(57)【要約】【課題】マスクを形成することなく空間的に選択的にドーピングを行うことができる空間変調ドーピング方法を提供する。【解決手段】少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含む半導体基体に中性子線を照射して安定同位体の核反応を起こすことにより半導体基体にドーピングを行う場合に、中性子線１５を回折格子１２に照射することにより得られる回折パターンを用いて半導体基体１１に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせ、空間的に選択的なドーピングを行う。この方法により量子ドットアレーなどを形成する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含む基体に中性子線を照射して上記安定同位体の核反応を起こすことにより上記基体にドーピングを行うようにした空間変調ドーピング方法であって、
中性子線の干渉を利用して上記基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにした
ことを特徴とする空間変調ドーピング方法。
【請求項２】
中性子線を回折格子に照射したときに得られる回折パターンを用いて上記基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の空間変調ドーピング方法。
【請求項３】
上記基体は上記安定同位体からなることを特徴とする請求項１記載の空間変調ドーピング方法。
【請求項４】
上記安定同位体が属する元素がＧｅであることを特徴とする請求項１記載の空間変調ドーピング方法。
【請求項５】
上記安定同位体が７４Ｇｅであり、この７４Ｇｅを中性子による核反応により７５Ａｓに転換することによりｎ型不純物のドーピングを行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の空間変調ドーピング方法。
【請求項６】
上記安定同位体が７０Ｇｅであり、この７０Ｇｅを中性子による核反応により７１Ｇａに転換することによりｐ型不純物のドーピングを行うようにしたことを特徴とする請求項１記載の空間変調ドーピング方法。
【請求項７】
少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含む半導体基体に中性子線を照射して上記安定同位体の核反応を起こすことにより上記半導体基体にドーピングを行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
中性子線の干渉を利用して上記半導体基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにした
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含む半導体基体に中性子線を照射して上記安定同位体の核反応を起こすことにより上記半導体基体に選択的にドーピングを行って量子ドットまたは量子細線を形成する工程を有する量子装置の製造方法であって、
中性子線の干渉を利用して上記半導体基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにした
ことを特徴とする量子装置の製造方法。
【請求項９】
中性子線の干渉を利用して上記半導体基体に対する中性子の照射量に空間的に周期的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行って量子ドットまたは量子細線の周期的配列を形成するようにしたことを特徴とする請求項８記載の量子装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空間変調ドーピング方法、半導体装置の製造方法および量子装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造には、キャリアを生成したり、ｐｎ接合を代表とする活性領域を形成したりするために、不純物の選択的なドーピングが欠かせない。現代の半導体技術を支えているドーピング法としては、まず不純物の熱拡散が挙げられる。この熱拡散では、半導体基板に不純物を含む気体を接触させることで不純物が表面から内部に侵入し、熱拡散により表面近傍の領域に分布することを利用している。この方法では、ドーピングの空間的選択性は、半導体基板表面に形成されたマスクにより得られるため、マスクの端からの不純物侵入が生じる。ドーピング法としては、空間的な選択性がより良いイオン注入も広く使用されている。このイオン注入では、加速した不純物原子のビームを絞り、そのビームをあらかじめマスクが形成された半導体基板に照射することにより、面内の不純物分布を高い選択性で得ることが可能である。また、加速エネルギーを調整することにより、表面から深さ方向における不純物分布も調整することができるので、応用範囲が広い技術である。
【０００３】
