JPH0982939A

JPH0982939A - 微細構造素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0982939A
Application number: JP23957695A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Takahashi; 茂樹高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】自己組織化的なエッチングと微粒子の持つ良
好なサイズ均一性により、動作特性の揃った高機能かつ
高集積可能な微細構造素子を簡単なプロセスで製造す
る。【解決手段】半導体等の結晶表面に異種材料を吸着さ
せた場合に現れる特徴的な２次元パターンとそれによる
表面反応違いを利用して選択エッチングを行う。さらに
そのエッチングによりサイズを制御して形成した微小な
凹部に粒径を揃えた微粒子を整列させることにより微小
構造素子を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高集積回路等に用
いられる高機能微細構造素子とその特性向上を可能にす
る製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の高集積化、高機能化のた
めには制御性良く微細構造を作製する必要がある。その
方法として数多くの提案がなされているが、ＥＢ（電子
ビーム）やＦＩＢ（集束イオンビーム）等の微細リソグ
ラフィを用いた方法では、自由なパターニングが可能で
あるものの、１０ｎｍ程度の微細な領域ではサイズの揺
らぎを十分に抑えることが出来ない。そこで、半導体結
晶成長における自己組織化と呼ばれる現象を用いた微細
構造の作製方法が提案されている。

【０００３】以下にその一例として、ＭＢＥ（分子ビー
ム成長）法によりＧａＡｓ（１００）基板上にＩｎＧａ
Ａｓを結晶成長する場合に得られる歪みを持った３次元
島を量子ドッドとして用いる場合（D. Leonard et al.,
Appl. Phys. Lett. 63, 3203 (1993)）を説明する。

【０００４】まず図１５（ａ）に示すように、ＧａＡｓ
（１００）基板１０１上にＧａＡｓバッファ層１０２を
基板温度６００℃で結晶成長する。バッファ層１０２の
成長終了時には、結晶の表面状態をモニタするＲＨＥＥ
Ｄ（反射高速電子線回折）パターンはＧａＡｓ（１０
０）の２次元的な清浄表面の状態を示すストリークのあ
る（２×４）再配列構造パターンとなる。

【０００５】次に図１５（ｂ）に示すように、基板温度
５３０℃で０．５原子層分のＩｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ成長
とＡｓ₂ 雰囲気中での５秒間の成長中断のサイクルをＲ
ＨＥＥＤパターンが表面における３次元島状成長を示す
スポット状になるまで繰り返すことによりＩｎ_0.5 Ｇａ
_0.5 Ａｓの３次元島１０３を形成する。

【０００６】最後に図１５（ｃ）に示すように、基板温
度４５０℃以下でＧａＡｓキャップ層１０４を成長し、
３次元島３３を埋め込むと同時に表面を平坦化する。こ
の方法により、微小なＩｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓの３次元島
１０３をＧａＡｓ中に埋め込んだ量子ドット構造をその
直径を３０ｎｍ程度に均一性良く制御して作製すること
が出来る。

【０００７】しかしながら上記の作製方法は、図１６に
示すように、Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ量子ドット１０５の
配置がランダムになってしまい、パターン配置を自由に
設計できないという問題を有している。それは、上記の
作製方法が結晶成長時の歪みの関係によって自己組織化
的に量子ドットを形成する方法であるため、量子ドット
のサイズや密度をある程度は制御することは出来るが、
量子ドットのもととなる３次元結晶成長核の位置制御を
行うことは実質的には出来ない。

【０００８】選択成長マスク等を用いて成長領域の制御
を行うことはある程度出来るが、その領域中で量子ドッ
トの配置はやはりランダムになってしまう。このような
方法では、量子ドットのサイズだけでなくその配置（相
互間隔）が重要となるような高機能微細構造電子素子・
光素子を作製する場合に大きな問題とる。

【０００９】さらに、量子ドットのサイズは基本的にバ
ッファ層と３次元島状成長層の格子定数の差で決まるた
めに、同じ組成でサイズの違う量子ドットを同じ基板上
に形成するのは難しい。従って作製するパターンの配置
を自由に設定できない、パターンの大きさが同一基板上
で同じものしか作成できず異なる大きさのパターンを形
成できない等自由度が極めて低い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の点に鑑
みてなされたものであり、任意の加工サイズ、任意の場
所に微細加工できる微細加工方法を提供することを目的
とする。また本発明は、基板上の凹部に選択的に微粒子
を配置する微細加工方法を提供することを目的とする。
また本発明は、上記方法により形成された半導体素子を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、凹部を有する基板とこの凹部に設けられた
微粒子とを具備することを特徴とする微細構造素子を提
供する。また本発明は前記微粒子は複数個存在し、微粒
子間に電気的相互作用を有することを特徴とする微細構
造素子をていきょうする。

