(57)【要約】絶縁された電極を作成し、それらの電極間にナノワイヤを組み込む(600)方法(100)はそれぞれ、半導体層(210)上の半導体材料の横方向エピタキシャル過成長を使用して、同一結晶方位を有する絶縁電極(260、270)を形成する。この方法(100、600)は、半導体層上の絶縁膜(240)内の窓(242)を介した半導体機構要素(250)の選択的エピタキシャル成長(140)を含む。垂直ステム(252)は、窓を介して半導体層と接触し、レッジ(254)は、絶縁膜上の垂直ステムの横方向エピタキシャル過成長である。この方法は更に、半導体機構要素と半導体層から１対の絶縁電極(260、270)を作成(160)することを含む。ナノワイヤベースのデバイス(800)は、１対の絶縁電極と、１対の絶縁電極のそれぞれの表面間を架橋するナノワイヤ(280)とを含む。【選択図】図８Ａ〜８Ｃ
2010517268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁電極(260、270）を有するナノワイヤベースのデバイス(800)であって、
結晶方位を有する基板電極(270)と、
前記基板電極(270)の前記結晶方位を有するエピタキシャル半導体であり、前記基板電極(270)から電気的に絶縁され、前記基板電極(270)の上に片持ち梁のように突き出されたレッジ電極(260)と、
前記基板電極(270)と前記レッジ電極(260)のそれぞれの表面の間を架橋するナノワイヤ(280)とを含む、ナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項２】
前記基板電極(270)と前記レッジ電極(260)との間に、前記基板電極(270)を前記レッジ電極(260)から電気的に絶縁する絶縁層(240)を更に含む、請求項１に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項３】
前記基板電極(270)と前記レッジ電極(260)との間に埋め込まれて、電気的絶縁を提供する絶縁層(262)を更に含む、請求項１に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項４】
前記絶縁電極(260、270)を作成する(100、600)ことが、
前記結晶方位を有する半導体層(210)と、前記半導体層(210)の表面上の絶縁膜(240)とを含む基板を準備(120)し、前記絶縁膜(240)が前記表面の一部分を露出させる窓(242)を有し、
前記表面から前記窓(242)を介して半導体機構要素(250)を選択的にエピタキシャル成長(140)させ、前記半導体機構要素(250)が、前記半導体層(210)の前記結晶方位を有する垂直ステム(252)とレッジ(254)とを有し、前記垂直ステム(252)が、前記窓(242)を介して前記半導体層(210)と接触し、前記レッジ(254)が、前記絶縁膜(240)上の前記垂直ステム(252)の横方向エピタキシャル過成長であり、
前記半導体機構要素(250)と前記半導体層(210)から１対の前記絶縁電極(260、270)を作成(160)ことを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項５】
１対の前記絶縁電極(260、270)を作成(160)することが、
前記半導体層(210)から前記レッジ(254)を電気的に絶縁し、
前記レッジ(254)から前記レッジ電極(260)を作成し、
前記半導体層(210)の前記レッジ(254)と面する領域から前記基板電極(270)を作成することを含む、請求項４に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項６】
前記ナノワイヤ(280)が、前記絶縁電極(260、270)間で自己組織化するように、前記絶縁電極(260、270)間で前記ナノワイヤ(280)を垂直方向に成長(680)させることによって、前記絶縁電極(260、270)間に組み込まれ(600)、前記ナノワイヤ(280)を成長(680)させることが、
前記絶縁電極(260、270)の一方の水平面上にナノ粒子触媒(282)を提供し、
前記ナノワイヤ(280)の自由端が、前記絶縁電極(260、270)の他方の対向水平面に当たるまで、前記ナノ粒子触媒(282)を使用して前記水平面から垂直方向に成長されるナノワイヤ(280)に触媒作用を及ぼすことを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項７】
前記１対の絶縁電極(260、270)を作成(160)することが、
前記半導体機構要素(250)の周囲の前記半導体層(210)を露出させるように前記絶縁膜(240)を除去し、前記レッジ(254)が、前記垂直ステム(252)から前記半導体層(210)の上に片持ち梁のように突き出すように延在し、
前記半導体機構要素(250)に化学種を注入して絶縁層(262)を形成することによって前記半導体機構要素(250)の一部分を互いに絶縁し、前記レッジ(254)を含む第１の絶縁部分が、前記対のレッジ電極(260)であり、前記レッジ(254)と面する前記半導体層(210)の領域(266)を含む第２の絶縁部分が、前記対の基板電極(270)であることを含む、請求項１、３及び４〜６のいずれか１項に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項８】
前記１対の絶縁電極(260、270)を作成(160)することが、
前記レッジ(254)に隣接した前記絶縁膜(240)に窓(244)を開けて、前記半導体層(210)を露出させ、
前記レッジ(254)の下にある前記絶縁膜(240)をアンダーカットして、前記半導体層(210)の領域を露出させるように前記窓(244)内の前記絶縁膜(240)をエッチングし、その結果、前記レッジ(254)が、開口内の前記絶縁膜(240)の上に張り出し、前記半導体層(210)の前記領域の上に片持ち梁のように突き出て、
前記半導体層(210)から前記レッジ(254)を物理的に分離する開口(258)を前記レッジ(254)に開け、その分離されたレッジ(254)が、前記対のレッジ電極(260)であり、前記分離されたレッジ(254)と面する前記半導体層(210)の前記領域が、前記対の基板電極(270)である、請求項１、２及び４〜６のいずれか１項に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項９】
前記１対の絶縁電極(260、270)を作成(160)することが、
前記レッジ(254)に隣接した前記絶縁膜(240)に第１の窓(246)を開けて、前記半導体層(210)の一部分を露出させ、
前記半導体機構要素(250)、前記半導体機構要素(250)の下にある前記半導体層(210)の一部分、及び前記第１の窓(246)内の前記半導体層(210)の前記露出部分のそれぞれに、前記半導体層(210)の下にある絶縁体層(220)が、前記第２の窓(248)を介して露出されるまで第２の窓(248)を開け、前記第２の窓(248)の開口が、前記絶縁膜(240)の一部分によって分離された前記半導体層(210)の一部分と前記レッジ(254)の一部分とをそれぞれ含む別個のカラムを形成し、
前記別個のカラム内の前記絶縁膜(240)をエッチングして、前記レッジ(254)と前記半導体層(210)との間の前記絶縁膜(240)をアンダーカットし、前記レッジ(254)が、前記対のレッジ電極(260)であり、前記レッジ(254)と面する前記半導体層(210)の領域が、前記対の基板電極(270)であることを含む、請求項１、２及び４〜６のいずれか１項に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【請求項１０】