しかしながら、上記の熱拡散やイオン注入により単結晶に不純物をドーピングすると、結晶欠陥が発生して結晶性が損なわれたり、固体内で不純物拡散が起こることにより、ｎ型不純物とｐ型不純物との間に存在する引力（より正確には、ドナーイオンとアクセプタイオンとの間の静電引力）によって不純物分布は両者の独立分布とはならないなどの問題があった。
【０００４】
近年、これらの問題を克服する方法として、安定同位体の中性子による核反応により半導体へドーピングを行う手法である中性子転換ドーピング（Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ  Ｄｏｐｉｎｇ，ＮＴＤ）が開発されてきた（非特許文献１）。
【非特許文献１】
Ｋ．Ｍ．Ｉｔｏｈ，Ｅ．Ｅ．Ｈａｌｌｅｒ，Ｗ．Ｌ．Ｈａｎｓｅｎ，Ｊ．Ｗ．Ｂｅｅｍａｎ，Ｊ．Ｗ．Ｆａｒｍｅｒ，Ａ．Ｒｕｄｎｅｖ，          Ａ．Ｔｉｋｈｏｍｉｒｏｖ，ａｎｄ  Ｖ．Ｉ．Ｏｚｈｏｇｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４，２１２１（１９９４）
【０００５】
このＮＴＤをＧｅ（ゲルマニウム）を例にとって説明する。Ｇｅには安定な同位体が存在し、それぞれの存在比は７０Ｇｅが２０％、７２Ｇｅが２７％、７３Ｇｅが８％、７４Ｇｅが３７％、７６Ｇｅが８％程度である。このなかで、例えば７０Ｇｅは中性子の衝突により核反応を起こし、電子を吸収することによって安定核７１Ｇａ（ガリウム）へと変化することができる。また、７４Ｇｅは中性子と核反応を起こし、β崩壊を伴うことで７５Ａｓ（ヒ素）へと変化することができる。従って、これらの同位体を含むＧｅ単結晶を中性子に晒し、結晶内のＧｅ原子核に上述の核反応を起こさせることにより、結晶内のＧｅ原子を７１Ｇａや７５Ａｓを核とする原子へ変換することができる。この方法によれば、結晶格子の格子位置を占める原子を置換することなく、これらの元素によるドーピングが可能になる。この方法は、極めて均一なドーピングができることが知られており、高性能の半導体装置の製造に用いられてきた。
【０００６】
なお、本発明者は、電子ビームの干渉により得られる回折パターンを用いて、半導体表面に電子の照射量の濃淡パターンを形成し、電子の照射により誘起される過程を用いて微細加工を行うことによって、回折パターンに応じた形状を半導体上に形成する手法を提案している（特許文献１）。
【特許文献１】
米国特許第５２２９３２０号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＮＴＤを用いて空間的に選択的にドーピングを行う場合には、マスクを形成する必要があった。
従って、この発明が解決しようとする課題は、マスクを形成することなく空間的に選択的にドーピングを行うことができる空間変調ドーピング方法、この手法を利用した半導体装置の製造方法および量子装置の製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術が有する上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、ドーピングとは直接関係ない技術であるが、本発明者が上記特許文献１において提案した技術をＮＴＤと組み合わせることが最も有効な解決策であることを見い出し、この発明を案出するに至ったものである。
【０００９】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含む基体に中性子線を照射して安定同位体の核反応を起こすことにより基体にドーピングを行うようにした空間変調ドーピング方法であって、
中性子線の干渉を利用して基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００１０】
基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせるためには、典型的には回折格子を用い、中性子線をこの回折格子に照射したときに得られる回折パターンを用いる。この回折格子としては、典型的には結晶、特に薄膜結晶が用いられる。この場合、回折パターンは、回折格子として用いられる結晶の種類およびその面方位、基体と回折格子との相対的配置、回折格子に対する中性子線の照射方向などの組み合わせにより種々のもの、例えば正方格子や六方格子などの回折パターンを得ることができる。回折格子は、典型的には透過型回折格子であるが、場合によっては反射型回折格子であってもよい。
【００１１】
基体は、少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含んでいる限り、それ以外の元素を含んでもよいが、典型的には、少なくとも一つの安定同位体からなる。基体は典型的には半導体からなるが、ドーピングを行うことがある限り、半導体以外の材料、例えば誘電体、非線形光学結晶材料、超伝導材料などであってもよい。基体は典型的には単結晶であるが、場合によっては多結晶や非晶質であってもよい。
【００１２】
