(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
シリコン基板上に形成された絶縁膜と、
相互に交差する２個の（１１１）面を有する断面Ｖ字状の単結晶シリコン製三角柱体として、三角柱体の（１００）面を露出させ、相互に平行に同じ間隔で離隔して絶縁膜内に埋め込まれた複数本のシリコン三角柱の配列からなるアレイ構造と、
アレイ構造のシリコン三角柱の隣合う２本を一組とし、一組のシリコン三角柱間の絶縁膜の上面で露出し、かつ絶縁膜の上面の両側でシリコン三角柱の（１１１）面の一方と絶縁膜との間に介在するように延在する熱酸化膜と
を備えていることを特徴とする量子細線デバイス。
【請求項２】
絶縁膜がＣＶＤ法によるＳｉＯ2 膜であることを特徴とする請求項１に記載の量子細線デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の量子細線デバイスを製造する方法であって、
シリコン基板の（１００）面上に、所定間隔で相互に平行に形成された多条パターンのエッチングマスクを形成する工程と、
多条パターンをエッチングマスクにして面方位依存性の異方性エッチングを施して、相互に交差する方向の２個の（１１１）面と、２個の（１１１）面の下端を結ぶ（１００）面とを溝面とする第１の溝の配列からなるアレイ構造を形成する工程と
を有することを特徴とする量子細線デバイスの製造方法。
【請求項４】
多条パターン形成用マスク層を第１のシリコン基板の（１００）面上に成膜する工程と、
所定幅の帯条のマスク層及び所定幅の（１００）面の帯状のスペースを交互に備えた多条パターンを形成するように、マスク層をホトリソグラフィ法によりパターニングする工程と、
多条パターンをエッチングマスクにして、シリコン基板の露出した（１００）面に面方位依存性の異方性エッチングを施して、相互に交差する方向の２個の（１１１）面と２個の（１１１）面の下端を結ぶ（１００）面とを溝面とする第１の溝の配列を形成する工程と、
第１の配列の溝の溝面に熱酸化処理を施して熱酸化膜を成膜する工程と、
エッチングマスクを除去してシリコン基板の（１００）面を露出させる工程と、
次いで、成膜した熱酸化膜をマスクにして、露出しているシリコン基板の（１００）面に面方位依存性の異方性エッチングを施して、第１の配列の溝の間に第１の配列の溝と隣接して第１の配列の溝と同じ断面形状の第２の溝の配列を形成する工程と、
第１のシリコン基板上にＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜を形成する工程と、
ＳｉＯ2 膜を研磨して平滑な面を上面に形成する工程と、
第２のシリコン基板をＳｉＯ2 膜上に貼り合わせて、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とを合体させる工程と、
熱酸化膜をストッパとして、第１のシリコン基板を研磨してＳｉＯ2 膜内に埋め込まれた第１のシリコン基板からなる三角柱体の（１００）面を露出させる工程と
を備えることを特徴とする請求項３に記載の量子細線デバイスの製造方法。
【請求項５】
面方位依存性の異方性エッチングでは、ＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydride ）を含むアルカリ性エッチング液をエッチャントとして使用することを特徴とする請求項４に記載の量子細線デバイスの製造方法。
【請求項６】
多条パターン形成用マスク層がＳｉ3 Ｎ4 膜であることを特徴とする請求項４又は５に記載の量子細線デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に量子細線構造を備える量子細線デバイス及びその製造方法に関し、更に詳細には、コンタクト形成が容易で、信頼性の高いシリコン製量子細線デバイス及びそれを経済的に安定して製造できる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
