(57)【要約】【課題】半導体量子ドットを規則的に、高密度に、そして均一性良く作ることができる量子ドットを有する材料の製造方法を提供すること。【解決手段】半導体単結晶表面に、半導体単結晶と格子定数の異なる結晶膜を作製し、半導体結晶の格子と結晶膜の格子が一致する格子整合点が規則的に配列された構造を形成する工程と、結晶膜を介して半導体単結晶に、半導体単結晶中で絶縁体を形成するイオンを注入する工程と、を実行する。イオンの注入は、半導体単結晶および結晶膜において直線上に原子核が存在しないチャンネルに沿った方位から行うことが好ましい。また、半導体単結晶はＳｉ単結晶であり、結晶膜はＺｎＴｅ結晶膜であることが好ましい。【選択図】図２４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶表面に、前記半導体単結晶と格子定数の異なる結晶膜を作製し、前記半導体結晶の格子と前記結晶膜の格子が一致する格子整合点が規則的に配列された構造を形成する工程と、
前記結晶膜を介して前記半導体単結晶に、前記半導体単結晶中で絶縁体を形成するイオンを注入する工程と、を有することを特徴とする量子ドットを有する材料の製造方法。
【請求項２】
前記イオンの注入は、前記半導体単結晶および前記結晶膜において直線上に原子核が存在しないチャンネルに沿った方位から行うことを特徴とする請求項１に記載の量子ドットを有する材料の製造方法。
【請求項３】
前記半導体単結晶はＳｉ単結晶であり、前記結晶膜はＺｎＴｅ結晶膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の量子ドットを有する材料の製造方法。
【請求項４】
前記Ｓｉ単結晶表面は、（１００）面であることを特徴とする請求項３に記載の量子ドットを有する材料の製造方法。
【請求項５】
前記イオンの注入は、前記Ｓｉ単結晶の［１１０］方位、または前記半導体単結晶表面に対して［１１０］方位と等価な結晶方位から行うことを特徴とする請求項３または４に記載の量子ドットを有する材料の製造方法。
【請求項６】
前記イオンの注入は、前記半導体単結晶表面に対して等価な複数の結晶方位から行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の量子ドットを有する材料の製造方法。
【請求項７】
前記イオンは酸素イオンであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の量子ドットを有する材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｎｍサイズの量子ドット構造を均一にそして高密度に作製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代太陽電池として、あるいは次世代半導体デバイスとして、半導体量子ドット構造が期待されている。この量子ドットを作製する半導体材料としては、その豊富さ、安定性、そして太陽電池（あるいは電子デバイス）としての技術的蓄積などから、Ｓｉ（シリコン、珪素）が望ましいとされている（非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
このＳｉ量子ドットを作製する方法としては、化学量論的組成よりもＳｉの量を多くしたＳｉ酸化膜に適切な熱処理を施し、過剰なＳｉを微細な結晶として析出させ、これを量子ドットとする方法が開発されている。ただし、このＳｉ量子ドットを利用するためには、Ｓｉ量子ドットを規則的に、高密度に、そして均一性良く作ることが重要になる。しかし、Ｓｉ過多のＳｉ酸化膜に、Ｓｉ分布の意図的な濃淡を、所望どおりの規則性や密度で形成することは現状では行えず、Ｓｉ結晶の位置、大きさを制御することは難しい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】岡田至崇著  「量子ドット太陽電池」工業調査会（２０１０）
【非特許文献２】T.Fangsuwannarak著「Silicon Quantum Dots and its Applications in Solar Cells」 LAP LAMBERT Academic Publishing (2011)
