパントガス
３１０  ｎ型半導体ナノワイヤ
３１１  ｎ型ドーパントガス
【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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