量子細線デバイスは、従来、化合物半導体基板の上に相互に性質の異なるIII −Ｖ族の化合物半導体薄膜をエピタキシャル成長させてヘテロジャンクションを形成し、形成したヘテロジャンクション間に設けられたゲートに適当な電圧を印加させることにより、デバイスを動作させている。
分子線エピタキシャル成長法、有機金属気相成長法、及び原子層エピタキシャル成長法などの発展に伴い、量子細線デバイスは、従来は、トランジスタとしてよりは、寧ろ量子細線レーザ、量子箱レーザを始めとする半導体レーザの分野で、研究が進み、開発されて来た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、量子細線デバイスを製造するに当たり、上述したように、化合物半導体をエピタキシャル成長させて量子細線構造を作製する従来の方法は、工業化する上で、次のような問題があった。
第１には、経済性に見合った速い成長速度で、しかも良質の非常に薄い化合物半導体層を安定してエピタキシャル成長させ、微細加工を施すことは、技術的に極めて難しく、従って、量産性及び経済性に難点があることである。
第２には、化合物半導体層の成膜装置及びエッチング装置等の加工装置は、取扱いが面倒で難しく、また市場の大きいシリコン半導体装置の製造装置に比べて、出荷台数が少なく、従って高価なことである。
第３には、化合物半導体のウエハは、口径がシリコンウエハの２０ｃｍサイズに比べて小さく、従って量子細線デバイスの製造効率が低く、また価格もシリコンウエハに比べて高いことである。
以上の理由から、従来のように化合物半導体から量子細線デバイスを製造していたのでは、製造コストを低減することは難しい。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、シリコン基板上に量子細線構造を形成した量子細線デバイス及びその製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、シリコン基板の（１００）面上に面方位依存性の異方性エッチングを施して、相互に交差する方向の２個の（１１１）面と２個の（１１１）面の下端を結ぶ（１００）面からなる溝面を有する溝を配列したアレイ構造を形成する工程を備えることにより、逆三角形型の量子細線構造をシリコン基板上に実現できることに着目し、本発明を完成するに到った。
【０００６】
よって、上記目的を達成するために、本発明に係る量子細線デバイスは、シリコン基板と、
シリコン基板上に形成された絶縁膜と、
相互に交差する２個の（１１１）面を有する断面Ｖ字状の単結晶シリコン製三角柱体として、三角柱体の（１００）面を露出させ、相互に平行に同じ間隔で離隔して絶縁膜内に埋め込まれた複数本のシリコン三角柱の配列からなるアレイ構造と、
アレイ構造のシリコン三角柱の隣合う２本を一組とし、一組のシリコン三角柱間の絶縁膜の上面で露出し、かつ絶縁膜の上面の両側でシリコン三角柱の（１１１）面の一方と絶縁膜との間に介在するように延在する熱酸化膜と
を備えていることを特徴としている。
本発明に係る量子細線デバイスでは、シリコン三角柱が、逆三角形型の断面で形成されているので、上面からシリコン三角柱とのコンタクト形成が容易である。絶縁膜には、例えばＣＶＤ膜を使用する。
【０００７】
シリコン三角柱とシリコン三角柱との間隔は任意であって、その間隔がシリコン三角柱の露出した（１００）面の幅と同じでも、（１００）面の幅より広くても狭くても良い。
本発明の好適な実施態様では、絶縁膜がＣＶＤ法によるＳｉＯ2 膜である。ＳｉＯ2 膜はシリコン基板との貼り合わせのための層であり、その目的を達成できるなら、ＣＶＤ−ＳｉＯ2 膜の種類は問わない。例えば、ＴＥＯＳを使用することができる。
【０００８】
量子細線デバイスの本発明に係る製造方法は、シリコン基板の（１００）面上に、所定間隔で相互に平行に形成された多条パターンのエッチングマスクを形成する工程と、
多条パターンをエッチングマスクにして面方位依存性の異方性エッチングを施して、相互に交差する方向の２個の（１１１）面と、２個の（１１１）面の下端を結ぶ（１００）面とを溝面とする第１の溝の配列からなるアレイ構造を形成する工程と