【非特許文献３】Nobuyuki Koshida 著「Device application of Silicon nanocrystals and nanostructures」 Springer Science+Business Media, LLC (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
意図的なＳｉの濃度分布を持ったＳｉ酸化膜を所望どおりに作製するために、Ｓｉウェーハに適切なマスク越しに酸素イオン注入を実施し、Ｓｉの濃度分布を形成する方法が考えられるが、それには以下のような問題点がある。
【０００６】
問題点１：量子ドット作製に必要な空間分解能（５ｎｍ以下）を持ったマスクを作製することができない。
問題点２：イオン注入により注入されたイオンは、必要な空間分解能に比べて、大きな広がり（空間分布）を持つため、たとえ、マスクの空間分解能が十分小さくても、量子ドットの作製に必要な空間分解能を持ったイオンの分布を得ることは難しい。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、半導体量子ドットを規則的に、高密度に、そして均一性良く作ることができる量子ドットを有する材料の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明にかかる量子ドットを有する材料の製造方法は、半導体単結晶表面に、前記半導体単結晶と格子定数の異なる結晶膜を作製し、前記半導体結晶の格子と前記結晶膜の格子が一致する格子整合点が規則的に配列された構造を形成する工程と、前記結晶膜を介して前記半導体単結晶に、前記半導体単結晶中で絶縁体を形成するイオンを注入する工程と、を有することを要旨とする。
【０００９】
ここで、前記イオンの注入は、前記半導体単結晶および前記結晶膜において直線上に原子核が存在しないチャンネルに沿った方位から行うことが好ましい。
【００１０】
また、前記半導体単結晶はＳｉ単結晶であり、前記結晶膜はＺｎＴｅ結晶膜であることが好ましい。この場合に、前記Ｓｉ単結晶表面は、（１００）面であることが好ましい。さらに、前記イオンの注入は、前記Ｓｉ単結晶の［１１０］方位、または前記半導体単結晶表面に対して［１１０］方位と等価な結晶方位から行うとよい。
【００１１】
また、前記イオンの注入は、前記半導体単結晶表面に対して等価な複数の結晶方位から行うとよい。
【００１２】
そして、前記イオンは酸素イオンであるとよい。
【発明の効果】
【００１３】
上記発明にかかる量子ドットを有する材料の製造方法によれば、半導体単結晶上に作製した格子定数の異なる結晶膜によってもたらされる規則的な格子整合点の配置が、ｎｍレベルの空間分解能を持ったイオン注入用のマスクとして機能する。これにより、イオン注入を、ｎｍオーダーで規則正しく、高密度に、かつ均一性良く行うことができる。このようにイオン注入を行って、半導体単結晶中に絶縁体部分を規則的に配置することで、絶縁体が形成されなかった半導体の部分を規則的に残し、量子ドットとすることができる。
【００１４】
ここで、イオンの注入を、半導体単結晶および結晶膜において直線上に原子核が存在しないチャンネルに沿った方位から行う場合には、横方向（チャンネルに垂直な方向）へのイオンの広がりを抑制し、横方向へｎｍレベルの空間分解能をもった、（チャンネルに沿った方向に）縦長の注入原子分布を形成することが可能となる。
【００１５】
また、半導体単結晶がＳｉ単結晶であり、結晶膜がＺｎＴｅ結晶膜である場合に、ＺｎＴｅは、Ｓｉと近い格子定数の閃亜鉛鉱型の結晶構造を形成するので、Ｓｉ単結晶表面に、格子整合点が規則的に配列された良質なマスク構造を形成することができる。これにより、広く半導体材料として用いられるＳｉを用い、量子ドットを有する材料を高い規則性と密度、均一性をもって形成することができる。
【００１６】
この場合に、Ｓｉ単結晶表面が、（１００）面であれば、この面は最も一般的なシリコンウェーハの面方位であるので、汎用性の高い量子ドットを有する材料を製造することができる。
【００１７】
