(57)【要約】【課題】  配向制御されたナノワイヤを提供すること。【解決手段】  本発明のナノワイヤ１は、シリコン結晶基板３に形成され、基板３に配置された島状ニッケル２から基板の結晶方位に沿って延びるシリサイドからなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる結晶領域を有する基板に形成され、結晶領域の結晶方位に沿って延び、半導体と金属との化合物からなるナノワイヤ。
【請求項２】
結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して配置された金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って延びる請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項３】
半導体は、シリコンである請求項１又は２に記載のナノワイヤ。
【請求項４】
基板は、複数の結晶領域を有し、各結晶領域は、互いに異なる結晶方位を有する請求項１又は２に記載のナノワイヤ。
【請求項５】
金属材料は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｇｄ又はＤｙ等からなる請求項２に記載のナノワイヤ。
【請求項６】
請求項１又は２に記載のナノワイヤであって、その横断面の外接円の直径が１００ｎｍ以下であるナノワイヤ。
【請求項７】
請求項１又は２に記載のナノワイヤであって、その横断面の外接円の直径に対する長さの比が３倍以上であるナノワイヤ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１つに記載のナノワイヤを用いた半導体装置。
【請求項９】
（１）半導体からなる結晶領域を有する基板の結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して金属材料を配置し、（２）炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する工程を備え、熱処理により金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物を成長させるナノワイヤの製造方法。
【請求項１０】
（１）半導体からなる結晶領域を有する基板の結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して金属材料を配置し、（２）炭素含有ガス又は炭素含有材料の存在下でプラズマＣＶＤを行いながら基板を熱処理する工程を備え、熱処理により金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物を成長させるナノワイヤの製造方法。
【請求項１１】
半導体からなる結晶領域を有する基板は、導体と金属との化合物の成長を阻害する成長阻害層を基板上に備え、結晶領域は、成長阻害層上に形成される請求項９又は１０に記載の製造方法
【請求項１２】
工程（１）は、結晶領域を有する半導体基板の結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して金属材料からなる材料層を形成し、材料層の一部の領域を不活性化させることにより、結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して金属材料を配置する工程である請求項９又は１０に記載の製造方法。
【請求項１３】
材料層の一部の領域の不活性化は、材料層の一部に紫外線、電子線又はイオンビームを照射することによって行う請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
（１）半導体層を有する基板の半導体層上に金属材料を配置し、又は基板上に配置された金属材料上に半導体層を形成し、（２）金属材料上若しくは下の領域又は金属材料に隣接した領域を結晶化させて結晶領域を形成し、（３）炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する工程を備え、熱処理により金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物を成長させるナノワイヤの製造方法。
【請求項１５】
（１）半導体層を有する基板の半導体層上に金属材料を配置し、又は基板上に配置された金属材料上に半導体層を形成し、（２）金属材料上若しくは下の領域又は金属材料に隣接した領域を結晶化させて結晶領域を形成し、（３）炭素含有ガス又は炭素含有材料の存在下でプラズマＣＶＤを行いながら基板を熱処理する工程を備え、熱処理により金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物を成長させるナノワイヤの製造方法。
【請求項１６】
半導体層を有する基板は、導体と金属との化合物の成長を阻害する成長阻害層を基板上に備え、半導体層は、成長阻害層上に形成される請求項１４又は１５に記載の製造方法
【請求項１７】
成長阻害層は、酸化シリコン又は窒化シリコンからなる請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
基板の熱処理は、３００〜１５００℃で行われる請求項９、１０、１４又は１５に記載の製造方法。
