(57)【要約】【課題】２０ｎｍ以下のギャップを有する電極パターンを寸法制御性よく形成することができ、電極パターン自体の電気抵抗を抑制可能な電極パターンの形成方法および電極パターンを提供する。【解決手段】光または荷電粒子ビームを用いた露光により、頂点Ａ、Ａ’が対向する状態で配置された角部１１ａ、１１ａ’を有する一対のパターン１１、１１’を備えた設計パターン１０を転写することで、基板上にマスクパターンを形成する工程と、マスクパターンを転写することで、基板上にギャップを有する電極パターンを形成する工程とを有することを特徴とする電極パターンの形成方法およびこれにより得られる電極パターンである。【選択図】図１
2008111904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光または荷電粒子ビームを用いた露光により、頂点が対向する状態で配置された角部を有する一対のパターンを備えた設計パターンを転写することで、基板上にマスクパターンを形成する第１工程と、
前記マスクパターンを転写することで、前記基板上にギャップを有する電極パターンを形成する第２工程とを有する
ことを特徴とする電極パターンの形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の電極パターンの形成方法において、
前記第１工程では、前記一対のパターンが開口パターンとして設けられた前記マスクパターンを形成し、
前記第２工程では、前記マスクパターン上および前記基板上に電極層を形成した後、リフトオフ法により、前記マスクパターンとともに当該マスクパターン上の当該電極層を除去することで、前記電極パターンを形成する
ことを特徴とする電極パターンの形成方法。
【請求項３】
請求項１記載の電極パターンの形成方法において、
前記第１工程では、可変成形型電子ビーム露光により、一対の矩形状の前記パターンを備えた前記設計パターンを転写する
ことを特徴とする電極パターンの形成方法。
【請求項４】
基板上に設けられたギャップを有する電極パターンであって、
光または荷電粒子ビームを用いた露光により、頂点が対向する状態で配置された角部を有する一対のパターンを備えた設計パターンを基板上に転写することで形成された
ことを特徴とする電極パターン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極パターンの形成方法および電極パターンに関し、特には２０ｎｍ以下のギャップ（ナノギャップ）を有する電極パターンの形成方法および電極パターンに関する。
【背景技術】
【０００２】
今まで、トップダウン式に微細化が進められてきた半導体産業であるが、微細化の終焉が見え初めてきており、分子一つ一つにトランジスタや配線の役割を持たせることでシリコン系半導体技術の微細化の壁を一気に打ち破れる可能性を有する分子素子を用いた分子エレクトロニクス技術が注目され始めている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、分子エレクトロニクスは、ボトムアップ式の技術であり、トランジスタや配線の役割を示す分子素子が見出されたとしても、膨大な数の分子素子を実装した基板を如何にして実現するかという課題は、まだ解決されておらず、分子素子の特性が評価できる環境を整備することから始める必要がある。
【０００４】
この環境整備において重要な役割を果たすのが、２０ｎｍ以下のギャップ（ナノギャップ）有する電極パターン（以下、ナノギャップ電極とする）の作成である。ナノギャップ電極を形成する方法としては、以下に示す様々な方法が報告されている。
【０００５】
例えば、集束イオンビームの照射により加工した金属マスクを用いて下層の電極層のエッチングを行うことで、ナノギャップ電極を作成する方法（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）や、予め形成しておいたパターンに対して、金属を斜め蒸着して５ｎｍ以下のナノギャップを有する電極の形成方法（例えば、特許文献２参照）が開示されている。
【０００６】
また、基板上に広めの間隙を有する一対の電極を対向する位置に形成した後、上記間隙を２０ｎｍ以下に狭めるために、上記一対の電極にめっきを施す方法（例えば、特許文献３参照）や、上記一対の電極に金属を蒸着する方法（例えば、非特許文献３参照）も報告されている。
【０００７】
さらに、上記特許文献２には、従来技術として、予め電子ビームなどの露光手段を用いて金属の細線と電極を形成しておき、この細線に電流を流して局所的に電界破断してナノギャップを得る方法や、電子ビーム露光を用いて２つの細線状開口パターンが対向する状態で配置されたレジストパターンを基板上に形成し、基板上およびレジストパターン上に電極層を形成した後、リフトオフすることでナノギャップ電極を形成する方法も合わせて報告されている。