さらに、イオンの注入を、Ｓｉ単結晶の［１１０］方位、または半導体単結晶表面に対して［１１０］方位と等価な結晶方位から行う場合には、Ｓｉ単結晶のチャンネルが、［１１０］軸またはこれと等価な軸に沿って形成されているため、高い空間分解能をもって、Ｓｉ単結晶中にイオン注入を行うことが可能となる。
【００１８】
また、イオンの注入を、半導体単結晶表面に対して等価な複数の結晶方位から行う場合には、注入原子の（チャンネルに沿った方向に）縦長の分布の交点に、注入された原子の濃度の濃い領域を形成することが可能となる。
【００１９】
そして、注入に用いるイオンが酸素イオンである場合には、イオン注入を比較的簡便に行うことができるとともに、半導体単結晶中で、絶縁性の高い領域を形成しやすいので、効果的に量子ドットの作成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】Ｓｉの結晶構造の模型である。線で囲っている面が通常のＳｉ（１００）ウェーハの表面となる（１００）面である。図中の矢印は、４つの等価な＜１１０＞方向を示している。
【図２】図１の模型を（１００）面に対して等価な４つの<１１０>方位から見たところである。
【図３】結晶内をチャンネリングするイオンの軌道の概念図である。
【図４】Ｓｉの結晶を<１１０>方位から見たところである。
【図５】テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）の結晶を<１１０>方位から見たところである。
【図６】<１１０>方位からみたＳｉとＺｎＴｅの結晶を重ね合わせた図である。
【図７】図６の表示範囲を広げた図である。
【図８】ＺｎＴｅ層でチャンネリングから外れるイオンの軌道の代表例である。
【図９】ＺｎＴｅ層とＳｉの界面でチャンネリングから外れるイオンの軌道の代表例である。
【図１０】ＺｎＴｅ層とＳｉ層を通じてチャンネリングを続けるイオン軌道の代表例である。
【図１１】Ｓｉ（１１０）ウェーハにＺｎＴｅ層を通して酸素イオンを注入した時のイオン到達深さ部分での酸素原子の分布を上方、つまり<１１０>方位から見た概念図である。
【図１２】Ｓｉ（１１０）ウェーハにＺｎＴｅ層を通して酸素イオンを注入した時の酸素原子の分布のウェーハ断面から見た概念図である
【図１３】Ｓｉ（１００）方位ウェーハにＺｎＴｅ層を通して、<１１０>方位（ウェーハ表面から４５°方向）から酸素イオンを注入した時の酸素原子の分布をウェーハ断面から見た概念図である。
【図１４】Ｓｉ（１００）方位ウェーハにＺｎＴｅ層を通して、<１１０>方位（ウェーハ表面から４５°方向）から酸素イオンを注入した時、<１１０>方位から見た酸素原子の分布がどうなるかを説明するための概念図である。
【図１５】Ｓｉ（１００）方位ウェーハにＺｎＴｅ層を通して、<１１０>方位（ウェーハ表面から４５°方向）から酸素イオンを注入した時、イオン到達深さ部分での酸素原子の分布を上方、つまり<１１０>方位から見た概念図である。
【図１６】ウェーハの一部を切り取った概念図である。Ｓｉウェーハの表面（ＺｎＴｅとＳｉの境界面）上の限られた領域Ａに注入されたイオンが作る、酸素原子の分布領域を表している。
【図１７】ウェーハの一部を切り取った概念図である。Ｓｉウェーハの表面（ＺｎＴｅとＳｉの境界面）上の限られた領域Ｂに、図１６の注入方位から１８０°回転させた別の<１１０>方位（［１−１０］方位）から注入されたイオンが作る、酸素原子の分布領域を図１６に追加したものである。
【図１８】ウェーハの一部を切り取った概念図である。Ｓｉウェーハの表面（ＺｎＴｅとＳｉの境界面）上の限られた領域Ｃに、図１６の注入方位から９０°回転させた別の<１１０>方位（［１０１］方位）から注入されたイオンが作る、酸素原子の分布領域を図１７に追加したものである。
【図１９】ウェーハの一部を切り取った概念図である。Ｓｉウェーハの表面（ＺｎＴｅとＳｉの境界面）上の限られた領域Ｄに、図１６の注入方位から２７０°回転させた別の<１１０>方位（［１０−１］方位）から注入されたイオンが作る、酸素原子の分布領域を図１８に追加したものである。
【図２０】ウェーハを、領域Ａ、領域Ｂ、および領域Ｘが見える角度で切った断面の概念図である。
【図２１】領域Ｘ、Ｘ２２、Ｘ１１、Ｘ０２、Ｘ１０、Ｘ１２、を含む酸素注入領域の配置を示す斜観図である。
【図２２】図２１の酸素注入領域の配置を、非酸素注入領域の配置に直したものである。