【請求項１９】
炭素プラズマは、炭素含有ガスとキャリアガスの混合ガスをプラズマ化して形成され、炭素含有ガスに対するキャリアガスの体積比は、２〜９である請求項９又は１４に記載の製造方法。
【請求項２０】
半導体は、シリコンである請求項９、１０、１４又は１５に記載の製造方法。
【請求項２１】
金属材料は、金属材料は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｇｄ又はＤｙ等からなる請求項９、１０、１４又は１５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノワイヤ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコンナノワイヤに関しては、０．５％の鉄を含むシリコン粉末を原料として、１２００℃でのレーザーアブレーション法によりナノワイヤを作製した事例が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。また、特許文献１では銀のナノワイヤが報告されている。
【特許文献１】特開平２００２−６７０００号公報
【非特許文献１】Ｙ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７        ２（１９９８）１８３５．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これら従来の製法で作製したナノワイヤは、その配向制御が困難であった。そのため、このナノワイヤを電子デバイス（例えば、低消費電力を実現する半導体デバイスや、高感度センシングデバイス）のナノ細線として応用することが困難であった。
【０００４】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、配向制御されたナノワイヤを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のナノワイヤは、半導体からなる結晶領域を有する基板に形成され、結晶領域の結晶方位に沿って延び、半導体と金属との化合物からなる。
【０００６】
発明者は、（１）半導体からなる結晶領域を有する基板の結晶領域上に、結晶領域に隣接して、又は結晶領域下に金属材料を配置し、（２）炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する工程を備え、熱処理により金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物を成長させる方法などによって、結晶領域の結晶方位に沿って延び、半導体と金属との化合物からなるナノワイヤを製造することが出来ることを見出し、本発明を完成させた。
【０００７】
炭素原子又は炭素プラズマの存在下での基板の熱処理によって、金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物が成長するメカニズムは、必ずしも明らかでないが、炭素原子又は炭素プラズマが触媒として働き、この化合物成長を促進していると考えられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、結晶領域の結晶方位に沿って延び、半導体と金属との化合物からなるナノワイヤが提供される。
【０００９】
本発明のナノワイヤは、配向制御されているので、半導体装置のナノ細線として容易に利用することができる。従って、本発明のナノワイヤを用いると、従来よりも高感度なセンシングが可能な半導体装置又は消費電力の小さい半導体装置などを作ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
１．構造
本発明のナノワイヤは、半導体からなる結晶領域を有する基板に形成され、結晶領域の結晶方位に沿って延び、半導体と金属との化合物からなる。
【００１１】
本発明のナノワイヤは、具体的には、例えば、半導体からなる結晶領域を有する基板に形成され、結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して配置された金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って延び、半導体と金属との化合物からなる。
【００１２】
１−１．基板
基板には、全体が半導体（シリコンなどからなる。）からなる基板を用いることができる。また、基板には、絶縁体基板（ガラスなどからなる。）又は導電体基板（アルミなどの金属などからなる。）上に半導体層を形成したものを用いてもよい。また、基板は、半導体からなる結晶領域を有する。基板は、単結晶、多結晶又は微結晶などである。基板が多結晶又は微結晶の場合は、そこに含まれる結晶粒が「結晶領域」に該当する。基板には、シリコン単結晶基板を用いることが好ましい。本発明のナノワイヤは、結晶領域の結晶方位に沿って延びる。「結晶領域の結晶方位」とは、例えば、<１１０>のような方向を意味する。例えば、Ｓｉ（１１１）基板の場合、３回対称の基板の結晶方位を反映し、等価な＜１１０＞方向への３方向の成長だけが起こる。
【００１３】
また、基板は、複数の結晶領域を有し、各結晶領域は、互いに異なる結晶方位を有することが好ましい。この場合、複数の方向に延びるナノワイヤを得ることができる。