前記第２の窓(248)を開けることが、
前記垂直ステム(252)上の前記レッジ(254)の一部分を含む前記半導体機構要素(250)の垂直部分と、前記垂直ステム(252)との両方を除去し、
前記除去された垂直ステム(252)の下にあり、前記第１の窓(246)内で露出された前記半導体層(210)を除去することを含み、
前記半導体層(210)を除去することが、前記除去された垂直ステム(252)の下にある前記半導体層(210)のエッチングと同時に、又は別々に前記第１の窓(246)内で露出された前記半導体層(210)をエッチングすることを含む、請求項９に記載のナノワイヤベースのデバイス(800)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノテクノロジーに関する。詳細には、本発明は、同一結晶方位を有する１対の絶縁電極の形成、及びその電極対を相互接続するナノワイヤを有するデバイスに関する。
【０００２】
関連技術の説明
半導体技術は、その始まり以来一貫して、デバイス寸法をより小さくしデバイス密度をより高める傾向にある。その結果、近年爆発的に成長し大きな関心を集めている半導体技術の分野が、ナノテクノロジーである。ナノテクノロジーは、いわゆるナノスケール構造の製造と応用形態とに関連し、この構造は、１ｎｍ〜２００ｎｍの少なくとも１つの直線寸法を有する。これらのナノスケール構造は、多くの場合、従来の半導体構造より小さく５分の１〜１００分の１である。
【０００３】
ナノワイヤは、いくつか例を挙げると、ナノスケール電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ｐ−ｎダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、及びナノワイヤセンサ等の多数のナノスケールデバイスの構成要素である。しかしながら、デバイス構造にナノワイヤを組み込む取り組みは、これまで本質的に研究環境に制限されており、そのような取り組みは、製造環境でナノスケールデバイスを繰り返し大量生産するのに役立たず、且つ適さない。
【０００４】
概要
本発明の幾つかの実施形態では、ナノワイヤベースのデバイス内に絶縁電極を作成する方法が提供される。絶縁電極を作成する方法は、ある結晶方位を有する半導体層と、半導体層の表面上の絶縁膜とを含む基板を準備することを含む。絶縁膜は、表面の一部分を露出させる窓を有する。絶縁電極を作成する方法は更に、半導体層から窓を介して半導体機構要素を選択的にエピタキシャル成長させることを含む。半導体機構要素は、半導体層の結晶方位を有する垂直ステムとレッジ（たな状部）を有する。垂直ステムは、窓を介して半導体層と接触し、レッジは、絶縁膜上の垂直ステムの横方向エピタキシャル過成長（ＬＥＯ）である。絶縁電極を作成する方法は更に、半導体機構要素と半導体層から１対の絶縁電極を作成することを含む。
【０００５】
本発明の他の実施形態では、ナノワイヤベースのデバイスの絶縁電極間にナノワイヤを組み込む方法が提供される。ナノワイヤを組み込む方法は、ある結晶方位を有する半導体層と、半導体層の表面上に絶縁膜とを含む基板を準備することを含む。絶縁膜は、半導体層表面の一部分を露出させる窓を有する。ナノワイヤを組み込む方法は更に、半導体層から窓を介して半導体機構要素を選択的にエピタキシャル成長させることを含む。半導体機構要素は、半導体層の結晶方位を有する垂直ステム及びレッジを有する。垂直ステムは、窓を介して半導体層と接触する。レッジは、絶縁膜上の垂直ステムの横方向エピタキシャル過成長である。ナノワイヤを組み込む方法は更に、半導体機構要素と半導体層から１対の絶縁電極を作成するステップを含む。ナノワイヤを組み込む方法は更に、１対の絶縁電極の水平面の間に自己組織化させるようにナノワイヤを成長させることを含む。
【０００６】
本発明の他の実施形態では、ナノワイヤベースのデバイスが提供される。ナノワイヤベースのデバイスは、ある結晶方位を有する基板電極と、基板電極の結晶方位を有するエピタキシャル半導体であるレッジ電極とを有する。レッジ電極は、基板電極から電気的に絶縁され、基板電極の上に片持ち梁のように突き出される。ナノワイヤベースのデバイスは更に、基板電極とレッジ電極のそれぞれの表面の間で架橋するナノワイヤを含む。
【０００７】
本発明の特定の実施形態は、前述の特徴の追加又は代替のいずれか又は両方の他の特徴を有する。本発明の幾つかの実施形態のこれらの、及び他の特徴は、以下の図面に関連して以下で詳述される。
【０００８】
本発明の実施形態の様々な特徴は、添付図面に関連して行われる以下の詳細な説明を参照してより容易に理解されることができ、類似の参照符号は類似の構造要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態によるナノワイヤベースのデバイス内に絶縁電極を作成する方法のブロック図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による図１の方法のパターン形成された絶縁膜を有するデバイス構造の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による図１の方法の半導体機構要素を更に有する図２Ａのデバイス構造の断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による図１の方法の絶縁電極を作成する際の図２Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による図１の方法の絶縁電極を作成する際の図２Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態による図１の方法の絶縁電極を作成する際の図２Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図４Ｂ】本発明の別の実施形態による図１の方法の絶縁電極を作成する際の図２Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図５Ａ】本発明の別の実施形態による図１の方法の絶縁電極を作成する際の図２Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図５Ｂ】本発明の別の実施形態による図１の方法の絶縁電極を作成する際の図２Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図５Ｃ】本発明の別の実施形態による図１の方法の絶縁電極を作成する際の図２Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態によるナノワイヤベースのデバイスの絶縁電極間にナノワイヤを組み込む方法のフローチャートである。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による図６の方法のナノワイヤを組み込む際の図３Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による図６の方法のナノワイヤを組み込む際の図３Ｂのデバイス構造の断面図である。
【図８Ａ】本発明の様々な実施形態によるナノワイヤベースのデバイスの断面図である。
【図８Ｂ】本発明の様々な実施形態によるナノワイヤベースのデバイスの断面図である。
【図８Ｃ】本発明の様々な実施形態によるナノワイヤベースのデバイスの断面図である。
【００１０】