【０００８】
上述したように、ナノギャップ電極の形成方法には、まだ定番といえる方法は存在せず、また、取り扱う分子素子によって、目標とするギャップ寸法も異なっており、２０ｎｍ以下で、できるだけ微細な寸法のギャップを制御性良く形成するための検討が行われている状況である。
【０００９】
しかし、様々な方法の中でも上記特許文献２の中で従来技術として記載されている電子ビーム露光を用いた方法は、従来のシリコン系半導体プロセスの開発で用いられてきた電子ビーム露光装置、電子ビームレジスト、レジスト塗布・現像装置、パターン検査・測長装置など、既存の設備が使えるという優れた点を有している。特に、ポイント型の電子ビームやイオンビームに比較して解像性は劣るものの、矩形状の領域毎に露光が可能な可変成形型や部分一括型の電子ビーム露光が使用できれば、大幅なスループットの向上が期待できる。
【００１０】
ここで、上述した電子ビーム露光を用いたナノギャップ電極の形成方法について説明する。まず、図９には、ナノギャップ電極を形成するための設計パターン１００を示す。この設計パターン１００は、一辺が対向する状態で配置された一対の大きな矩形状パターン１０１、１０１’の間に、一対の矩形状の細線パターン１０２、１０２’が、ギャップＧを有して短辺を対向させた状態で配置されている。この設計パターン１００を基板上に転写して電極パターンを形成することで、細線パターン１０２、１０２’間のギャップＧが、電極パターン間のギャップとなる。また、上記矩形状パターン１０１、１０１’を転写することで電極部が形成され、ナノギャップに形成される分子素子の特性評価に用いられる。
【００１１】
次に、上記設計パターン１００を転写して、電極パターンを形成する方法について説明する。まず、基板上にポジ型レジストを塗布することで、レジスト膜を形成した後、可変成形型の電子ビーム露光により上記設計パターン１００をレジスト膜に転写する。具体的には、矩形状パターン１０１を転写し、細線パターン１０２の一方の短辺側が矩形状パターン１０１の一辺の中央部と重なるように、細線パターン１０２を転写する。次いで、細線パターン１０２の他方の短辺側と数ｎｍ〜数十ｎｍの間隔を空けて、細線パターン１０２’を一方の短辺側を対向させた状態で転写する。その後、細線パターン１０２’の他方の短辺側と矩形状パターン１０１’の一辺の中央部が重なる状態で、矩形状パターン１０１’を転写する。その後、現像することで、上記設計パターン１００が開口パターンとして設けられたレジストパターンを形成する。
【００１２】
次いで、蒸着法により、上記基板上および上記レジストパターン上に、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）からなる電極層を成膜し、リフトオフ法により、レジストパターンとともに、レジストパターン上の電極層を除去することで、上記開口パターンに電極パターンが形成された状態となる。以上のようにして、ナノギャップ電極が形成され、電極パターン間のナノギャップには分子素子が形成される。
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２４７２０３号公報
【特許文献２】特開２００５−０７９３３５号公報
【特許文献３】特開２００４−１００００９号公報
【非特許文献１】サイエンス・グラフィックス有限会社、“分子エレクトロニクス”、［online］、［平成１８年１０月２４日検索］、インターネット＜URL：http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/moletronics/index.htm＞
【非特許文献２】Maskless fabrication of nanoelectrode structures with nanogaps by using Ga focused ion beams，「Microelectronic Engineering」，（米）2005年,78-79,p.253-259
【非特許文献３】Controlled fabrication of metallic electrodes with atomic separation 「APPLIED PHYSICS LETTERS」,（米）April 1999年,vol.74, Number 14 5
