(57)【要約】【課題】  ナノサイズの素子を作製する際においても、ドーパントを保持することができるようなシリコンの単結晶構造を有する素子分離デバイス材料を提供する。【解決手段】  シリコン基板表面が、針状ナノシリコン結晶により構成されており、前記針状ナノシリコン結晶は、その先端の曲率半径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、その根元部分の結晶内部に、積層欠陥または転位が生じており、また、前記シリコン基板表面に不純物汚染防止層が形成されていることを特徴とする素子分離デバイス材料を用いる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板表面が針状ナノシリコン結晶により構成されていることを特徴とする素子分離デバイス材料。
【請求項２】
前記針状ナノシリコン結晶は、その先端の曲率半径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の素子分離デバイス材料。
【請求項３】
前記針状ナノシリコン結晶は、その根元部分の結晶内部に、積層欠陥または転位が生じていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の素子分離デバイス材料。
【請求項４】
前記シリコン基板表面には、不純物汚染防止層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の素子分離デバイス材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子分離デバイス材料に関し、より詳細には、針状ナノシリコン結晶を用いた素子分離デバイス材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エレクトロニクス産業における技術の高度化に伴い、デバイスの一層の微細化、高集積化が要求されるようになり、その加工技術の微細化の程度は、サブミクロンオーダーの領域を超え、ナノメータ（ｎｍ）オーダーの領域に達するようになってきた。そのため、数十ｎｍ〜数ｎｍのサイズの素子や構造部材が必要とされるようになってきている。
【０００３】
一般に、物質のサイズは、ｎｍオーダーのサイズにまで小さくなると、バルクとは全く異なる新しい属性を示すようになる。例えば、バルクのグラファイト（黒鉛）は導電体であるのに対して、カーボンナノチューブは、サイズや構造によっては、半導体の属性を示す。
また、ナノチューブの先端に電界をかけると、強い電界集中が起こり、トンネル効果によって、チューブ先端から電子が容易に真空中に飛び出す。
このような特性から、ナノチューブは、エレクトロニクス材料としての面からも注目されている。
【０００４】
しかしながら、シリコン（Ｓｉ）に関しては、炭素と同族の元素であるにもかかわらず、同様のナノ構造体の合成例はあまり知られておらず、先鋭な形状を有するシリコン単結晶の合成例として、ＶＬＳ機構（ｖａｐｅｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）により、偶発的に、ファイバー状のシリコン結晶が形成された事例や、シリコン（Ｓｉ）基板上にＳｉ微結晶粒を種結晶として載置し、該基板面をＳｉの融点付近まで加熱して、表面偏析により茎状形状を有するファイバー状結晶を形成させる例が知られている程度に過ぎなかった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記のように、シリコンナノチューブ、シリコンノナノコーンのような先鋭な形状を有するシリコン微小構造体を合成により作製することが困難である理由の一つには、シリコンが空気中で容易に酸化され、ケイ素酸化物に変化しやすいことが挙げられる。
特に、ナノ構造体のように超微小の構造物は、その比表面積が極めて大きいため、酸化されやすく、極微量の酸素や酸化性物質との接触により容易に酸化されて崩壊する。とりわけ、先端部は、胴部等に比べて結合歪みが大きいため、酸化に対して極めて敏感であり、容易に構造体の崩壊を誘発する。
このため、従来は、先鋭な形状を有するナノサイズの針状シリコン結晶を再現性よく製造することは困難であった。
【０００６】
したがって、従来は、デバイス等に用いられる微細のシリコン材料は、シリコン単結晶基板をリソグラフィーやエッチング等により微細加工して形成されていた。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２２０３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、一般的に、素子サイズを微細化させる過程において、先端のサイズがｎｍオーダーにまでなると、ドーパントをインプラント等した場合であっても、全くドーピングができない現象が生じる。
これは、前記ドーパントを保持することができる結晶欠陥サイトが存在しないという、シリコン単結晶の完全性によるものである。
【０００９】
上記のように、微細加工によっては、５０ｎｍ以下の素子を形成することは困難であった。
したがって、デバイスとしての応用用途を開拓するためには、上記のようなエッチング等によって形成されるレベルの欠陥サイズではなく、空孔レベルの欠陥が存在することにより、ドーパントを保持することができる単結晶構造が求められる。
【００１０】
そこで、本発明者は、本出願人が既にその製造方法についても提案している先鋭な形状を有する超微小な針状ナノシリコン結晶を用いて、優れた性能を発揮することができるデバイスを得るべく検討を行った。
【００１１】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、ナノサイズの素子を作製する際においても、ドーパントを保持することができるようなシリコンの単結晶構造を有する素子分離デバイス材料を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る素子分離デバイス材料は、シリコン基板表面が針状ナノシリコン結晶により構成されていることを特徴とする。
シリコン基板表面を上記のような構成とすることにより、ナノサイズの素子を作製する場合においても、ドーパントを保持することが可能となる。
【００１３】
前記針状ナノシリコン結晶は、その先端の曲率半径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。
本発明に係る素子分離デバイス材料が、ナノサイズの素子分離デバイスとしての優れた機能を発揮し得るためには、前記針状ナノシリコン結晶の先鋭な先端における曲率半径は上記範囲内であることが好ましい。
【００１４】
前記針状ナノシリコン結晶は、その根元部分の結晶内部に、積層欠陥または転位が生じていることが好ましい。