を有することを特徴としている。
【０００９】
本発明方法の好適な実施態様は、多条パターン形成用マスク層を第１のシリコン基板の（１００）面上に成膜する工程と、
所定幅の帯条のマスク層及び所定幅の（１００）面の帯状のスペースを交互に備えた多条パターンを形成するように、マスク層をホトリソグラフィ法によりパターニングする工程と、
多条パターンをエッチングマスクにして、シリコン基板の露出した（１００）面に面方位依存性の異方性エッチングを施して、相互に交差する方向の２個の（１１１）面と２個の（１１１）面の下端を結ぶ（１００）面とを溝面とする第１の溝の配列を形成する工程と、
第１の配列の溝の溝面に熱酸化処理を施して熱酸化膜を成膜する工程と、
エッチングマスクを除去してシリコン基板の（１００）面を露出させる工程と、
次いで、成膜した熱酸化膜をマスクにして、露出しているシリコン基板の（１００）面に面方位依存性の異方性エッチングを施して、第１の配列の溝の間に第１の配列の溝と隣接して第１の配列の溝と同じ断面形状の第２の溝の配列を形成する工程と、
第１のシリコン基板上にＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜を形成する工程と、
ＳｉＯ2 膜を研磨して平滑な面を上面に形成する工程と、
第２のシリコン基板をＳｉＯ2 膜上に貼り合わせて、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とを合体させる工程と、
熱酸化膜をストッパとして、第１のシリコン基板を研磨してＳｉＯ2 膜内に埋め込まれた第１のシリコン基板からなる三角柱体の（１００）面を露出させる工程と
を備えることを特徴としている。
【００１０】
面方位依存性の異方性エッチングには、例えばＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydride ）を含むアルカリ性エッチング液を使用する。
【００１１】
本発明方法では、結晶方位の違いによってエッチング速度が異なる異方性エッチングを用いて第１の配列及び第２の配列の溝を形成しているので、溝の断面形状が安定かつ均一である。また、実施態様では、熱酸化膜をストッパとしてシリコン基板を研磨しているので、ＳｉＯ2 膜に埋め込まれた各シリコン三角柱の露出面を（１００）面に制御し、かつシリコン三角柱の高さを正確に制御することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
本発明に係る量子細線デバイスの実施例１
本実施例は、本発明に係る量子細線デバイスの実施例であって、図１（ａ）は実施例１の量子細線構造の断面図である。
本実施例の量子細線構造１０は、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１２と、シリコン基板１２上に形成されているＣＶＤ−ＳｉＯ2 層１４と、一面を露出させてＳｉＯ2 層１４内に埋め込まれた断面Ｖ字状のシリコン三角柱１６の配列からなるアレイ構造とから構成されている。シリコン三角柱１６は、（１００）面１８Ｃを露出させ、相互に交差する２個の（１１１）面１８Ａ、Ｂを有する三角柱体として形成されている。
また、アレイ構造のシリコン三角柱１６の隣合う２本１６Ａ、Ｂを一組とし、一組のシリコン三角柱１６Ａ、Ｂ間のＳｉＯ2 層１４の上面で露出し、かつＳｉＯ2 層１４の上面の両側でシリコン三角柱１６Ａの一方の（１１１）面１８Ｂ及びシリコン三角柱１６Ｂの一方の（１１１）面１８ＡとＳｉＯ2 膜１４との間に介在して延在するように、熱酸化膜（ＳｉＯ2 膜）２０が、形成されている。
熱酸化膜２０は、後述する研磨工程で、研磨時のストッパとしての役割も果たしている。ＳｉＯ2 層１４は、ＴＥＯＳを使用してＣＶＤ法により成膜されており、シリコンからなる下地基板１２との貼り合わせ層として機能している。
【００１３】