【００１４】
１−２．金属
金属は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｇｄ又はＤｙ等からなることが好ましい。これらは、シリコンなどの半導体と反応して、導電性の化合物を生成するからである。なお、
金属材料は、結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して配置される。この金属材料と結晶領域との界面近傍から、上記導電性化合物の成長が始まる。一旦、導電性化合物の成長が始まると、この化合物の成長がさらに容易になるので、成長が継続し、ナノワイヤとなる。この成長は、エピタキシャル成長であるので、ナノワイヤは、結晶領域の結晶方位に沿って延びることとなる。また、金属材料を配置する場所を制御することにより、ナノワイヤを形成する場所を制御することができる。
【００１５】
金属材料は、好ましくは、円形又は正方形などの島状に形成される。その直径又は一辺は、好ましくは、５μｍ以下である。島のサイズが５μｍ以下の場合、ナノワイヤの成長開始点を正確に制御できるからである。また、金属材料は、複数の島からなることが好ましい。この場合、多くのナノワイヤが得られるからである。また、この場合、島間の距離は、３μｍ以上であることが好ましい。この場合、長いナノワイヤが得られるからである。金属材料は、その厚さが、好ましくは５〜１００ｎｍであり、さらに好ましくは、５〜３０ｎｍ程度である。
【００１６】
１−３．ナノワイヤ
ナノワイヤは、その横断面の外接円の直径又は長さがナノスケールであるものに限定されない。また、ナノワイヤは、その横断面の外接円の直径を１００ｎｍ以下とすることができる。また、ナノワイヤは、その横断面の外接円の直径に対する長さの比を３倍以上とすることができる。本発明は、このような細長いナノワイヤを容易に得られるようにしたことに特に、特徴を有する。また、このような細長いナノワイヤは、例えば、半導体装置間の配線に用いることができる。従って、本発明によると、このようなナノワイヤを用いた半導体装置が提供される。また、ナノワイヤの長さ及び太さなどは、ナノワイヤの製造時に用いる金属材料の分量、製造温度及び時間などを制御することによって、調節することができる。例えば、金属材料の分量を増やすことより、ナノワイヤを長くすることができる。ナノワイヤのサイズは、走査型電子顕微鏡などを用いて確認することができる。また、ナノワイヤの組成は、オージェ電子分光装置などを用いて確認することができる。
【００１７】
２．第１の製造方法
このようなナノワイヤは、例えば、（１）半導体からなる結晶領域を有する基板の結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して金属材料を配置し、（２）炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する工程を備え、熱処理により金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物を成長させる方法によって、製造することができる。
【００１８】
２−１．工程（１）半導体からなる結晶領域を有する基板の結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して金属材料を配置する工程
基板及び金属についての説明は上述した通りである。
【００１９】
２−１−１．金属材料の配置
金属材料は、結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して配置される。「結晶領域下に配置される」とは、例えば、基板上に金属材料からなる層を形成し、その上に、結晶領域を有する半導体層を形成するような場合である。この場合、半導体層には、直径０．１〜１００μｍ程度の開口を形成することが好ましい。金属材料を気相中のプラズマにさらすことにより、反応を効果的に起こさせるためである。開口は、フォトリソグラフィ技術又はＦＩＢなどにより形成することができる。
【００２０】
また、金属材料は、絶縁膜などを介して結晶領域上などに配置されてもよい。この場合、絶縁膜の下にナノワイヤが形成され、ナノワイヤが気相中の水分などから保護される。絶縁膜の厚さは、１〜２５ｎｍ程度であることが好ましい。この場合、熱処理工程で金属材料が絶縁膜を突き抜けて、その下の半導体と反応することができるからである。
【００２１】
金属材料は、以下の方法などで配置される。
【００２２】
第１の方法は、金属材料を蒸着する部分に対応する開口を有するマスクを介して、金属材料を蒸着させる方法である。マスクは、好ましくは、非接触型であり、基板と蒸着源との間に配置される。また、マスクには、例えば、厚さ１μｍ程度の銅板に酸エッチングを行うか、又はＦＩＢ装置を用いて開口が形成される。
【００２３】
第２の方法は、結晶領域を有する半導体基板の結晶領域上若しくは下に又は結晶領域に隣接して金属材料からなる材料層を形成し、材料層の一部の領域を不活性化させる方法である。材料層の一部の領域の不活性化は、例えば、材料層の一部に紫外線、電子線又はイオンビームを照射することによって行うことができる。材料層の一部に紫外線又は電子線を照射すると、その部分の金属材料が酸化されて不活性になる。また、材料層の一部にイオンビームを照射すると、その部分の金属材料のポテンシャルが変化し、不活性になる。不活性になった部分からは結晶は成長しないので、紫外線などを照射する部分を制御することにより、活性な金属材料を配置する場所を定めることができる。