上記欠陥等の発生に伴い、針状ナノシリコン結晶の先端および表面には、空孔レベルでの欠陥が存在した状態とすることができ、これにより、前記針状ナノシリコン結晶を、ドーパントを保持することができるような単結晶構造とすることができる。
【００１５】
また、前記シリコン基板表面には、不純物汚染防止層が形成されていることが好ましい。
前記針状ナノシリコン結晶の作製の際に触媒として用いられた金属粒子が、デバイス形成工程の熱処理においてシリコン基板表面に拡散することを、前記不純物汚染防止層により抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述のとおり、本発明に係る素子分離デバイス材料は、ナノサイズの素子を作製する際においても、ドーパントを保持することができるシリコン単結晶構造を有しているため、これを用いれば、従来は困難であった５０ｎｍ以下のサイズの素子を、従来と同様の方法によりドーピングして作製することができる。
また、前記素子分離デバイス材料は、シリコン単結晶からなるため、微量の不純物をドーピングすることにより、その針状ナノシリコン単結晶の先端部をナノサイズの半導体センサや半導体デバイスとして利用することができ、新しいナノサイズ素子材料を提供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】
【００１７】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る素子分離デバイス材料は、基板となるシリコン単結晶の表面が針状ナノシリコン結晶により覆われた構造を有しているものである。
シリコン基板表面を上記構成とすることにより、ナノサイズの素子を作製する場合においても、従来と同様の方法により、ドーパントを保持することができる素子分離デバイス材料を提供することが可能となる。
【００１８】
上記のような針状ナノシリコン結晶は、本出願人が、既に、特願２００３−７７７２において提案したものであり、該出願に開示された製造方法により得ることができる。
具体的には、以下の方法により、針状ナノシリコン結晶を製造することができる。
まず、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、アルコールおよびフッ酸による洗浄処理等により表面を清浄化したシリコン基板に、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス雰囲気下で、直流放電により、陰極をスパッタし、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ等の触媒金属微粒子を付着させる。
次に、ＣＨ4／Ｈ2（２０％）ガス等を用いて、前記シリコン基板を陰極として、ＤＣ・マイクロ波重畳放電を行う。
これにより、シリコン基板上に、針状ナノシリコン結晶が得られる。
【００１９】
図１に、シリコン基板表面が針状ナノシリコン結晶により構成されている本発明に係る素子分離デバイス材料を模式的に示す。
図１に示すように、上記のような触媒を用いたプラズマＣＶＤ法により、シリコン基板１面に付着した触媒金属微粒子２にほぼ対応する無数の針状ナノシリコン結晶３が、一様に、かつ、該基板面に対して垂直に配向した状態で形成される。
【００２０】
上記製造方法によれば、前記針状ナノシリコン結晶３は、表面が炭素薄膜４により被覆され、内部のシリコンの酸化が回避された安定な状態で得られる。
なお、前記炭素薄膜４は、必要に応じて、容易に除去することができる。
例えば、加熱することにより、炭素薄膜（Ｃ）をシリコン（Ｓｉ）と反応させて、炭化ケイ素（ＳｉＣ）層とした後、ＨＦ＋ＨＮＯ3液等のエッチング液を用いてエッチング処理することにより、前記炭化ケイ素層を除去し、内部の針状ナノシリコン結晶のみを分離することができる。
【００２１】
また、上記製造方法においては、Ｆｅ等の金属微粒子を触媒として用いるため、シリコン基板１上に残存するこれらの触媒金属微粒子が、後の熱処理等の際に、シリコン基板１上に拡散するおそれがある。
この触媒金属微粒子２は、シリコン基板１と針状ナノシリコン結晶３との界面近傍に存在することから、該界面近傍のシリコン基板１表面には、ＳｉＣ、ＳｉＮ等による不純物汚染防止層５を形成しておくことが好ましい。
該不純物汚染防止層５を形成しておくことにより、デバイス形成工程における熱処理等の際の前記触媒金属微粒子２の拡散を抑制することができる。
【００２２】
本発明において用いられるシリコン基板１としては、特に限定されないが、鏡面研磨後、表面が清浄化処理されたシリコン単結晶ウエハが好ましく、特に、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等がドープされた、抵抗率０．１〜２０Ω・ｃｍ程度のｎ型の低抵抗シリコンウエハを用いることが好ましい。
また、シリコン基板面の結晶方位が〈１００〉であり、表面が酸化処理されたものを用いることがより好ましい。
【００２３】
上記製造方法により得られる針状ナノシリコン結晶３は、その一つ一つは、先端がナノオーダーでの曲率半径を有する先細状であり、底面の直径に対する高さが１倍以上の縦長のほぼ円錐状である。
前記針状ナノシリコン結晶３は、その先端の曲率半径が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましく、特に、ナノサイズの素子分離デバイスとしての優れた機能を発揮させる観点から、前記曲率半径は１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
また、前記針状ナノシリコン結晶３の根元部分の結晶内部には、上記製造方法において用いられるＦｅ等の触媒金属微粒子の触媒効果によって、積層欠陥または転位が生じやすくなる。
一方、針状ナノシリコン結晶３の先端および表面には、２次元または３次元的な欠陥が生じることなく、空孔レベルでの欠陥が存在した状態とすることができる。
本発明に係る素子分離デバイス材料においては、上記のように、先端に空孔レベルでの欠陥が存在することにより、通常のシリコンウィスカーとは異なり、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）等を通常用いられる方法により、ドーピングすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る素子分離デバイス材料を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    シリコン基板
２    触媒金属微粒子
３    針状ナノシリコン結晶
４    炭素薄膜
５    不純物汚染防止層
【図１】
2005081481.tif 000002