詳細な説明
本発明の実施形態は、同一結晶方位を有する１対の絶縁電極を作成すること、その１対の絶縁電極間にナノワイヤを組み込むこと、絶縁電極対と組み込みナノワイヤを有するナノワイヤベースのデバイスの１つ又は複数を対象とする。定義によると、１対の絶縁電極は、互いに電気的に絶縁され、同一水平面内にある電極に対して、別個の水平面内で垂直方向に離間される。ナノワイヤは、１対の電極のうちの一方の電極の水平面から別の電極の対向水平面まで成長される。幾つかの実施形態では、１対の絶縁電極は両方とも［１１１］配向の半導体結晶格子を有する。他の実施形態では、１対の絶縁電極は、以下に限定されないが、［１１０］方位や［１００］方位等の同じ結晶方位を有する。
【００１１】
例えば、ナノワイヤが成長される水平面が［１１１］配向の半導体結晶格子の（１１１）面である場合、ナノワイヤが成長する際に、ナノワイヤは、優先的に（１１１）面に対してほぼ垂直に成長する。水平に配向された（１１１）面上では、ナノワイヤが、（１１１）面から実質的に垂直に成長する。ナノワイヤは、少なくとも対向水平面と接触するまで成長する。接触した時点で、ナノワイヤは、対向水平面に付くか又は接続する。ナノワイヤは、以下に限定されないが、ナノワイヤ付着のために［１１０］、［１１１］及び［１００］結晶格子方位のうちの１つを含む任意の結晶方位を有する対向水平面に付く。例えば、２００６年５月１１日に公開されたM. Saiful Islam等による米国特許出願公開第２００６−００９７７３８９Ａ１号と、２００６年５月１１日に公開されたShih-Yuan Wang等による一部継続出願の米国特許出願公開第２００６−００９８７０５Ａ１号（これらの特許は両方とも参照により本明細書に組み込まれる）は、開始面の結晶方位が（１１１）面であり対向水平面が任意の結晶方位を有する電子デバイス構造の水平面間で相互接続する垂直ナノワイヤカラム（「ナノコロネード（nano-colonade」）について述べている。
【００１２】
これに対して、本発明の様々な実施形態では、開始水平面上で選択エピタキシャル成長を使用して対向水平面を作成することによって、対向水平面は、ナノワイヤ成長が開始される水平面の結晶方位と同じ結晶方位を有する。対向面と開始面は、本明細書に示された実施形態による絶縁電極対の水平面である。限定ではなく本明細書の説明を簡略化するために、絶縁電極対は、本明細書において、一例として、電極の（１１１）水平面に垂直な（１１１）配向ナノワイヤを成長させるために［１１１］配向の半導体結晶として説明され、これは、本明細書において、他の結晶方位が他の配向ナノワイヤと共に使用されてもよく、且つやはり本発明の様々な実施形態の範囲内にあるという理解のもとで行われる。数ある中でも、本発明の様々な実施形態は、以下に限定されないが、電気コンダクタンスを含む変換可能な特性を測定できるデバイスにナノワイヤ相互接続を組み込む超並列自己組織化技術を提供することができる。
【００１３】
本発明の様々な実施形態によれば、垂直ナノワイヤは、電気的に絶縁された水平電極間に組み込まれ、この場合、それぞれの電極は、基板の半導体層から（即ち、半導体層内又は半導体層上に）形成され、電極は、半導体層と同じ結晶方位を有する。電極の一方は、半導体層上に半導体材料の選択的横方向エピタキシャル過成長（lateral epitaxial overgrowth：ＬＥＯ）を用いて作成される。他方の電極は、半導体層内に形成される。ＬＥＯ電極は、基板電極から電気的に絶縁される。電気的に絶縁された水平電極は、以下に限定されないが、ダイオード、トランジスタ、センサ、光学デバイス及びオプトエレクトロニクスデバイスを含む電子デバイス構造内にある。幾つかの実施形態では、本発明の様々な実施形態は、上記で引用した米国特許出願公開第２００６−００９７７３８９Ａ１号及び米国特許出願公開第２００６−００９８７０５Ａ１号に開示されたデバイスを製造するために使用され得る。
【００１４】
「１１１」や「１１０」のような数字と併せた本明細書のブラケット「［  ］」の使用は、結晶格子の方向又は方位と関係し、本明細書では簡単にするためにその範囲内に方向「＜  ＞」を含むように意図される。そのような数字「１１１」及び「１１０」と関連した本明細書のかっこ「（  ）」の使用は、結晶格子の平面又は平坦面に関係し、本明細書では簡単にするためにその範囲内に面「｛  ｝」を含むように意図される。そのような使用は、当該技術分野で知られている一般的な結晶命名法に従うことが意図されている。
【００１５】
本発明の様々な実施形態に有用な半導体材料には、以下に限定されないが、元素周期表から化合物半導体材料を含むＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、及びＩＩ−ＶＩ族半導体材料が含まれる。更に後述されるように、１対の絶縁電極（それぞれ「第１の電極」と「第２の電極」、又は「レッジ電極」と「基板電極」とも呼ばれる）の半導体材料は、同じ半導体材料でも又は異なる半導体材料でもよいが、同じ半導体結晶方位を有することができる。本発明の様々な実施形態に有用な絶縁体材料は、以下に限定しないが、上述したグループからの半導体材料又は別の半導体材料を含む絶縁を行うことができる任意の材料であり、あるいは本質的に絶縁性材料とすることができる。更に、絶縁体材料は、材料の絶縁特性を容易にするように、これら半導体材料の任意の酸化物、炭化物、窒化物又は酸窒化物とすることができる。本明細書の様々な実施形態によれば、絶縁電極を形成するために使用される半導体材料は、電極の用途のために目標導電率（及び意図された目的のための考えられる他の特性）を与えるようにドープされる。
【００１６】
本発明の幾つかの実施形態において、ナノワイヤベースのデバイス内に絶縁電極を作成する方法１００が提供される。図１は、本発明の一実施形態によるナノワイヤベースのデバイス内に絶縁電極を作成する方法１００のフローチャートを示す。方法１００は、ある結晶方位を有する半導体層を含む基板を準備すること（１２０）を含む。半導体層は、水平平坦面を有する。半導体層の結晶方位は、制限ではなく例として、（１１１）配向の半導体とすることができる。定義により、（１１１）配向の半導体結晶格子は、（１１１）平面である水平面を有する。他の結晶方位は、水平面に対して他の角度で｛１１１｝平面を有する。
【００１７】
幾つかの実施形態では、半導体層は、バルク半導体ウェーハである。他の実施形態では、半導体層は、通常絶縁性の支持体（例えば、酸化シリコンウェーハ）上の半導体層である。支持体上の半導体層の例は、ハンドルウェーハ、ハンドルウェーハ上の絶縁体層、及び絶縁体層上の半導体層を含む半導体オンインシュレータウェーハ（semiconductor-on-insulator wafer）であり、この場合、半導体層は、水平平坦面を有する。以下では、特に断らない限り、上記で定義したように、用語「半導体層」が、バルク半導体ウェーハ又は支持体上の半導体層のいずれかを意味するという理解のもとで、バルク半導体ウェーハと支持体上の半導体層は、説明を簡単にするために総称して「半導体層」と呼ばれる。
【００１８】
半導体層の半導体材料には、以下に限定しないが、上述の半導体材料、又は任意の結晶方位を形成する別の半導体材料が含まれる。限定ではなく例として、半導体層は、実施形態により、（１１１）配向のシリコン層（即ち、最上層）を有するシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ、又は（１１１）シリコンの単一の独立ウェーハとすることができる。
【００１９】