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、図９に示した設計パターン１００を転写する方法では、対向する矩形状の細線パターン１０２、１０２’の幅Ｓが太いと、レジスト膜に転写した際に、電子散乱による影響（近接効果）のため、開口パターン間が連通してしまい、ギャップが形成されないことから、細線パターン１０２、１０２’の幅Ｓを細くする必要がある。しかし、細線パターン１０２、１０２’の幅Ｓを細くすると、この幅Ｓの寸法が僅かに変化しても露光量が大きく変化してしまい、非露光部となる細線パターン１０２、１０２’間のギャップＧが転写される領域の露光分布が変化するため、所望のギャップを有する電極パターンをギャップ幅のばらつきなく形成することは難しい。
【００１５】
さらに、細線パターン１０２、１０２’の幅Ｓを細くすると、細線パターン１０２、１０２’の転写により得られた電極パターンの幅も細くなり、電気抵抗が増大する。加えて、矩形状パターン１０１、１０１’の露光による上記ギャップＧへの近接効果を避けるため、矩形状パターン１０１、１０１’間の距離Ｄを大きくするため、細線パターン１０２、１０２’の長さが長くなり、これによっても電気抵抗が増大する。したがって、この電気抵抗の影響により、電極パターン間に形成される分子素子の電気特性評価がし難い、という問題があった。さらに、ギャップＧが狭いことで、マスクの形成が困難であることから、部分一括方式の電子ビーム露光が難しい、という問題もあった。
【００１６】
そこで、本発明は、２０ｎｍ以下のギャップを有する電極パターンを寸法制御性よく形成することができ、電極パターン自体の電気抵抗を抑制可能な電極パターンの形成方法および電極パターンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述したような目的を達成するために、本発明における電極パターンの形成方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、光または荷電粒子ビームを用いた露光により、頂点が対向する状態で配置された角部を有する一対のパターンを備えた設計パターンを転写することで、基板上にマスクパターンを形成する。次に、第２工程では、マスクパターンを転写することで、基板上にギャップを有する電極パターンを形成する。
【００１８】
また、本発明の電極パターンは、上記形成方法により形成される電極パターンである。
【００１９】
このような電極パターンの形成方法およびこれにより得られる電極パターンによれば、頂点が対向する状態で配置された角部を有する一対のパターンを備えた設計パターンを転写することで、基板上にマスクパターンを形成することから、背景技術で図９を用いて説明したように、辺を対向させた状態で配置された設計パターンを転写する場合と比較して、一対のパターン間のギャップが転写される領域への電子散乱による近接効果が抑制される。このため、上記一対のパターンとして、より大きなパターンを配置することが可能となり、このパターンが転写された部分を電極部として機能させることができるとともに、電気抵抗を低減することが可能となる。また、一対のパターンとして、より大きなパターンを配置することが可能となることで、上記一対のパターン間のギャップが転写される領域の露光量の変動が小さくなることから、電極パターン間のギャップの幅のばらつきが低減される。
【発明の効果】
【００２０】
以上、説明したように、本発明の電極パターンの形成方法および電極パターンによれば、電極パターン間のギャップの幅のばらつきを低減することができるため、２０ｎｍ以下のギャップを有する電極パターンの歩留まりを向上させることができる。また、電極パターンの電気抵抗が低減されることで、電極パターン間のギャップに分子素子を形成した場合の特性評価に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の電極パターンの形成方法に係る実施の形態の一例を、図面に基づき詳細に説明する。
【００２２】
＜設計パターン＞
まず、図１には、本実施形態の電極パターンを形成する際に用いる電極パターンの設計パターンを示す。
【００２３】
この図に示すように、設計パターン１０は、例えば矩形状の一対のパターン１１、１１’を有している。そして、本発明の特徴的な構成として、一対のパターン１１、１１’は、１つの角部１１ａ、１１ａ’の頂点Ａ、Ａ’が間隔を有して対向する状態で配置されている。
【００２４】