【００２４】
また、金属材料は、複数の島に形成し、一部の島に紫外線、電子線又はイオンビームを照射することによって、その島の金属材料を不活性化させることができる。これにより、ナノワイヤが成長する領域を定めることができる。
一部の領域又は一部の島への紫外線、電子線又はイオンビームの照射は、例えば、開口を有するメタルマスクなどを介して、これを照射することによって、行うことができる。また、イオンビームの場合、ＦＩＢ装置を用いて、直接描画してもよい。
【００２５】
その他、レジストを用いて特定のパターンを現像し、最終的にはレジストを除去することで所望のパターンを得るフォトリソグラフィーの手法、均一な連続膜を作成後、所定の箇所にイオンビーム加工装置で加工を施す手法、又は溶液中に触媒粒子を展開し、触媒含有溶液を基板上に展開後、所定の温度で乾燥させ溶媒のみを除去する方法などを用いてもよい。
【００２６】
２−１−２．紫外線、電子線及びイオンビーム
上記紫外線は、例えば中心波長１４６ｎｍの紫外光を放射照度１０ｍＷ/ｃｍ２等で照射し、また、その照射時間は、１〜６００分であることが好ましい。
【００２７】
また、上記電子線は、その強度が０．１〜５０ｋｅＶであることが好ましい。
【００２８】
また、上記イオンビームは、Ｇａイオン、Ａｕイオン、Ａｒイオン、Ｈイオン、Ｏイオン、Ｃｓイオン、Ｎａイオン、又はＭｇイオンなどからなる。イオンビームのエネルギーは、好ましくは、０．１〜５０ｋｅＶ程度であり、イオンが金属材料中に留まる強さになるように適宜調節される。一般にイオンと固体の衝突において、イオンのエネルギーが高い場合、イオンは周りの電子の存在が無視できるほど固体構成原子に近づくので、核が作るクーロンポテンシャルのみに影響を受けて散乱される（ラザフォード衝突）。イオンエネルギーが低くなると、原子核周りの電子の存在が無視できなくなり、原子核の作るクーロン場はこの軌道電子により遮蔽されて、あたかも電子雲で囲まれた球が動いているように作用する（剛体球衝突）。この剛体球衝突とラザフォード衝突の境になるエネルギーは、入射イオンの質量が軽い程低く、また基板を構成する原子の原子番号が小さい程低い。水素のような軽いイオンをシリコンに照射したときは約１ｋｅＶが境のエネルギーであるが、水銀の様な重い原子をシリコンに照射したときは約１．２ＭｅＶになる。イオンビームのエネルギーを低くしていくと固体の損傷は低減される。固体表面の原子数を１０15個／ｃｍ2として考えると、５００ｅＶのエネルギーでＳｉにＡｒイオンビームを照射すると、基板原子は表面から約２０層乱されることになる。イオンビームのエネルギーを更に数１０ｅＶまで下げるとイオンはもはや基板原子を動かせなくなる。この閾値を基板原子の変位の閾エネルギーと言う。Ｓｉ基板をＡｒビームで照射した場合、この閾値は２２ｅＶ程度であるが、Ｇａ又はＡｓの場合、７〜１２ｅＶとなり、材料とイオンビームの組み合わせで異なる。Ｓｉに各種原子を注入する場合、例えばＡｒの場合、２０ｋｅＶのエネルギーで２１．５ｎｍの位置まで注入され（投影飛程）、６０ｋｅＶ、１００ｋｅＶとエネルギーが上がっていくに従って６０．９ｎｍ、１０２ｎｍとその飛程が伸びる。この様にイオン種とイオンビームが照射される基板との組み合わせで、イオンビームの加速電圧をコントロールする必要がある。
【００２９】
２−１−３．成長阻害層
半導体からなる結晶領域を有する基板は、導体と金属との化合物の成長を阻害する成長阻害層を基板上に備えてもよく、結晶領域は、成長阻害層上に形成されてもよい。成長阻害層は、好ましくは、酸化シリコン又は窒化シリコンからなる。成長阻害層が酸化シリコンからなる場合、その厚さは、好ましくは、３０〜１００ｎｍ程度であり、窒化シリコンからなる場合、その厚さは、好ましくは、１〜１０ｎｍ程度である。
【００３０】
成長阻害層を設けることにより、基板方向へのナノワイヤ（半導体と金属との化合物）の成長が阻害されるため、ナノワイヤの厚さを制御することができる。
【００３１】
２−２．工程（２）炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する工程
２−２−１．炭素原子又は炭素プラズマ
炭素原子又は炭素プラズマは、例えば、炭素含有ガス（メタン若しくはプロパンなどの炭化水素など）を含むガスを用いて、プラズマＣＶＤなどを行うことにより、生成することができる。炭素含有ガスは、好ましくは、水素ガス又は不活性ガスなどのキャリアガスと混合されて用いられる。すなわち、炭素原子又は炭素プラズマは、好ましくは、炭素含有ガス（例えば、メタンガス）とキャリアガス（例えば、水素ガス）の混合ガスをプラズマ化して形成される。炭素含有ガスの流量は、好ましくは、０．１〜１００ｓｃｃｍ程度である。また、炭素含有ガスに対するキャリアガスの体積比は、好ましくは、２〜９である。また、プラズマ化は、好ましくは、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いて行うことができる。マイクロ波発生装置に投入する電力は、好ましくは、１００〜２０００Ｗである。なお、プラズマの発生は、マイクロ波型又は誘導結合型のプラズマＣＶＤ装置などを用いて行うことができる。