絶縁電極を作成する方法１００によれば、１２０で準備された基板は更に、半導体層の水平面上にパターン形成された絶縁膜を含む。パターン形成された絶縁膜は、半導体層の水平面を露出させる窓を有する。幾つかの実施形態では、絶縁膜は、熱酸化を使用して絶縁酸化膜又は層を形成する等によって、表面に絶縁材料を成長させることにより、半導体層の表面に形成される。他の実施形態では、絶縁材料は、限定ではなく例として、熱ＣＶＤ又はプラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）等の化学蒸着法（ＣＶＤ）を使用して表面に堆積される。
【００２０】
形成された絶縁膜は、絶縁膜を貫いて１つ又は複数の窓（例えば、トレンチ、穴、及び他の形づくられた要素）が開けられ、その窓を介して下にある半導体層の表面が露出するようにパターン形成される。図２Ａは、本発明の一実施形態により絶縁電極を作成する方法１００の１２０で準備された基板を含むデバイス構造の断面図を示す。図２Ａでは、半導体層２１０は、限定ではなく一例として、半導体オンインシュレータウェーハの半導体層として示される。半導体層２１０は、実施形態に関して特に断らない限り、上述のように支持体上のバルク半導体ウェーハ又は半導体層のいずれかとすることができる。図示された実施形態では、基板は更に、絶縁体層２２０と、絶縁体層２２０によって半導体層２１０から分離されたハンドルウェーハ２３０（即ち、支持体）とを含む。
【００２１】
１２０で準備された基板は更に、半導体層２１０の水平面に形成された、パターン形成された絶縁膜２４０を含む。パターン形成された絶縁膜２４０は、窓２４２を有する。図２Ａにおいて、限定ではなく一例として、ここでは２つの窓２４２が示される。パターン形成された絶縁膜２４０は、１つのみの窓２４２又は３つ以上の窓２４２を有してもよく、やはり本明細書の様々な実施形態の範囲内にある。
【００２２】
幾つかの実施形態では、絶縁膜２４０は、フォトリソグラフィ及び方向性ドライエッチング技術を用いて窓２４２を形成するようにパターン形成される。ドライエッチング技術には、以下に限定されないが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリング及びプラズマエッチングが含まれる。ＲＩＥは、材料の異方性除去を達成する専用のプラズマ乾式化学プロセスである。イオンミリングは、本質的に異方性であるイオンビーム乾式物理材料除去プロセスの一形態である。一方、プラズマエッチングは、材料を除去するための等方性技術である。窓を形成する絶縁体薄膜の方向性エッチングは、例えば、窓の側壁に目標形状又は角度を提供する。
【００２３】
絶縁膜の絶縁体材料には、以下に限定されないが、上記で列挙された半導体材料の任意の酸化物、窒化物、炭化物または酸窒化物等の絶縁体材料に関して上述した材料、或いは絶縁性であるか又は絶縁性を提供する別の材料が含まれる。更に、絶縁膜の絶縁体材料は、エピタキシャル成長に関してその選択性により選択される。換言すると、絶縁膜材料は、選択エピタキシャル成長中に半導体材料の核形成を阻止するように選択され、その結果、多結晶材料は、絶縁膜上で核を成す可能性が低くなる。幾つかの実施形態では、絶縁膜材料は、半導体材料の選択エピタキシャル成長中に絶縁膜表面での多結晶材料の核形成を防止するように選択される。半導体材料の選択エピタキシャル成長は、絶縁電極を作成する方法１００に従って半導体機構要素を成長させること（１４０）に関して後述される。絶縁膜表面上での半導体材料の核形成を阻止するか、又は実施形態によっては回避することによって、エピタキシャル半導体材料の選択的堆積が促進される。
【００２４】
例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）絶縁膜上のケイ素（Ｓｉ）の核形成は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）絶縁膜上でのＳｉの核形成に比べて、より容易に生じる。従って、ＳｉＯ２絶縁体材料上のＳｉの選択エピタキシャル成長は、本明細書の様々な実施形態のＳｉ３Ｎ４絶縁体材料上でのＳｉの選択エピタキシャル成長に比べて選択性が高い。幾つかの実施形態では、ＳｉＯ２絶縁膜と比べてＳｉ３Ｎ４絶縁膜上での多結晶Ｓｉの核形成を補償するために、特定のプロセス制約と共に絶縁膜にＳｉ３Ｎ４絶縁体材料が使用されてもよい。例えば、Ｓｉの選択エピタキシャル成長に使用される気体のＳｉ／Ｃｌ比、温度及び圧力の１つ又は複数等のプロセスパラメータの範囲は、例えば、絶縁膜にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２絶縁体材料のそれぞれを使用する場合に異なるが、これらは両方とも、本明細書の様々な実施形態の範囲内である。限定としてでなく、本明細書で簡単にするために、本発明の幾つかの実施形態は、シリコン層表面上のシリコン半導体層２１０とＳｉＯ２絶縁膜層２４０に関して説明され得る。
【００２５】
絶縁電極を作成する方法１００は更に、半導体材料の選択的横方向エピタキシャル成長を使用して窓内に半導体層から（即ち、半導体層上に）半導体機構要素を成長させ、半導体機構要素が窓を介して絶縁膜の隣接する表面上に延在するようにすること（１４０）を含む。そういうものだから、半導体機構要素は、半導体層と同じ結晶方位を有する。定義により、「選択エピタキシャル成長」とは、半導体材料が、露出した半導体材料上（即ち、半導体材料が形成されるときにその半導体材料自体の上）だけにエピタキシャル成長するが、絶縁膜上には成長も核形成もしないことを意味する。例えば、上述のように、選択エピタキシャル成長は、絶縁膜面上での多結晶半導体材料の堆積を防止する。図２Ｂは、図２Ａのデバイス構造の断面図を示し、この場合、半導体機構要素２５０は、本発明の一実施形態による図１の方法１００を使用して成長される（１４０）。図２Ｂは、限定ではなく一例として、図２Ａに示された２つの窓２４２と一致した２つのそのような半導体機構要素２５０を示す。
【００２６】
半導体機構要素２５０は、窓２４２内に形成された垂直ステム部分２５２と、横方向エピタキシャル過成長（ＬＥＯ）を使用して、垂直ステム２５２と連続した絶縁膜２４０面上に延在するレッジ部分（たな状部）２５４とを含む。幾つかの実施形態では、半導体機構要素２５０は、図２Ｂに示されたように、「Ｔ」字断面形状を有する。幾つかの実施形態では、熱ＣＶＤを用いて、半導体機構要素２５０を選択的にエピタキシャル成長させる（１４０）。エピタキシャル半導体材料は、窓２４２内で、絶縁膜層２４０の厚さを超える厚さまで成長される（１４０）。選択エピタキシャル成長（１４０）は、半導体機構要素２５０のレッジ部分２５４の目標寸法が達成されるまで、絶縁膜２４０表面上に横方向に過成長（即ち、ＬＥＯ）として続く。例えば、図２Ｂに示されるように、隣接する半導体機構要素２５０の場合、レッジ（たな状部）２５４の目標寸法によって、隣接するレッジ２５４間に実質的にギャップが残る。
【００２７】
絶縁電極を作成する方法１００は更に、半導体機構要素と半導体層から絶縁電極対を作成すること（１６０）を含み、これらの電極は、垂直方向に離間され、互いに電気的に絶縁される。絶縁電極対を作成すること（１６０）は、半導体層から半導体機構要素の少なくとも一部分を電気的に絶縁し、半導体機構要素のレッジ部分から第１の電極を作成し、そのレッジ部分が半導体層から垂直方向に離間され、半導体層から（即ち、半導体層内に）第２の電極を作成することを含む。第１の電極と第２の電極は、ナノワイヤベースのデバイスの１対の絶縁電極を形成し、この場合、電極は同じ結晶方位を有する。図３Ａ〜図３Ｂ、図４Ａ〜図４Ｂ、及び図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の様々な実施形態による図１の方法１００を使用して、半導体機構要素と半導体層から絶縁電極対を作成すること（１６０）における図２Ｂのそれぞれのデバイス構造の断面図を示す。実施形態によれば、第２の電極は、それぞれの電極対（例えば、半導体層の相互接続領域）に共通であるか、又はそれぞれの電極対の他方の第２の電極領域から電気的に絶縁された半導体層の領域である。