基体が半導体基体である場合、安定同位体が属する元素としては、例えばＧｅを挙げることができる。典型的には、安定同位体が７４Ｇｅである場合には、この７４Ｇｅを中性子による核反応により７５Ａｓに転換することによりｎ型不純物のドーピングを行う。あるいは、安定同位体が７０Ｇｅである場合には、この７０Ｇｅを中性子による核反応により７１Ｇａに転換することによりｐ型不純物のドーピングを行う。半導体基体は、例えば、その一部または全部がＳｉ１−Ｘ  ＧｅＸ  （０＜ｘ＜１）からなることもあり、そのＧｅが７４Ｇｅまたは７０Ｇｅである場合には、上記のように中性子による核反応により７５Ａｓまたは７１Ｇａに転換することによりｎ型不純物またはｐ型不純物のドーピングを行うことができる。
【００１３】
この発明の第２の発明は、
少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含む半導体基体に中性子線を照射して安定同位体の核反応を起こすことにより半導体基体にドーピングを行う工程を有する半導体装置の製造方法であって、
中性子線の干渉を利用して半導体基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００１４】
この発明の第３の発明は、
少なくとも一つの安定同位体を構成元素として含む半導体基体に中性子線を照射して安定同位体の核反応を起こすことにより半導体基体に選択的にドーピングを行って量子ドットまたは量子細線を形成する工程を有する量子装置の製造方法であって、
中性子線の干渉を利用して半導体基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、典型的には、中性子線の干渉を利用して半導体基体に対する中性子の照射量に空間的に周期的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行って量子ドットまたは量子細線の周期的配列を形成する。
この発明の第２および第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して述べたことが成立する。
【００１６】
上述のように構成されたこの発明によれば、中性子線の干渉を利用して基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うので、マスクが不要である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１〜図４はこの発明の第１の実施形態による量子装置の製造方法を示す。
この第１の実施形態においては、図１に示すように、まず、７４Ｇｅ単結晶基板１１を準備する。ここでは、この７４Ｇｅ単結晶基板１１としてアンドープのものを用いる。一方、中性子線用の回折格子１２を準備し、これをあらかじめ７４Ｇｅ単結晶基板１１上に置いた二つのスペーサ１３、１４でその両端が支持されるように置くことで、この回折格子１２を７４Ｇｅ単結晶基板１１の主面に平行にかつ所定の間隔を持って保持する。この回折格子１２としては、例えば、透過型電子顕微鏡用の試料の作製手順を用いて作製された薄膜結晶などを用いることができる。また、この回折格子１２としては、形成しようとする量子ドットアレイの配置パターンに応じた回折パターンが得られるものを用いる。
【００１８】
次に、図２に示すように、回折格子１２に対し、その上方から中性子のエネルギーが揃った、すなわち単色の中性子線１５を照射する。この結果、回折格子１２によりこの中性子線１５が回折されて複数の回折中性子線１６が得られ、７４Ｇｅ単結晶基板１１の主面にこれらの回折中性子線１６がスポット状に照射され、回折パターンが得られる。このようにして、７４Ｇｅ単結晶基板１１の主面に、これらの回折中性子線１６の強度に応じて、中性子の照射量の濃淡を持たせることができる。
図３に回折中性子線１６の照射パターンの一例を示す。符号１７が、中性子の到達確率が大きく、中性子の照射量が多い点で周囲と明確に区別することができる中性子照射領域を示す。
【００１９】
中性子照射領域１７では、この中性子照射領域１７の部分の７４Ｇｅ単結晶基板１１の７４Ｇｅが中性子の衝突により核反応を起こして７５Ａｓに転換する。核反応が起きる確率は入射中性子線の強度に比例するため、中性子照射領域１７に回折中性子線１６の強度に比例する濃度で７５Ａｓが生成される。７５Ａｓは７４Ｇｅ単結晶基板１１に対してｎ型不純物として働くため、中性子照射領域１７の部分の７４Ｇｅ単結晶基板１１にｎ型不純物として７５Ａｓがドーピングされたことになる。７５Ａｓの濃度、すなわちドーピング濃度は、回折格子１２に入射させる中性子線１５の強度などにより所望の値に制御することが可能である。
【００２０】
以上により、図４に示すように、アンドープの７４Ｇｅ単結晶基板１１に、７５Ａｓがドーピングされた例えば円柱状のｎ型領域からなる量子ドット１８のアレー（ラテラル超格子）が形成される。例えば、回折パターンが正方格子状である場合には、量子ドット１８の正方アレーが形成される。
【００２１】