【図２３】図２２の非酸素注入領域を熱処理することで純Ｓｉを結晶化させた状態を示す概念図である。
【図２４】図２３の純Ｓｉ領域の位置（距離）関係を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態にかかる量子ドットを有する材料の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、量子ドットを形成する半導体材料をＳｉ単結晶とし、Ｓｉ単結晶の表面にイオン注入のためのマスクを形成する結晶膜をテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）結晶膜とし、さらに注入するイオンを酸素イオン（Ｏ+）として説明を行う。
【００２２】
［Ｓｉの結晶構造とチャネリング］
最初に、Ｓｉの結晶構造、そして、この結晶構造にイオン注入した時に発生するチャンネリングという現象について説明する。
【００２３】
図１は、ダイヤモンド構造と呼ばれるＳｉの結晶構造の模型である。線で囲った面が通常のＳｉ（１００）ウェーハの表面となる（１００）面（｛１００｝面の１つ）である。図２に、図１の矢印にて示している４つの４５°方向、つまり（１００）面に対して等価な４つの<１１０>方位（［１１０］方位、［１−１０］方位、［１０１］方位、［１０−１］方位）から見た図を示す。
【００２４】
図２のように、<１１０>方位から見たＳｉの結晶には、網のようにたくさんの穴が開いているように見える。この穴のように見える、直線上にＳｉ原子核が存在しない部分がチャンネルである。このチャンネルの中に入ったイオンはチャンネルを形成する結晶原子から斥力を受け、結晶原子に直接衝突することなく、ウェーハの奥深くまで到達する可能性があることがわかる（図３参照）。このように、結晶中に形成されたチャンネル中をイオンが結晶原子に衝突することなく運動する現象がチャンネリングである。
【００２５】
上記の問題点１および問題点２解決するために、Ｓｉウェーハ上に同様の結晶構造を持つ材料を成膜し、この膜をマスクとすることを考える。ここでは、Ｓｉウェーハ上にＺｎＴｅを成膜することによって形成されるｎｍオーダーのマスクを利用する方法について述べる。
【００２６】
図４にＳｉ（１１０）表面に対して４５°の<１１０>方位から見たＳｉの結晶構造を示す。図２同様にチャンネリングし易い構造が判る。また、図５には、同じ<１１０>方位から見たＺｎＴｅの結晶構造を示す。ＺｎＴｅの結晶構造は、閃亜鉛鉱構造と呼ばれる構造で、Ｓｉのダイヤモンド構造と非常に似ている。異なる点は結合手を隔てて隣り合う原子は同一の原子ではなく、亜鉛（Ｚｎ）とテルル（Ｔｅ）ということである。このＺｎＴｅをＳｉウェーハ上に成膜する。ＳｉとＺｎＴｅの結晶は、そのサイズに違いがある。その大きさを表す格子定数は、Ｓｉの５．４３Åに対してＺｎＴｅは６．１０Åと１２％程大きく、すべての格子に渡って、格子整合しての成膜は難しくなる。
【００２７】
［Ｓｉ（１１０）面におけるイオン注入］
一般的に太陽電池や電子デバイス等に用いられるＳｉウェーハは、Ｓｉ（１００）面を有しているが、考察を容易にするため、まず、Ｓｉ単結晶のチャンネルに対して垂直な面であるＳｉ（１１０）面の上にＺｎＴｅ結晶膜を形成し、イオン注入を行う場合について扱う。
【００２８】
Ｓｉ（１１０）結晶上にＺｎＴｅ結晶膜を成膜させると（言い換えれば、その結晶格子を重ね合わせると）、図６のようになる。つまり、中央部分において、ＳｉのチャンネルとＺｎＴｅのチャンネルが重なった格子整合点が形成されている。この格子整合点にイオンが入射した場合、ＺｎＴｅ層からＳｉ結晶部へとチャンネリングが連続することが予想される。図７に図６の表示領域を広げた図を示す。格子整合点が、縦方向（［１−１０］方位）に３．４５ｎｍ、横方向（［００１］方位）に４．８８ｎｍの間隔で周期的に表れているのがわかる。
【００２９】
さて、このＳｉ（１１０）結晶表面に形成したＺｎＴｅの結晶膜の表面に対して、チャンネルと平行に<１１０>方位からイオンを注入した場合に、予想される軌道は次の３つに分類できる。（図８〜図１０参照）
【００３０】
Ａ）ＺｎＴｅ層でチャンネリングから外れる。（図８参照）