【００２８】
１対の第１の電極と第２の電極は、絶縁電極を作成する方法１００における任意の時間に導電性にされる。例えば、半導体機構要素と半導体層は、絶縁電極が実施形態によって別々に又は同時に作成される（１６０）前に導電性にされる。幾つかの実施形態では、半導体層は、半導体機構要素がエピタキシャル成長される（１４０）前に導電性にされる。他の実施形態では、半導体機構要素は、その選択エピタキシャル成長（１４０）の間に導電性にされる。別の例では、第１の電極と第２の電極は、実施形態により、その作成（１６０）後に別々又は同時に導電性にされる。本発明の様々な実施形態によれば、構造は、ドーピング技術を使用して導電性にされ得る。
【００２９】
絶縁電極対を作成すること（１６０）の幾つかの実施形態では、レッジ部分から第１の電極を作成することは、エピタキシャル成長された半導体機構要素間に半導体層が露出されるように絶縁膜を除去することを含む。図３Ａは、本発明の一実施形態による絶縁膜２４０の除去後に残った半導体機構要素２５０を示す。半導体機構要素２５０のレッジ部分２５４は、半導体層２１０の表面の上に垂直ステム２５２を越えて、ある距離だけ延在する（即ち、垂直ステム２５２から張り出すか、又は片持ち梁のように突き出る）。この距離は本質的に、除去前の絶縁膜２４０の厚さ（又は、即ち、垂直ステム２５２の高さ）と等しい。絶縁膜２４０は、湿式化学エッチング技術または乾式エッチング技術のいずれかを使用して絶縁膜を選択的に等方性エッチングすることによって除去される。
【００３０】
第１の電極を作成することは更に、半導体機構要素内に化学種を注入して絶縁層を形成することによって半導体機構要素の一部分を互いに絶縁することを含む。幾つかの実施形態では、化学種は酸素であり、注入は、ＳＩＭＯＸ（separation by implanted oxide）技術に類似する。図３Ｂは、本発明の一実施形態による半導体機構要素２５０の垂直ステム部分２５２内の注入絶縁層２６２を示す。半導体機構要素２５０の垂直ステム部分２５２内の絶縁層２６２は、半導体層２１０からレッジ２５４を電気的に絶縁する。レッジ２５４は実質的に、第１の電極２６０である。注入の際に絶縁層が埋め込まれる場所に応じて、第１の電極２６０は、図３Ｂに示されるように、絶縁層２６２の上にある垂直ステム２５２の隣接した部分を含むことがある。
【００３１】
幾つかの実施形態では、注入により互いに半導体機構要素の一部分を絶縁する副産物として、半導体層内に絶縁化学種のポケットが更に形成される場合がある。酸化物注入の間に、例えば、半導体層２１０の一部分に酸化物のポケットを生じさせ、絶縁層２６２が、垂直ステム部分２５２に形成される。その結果、半導体層２１０は、絶縁層２６２を形成する副産物として半導体層２１０内に電気的に絶縁する領域を含んでもよい。図３Ｂは更に、限定ではなく一例として、本発明の一実施形態による半導体層２１０内の絶縁ポケット２６４を概略的に示す。
【００３２】
上述のように、絶縁電極対を作成すること（１６０）は更に、半導体層から第２の電極を作成することを含む。第２の電極を作成することは、第１の電極に面する半導体層の少なくとも一部分を第２の電極として提供することを含む。図３Ｂでは、半導体層２１０は更に、半導体機構要素２５０の垂直ステム部分２５２に隣接する導電性領域２６６を含む。領域２６６は、レッジ２５４（即ち、第１の電極２６０）から電気的に絶縁され、領域２６６の表面は、レッジ２５４に面する。半導体層領域２６６は実質的に、デバイス構造のうちの、第１の電極２６０から電気的に絶縁された第２の電極２７０である。以下では、用語「第１の電極」は、用語「レッジ電極」と交換可能に使用され、用語「第２の電極」は、制限なしに用語「基板電極」と交換可能に使用される。
【００３３】
図３Ｂに示されたように、絶縁層２６２が注入される場所に応じて、第２の電極２７０は、絶縁層２６２より下にある１対の隣接する垂直ステム２５２と、半導体層の領域２６６とを含むことができる。幾つかの実施形態では、それぞれの基板電極２７０を形成する半導体層領域２６６は、互いに電気的に絶縁されず、その結果、第２の電極２７０は実質的に、それぞれの絶縁電極対２６０、２７０間で共通になるが、レッジ電極２６０は、互いに絶縁される。他の実施形態では、半導体層領域２６６は、それぞれの絶縁電極対２６０、２７０がそれぞれ専用の第２の電極２７０を有するように、互いに電気的に絶縁される。バルク半導体ウェーハ又は半導体オンインシュレータウェーハの半導体層は、図３Ａから図３Ｂに示された実施形態の半導体層２１０として使用され得る。
【００３４】
幾つかの実施形態では、図３Ｂのデバイス構造は更に、それぞれの絶縁電極対２６０、２７０の隣接した第２の電極２７０を互いに分離するようにエッチングされる。例えば、電極２７０になる領域２６６を除く半導体層２１０の領域が、半導体オンインシュレータウェーハの絶縁体層２２０が露出されるまでエッチングされる。エッチングされる領域は、隣接する半導体機構要素２５０間の領域と張り出しレッジ２５４の下から外の領域の一方又は両方である。分離した隣接する絶縁電極対を得るために、湿式エッチングと乾式エッチングの一方又は両方を使用することができる。この実施形態では、絶縁電極対２６０、２７０の第２の電極２７０は、それぞれの他の絶縁電極対２６０、２７０の半導体層内の隣接する第２の電極２７０から物理的且つ電気的に分離される。また、この実施形態では、例えば、半導体層２１０は、半導体オンインシュレータウェーハの半導体層であり、独立した第２の電極２７０は、図５Ｃに示された第２の電極２７０に類似する。
【００３５】
絶縁電極対を作成すること（１６０）の別の実施形態では、レッジから第１の電極を作成することが、レッジに隣接する窓を絶縁膜に開けることを含み、この場合、その窓は半導体層の表面を露出させる。幾つかの実施形態では、窓は、隣接する半導体機構要素のレッジ部分の間の隙間（ギャップ）に開けられる。図４Ａは、本発明の一実施形態により半導体層２１０を露出させるために絶縁膜２４０に窓２４４が開けられた図２Ｂのデバイス構造の断面図を示す。
【００３６】
窓を開けることは、絶縁膜を貫通する垂直側壁が形成されるように、絶縁膜を選択的に異方性エッチングすることを含む。絶縁膜に窓を開けることは更に、窓内の絶縁膜を等方性湿式化学エッチングして、隣接した半導体機構要素のレッジの下にある絶縁膜にアンダーカットを形成することを含む。図４Ａは更に、この実施形態でレッジ２５４の下でアンダーカットされた絶縁膜（アンダーカット絶縁膜）２４０を示す。その結果、レッジ２５４は、絶縁膜２４０を越えて延在し（即ち、張り出し）、半導体層２１０の上に片持ち梁のように突き出る。幾つかの実施形態では、垂直エッチングとアンダーカットエッチングは両方とも、湿式化学エッチングを使用して実行されることができ、この場合、レッジ構造の下にある凹状絶縁膜の形状の制御はあまり考慮すべき事項ではない。
【００３７】