ここでは、一対のパターン１１、１１’を、それぞれの角部１１ａ、１１ａ’の頂点Ａ、Ａ’を通る直線Ｌで角部１１ａ、１１ａ’が半分割されるように、頂点Ａ、Ａ’を合致させて配置した位置から、ＸＹ方向にそれぞれΔＸ、ΔＹだけ離して対向させる。ここで、上記一対のパターン１１、１１’の寸法Ｗ、Ｈは、各々数百ｎｍ程度であり、ΔＸ、ΔＹは、２０ｎｍ〜６０ｎｍ程度の範囲で設けられることとする。これらは、露光装置の解像度に応じて規定される。ここでは、例えばΔＸ＝ΔＹ＝３０ｎｍとし、上記直線Ｌで角部１１ａ、１１ａ’が半分割されるように、上記一対のパターン１１、１１’を配置する。
【００２５】
以上のように、一対のパターン１１、１１’が配置されることで、背景技術で図９を用いて説明した短辺を対向させた状態で配置された設計パターンを転写する場合と比較して、一対のパターン１１、１１’間のギャップ１１Ｇが転写される領域への電子散乱による近接効果が抑制される。このため、上記一対のパターン１１、１１’として、より大きなパターンを配置することが可能となり、このパターン１１、１１’が転写された領域が電極部として機能するため、電気抵抗が低減される。そして、上記ギャップ１１Ｇが転写される領域の露光量の変動が小さくなることから、形成される電極パターン間のギャップの幅のばらつきが低減される。
【００２６】
ここで、上記一対のパターン１１、１１’は、対向する頂点Ａ、Ａ’の位置関係が満足されており、辺が対向しない状態で配置されていれば、任意の方向に配置してもよい。ただし、上述したように、頂点Ａ、Ａ’を通る上記直線Ｌで角部１１ａ、１１ａ’が半分割されるように、上記一対のパターン１１、１１’が配置されることで、後工程で形成される電極パターン間のギャップの幅を長さ方向で揃えることができるため、好ましい。
【００２７】
なお、ここでは、後工程で、可変成形方式の電子ビーム露光により、露光を行うため、設計パターン１０を構成するパターン１１、１１’は、それぞれ矩形状となることから、角部１１ａ、１１ａ’が９０度である例を示したが、本発明の露光方法は、可変成形型の電子ビーム露光に限定されるものではない。上述したような一対のパターン１１、１１’の配置とすることで、ギャップ１１Ｇが転写される領域の露光量の変動を抑えられるため、ギャップ１１Ｇの幅を従来よりも大きくすることができることから、設計パターン１０が設けられたマスクを介して露光を行う部分一括露光方式を採用することも可能である。この場合には、パターン１１、１１’の形状は矩形状に限定されず、頂点Ａ、Ａ’が対向する状態で配置された角部１１ａ、１１ａ’を有する一対のパターンを有していればよい。この場合、対向する角部の角度は６０度以上９０度以下であることが好ましい。
【００２８】
さらに、本発明は電子ビーム露光にも限定されず、光露光や、上述した電子ビーム露光以外の荷電粒子ビーム露光であってもよい。ただし、電子ビーム露光は、光露光よりも解像度が高く、荷電粒子ビーム露光の中では汎用性も高いため、電子ビーム露光を用いることが好ましい。
【００２９】
＜電極パターンの形成方法＞
次に、上述したような設計パターン１０を用いた電極パターンの形成方法について説明する。ここでは、分子スイッチの形成方法を図２のフローチャートと図３の工程図に基づいて説明する。
【００３０】
まず、図３（ａ）に示すように、表面側に酸化膜からなる絶縁膜が設けられた例えばシリコン基板からなる基板２１上にポジ型レジスト（例えば、東京応化工業社製電子ビーム露光用化学増幅ポジ型レジストＯＥＢＲ−ＣＡＰ１３８  ＰＭ）を塗布し、レジスト膜（図示省略）を形成する。
【００３１】
次いで、例えば可変成形型電子ビーム露光機を用いた露光により、上記設計パターン１０（前記図１参照）をレジスト膜に転写する。具体的には、例えばパターン１１を転写した後、このパターン１１の角部１１ａの頂点ＡからΔＸ、ΔＹ（ここでは、ΔＸ＝ΔＹ＝３０ｎｍ）離れた位置に角部１１ａ’の頂点Ａ’が配置されるように、パターン１１’を転写する。その後、現像することで、上記設計パターン１０が開口パターン２２ａとして転写されたレジストパターン２２を形成する（Ｓ１）。これにより、辺を対向させた状態で配置された設計パターンを転写する場合と比較して、一対のパターン１１、１１’間のギャップ１１Ｇが転写される領域への電子散乱による近接効果が抑制されるため、後工程で形成される電極パターン間のギャップとなる開口パターン２２ａ間のレジスト部２２ｂを微細な幅で形成することが可能となる。
【００３２】
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば蒸着法により、基板２１上およびレジストパターン２２上に、例えばクロム（Ｃｒ）５ｎｍ、Ａｕ２０ｎｍが順次積層された電極層２３’を成膜する（Ｓ２）。
【００３３】
続いて、図３（ｃ）に示すように、リフトオフ法により、レジストパターン２２とともに、レジストパターン２２上の電極層２３’（前記図３（ｂ）参照）を除去することで、レジスト部２２ｂ上の電極層２３’も除去されるため、上記開口パターン２２ａに２０ｎｍ以下のギャップ２３Ｇを有する電極パターン２３が形成される（Ｓ３）。