マスク層の結晶原子に衝突した（正確には、結晶原子核の近傍を通った）イオンは、大きく偏向しチャンネル内にいることができなくなる。この場合、イオンは、非晶質（アモルファス）のマスク層に注入した場合と同様、大きく散乱し、ウェーハの深部まで到達することはない。
【００３１】
Ｂ）マスク層とＳｉ層の界面でチャンネリングから外れる。（図９参照）
マスク層ではチャンネル内を進んできたとしても、通ってきたチャンネルが格子整合点にない場合、界面でイオンがＳｉ原子と衝突する確率が高くなる。チャンネリングがこの部分で終わった場合、以降のイオンの軌道は、非晶質（アモルファス）のＳｉウェーハに注入した場合と同様、散乱し、ウェーハの深部まで到達することはない。
【００３２】
Ｃ）Ｓｉ結晶の内部までチャンネリングが続く。（図１０参照）
イオンの軌道は最後まで一つのチャンネルの中を進み、Ｓｉ結晶の内部までチャンネリングが続く。そしてイオンは、そのチャンネルの中で停止する。この場合、イオンの飛程は最も長くなる。またイオンの軌道は一つのチャンネルに留まるので、イオンの分散が小さくなること、つまりイオン分布の空間分解能も高くなることが予想される。
【００３３】
周期的に現れる格子整合点においては、このＣ）の事象が起こる可能性が高くなる。またこのＣ）の事象は、以下のような特性を示す。
・イオンを、格子整合点の配置に沿った空間分解能で規則的に注入できる。
・チャンネリングしたイオンはチャンネルに縛られ、横方向（面内方向）への広がりが制限される。
これらの特性により、上記の問題点１および問題点２を解決することが可能となる。
【００３４】
このように、ＺｎＴｅ層の表面から注入され、上記Ｃ）の事象によってＳｉ結晶の内部に達した酸素イオンは、注入後電荷を失い酸素原子となって、Ｓｉウェーハ内に分布する。そこで、注入されたイオンがＳｉウェーハ内でどのような分布をとるのかを、数値シミュレーションによって見積もった。つまり、Ｚｎ，Ｔｅ，Ｓｉの各原子核と酸素イオンの間のインパクトパラメータ（衝突パラメータ）を、各原子と酸素イオンの間の距離の関数として見積もり、それをもとにＺｎＴｅ結晶膜の表面から注入したイオンの軌跡をシミュレーションすることで、Ｓｉウェーハ内でのイオンの分布を見積もった。その結果、イオンが到達した深さ領域（到達深さ部分）におけるイオン分布は、図１１（ウェーハ上方、<１１０＞方位から見た断面）、図１２（ウェーハ断面から見た図）のようになる。つまり、注入されたイオンは、面内方向には、図１１のように、格子整合点の周期に対応した周期で規則的に分布する一方、深さ方向には、図１２のように、棒状に分布する。
【００３５】
このように、ＺｎＴｅマスク層を介してＳｉ（１１０）面に垂直にイオンを注入することで、図１２に示したように、注入原子が所定の周期で局在した棒状の分布構造をＳｉ結晶中に形成することができるが、このような棒状の分布を形成するだけでは、深さ方向には原子の局在的な分布を形成できておらず、量子ドット作製のために用いることができる意図的な注入原子の分布として十分であるとは言えない。量子ドット化を可能にするために、Ｓｉ（１００）結晶を用いた、以下のような手順を提案する。
【００３６】
［Ｓｉ（１００）面におけるイオン注入］
ここまでは、表面にＺｎＴｅを成膜したＳｉ（１１０）方位ウェーハを想定していたが、ここからは、より一般的なＳｉ（１００）方位ウェーハを用いた場合のイオン注入について考察する。
【００３７】
Ｓｉ（１００）方位ウェーハにおいて、上記のＳｉ（１１０）方位ウェーハの場合と同様のチャンネリングを引き起こすためには、表面に対し４５°方向、つまり図２に示した４つの等価な<１１０>方位のうち少なくとも１つの方位からのイオン注入が必要になる。この方向から注入した場合の注入イオンの分布は、図１３のように４５°傾くことになる。
【００３８】