この実施形態によれば、レッジから第１の電極を作成することは更に、レッジの一部分を垂直ステムと半導体層から物理的に分離する開口をレッジ内に開けることを含む。開口を開けることは、フォトリソグラフィとエッチングを使用して半導体機構要素の垂直ステム部分の上にあるレッジの一部分を除去することを含み、その結果、残ったレッジ部分は、もはや垂直ステムと連続しなくなるが、絶縁膜によって支持される。残ったレッジは、絶縁膜により支持され、且つ絶縁膜から片持ち梁のように突き出された物理的に分離されたレッジ部分であり、説明を簡単にするために「残存レッジ」と呼ばれる。図４Ｂは、図４Ａのデバイス構造の断面図を示し、レッジには、本発明の一実施形態に従ってそれぞれの垂直ステム２５２と半導体層２１０から残存レッジ２５４を分離する開口２５８が形成される。そういうものだから、残存レッジ２５４は、垂直ステム２５２と半導体層２１０から電気的（且つ物理的に）分離された第１の電極２６０である。
【００３８】
半導体層から第２の電極を作成することは、第２の電極として残存レッジの張り出し部分（即ち、第１の電極）と面する半導体層の少なくとも一部分を提供することを含む。図４Ｂは、半導体層２１０がデバイス構造の対向する第２の電極２７０であることを示す。幾つかの実施形態では、第２の電極２７０は実質的に、別個の絶縁されたレッジ電極２６０を有するそれぞれの絶縁電極対２６０、２７０間で共通である。幾つかの実施形態では、残存レッジの張り出し部分の下にある半導体層の部分は、半導体層の隣接した限定ドープ領域から電気的に絶縁された対向する第２の電極を形成する半導体層２１０の限定ドープ領域である。バルク半導体ウェーハ又は半導体オンインシュレータウェーハの半導体層のいずれかは、図４Ａから図４Ｂに示された実施形態において半導体層２１０として使用され得る。
【００３９】
絶縁電極対を作成すること（１６０）の別の実施形態では、レッジから第１の電極を作成することが、半導体層の一部分を露出させるためにレッジに隣接した絶縁膜に第１の窓を開けることを含む。幾つかの実施形態では、第１の窓は、隣接した半導体機構要素のレッジ部分間のギャップに開けられる。第１の窓を開けることは、絶縁膜の選択的異方性ドライエッチングを行って、垂直側壁を有する第１の窓を絶縁膜に形成することを含む。図５Ａは、本発明の一実施形態による絶縁膜２４０に第１の窓２４６が開けられた図２Ｂのデバイス構造の断面図を示す。絶縁膜２４０の第１の窓２４６は、半導体層２１０の一部分を露出させる。図５Ａから図５Ｃに示された実施形態では、半導体層２１０は、支持体上の半導体層２１０である。例えば、支持体は、半導体オンインシュレータウェーハに関して上述されたような、ハンドルウェーハ２３０と、ハンドルウェーハ２３０と半導体層２１０との間の絶縁体層２２０とを含む。
【００４０】
この実施形態に従って第１の電極を作成することは更に、支持体の、下にある絶縁体層の一部分が露出されるまで、垂直側壁を有する第２の窓を半導体層に開けることを含む。第２の窓を開けることは、フォトリソグラフィと選択的異方性ドライエッチング技術を使用して、垂直ステムの上のレッジの一部分と垂直ステムとを含む半導体機構要素の垂直部分と、除去された垂直ステムの下にあり且つ第１の窓内に露出された半導体層を除去することを含む。幾つかの実施形態では、第２の窓を開けることは、レッジの表面上に垂直ステムの上のレッジを露出させる第１のパターン形成されたマスクを使用することを含む。露出されたレッジと下にある垂直ステムは、方向性ドライエッチングによって除去される。第２の窓を開けることは更に、半導体層を露出させる第２のパターン形成されたマスクを使用することを含む。半導体層は、方向性ドライエッチングを使用して、除去された垂直ステムの下、及び第１の窓内から同時に又は別々に除去される。他の実施形態では、露出されたレッジ、及び下にある垂直ステムと下にある半導体層の両方を除去するために、第１のパターン形成されたマスクが使用される。第１の窓内に露出された半導体層を除去するために、第２のパターン形成されたマスクが使用される。これらの実施形態では、第２の窓を開けることは、エピタキシャル成長された半導体材料と半導体層の半導体材料の両方を、絶縁体層が第２の窓で露出されるまで除去する。図５Ｂは、図５Ａのデバイス構造の断面図を示し、この場合、本発明の一実施形態に従って第２の窓２４８が半導体層２１０に開けられる。
【００４１】
デバイス構造に第１と第２の窓を開けることにより、図５Ｂに示されたように、デバイス構造の離間したカラムという結果になる。各カラムは、絶縁体層２２０に隣接した半導体層２１０の一部分、レッジ２５４の一部分、及び半導体層２１０の部分とレッジ２５４の部分との間の絶縁膜２４０の一部分を含む。絶縁膜２４０の部分は、各カラムの半導体層２１０の部分からレッジ２５４の部分を物理的に分離して電気的に絶縁する。
【００４２】
この実施形態によれば、第１の電極を作成することは更に、選択的等方性湿式化学エッチングを使用して個々のカラムの絶縁膜をエッチングして、それぞれのカラムのレッジと半導体層との間の絶縁膜にアンダーカットを形成することを含む。その結果、レッジは、絶縁膜の上に突き出て（即ち、絶縁膜を越えて延在し）、カラム内の半導体層の上に片持ち梁のように突き出る。アンダーカットされた絶縁膜の結果として、各カラムのそれぞれのレッジと半導体層は、面する（即ち、対向する）水平面を有する。実際には、第２の電極は、レッジから第１の電極を作成する間に半導体層から作成される。各カラム内の張り出しているレッジは、作成された第１の電極であり、各カラムの半導体層は、ナノワイヤベースのデバイスの作成された第２の電極である。電極は、垂直方向に離間され、各カラム内の絶縁膜によって電気的に絶縁される。図５Ｃは、本発明の一実施形態に従ってアンダーカット絶縁膜２４０支持体によって分離された第１の電極２６０と第２の電極２７０を有する、図５Ｂのデバイス構造の断面図を示す。
【００４３】
幾つかの実施形態では、絶縁電極を作成する方法１００は更に、デバイス構造の絶縁電極対間を相互接続するためのナノワイヤを成長させることを含む。ナノワイヤを成長させることは、更に後述されるナノワイヤベースのデバイス内の絶縁電極間にナノワイヤを組み込む方法に関連して説明される。本明細書で使用される場合、冠詞「ａ」は、特許技術におけるその通常の意味、即ち「１つ又は複数」を意味することが意図されている。例えば、「ナノワイヤ」は、「１本又は複数本のナノワイヤ」を意味し、そういうものだから「ナノワイヤ」は、本明細書では「ナノワイヤ（複数）」を意味する。この例では、１対の絶縁電極間を相互接続するために１本のナノワイヤ又は複数本のナノワイヤが成長され得る。
【００４４】
本発明の別の実施形態では、ナノワイヤベースのデバイス内の絶縁電極間にナノワイヤを組み込む方法が提供される。図６は、本発明の一実施形態によるナノワイヤベースのデバイス内の絶縁電極間にナノワイヤを組み込む方法６００のフローチャートを示す。ナノワイヤを組み込む方法６００は、基板を準備し（１２０）、半導体機構要素を成長させ（１４０）、絶縁電極対を作成すること（１６０）を含み、これらの全ては、ナノワイヤベースのデバイスの絶縁電極対を作成するために絶縁電極を作成する方法１００に関して上述されており、電極対は、同じ結晶方位を有する。組み込む方法６００は更に、１対の絶縁電極が電気接続されるように、通常なら絶縁される１対のデバイス電極間で自己組織化するようにナノワイヤを成長させること（６８０）を含む。ナノワイヤは、ナノワイヤの長さ、直径、形状、成長方向及び位置のうちの１つ又は複数が、本発明の幾つかの実施形態に従って制御されるように成長され得る（６８０）。幾つかの実施形態において、ナノワイヤの成長は、絶縁電極対の間で、極めて平行な態様でナノワイヤの自己組織化をもたらす。
【００４５】