シリコン三角柱１６は、結晶性の良好な単結晶シリコン製の三角柱体として、相互に平行に図１（ａ）の紙面に直交する方向に延在するように、等間隔Ｓで離隔してＳｉＯ2 層１４に埋め込まれている。シリコン三角柱１６の露出面の幅Ｗは約０．１μm であり、シリコン三角柱１６の高さＨは約０．１μm である。間隔Ｓはシリコン三角柱１６の露出面の幅Ｗに等しい。
シリコン三角柱１６の露出面、即ち（１００）面１８Ｃと（１１１）面１８Ａとの角度αは、５４．７°であり、シリコン三角柱１６の２個の（１１１）面１８Ａ、Ｂとの成す頂角βは７０．６°である。
【００１４】
本実施例の量子細線構造１０では、シリコン三角柱１６は、後述するように、シリコン基板の（１１１）面と（１００）面の結晶方位の違いによってエッチング速度が異なる異方性エッチングを用いて形成されている。これにより、シリコン三角柱１６の面形状、断面形状及び角度α、βは、シリコン三角柱１６の長さ方向の全長にわたり、また全てのシリコン三角柱１６にわたり安定かつ均一である。
また、後述するように、熱酸化により成膜したＳｉＯ2 膜２０をストッパとしてシリコン基板を研磨して、シリコン三角柱１６を露出させているので、高さＨの制御性も良い。
【００１５】
実施例２
本実施例は、本発明に係る量子細線デバイスの別の実施例であって、図１（ｂ）は実施例２の量子細線構造の断面図である。
本実施例の量子細線構造３０は、図１（ｂ）に示すように、シリコン三角柱１６の間隔Ｓが、シリコン三角柱１６の露出面の幅Ｗより短い例であって、実施例１の量子細線構造に比べて、シリコン三角柱１６がより近接した間隔で配列された構造を備えている。
【００１６】
実施例３
本実施例は、本発明に係る量子細線デバイスの更に別の実施例であって、図１（ｃ）は実施例３の量子細線構造の断面図である。
本実施例の量子細線構造４０は、図１（ｃ）に示すように、シリコン三角柱１６の間隔Ｓが、シリコン三角柱１６の露出面の幅Ｗより広い例であって、実施例１の量子細線構造に比べて、シリコン三角柱１６がより離隔した間隔で配列された構造を備えている。
【００１７】
量子細線デバイスの本発明方法の実施例
以下に、図２及び図３を参照して、実施例１の量子細線デバイスの製造方法を詳細に説明する。図２及び図３のなかで、図１と同じ部位には同じ符号を付している。
先ず、第１の単結晶シリコン基板５０の（１００）面に対して、Ｓi3Ｎ4膜（シリコン窒化膜）を堆積し、次いでレジスト膜をその上に成膜し、ホトリソグラフィ法によりレジスト膜をパターニングする。続いて、パターニングしたレジスト膜をマスクにしてＳｉ3 Ｎ4 膜をエッチングし、図２（ａ）に示すように、幅約０．２μm の所定本数の帯条パターンを帯条パターンの幅と同じ幅のスペースを開けて相互に平行に有するエッチングマスク５２を形成する。
【００１８】
次に、エッチングマスク５２をマスクとして、面方位依存性を有する異方性エッチングを露出している（１００）面５４に施す。異方性エッチングでは、エッチャントとしてＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydride ）やアルカリ性エッチング液等を使用している。
この結果、図２（ｂ）のように、パターンの両エッジに形成された２個の（１１１）面からなる側面と（１００）面からなる底面とを溝面とする溝５６が、形成される。
次いで、熱酸化処理を行って、図２（ｃ）に示すように、溝５６の溝面、即ち２個の（１１１）面及び（１００）面に酸化膜２０を選択的に成膜する。
【００１９】
次いで、図３（ｄ）に示すように、Ｓi3Ｎ4膜からなるエッチングマスク５２を除去して、シリコン基板５０の（１００）面５８を露出させる。
続いて、露出しているシリコン基板５０の（１００）面５８に対して、酸化膜２０をマスクとして、図２（ｂ）を参照して説明した異方性エッチングを施す。この結果、図３（ｅ）に示すように、（１００）面５８には、溝５６と同じ形状で同じ寸法の溝６０が形成され、第１の配列の溝５６の間に第１の配列の溝５６と隣接して第１の配列の溝５６と同じ断面形状の第２の溝６０の配列が形成される。