注入されたイオンの分布を、ウェーハ上方、<１００>方位から見た断面、つまり（１００）平面上で見た分布パターンは、図１４のようになり、図１１に示したＳｉ（１１０）面から注入を行った場合と比較して、単位格子の１方向のみ拡大されたものとなる。つまり、縦方向（［０１０］方位）の分布の間隔は、（１１０）面からイオン注入を行った場合の縦方向（［１−１０］方向）の間隔よりも長くなり、４．８８（＝３．４５／ｓｉｎ４５°）ｎｍになる。一方、横方向（［００１］方向）の分布の間隔は、（１１０）面からイオン注入を行った場合の横方向（［１００］方向）の間隔と同じであり、４．８８ｎｍとなる。つまり、（１００）面からの注入によって形成されるイオンの分布の面内方向における単位格子は、縦横、同じ間隔となる。上記の（１１０）面からイオン注入を行った場合のシミュレーション結果をもとに、（１００）面からイオン注入を行った場合についても、イオンの分布を見積もると、＜１００＞方位から見た断面は図１５のようになり、縦横４．８８ｎｍの規則的な格子を形成して、イオンが分布することになる。
【００３９】
このようなイオン注入を、図２に示した４つの等価な<１１０>方位から実施する。この４方向から注入した場合にどのような酸素原子の分布になるかを以下に説明する。実際には、注入はウェーハ全体にわたって実施するが、ここでは、分かりやすく説明するために、Ｓｉウェーハの表面（ＺｎＴｅとＳｉの境界面）上の限られた領域からイオンが注入される場合を考える。
【００４０】
まず、限られた領域Ａに、＜１１０＞方位の１つ（例えば［１１０］方位）から注入されたイオンが作る領域について考える。図１６は、この領域Ａを含むウェーハの一部を切り取った概念図である。領域Ａに注入されたイオンにより、Ｓｉウェーハ表面（ＺｎＴｅ／Ｓｉ界面）からチャンネリングした酸素イオンの到達点付近に、棒状の酸素量の多い領域が作られる。
【００４１】
次に、注入方向を変更する。今度の注入方向もウェーハ表面に対し４５°であるが、先ほどと逆の<１１０>方位、ウェーハ面内で１８０°回転させた方向（つまり［１−１０］方位）から注入する。この注入においても限られた領域Ｂを想定する。この領域Ｂは、この領域から注入されたイオンの作る注入領域が、チャンネリングしたイオンの到達点付近のウェーハ深さにおいて、領域Ａの作る領域と交わるように定める（図１７参照）。ここで、領域Ａ、領域Ｂとも、注入されたイオンがＺｎＴｅ結晶膜表面からＳｉ結晶内部に連続して侵入可能な点である格子整合点に限られるので、Ａの領域（の中心）とＢの領域（の中心）間の距離は、格子整合点間の距離によって定まり、図１５の酸素密度の濃淡の規則的な配置の間隔である、４．８８ｎｍの倍数となる。
【００４２】
さて、この領域Ｂから注入されたイオンによっても注入量が多い領域が作製されるが、チャンネリングしたイオンの到達点付近にて２つの注入領域が重なることになり、この重なった領域においては、２つの領域が重なっていない場合と比較して、注入量が多くなることになる（図１７参照）。この注入領域を領域Ｘと呼ぶことにする。
【００４３】
次に注入方向を変更する。次の注入方向も表面に対して４５°の角度を有する別の<１１０>方位、１回目の注入からウェーハ面内で９０°回転させた方向（つまり［１０１］方位）からの注入とする。この注入においても、限られた領域Ｃを想定する。この領域Ｃは、この領域から注入されたイオンの作る注入領域が、領域Ｘと交わる領域とする。この領域Ｃの位置を、図１８に示す。この方向、この領域Ｃからの注入によっても、領域Ｘの注入量は増加する。
【００４４】
最後に、１回目の注入からウェーハ面内で２７０°回転させた<１１０>方位（つまり［１０−１］方位）から注入する。この注入においても領域Ｄを想定する。この領域Ｄは、この領域から注入されたイオンの作る注入領域が、領域Ｘと交わる領域とし、図１９の位置となる。この方向、この領域Ｄからの注入によっても、領域Ｘの注入量は増加する。
【００４５】
これら４方向からの注入よってできる領域Ｘは、一方向の注入のみよってできる棒状の領域と異なり、これらの交点にできる点状の領域になる。しかも、棒状の注入量の多い領域が重なっているので、その注入密度は棒状の領域に比較して４倍大きくなる。この点状の領域Ｘが量子ドットを隔てるためのＳｉＯ２領域作製のための核となる。
【００４６】
次に、このように作製する領域Ｘがどのような間隔で分布することになるのかを考える。つまり、上記では、面内の限られた領域Ａ〜Ｄへのイオン注入のみを扱ったが、Ｓｉ表面全体にイオン注入を行った場合のイオンの分布を考える。
【００４７】
まず、水平方向（面内方向）の分布は、図１５の分布にある注入量の多い部分、一つ一つが領域Ａ〜Ｄになりえる。つまり、図１５の分布がそのまま、水平方向における領域Ｘの分布となる。