定義により、「自己組織化」は、ナノワイヤの端部の一方が、成長中に絶縁電極対の一方の表面に接続される（即ち、本質的に固定される）ように始まるが、その後、他方の端部が、絶縁電極対の他方の対向面に当たり、当たった際に他方の電極に接続されることを意味する。言い換えると、ナノワイヤは、成長する間に本質的に一方の端部で固定され、表面から最終的に反対側の端部で固定するまで延在して、絶縁電極対の対向面間で自己組織化する。そういうものだから、ナノワイヤが、電極対の第１の電極又は第２の電極の表面から発生し、電極対のそれぞれの他方の電極の対向面に当たって接続するまで成長することは、実施形態の範囲内にある。実施形態は、単に説明を簡単にするために、第２の電極の（１１１）水平面から対向する第１の電極の（１１１）水平面まで垂直方向のナノワイヤ成長に関して後述される。
【００４６】
ナノワイヤは、ナノワイヤベースのデバイスの機能を高める様々な電気的、量子的、化学的及び／又は物理的結果をもたらす特有の性質を有する。例えば、ナノワイヤは、上述のように、デバイスの絶縁電極において測定され得る電気コンダクタンスのような変換可能な性質を有する。ナノワイヤの材料は、それぞれの意図された用途のデバイス電極の材料と適合する。
【００４７】
ナノワイヤは、金属材料でも半導体材料でもよく、上記に挙げたグループのいずれかからのものでもよく、又は別の半導体材料でもよい。限定ではなく例として、ナノワイヤは、以下に限定されないが、チタン（Ｔｉ）、ケイ化チタン（ＴｉＳｉ２）、ビスマス（Ｂｉ）、テルル（Ｔｅ）、鉛（Ｐｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）及び銅（Ｃｕ）の１つ又は複数を含む金属から作成され得る。他の例では、ナノワイヤは、例えば以下に限定されないが、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、及び砒化ガリウム（ＧａＡｓ）を含む１つ又は複数の半導体材料とすることができる。更に、ナノワイヤは、例えば、化合物又は合金とすることができる。当該技術分野では多数のナノワイヤ材料が知られている。本発明の様々な実施形態の範囲は、そのような材料を全て含むように意図される。更に、幾つかの実施形態では、ナノワイヤの代わりに、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のようなナノチューブを成長させることができる。
【００４８】
幾つかの実施形態では、ナノワイヤは、単結晶構造であるが、他の実施形態では、ナノワイヤは、非晶質又は多結晶構造とすることができる。更に、ナノワイヤは、均質とすることができ、又はその軸方向長さに沿って様々なナノワイヤ材料の１つ又は複数の部分（セグメント）からなることにより不均質とすることができる。また、ナノワイヤは、ある材料のシェルが別の材料のコアナノワイヤを取り囲むコア−シェル構造を有することもできる。幾つかの実施形態では、半導体ナノワイヤは、用途に応じて、電気伝導性や他の特性の目標量を与えるようにドープされ得る。
【００４９】
ナノワイヤは、以下に限定されないが、蒸気−液体−固体（ＶＬＳ）成長を使用する触媒成長、蒸気−固体（ＶＳ）成長を使用する触媒成長、溶液−液体−固体（ＳＬＳ）成長を使用する触媒成長、及び気相エピタキシを使用する非触媒成長を含む様々な技術を使用して成長される。触媒成長は更に、金属触媒又は非金属触媒によることによって特徴づけられる。幾つかの実施形態では、成長は、化学蒸着法（ＣＶＤ）チャンバ内で、チャンバに導入されるナノワイヤ前駆体材料を含むガス混合物を使用する制御環境で実行される。他の実施形態では、溶液成長またはレーザアブレーションのような、成長ナノワイヤを形成する材料を供給するために他の技術も使用され得る。
【００５０】
触媒成長の場合は、半導体層の表面のナノワイヤが成長されるべき場所に、ナノ粒子触媒が形成される。ナノ粒子触媒は、ガス混合物中のナノワイヤ前駆体材料の分解を加速し、その結果、特定のナノワイヤ材料を含むガスの分解によって生じた原子は、ナノ粒子触媒のすみずみまで、又はそのまわりに拡散し、下にある半導体層表面に原子が沈殿する。ナノワイヤ材料の原子は、ナノ粒子触媒とナノワイヤ成長を開始する表面との間に沈殿する。更に、ナノワイヤの触媒成長は、ナノ粒子−ナノワイヤ界面における連続的な沈殿を続ける。そのような連続的な沈殿により、成長ナノワイヤの自由端の先端にナノ粒子が残る。ナノワイヤ成長は、自由端が第１の電極の対向水平面に当たるまで続けられる。
【００５１】
最も一般的な成長条件下で、ナノワイヤは、結晶格子に対して＜１１１＞方向に成長し、従って主に（結晶格子の）（１１１）面に対して垂直に成長する。（１１１）配向の水平面の場合、ナノワイヤは主に、水平面に対して垂直に成長する。（１１１）配向の垂直面上では、ナノワイヤは主に、垂直面に対して横方向（即ち、水平方向）に成長する。
【００５２】
触媒成長を使用してナノワイヤを成長させる（６８０）ために、半導体層表面上の第２の電極又は基板電極上の場所に、ナノ粒子触媒が形成される。幾つかの実施形態では、ナノ粒子触媒を形成することは、例えば張り出しているレッジの下に触媒材料を付着させるために、角度付き電子ビーム（ｅビーム）蒸着を使用して半導体層表面に触媒材料を付着させることを含む。これらの実施形態では、ナノ粒子触媒を形成することは更に、触媒材料をアニーリングして触媒ナノ粒子を形成することを含む。他の実施形態では、ナノ粒子触媒を形成することは、角度付き電子ビーム蒸着を使用して、張り出しているレッジの下の半導体層表面にナノ粒子触媒を直接的に付着することを含み、その結果、アニーリングは任意である。例えば、アニーリングは、半導体層の表面、及び絶縁電極対の対向水平面の上に存在する可能性がある任意の表面汚れを除去する。代案として、ナノ粒子触媒は、予め形成された触媒ナノ粒子の溶液堆積または気相堆積のような他の手段によってそれぞれの電極表面に追加され得る。
【００５３】
代表的な触媒材料は、金属および非金属である。金属触媒材料には、以下に限定されないが、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、ガリウム（Ｇａ）及びこれらの合金が含まれる。非金属触媒材料には、以下に限定されないが、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）（ここでｘは、約１から２未満の範囲）が含まれる。ＴｉとＡｕの触媒材料に対応する代表的なナノ粒子触媒は、例えば、それぞれケイ化チタン（ＴｉＳｉ２）と金−ケイ素（Ａｕ−Ｓｉ）合金である。
【００５４】
図７Ａから図７Ｂは、本発明の一実施形態による図６の方法６００でナノワイヤを組み込む間の図３Ｂのデバイス構造の断面図を示す。図７Ａでは、ナノ粒子触媒２８２は、本発明の一実施形態に従って、張り出している第１の電極又はレッジ電極２６０の下の位置で第２の電極又は基板電極２７０上に形成される。図７Ｂは、本発明の一実施形態により、基板電極２７０の（１１１）面上のナノ粒子触媒２８２の位置からレッジ電極２６０の対向水平面まで垂直方向に成長したナノワイヤ２８０を示す。ナノワイヤ２８０は実質的に、ナノワイヤベースのデバイスの絶縁電極対２６０と２７０との間を相互接続するように自己組織化する。
【００５５】
幾つかの実施形態では、自己組織化ナノワイヤとアンダーカット絶縁膜の側壁との間に十分な間隔を提供するために、張り出しているレッジ電極と基板電極との間から更なる絶縁膜が除去される。更なる絶縁膜は、必要に応じて、ナノワイヤと絶縁膜との間に十分に広いギャップを開けるために短時間の選択的湿式化学エッチング又は等方性ドライプラズマエッチングを使用して除去される。十分な間隔は、少なくともナノワイヤベースのデバイス内のナノワイヤの機能によって決定される。例えば、限定ではなく、幾つかのナノワイヤベースのセンサにおけるナノワイヤの感度は、ナノワイヤ表面の接近可能性に依存する。アンダーカット絶縁膜が、ナノワイヤ表面の一部へのアクセスを妨げる場合、ギャップは十分ではなく、上述のように、必要に応じて更なる絶縁膜が除去される。本発明の一実施形態により、成長したナノワイヤ２８０に隣接したアンダーカット絶縁膜２４０間のギャップ２８４が、上述の選択的エッチングによって広くされ得る実施形態の例は、ナノワイヤベースのデバイス８００に関して後述される図８Ｂに示される。