以上のように、この第１の実施形態によれば、中性子線１５を回折格子１２に照射し、それによって得られる回折中性子線１６を７４Ｇｅ単結晶基板１１に照射して核反応により７４Ｇｅを７５Ａｓに転換することでｎ型不純物の空間変調ドーピングを行っていることにより、回折パターンに対応した配置でｎ型領域からなる量子ドット１８のアレーを形成することができる。この場合、マスクを形成する必要がないため、製造工程の簡略化を図ることができる。また、熱拡散やイオン注入と異なり、原理的にドーピングの際に結晶欠陥の発生を伴わないため、７４Ｇｅ単結晶基板１１の結晶性が損なわれることがなく、特性の良好な量子ドット１８を形成することができる。
【００２２】
次に、この発明の第２の実施形態による量子装置の製造方法について説明する。
第１の実施形態においてはアンドープの７４Ｇｅ単結晶基板１１を用いたのに対し、この第２の実施形態においては、例えばＢ（ホウ素）のようなｐ型不純物があらかじめ低濃度にドープされたｐ型の７４Ｇｅ単結晶基板１１を用いる。そして、このｐ型の７４Ｇｅ単結晶基板１１に、第１の実施形態と同様にして、７５Ａｓがドーピングされたｎ型領域からなる量子ドット１８のアレーを形成する。
【００２３】
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、ｎ型領域からなる量子ドット１８はｐ型の７４Ｇｅ単結晶基板１１中に形成されるため、量子ドット１８中の電子をｐｎ接合により強く閉じ込めることができるという利点を得ることができる。
【００２４】
次に、この発明の第３の実施形態による量子装置の製造方法について説明する。
この第３の実施形態においては、図５に示すように、アンドープの７０Ｇｅ単結晶基板１９を用い、第１の実施形態と同様にして、これに回折格子１２に中性子線１５を照射することにより得られる回折中性子線１６を照射する。この場合、中性子照射領域１７では、この中性子照射領域１７の部分の７０Ｇｅ単結晶基板１９の７０Ｇｅが中性子の衝突により核反応を起こして７１Ｇａに転換する。７１Ｇａは７０Ｇｅ単結晶基板１９に対してｐ型不純物として働くため、中性子照射領域１７の部分の７０Ｇｅ単結晶基板１９にｐ型不純物として７１Ｇａがドーピングされたことになる。
【００２５】
以上により、図６に示すように、アンドープの７０Ｇｅ単結晶基板１９に、７１Ｇａがドーピングされた例えば円柱状のｐ型領域からなる量子ドット２０のアレーが形成される。
上記以外のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００２６】
次に、この発明の第４の実施形態による量子装置の製造方法について説明する。
第３の実施形態においてはアンドープの７０Ｇｅ単結晶基板１９を用いたのに対し、この第４の実施形態においては、例えばＰ（リン）やＡｓのようなｎ型不純物があらかじめ低濃度にドープされたｎ型の７０Ｇｅ単結晶基板１９を用いる。そして、このｎ型の７０Ｇｅ単結晶基板１９に、第３の実施形態と同様にして、７１Ｇａがドーピングされたｐ型領域からなる量子ドット２０のアレーを形成する。
【００２７】
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点に加えて、ｐ型領域からなる量子ドット２０はｎ型の７０Ｇｅ単結晶基板１９中に形成されるため、量子ドット２０中の正孔をｐｎ接合により強く閉じ込めることができるという利点を得ることができる。
【００２８】
以上、この発明の実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、形状、材料などを用いてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、中性子線の干渉を利用して基体あるいは半導体基体に対する中性子の照射量に空間的な濃淡を持たせることにより空間的に選択的なドーピングを行うようにしていることにより、マスクを用いることなく空間変調ドーピングを行うことができ、これによって半導体装置あるいは量子装置の製造プロセスの簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態による量子装置の製造方法を説明するための略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による量子装置の製造方法を説明するための略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態による量子装置の製造方法を説明するための略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態による量子装置の製造方法を説明するための略線図である。
【図５】この発明の第３の実施形態による量子装置の製造方法を説明するための略線図である。
【図６】この発明の第３の実施形態による量子装置の製造方法を説明するための略線図である。
【符号の説明】
１１…７４Ｇｅ単結晶基板、１２…回折格子、１５…中性子線、１６…回折中性子線、１７…中性子照射領域、１８、２０…量子ドット、１９…７０Ｇｅ単結晶基板
【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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