本実施例では、シリコン基板の（１１１）面と（１００）面の結晶方位の違いによってエッチング速度が異なる異方性エッチングを用いて、溝５６及び溝６０を形成しているので、溝面が正確に（１１１）面の側面と（１００）面の底面になる。
【００２０】
次に、シリコン基板５０の溝５６及び溝６０上にＣＶＤ法によってＴＥＯＳのＳｉＯ2 膜１４を成膜し、更に成膜したＳｉＯ2 膜１４の上面を研磨して平滑面を形成する。次いで、別のシリコンウエハ６２を貼り合わせて下地のシリコン基板１２とする。これにより、図３（ｆ）に示すように、第１のシリコン基板５０と別のシリコンウエハ６２とを合体した基板構造を得る。
次いで、図３（ｆ）に示す積層構造の上下を逆さにして、シリコン基板５０をＡ−Ａ’の面まで研磨する。これにより、シリコン基板５０が研磨されて、ＳｉＯ2 層１４に埋め込まれた形のシリコン三角柱１６になり、図１（ａ）に示す量子細線構造１０をを得ることができる。
研磨は機械的研磨法又はＣＭＰ法により行う。また、研磨の際、熱酸化膜２０をストッパにしているので、シリコン三角柱１６の高さＨを正確に制御することができる。
以上の工程を実施することにより、断面が逆三角形でコンタクト形成が容易な複数のシリコン三角柱を同じ幅の絶縁体で分離し、配列してなるアレイ構造を備えた量子細線デバイスを容易にかつ安定して製造することができる。
【００２１】
また、図２（ａ）の工程で、Ｓｉ3 Ｎ4 膜のエッチングマスク５２の幅と間隔を適当に調節し、次いで、上述のようにして図２（ｂ）から図３（ｆ）に示す工程を実施することにより、図１（ｂ）及び（ｃ）に示した実施例２及び３の量子細線構造を実現できる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明及び本発明方法では、シリコン基板の（１００）面と（１１１）面との間でエッチングレートが異なる面方位依存性の異方性エッチングを用いて、シリコン三角柱を形成しているので、シリコン三角柱の形状を正確に制御することができ、シリコン三角柱の形状が、シリコン三角柱の長さ方向にわたり、しかも全シリコン三角柱について安定かつ均一である。
また、本発明方法では、Ｖ字状間の熱酸化膜をストッパとしてシリコン基板を研磨してシリコン三角柱を形成しているので、シリコン三角柱の高さ、ひいてはシリコン三角柱の間隔の制御性が良い。
シリコン三角柱が、逆三角形型の断面で形成されているので、上面からシリコン三角柱にコンタクトを取り易い。
本発明方法では、既存のシリコン基板用の成膜、加工装置や技術が使えるので、化合物半導体からなる従来の量子細線デバイスに比べて、製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本発明に係る量子細線デバイスの実施例の基板構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本発明に係る量子細線デバイスの製造方法の各工程毎の基板構造を示す断面図である。
【図３】図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図２（ｃ）に続く、本発明に係る量子細線デバイスの製造方法の各工程毎の基板構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０……本発明に係る量子細線デバイスの実施例、１２……シリコン基板、１４……ＣＶＤ−ＳｉＯ2 層、１６……シリコン三角柱、１８Ａ、Ｂ……相互に交差する方向の２個の（１１１）面、１８Ｃ……露出した（１００）面、２０……熱酸化膜（ＳｉＯ2 膜）、３０……実施例２の量子細線構造、４０……実施例２の量子細線構造、５０……シリコン基板、５２……エッチングマスク、５４……露出している（１００）面、５６……溝、５８……露出している（１００）面、６０……溝、６２……別のシリコンウエハ。
【図１】
0003975493.tif 000002
【図２】
0003975493.tif 000003
【図３】
0003975493.tif 000004