【００５６】
幾つかの実施形態では、ナノワイヤを成長させること（６８０）は更に、導電率、電荷キャリアの空乏、及び感度のような、目標の特徴又は特性を与えるか又は強化するために、ナノワイヤをドーピングすることを含む。ナノワイヤは、成長中（６８０）、及び１対の電極間でナノワイヤが成長した後の一方又は両方でドープされ得る。幾つかの実施形態では、絶縁電極は、ナノワイヤをドーピングする前に、又はナノワイヤのドーピングと併せてドープされる。絶縁電極は、ナノワイヤベースのデバイスの使用目的に備えて目標レベルの電気コンダクタンスを電極に与えるようにドープされる。
【００５７】
本発明の別の実施形態では、ナノワイヤベースのデバイスが提供される。ナノワイヤベースのデバイスは、ある結晶方位を有する基板電極を含む。基板電極は、本明細書で説明されるように基板の半導体層から（即ち、半導体層内に）形成される。幾つかの実施形態では、半導体層はバルク半導体ウェーハであり、基板電極は、水平面を有するバルク半導体ウェーハの領域である。他の実施形態では、半導体層は、半導体オンインシュレータウェーハの半導体層であり、基板電極は、水平面を有する半導体層の領域である。基板電極領域は、その領域をドーピングすることによって導電性にされる。幾つかの実施形態では、基板電極は、上述の絶縁電極を作成する方法１００を使用して提供される。従って、基板電極は、半導体層の結晶方位と同じ結晶方位を有し、この場合、結晶方位は、任意の結晶方位とすることができる。幾つかの実施形態では、基板電極は、（１１１）配向の半導体層に形成され、従って、［１１１］結晶方位を有する。幾つかの実施形態では、基板電極は、ナノワイヤベースのデバイスに含まれる基板電極のアレイのうちの１つの電極である。
【００５８】
ナノワイヤベースのデバイスは更に、半導体層のエピタキシャル半導体であるレッジ電極を含む。レッジ電極は、基板電極から電気的に絶縁される。更に、レッジ電極は、基板電極の上に片持ち梁のように突き出る。「エピタキシャル半導体」は、レッジ電極の半導体材料が、半導体層の結晶格子方位によく似ている半導体層上のレッジ半導体材料の選択的横方向エピタキシャル成長であることを意味する。従って、レッジ電極は、基板電極と同じ結晶方位を有する。幾つかの実施形態では、レッジ電極は、上述の絶縁電極を作成する方法１００を使用して作成される。レッジ電極は、レッジ電極を導電性にするようにドープされる。レッジ電極は、対応する（即ち、対向する）基板電極を有する絶縁電極対を形成する。幾つかの実施形態では、レッジ電極は、ナノワイヤベースのデバイスに含まれるレッジ電極のアレイのうちの１つの電極であり、そういうものだから、これらの実施形態では、レッジ電極及びそれぞれのアレイの対応する基板電極は、絶縁電極対のアレイを形成する。
【００５９】
ナノワイヤベースのデバイスは更に、基板電極とレッジ電極との間で垂直方向に架橋するナノワイヤを含む。ナノワイヤは、基板電極と絶縁電極対のレッジ電極との間で自己組織化するように成長される。幾つかの実施形態では、上述のナノワイヤを組み込む方法６００を使用して、絶縁電極間にナノワイヤが成長される。例えば、ナノワイヤの成長は、（１１１）配向の基板電極の（１１１）水平面上に戦略的に配置されたナノ粒子触媒、及びナノワイヤ前駆体材料を含む制御環境を使用することを含む。ナノワイヤは、一方の端部が基板電極面にナノ粒子触媒の位置で固定され、且つ他方の端部がレッジ電極の対向（１１１）水平面に固定された状態で、（１１１）配向の電極間で成長し自己組織化する。
【００６０】
図８Ａから図８Ｃは、本発明の様々な実施形態によるナノワイヤベースのデバイス８００の断面図を示す。図８Ａのナノワイヤベースのデバイス８００は本質的に、図７Ｂに示されたデバイス構造であるが、半導体層２１０は、限定ではなく一例として半導体オンインシュレータウェーハの半導体層の代わりにバルク半導体ウェーハである。図８Ｂのナノワイヤベースのデバイス８００は本質的に、図４Ｂに示されたデバイス構造であり、別の実施形態に従って、組み込む方法６００に関して上述された方法と本質的に同じ方法でデバイス構造に組み込まれたナノワイヤ２８０を更に有する。図８Ｂでは、ナノワイヤベースのデバイス８００は、やはり限定ではなく一例として、この実施形態では図４Ｂに示された半導体オンインシュレータウェーハの半導体層の代わりにバルク半導体ウェーハである半導体層２１０を含む。図８Ｃのナノワイヤベースのデバイス８００は本質的に、図５Ｃに示したデバイス構造であり、別の実施形態に従って、やはり組み込む方法６００に関して上述された方法と本質的に同じ方法でデバイス構造に組み込まれたナノワイヤ２８０を更に含む。図８Ｃに示されたデバイス８００の実施形態では、半導体層２１０は、図５Ｃに示され、図５Ｃに関して上述されたような半導体オンインシュレータウェーハの半導体層であることに留意されたい。
【００６１】
ナノワイヤ２８０は、基板電極２７０とレッジ電極２６０をプロービングすることによって測定される変換可能な特性を有する。幾つかの実施形態では、ナノワイヤベースのデバイス８００はセンサデバイスであり、ナノワイヤ２８０は、ナノワイヤ２８０がさらされる環境を検出するための手段である。ナノワイヤ２８０の変換可能な特性が、環境の変化に起因して変化する場合、センサデバイスは、基板電極２７０とレッジ電極２６０との間のナノワイヤ２８０の変換可能な特性を測定することによってその変化を検出する。センサデバイスには、以下に限定しないが、ナノスケール化学センサが含まれる。幾つかの実施形態では、ナノワイヤベースのデバイス８００は電子デバイスであり、ナノワイヤ２８０は、基板電極２７０とレッジ電極２６０との間の経路に沿って電気信号を伝えるための手段である。電子デバイスには、以下に限定しないが、ナノスケールトランジスタ、ナノスケールダイオード、及びナノスケール相互接続導体が含まれる。幾つかの実施形態では、ナノワイヤベースのデバイス８００は、光電子デバイスであり、ナノワイヤ２８０は、基板電極２７０とレッジ電極２６０による刺激に基づいて電気信号を光信号に変換するための手段である。光電子デバイスには、以下に限定されないが、ナノスケールレーザが含まれる。幾つかの実施形態では、ナノワイヤベースのデバイス８００は、ｐｎ接合を含むフォトダイオードのような、光検出器である。
【００６２】
このように、ナノワイヤベースのデバイスの絶縁電極を作成する方法、ナノワイヤベースのデバイスの絶縁電極間にナノワイヤを組み込む方法、及び１対の絶縁電極を有するナノワイヤベースのデバイスの様々な実施形態を説明したが、各実施形態では、絶縁電極対は同じ結晶方位を有する。上述の実施形態が、本発明の原理を表わす多数の特定の実施形態のうちの幾つかの単なる例証であることを理解されたい。当業者は、以下の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲から逸脱することなく多数の他の構成を容易に考案できることは明らかである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【国際調査報告】
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