【００３２】
また、炭素原子又は炭素含有プラズマは、予め基板上に炭素含有材料（非晶質炭素又はグラファイトなど）を設け、その基板に対して、水素ガスなどを用いて、プラズマＣＶＤを行うことにより、生成してもよい。
なお、炭素含有ガス又は炭素含有材料の存在下でプラズマＣＶＤを行う前に、水素ガスのみでプラズマＣＶＤを行うことにより、基板又は金属材料表面のクリーニングを行っておくことが好ましい。
また、熱処理の間、基板には、−１０〜―１００Ｖのバイアスを印加しておくことが好ましい。この場合、ナノワイヤの成長が促進されるからである。
【００３３】
２−２−２．熱処理
熱処理は、好ましくは、３００〜１５００℃で行われる。炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理することにより、炭素原子又は炭素プラズマが触媒となって、金属材料と半導体との反応が促進され、ナノワイヤが成長すると考えられる。この熱処理は、好ましくは、１〜６００分間程度行われる。
【００３４】
「炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する」とは、例えば、「炭素含有ガス又は炭素含有材料の存在下でプラズマＣＶＤを行いながら基板を熱処理する」を意味する。
【００３５】
３．第２の製造方法
また、このようなナノワイヤは、例えば、（１）半導体層を有する基板の半導体層上に金属材料を配置し、又は基板上に配置された金属材料上に半導体層を形成し、（２）金属材料上若しくは下の領域又は金属材料に隣接した領域を結晶化させて結晶領域を形成し、（３）炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する工程を備え、熱処理により金属材料から結晶領域の結晶方位に沿って半導体と金属との化合物を成長させる方法によって、製造することができる。
【００３６】
本製造方法の説明のうち、すでに上で説明したものについては、説明を省略する。
【００３７】
３−１ａ．工程（１）半導体層を有する基板の半導体層上に金属材料を配置する工程
金属材料を配置する方法は、第１の製造方法と共通する。第１の製造方法では、結晶領域を有する基板を用いたが、本製造方法では、基板は最初は結晶領域を有している必要がない。半導体層の厚さは、好ましくは、１〜１０００ｎｍであり、さらに好ましくは、１〜１００ｎｍである。半導体は、ＣＶＤ法又はスパッタ法などで形成することができる。
【００３８】
また、半導体層を有する基板は、導体と金属との化合物の成長を阻害する成長阻害層を基板上に備えてもよく、半導体層は、成長阻害層上に形成されてもよい。成長阻害層についての説明は、上述したものと同様である。
【００３９】
３−１ｂ．工程（１）基板上に配置された金属材料上に半導体層を形成する工程
この工程は、例えば，基板上に金属材料からなる層を形成し、その上に非晶質半導体層などを形成する方法で実施することができる。金属材料を予めパターニングしておくことにより、又は非晶質半導体の一部のみを結晶化することにより、基板上の所望の位置にナノワイヤを形成することができる。半導体層についての説明は、上記と同様である。
【００４０】
３−２．工程（２）金属材料上若しくは下の領域又は金属材料に隣接した領域を結晶化させて結晶領域を形成する工程
結晶化は、好ましくは、半導体層にレーザーを照射することにより行う。レーザーは、好ましくは、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）又はＸｅＦエキシマレーザー（波長３５３ｎｍ）などからなる。レーザーは、そのエネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2であることが好ましい。また、紫外線照射時に基板を２００〜４００℃に加熱しておくことが好ましい。この場合、結晶化させやすいからである。
【００４１】
また、結晶化は、基板を６００〜８００℃で１０〜３００分間程度熱処理することにより、行ってもよい。また、結晶化は、電子線を照射することにより、行ってもよい。電子線の強度は、１〜３０ｍＡ、１０〜５０ｋｅＶであることが好ましい。
【００４２】
３−３．工程（３）炭素原子又は炭素プラズマの存在下で基板を熱処理する工程
第１の製造方法と共通しているので、説明を省略する。
【実施例１】
【００４３】
１．構造
図１及び図２は、実施例１に係るナノワイヤ１の構造を示す走査電子顕微鏡写真である。図１の倍率は、装置表示倍率１０万倍であり、図２の倍率は装置表示倍率２万倍である。本実施例のナノワイヤ１は、シリコン（１１１）基板３に形成され、その結晶方位に沿って延び、シリコンとニッケルとの化合物（ニッケルシリサイド）からなる。ナノワイヤ１は、島状ニッケル２から基板３の結晶方位に沿って延びる。ナノワイヤ１は、その横断面の外接円の直径が５０ｎｍ程度である。島状ニッケル２は、１辺が３００ｎｍの正三角形状であり、その厚さが１０ｎｍ程度である。なお、基板３上には熱酸化膜が１０ｎｍの厚さで形成されている。
【００４４】
２．製造方法
本実施例のナノワイヤ１は、以下の方法で製造した。
【００４５】
２−１．島状ニッケルの配置