【００４８】
次に、縦方向（深さ方向）への分布について、図２０を見ながら説明する。図２０は、ウェーハを、領域Ａ、領域Ｂ、および領域Ｘが見える角度で切った断面の概念図である。この図でみて、領域Ａの左右に、領域Ａ１、Ａ２、領域Ｂの左右に領域Ｂ１、Ｂ２を考える。この領域Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２はそれぞれ、図２０で見た領域Ａ，Ｂの左右に形成された、領域Ａ，Ｂと同様のイオン注入量の多い部分であり、それらの領域の中心間距離は、図１５に示されるとおり、４．８８ｎｍである。
【００４９】
これらの領域から注入されたイオンによってウェーハ内に作られる領域Ｘ、および領域Ｘと同様に複数の方向から注入されたイオンの分布が重なる領域の分布について説明する。まず領域Ｘと同一水平面上で考えると、領域Ｘの（本図で見て）右側に、領域Ｂ１と領域Ａ１からのイオン注入による注入領域（Ｘ１１）が形成される。同様に左側に、領域Ｂ２と領域Ａ２からのイオン注入による注入領域（Ｘ２２）が形成される。また、深さ方向については、領域Ｘの真下に４．８８ｎｍ離れた距離に、領域Ａ１と領域Ｂ２による注入領域ができ（Ｘ１２）、斜め下にも領域Ａと領域Ｂ２による注入領域（Ｘ０２）、そして領域Ｂと領域Ａ１による注入領域（Ｘ１０）ができる。
【００５０】
つまり、深さ方向に距離２．４４ｎｍ置きに、図１５の面内方向の分布を持った注入領域が互い違いに並ぶことになる。この深さ方向の分布は、図１５の面内方向の分布と全く同じ配列である。これは、横方向から見た分布と上方向から見た分布が同じとなることを意味し、斜観図にすると図２１のようになる。これは、量子ドットの配置としては、非常に好ましい配列である。
【００５１】
図２１の斜観図では、注入領域の立体配置を示すために、あえて注入領域の境界をはっきりさせた図にしてあるが、実際にはこのような境界のはっきりした領域にはならない。また、注入領域の配置を描いているが、実際に量子ドットの核になるのは、注入領域の間にある非酸素注入領域（純Ｓｉ領域）である。図２１を酸素注入領域ではなく、非酸素注入領域の配置に直すと、図２２のようになる（濃い色で示した領域）。
【００５２】
図２２においても、非注入領域の立体配置を示すために、領域の境界をはっきりさせてあるが、実際にはこのように境界がはっきりしているわけではなく、そのままでは量子ドットと呼べるほど境界が明確に規定された純Ｓｉ領域はできていない。酸素非注入領域を核として、純Ｓｉを結晶化させる必要がある（図２３参照）。その方法としては、イオン注入終了後、ウェーハを熱処理すればよい。熱処理の条件については、最適化が必要となるが、過去の研究例を参照すると、例えば、窒素雰囲気１１００℃、２時間のアニールにより、直径約５ｎｍの球状Ｓｉを得られると考えられる。より小さな量子ドットの場合、より低い温度での熱処理を行えばよい。この方法によって作成される量子ドットの大きさ、そしてドット間の間隔（中心間距離）を、図２４にまとめておく。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、注入するイオンとしては、酸素イオンに限られず、窒素イオン等、Ｓｉ結晶中で絶縁体を形成しうるものであれば、どのようなものでもかまわない。半導体単結晶およびマスクを形成する結晶層についても、ＳｉとＺｎＴｅの組み合わせに限らず、任意の半導体単結晶と、その表面でエピタキシャル成長し、界面に規則的に配列された格子整合点を与える結晶膜の組み合わせを、適宜選択すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明により、Ｓｉウェーハ内にｎｍサイズの分布をもつＳｉとＳｉ酸化膜を作製し、それを熱処理することにより、ｎｍサイズのＳｉ量子ドットを作製することが可能になる。この方法によって得られた、ｎｍサイズの大きさ、分布を持ったＳｉ量子ドットは、太陽電池、あるいは電子デバイスとしての応用が期待できる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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