【００３４】
その後は、図３（ｄ）に示すように、電極パターン２３が設けられた状態の基板２１を、分子スイッチを形成する分子材料の含有液中に浸漬させる。これにより、電極パターン２３間のギャップ２３Ｇに分子素子２４を自己成長させる。その後、大気中に取り出すことで、分子スイッチが形成される（Ｓ４）。
【００３５】
このような電極パターン２３の形成方法およびこれにより得られる電極パターン２３によれば、頂点Ａ、Ａ’が対向する状態で配置された角部１１ａ、１１ａ’を有する一対のパターン１１、１１’を備えた設計パターン１０を転写することで、電極パターン２３間のギャップ２３Ｇの幅のばらつきを低減することができるため、２０ｎｍ以下のギャップ２３Ｇを有する電極パターン２３の歩留まりを向上させることができる。また、一対のパターン１１、１１’として、より大きなパターンを配置することが可能となることで、電極パターン２３自体の電気抵抗が低減される。したがって、電極パターン２３間のギャップ２３Ｇに分子素子を形成した場合の特性評価に好適に用いることができる。
【実施例】
【００３６】
次に、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。
【００３７】
図４には、分子素子の特性評価も行えるよう測定パッド３１のパターンを有する４電極計測用の設計パターン３０を示す。図４が全景であり、図４中領域Ｙの要部拡大図が図５である。
【００３８】
図５に示すように、５００ｎｍ□の矩形状の一対のパターン１１、１１’を−４５度方向で頂点Ａ、Ａ’が対向するように配置し、図１を用いて説明したΔＸとΔＹはそれぞれ３０ｎｍに設定されている。また、一対のパターン１１、１１’の４５度方向にギャップＧの長さを規定する一対のパターン１２、１２’が形成される。このパターン１２、１２’を転写して形成される電極部は、一対のパターン１１、１１’を転写して形成される電極パターンの間隔と比較して、厳しい制約はない。
【００３９】
図６は、上記設計パターンを転写することで形成された電極パターン２３のＳＥＭ像を示す。ここでは、幅１１．８ｎｍのギャップ２３が形成されることが確認された。
【００４０】
また、図７に２００ｍｍウェハ全面に、上記設計パターン３０（前記図４参照）を露光し、得られたギャップ２３の幅を測定した結果の分布図を示す。この分布図に示すように、２０ｎｍ付近をピークに、分子素子評価用としては、十分な数の電極パターンが得られていることが確認された。得られたギャップ２３Ｇのうち、２０ｎｍ以下の幅が占める割合は３０％程度であった。なお、ここでの図示は省略したが、図９の設計パターンを転写して電極パターンを形成した場合には、このデータの数十分の１程度の確率でしか、２０ｎｍ以下のギャップを有する電極パターンは得られないことが確認された。
【００４１】
また、図８には、得られた電極パターン２３の絶縁特性を示すグラフであり、良好な絶縁特性が得られることが確認された。
【００４２】
以上のことから、本発明の電極パターンの形成方法を用いることで、２０ｎｍ以下のギャップ２３Ｇを有する電極パターン２３を歩留まりよく形成することができ、得られた電極パターン２３は分子素子の性能測定用として好適に用いられることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の電極パターンの形成方法に係る実施形態に用いられる設計パターンである。
【図２】本発明の電極パターンの形成方法に係る実施形態のフローチャートである。
【図３】本発明の電極パターンの形成方法に係る実施形態の工程図である。
【図４】本発明の実施例の４電極計測用の設計パターンである。
【図５】図４の領域Ｙの要部拡大図である。
【図６】実施例における電極パターンのＳＥＭ写真である。
【図７】電極パターン間のギャップ幅の分布図である。
【図８】電極パターン間の絶縁特性を示すグラフである。
【図９】従来の電極パターンの形成方法を説明するための設計パターンである。
【符号の説明】
【００４４】
１０…設計パターン、１１，１１’…パターン、１１ａ、１１ａ’…角部、Ａ、Ａ’…頂点、２１…基板、２２…レジストパターン（マスクパターン）、２３…電極パターン、２３’…電極層、２３Ｇ…ギャップ
【図１】
2008111904.tif 000003
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図６】
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