まず、１０ｎｍの厚さで熱酸化膜が形成されたシリコン（１１１）基板３上に島状ニッケル２を配置した。島状ニッケル２は、ニッケルを蒸着する部分に対応する開口を有するマスクを介して、ニッケルを蒸着させることにより形成した。マスクは、非接触型であり、基板と蒸着源との間に配置した。また、マスクには、厚さ１μｍ程度の銅板に酸エッチングにより開口を形成したものを用いた。開口は、１辺が５μｍの正方形状であった。
【００４６】
２−２．プラズマＣＶＤ
次に、メタンの存在下でプラズマＣＶＤを行いながら基板を熱処理した。
【００４７】
２−２−１．プラズマＣＶＤ装置
本実施例で用いたプラズマＣＶＤ装置について説明する。図９のプラズマＣＶＤ装置は、チャンバー１７内にヒーター組込サセプタ１１と、石英窓１５を備える。また、チャンバー１７には、マスフローメーター１３から反応ガスが供給され、チャンバー１７内の圧力は、圧力コントロールバルブ１２で制御される。
【００４８】
また、チャンバー１７は、真空排気機構（図示せず）につながれている。真空排気機構は、チャンバー１７内の圧力を１０-7Ｔｏｒｒ程度にまで下げることができる。
【００４９】
島状ニッケルが配置された基板１０がヒーター組込サセプタ１１に取り付けられている。サセプタ１１は、基板１０の温度を１５００℃まで加熱することができる。また、サセプタ１１には、チャンバー１７をＧＮＤとして、−１０〜１０００Ｖの電圧を印加することができる。マイクロ波発生源（図示せず）から発生したマイクロ波１４は、石英窓１５を通って、チャンバー１７内の反応ガスに吸収される。マイクロ波１４を吸収した反応ガスは、プラズマ化される。圧力コントロールバルブ１２は、チャンバー１７内の圧力を制御する。
【００５０】
２−２−２．プラズマＣＶＤ及び熱処理
この装置を用いて、以下の方法で、プラズマＣＶＤを行いながら基板を熱処理した。
まず、島状ニッケルが配置された基板１０をサセプタ１１上に保持した。
次に、チャンバー１７内の圧力を１×１０-7Ｔｏｒｒまで下げた。
次に、サセプタ１１に組み込まれたヒーターにより、基板１０を８００℃に加熱した。温度はサセプタ１１内に組み込まれた温度更正済みの熱電対を用いて測定した。
基板１０が所定の温度に到達した段階で、チャンバーの真空度を１５Ｔｏｒｒ程度になるように、圧力コントロールバルブ１２を用いて調整した。
次に、マスフローコントローラ１３を通じて、Ｈ2ガスを８０ｓｃｃｍ投入し、５分程度基板の表面をクリーニングした。
次に、ナノワイヤ成長の為、Ｈ2ガスを８０ｓｃｃｍ及びＣＨ4ガスを２０ｓｃｃｍ、でチャンバー１７内に導入した。次に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波（５００Ｗ）を導入して、この原料ガスをプラズマ化し、基板１０をプラズマに１５分間曝した。ここまでの工程で、１辺が５μｍの正方形状の島状ニッケルが凝集して、１辺が３００ｎｍの正三角形状に変形した。
この結果、幅６０ｎｍ、長さ１０μｍのＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が成長した。なお、この成長の間、基板に−１００Ｖのバイアスを印加して、ナノワイヤ１の成長を助長した。
【実施例２】
【００５１】
１．構造
図３は、実施例２に係るナノワイヤの構造を示す平面図である。図３において、基板３上には、島状ニッケル２、４が形成されている。白丸の島状ニッケル２は、紫外線照射されておらず、活性である。一方、黒丸の島状ニッケル４は、紫外線照射により酸化され、不活性化されている。ナノワイヤ１は、白丸の島状ニッケル２のみから成長している。
【００５２】
２．製造方法
このようなナノワイヤは、以下の方法で製造された。
【００５３】
２−１．島状ニッケルの配置
まず、１０ｎｍの厚さで熱酸化膜が形成されたシリコン（１１１）基板３上に、図３に示すようにマトリックス状に島状ニッケル２を配置した。島状ニッケル２は、ニッケルを蒸着する部分に対応する開口を有するマスクを介して、ニッケルを蒸着させることにより形成した。マスクは、非接触型であり、基板と蒸着源との間に配置した。また、マスクには、厚さ１μｍ程度の銅板に酸エッチングにより開口を形成したものを用いた。開口は、１辺が５μｍの正方形状であった。また、隣接する開口間の距離も、５μｍであった。
【００５４】
２−２．紫外線照射
次に、図３中の白丸の領域をマスクした状態で、得られた基板３に紫外線を照射した。これにより、一部の島状ニッケル４を不活性化した。紫外線照射は、Ｘｅ2誘電体バリア放電エキシマランプ装置により、中心波長１４６ｎｍの紫外光を放射照度１０ｍＷ／ｃｍ2で１時間行った。なお、紫外光が充分にシリコン基板３に届くようにエキシマランプ装置とシリコン基板３の間隔を１ｍｍとした。
【００５５】
２−３．プラズマＣＶＤ及び熱処理
次に、実施例１と同様の方法で、プラズマＣＶＤを行いながら基板を熱処理した。
【００５６】
その結果、紫外線を照射していない領域（白丸の島状ニッケル２のある領域）のみから幅５０ｎｍ、長さ５μｍのＳｉxＮｉ1-xナノワイヤが成長した。
【実施例３】
【００５７】
島状ニッケルを不活性化するために、紫外線照射の代りに、ＦＩＢ装置を用いてイオンビーム照射を行い、それ以外は、実施例２と同様の方法でナノワイヤ１を成長させた。イオンビーム照射の条件は、加速電圧３０ｋｅＶ、ビーム電流１００ｐＡで１０μｍ角の領域だけに選択的にＧａイオンビームを１０秒照射した。
その結果、イオンビームを照射していない領域（白丸の島状ニッケル２のある領域）のみから幅５０ｎｍ、長さ５μｍのＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が成長した。
【実施例４】
【００５８】
１．構造
図４は、実施例４に係るナノワイヤ１の構造を示す平面図である。図４において、石英基板３上には、５０ｎｍの膜厚で非晶質シリコン膜７が形成されており、その一部が結晶化されて、長方形の結晶領域５となっている。結晶領域５には、実施例１と同様に、島状ニッケル２が形成されている。また、ナノワイヤ１が島状ニッケル２から成長している。
【００５９】
２．製造方法
このようなナノワイヤ１は、以下の方法で製造された。
まず、石英基板３上に、非晶質シリコン膜を５０ｎｍの膜厚で形成した。
次に、得られた基板を２００〜４００℃に加熱し、その状態でＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）を用いて、レーザー光のエネルギー密度を２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2の条件で、５０μｍ角の領域を格子状に縦２個横２個計４個の領域にレーザーを照射し、基板上の特定の箇所に結晶領域５を形成した。
以下、実施例１と同様の方法で、ナノワイヤ１を成長させた。
その結果、結晶領域５のみから幅５０ｎｍ、長さ５μｍのＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が成長した。
【実施例５】
【００６０】
島状ニッケル２の厚さを０．５、１、５、１０、１５又は２０ｍｍの６種類に設定し、それ以外は、実施例１と同様の方法でナノワイヤ１を成長させた。その結果、島状ニッケル２の厚さが０．５と１ｎｍのものは、ＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が殆ど観察されなかった。一方５、１０、１５及び２０ｎｍのものはそれぞれの触媒蒸着箇所全てにＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が観察された。
【００６１】
この結果を図５に示す。図５は、実施例５に係るナノワイヤ１の構造を示す平面図である。図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、島状ニッケル２の厚さを１５ｎｍ、１ｎｍとしたときのものである。図５（ａ）及び（ｂ）において、基板３上に島状ニッケル２が形成されている。また、図５（ａ）においてのみ、島状ニッケル２からナノワイヤ１が成長している。
【実施例６】
【００６２】
１．構造
図６は、実施例６に係るナノワイヤ１の構造を示す断面図である。Ｓｉ（１００）基板３上に、厚さ１０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜６、厚さ１０ｎｍの多結晶シリコン膜７、厚さ１０ｎｍの酸化シリコン膜７、及び厚さ１０ｎｍの島状ニッケル２がこの順で形成されている。また、ナノワイヤ１が島状ニッケル２から、紙面垂直方向に延びている。
【００６３】
Ｓｉ3Ｎ4膜６は、ナノワイヤ１の成長阻害層として働くため、ナノワイヤ１の基板３方向への成長が阻害され、その結果、ナノワイヤ１とシリコン膜７の厚さが等しくなっている。
【００６４】
２．製造方法
このようなナノワイヤ１は、以下の方法で製造された。
まず、製膜温度３５０℃のプラズマＣＶＤ法で、Ｓｉ（１００）基板３上に厚さ１０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜６を形成した。ケイ素源としてＳｉＨ4、窒素源としてＮＨ3、キャリアガスとしてＮ2を用いた。
次に、その上にＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）グロー放電プラズマＣＶＤ法で厚さ１０ｎｍの結晶性シリコン膜７を形成した。原料ガスの組成をＳｉＨ4（モノシラン）を水素で１：３０に希釈し、その反応温度を５０〜４５０℃、反応時の圧力を５０ｍＴｏｒｒとした。
次に、その上に厚さ１０ｎｍの酸化シリコン膜８を形成した。
次に、その上に厚さ１０ｎｍの島状ニッケル２を形成した。
以下、実施例１と同様の方法で、ナノワイヤ１を成長させた。島状ニッケル２とシリコン層７との間に、酸化シリコン膜８が形成されているが、島状ニッケル２中のニッケルが酸化シリコン８を突き破ってシリコン層７に到達し、ナノワイヤ１が形成される。
その結果、結晶領域５のみから幅５０ｎｍ、長さ５μｍ、厚さ１０ｎｍのＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が成長した。
【実施例７】
【００６５】
１．構造
図７は、実施例７に係るナノワイヤ１の構造を示す断面図である。Ｓｉ（１００）基板３上に、厚さ１０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜６、厚さ１０ｎｍのニッケル膜２２、厚さ１０ｎｍの結晶性シリコン膜７がこの順で形成されている。シリコン膜７には、５μｍ角の開口９が形成されている。また、ナノワイヤ１が開口９内の点線部から紙面垂直方向に延びている。開口９からナノワイヤ１が成長しているのは、開口９においてニッケル膜２２が気相中のプラズマにさらされるためであると考えられる。
【００６６】
２．製造方法
このようなナノワイヤ１は、以下の方法で製造された。
まず、製膜温度３５０℃のプラズマＣＶＤ法で、Ｓｉ（１００）基板３上に厚さ１０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜６を形成した。ケイ素源としてＳｉＨ4、窒素源としてＮＨ3、キャリアガスとしてＮ2を用いた。
次に、その上に厚さ１０ｎｍのニッケル膜２２を形成した。
次に、その上にプラズマＣＶＤ法で厚さ１０ｎｍの結晶性シリコン膜７を形成した。次に、その上にＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）グロー放電プラズマＣＶＤ法で厚さ１０ｎｍの結晶性シリコン膜７を形成した。原料ガスの組成をＳｉＨ4（モノシラン）を水素で１：３０に希釈し、その反応温度を５０〜４５０℃、反応時の圧力を５０ｍＴｏｒｒとした。
次に、ＦＩＢ装置を用いて、シリコン７に５μｍ角の開口９を形成した。
以下、実施例１と同様の方法で、ナノワイヤ１を成長させた。
その結果、幅５０ｎｍ、長さ５μｍ、厚さ１０ｎｍのＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が成長した。
【実施例８】
【００６７】
図８は、実施例８に係るナノワイヤ１の構造を示す平面図である。基板３は、Ｓｉ（１００）基板３ａと、Ｓｉ（１１１）基板３ｂとが接合されて形成される。それぞれの基板上には、マトリックス状に島状ニッケル２が形成されている。島状ニッケル２のサイズ及び厚さは、実施例１のものと同様である。本発明のナノワイヤ１は、結晶領域の結晶方位に沿って延びるので、Ｓｉ（１００）基板３ａ上では、直交する２つの方向に延び、Ｓｉ（１１１）基板３ｂ上では、３回対称の基板の結晶方位を反映し等価な＜１１０＞方向に延びている。ナノワイヤ１の製造方法は、実施例１と同様である。
【実施例９】
【００６８】
プラズマＣＶＤを行いながら基板を熱処理する際の温度を、５００℃、６００℃、７００℃、又は８００℃とし、それ以外は、実施例１と同様の方法でナノワイヤ１を成長させた。その結果、熱処理温度が高い場合ほど、ナノワイヤ１の生成量は増加し、８００℃の場合の生成量は、５００℃の場合の５倍であった。
【実施例１０】
【００６９】
プラズマＣＶＤを行う際のＨ2ガスとＣＨ4ガスの比率を、Ｈ2：ＣＨ4＝９．８：０．２、８：２又は７：３とし、それ以外は、実施例１と同様の方法でナノワイヤ１を成長させた。その結果、Ｈ2：ＣＨ4＝９．８：０．２では、Ｈ2：ＣＨ4＝８：２で作製したものに比べて、ナノワイヤ１の生成量が、体積比で約１／１００であった。またＣＨ4ガスを流さない条件では、ナノワイヤ１は生成されなかった。
【実施例１１】
【００７０】
島状ニッケル２を形成する前又は後に、膜厚１〜３０ｎｍの非晶質炭素からなる膜を基板３上に形成し、かつ、プラズマＣＶＤの原料ガスを水素のみとして、それ以外は、実施例１と同様の方法でナノワイヤ１を成長させた。その結果、幅５０ｎｍ、長さ５μｍのＳｉxＮｉ1-xナノワイヤ１が成長した。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施例１に係るナノワイヤの構造を示す走査電子顕微鏡写真（倍率１０万倍）である。
【図２】本発明の実施例１に係るナノワイヤの構造を示す走査電子顕微鏡写真（倍率２万倍）である。
【図３】本発明の実施例２に係るナノワイヤの構造を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例４に係るナノワイヤの構造を示す平面図である。
【図５】本発明の実施例５に係るナノワイヤの構造を示す平面図である。
【図６】本発明の実施例６に係るナノワイヤの構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例７に係るナノワイヤの構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例８に係るナノワイヤの構造を示す平面図である。
【図９】本発明の実施例１〜１１で用いたプラズマＣＶＤ装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…ナノワイヤ
２…島状ニッケル
３…結晶性基板
４…紫外線やイオンビームが照射された非活性な触媒
５…レーザ照射で作られた結晶性領域
６…成長阻害層
７…結晶性領域を含む層
８…酸化膜
９…プラズマ効果を取り込むための開口
１０…触媒付基板
１１…ヒーター組込サセプタ
１２…圧力コントロールバルブ
１３…マスフローメーター
１４…マイクロ波
１５…石英窓
【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】
2005277182.tif 000008
【図７】
2005277182.tif 000009
【図８】
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【図９】
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