【００１２】さらに本発明は、基板上に開口部を持った
マスクを形成する工程と、この基板上にこの基板とは異
なる第１の材料を堆積させた後表面処理を施して前記マ
スクの開口部に第１の材料の被覆領域と非被覆領域を形
成する工程と、被覆領域と非被覆領域の基板に対する反
応性の違いまたは第２の材料に対する反応性の違いを利
用して被覆領域または非被覆領域のどちらかの基板材料
を選択的にエッチング除去し凹部を形成する工程と、こ
の凹部に微粒子を堆積し整列させる工程と、凹部と微粒
子全体または一部を埋め込んで固定する工程を含むこと
を特徴とする微細構造素子の製造方法を提供する。

【００１３】また本発明は、前記基板材料を選択的にエ
ッチング除去し凹部を形成する工程は、第１の材料をエ
ッチングマスクとして働かせて第１の材料の非被覆領域
をエッチング除去することによってなることを特徴とす
る微細構造素子の製造方法を提供する。

【００１４】また本発明は、前記基板材料を選択的にエ
ッチング除去し凹部を形成する工程は、第１の材料が第
２の材料によるエッチングマスクを形成するための選択
マスクの働きをする、また第１の材料が基板エッチング
を促進するための触媒として働くことにより、第１の材
料の被覆領域をエッチング除去することによってなるこ
とを特徴とする微細構造素子の製造方法を提供する。

【００１５】また本発明は、前記凹部に微粒子を堆積し
整列させる工程は、基板に熱、光、超音波、粒子線、或
いは微小プローブにより表面励起を行うことにより、前
記微粒子を前記凹部に選択的に整列させることによって
なることを特徴とする請求項３記載の微細構造素子の製
造方法を提供する。

【００１６】すなわち本発明では、結晶材料表面での異
種材料吸着による特徴的な２次元パターン形成を利用し
たエッチングによる微小凹部形成方法と粒径を制御して
形成した微粒子を用いる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を説明す
る。以下に挙げる実施例は本発明の理解を助けるために
なされたものであり、本発明はこれに限定されるもので
なく種々変更して用いることができる。

【００１８】最初にＳＥＴ（単電子トランジスタ）型電
荷検出素子を製造する場合を例にして第１の実施例を説
明する。先ず図１に示すように、アンドープＳｉ（１１
１）基板１１に酸化シリコンのマスク１２を形成した
後、超高真空装置内で表面処理を行って素子作製領域の
下地を整える。酸化シリコンマスク１２にはＥＢリソグ
ラフィとエッチングを用いて目的の素子を形成する位置
に約１００ｎｍ×１００ｎｍの開口部をつくる。図１の
開口部のＡ−Ａ′断面の拡大図を右側に示す。以下に説
明するように開口部にはステップ１３を有するようにな
る。

【００１９】ここで用いるＳｉ基板１１は［−１−１
２］方向に低くなるように微傾斜したＳｉ（１１１）基
板である。このときの表面傾斜角により自然に表面に存
在するステップの間隔が決まる。例えば、単原子層ステ
ップの間隔が１００ｎｍ程度になるためには約０．２度
の傾斜角のものを用意すれば良い。超高真空装置内でク
リーニングや熱処理などの表面処理を行うと、１００ｎ
ｍ程度のステップ間隔で［−１−１２］方向とは垂直方
向に向きの揃ったステップ列を形成することができる。
つまり、約１００ｎｍの広さを持つマスク１２の開口部
には少なくとも１本のまっすぐなステップ１３が現れる
ことになる。

【００２０】次に図２に示すように、ステップ１３の現
れた基板１１上に、超高真空装置内でＧａを蒸着する。
この基板を熱処理することによって、Ｇａが表面に吸着
した領域１４と吸着せず清浄なＳｉ表面が現れている領
域１５を形成する。

【００２１】これはＳｉ基板１１上に形成されたステッ
プ１３により、Ｓｉ表面に吸着エネルギーの差が生じる
ことを用いている。この吸着エネルギーはステップ端で
最も小さいため、基板表面に与える熱励起を調節するこ
とで、ステップ端１３の上側の表面に形成されたＧａか
ら順々に脱離させることが可能となり、Ｇａ吸着のない
Ｓｉ表面が露出された領域１５を任意の幅で形成するこ
とが可能となる。

【００２２】本実施例では室温で１原子層程度蒸着した
後、６５０℃で数分間アニールすると、表面のＧａ離脱
が起こりＳｉ表面上で１／３原子層の被覆律となった時
点で√３×√３再配列構造と呼ばれるＧａとＳｉが結合
した構造をとる。この√３×√３再配列構造が全面に現
れるタイミングはＲＨＥＥＤで表面モニタすることによ
り容易に知ることが出来る。

【００２３】この時点からさらに６５０℃でアニールを
行うと、Ｇａはステップ１３の上側の端から蒸発を始
め、それによりステップ１３に平行にストライプ状のＳ
ｉ清浄表面領域１５が現れる。このときのアニール温度
とアニール時間によりＳｉ清浄表面領域１５のストライ
プ幅を決めることができる。

【００２４】なお酸化シリコンマスク１２上に蒸着され
たＧａは、下地との結合が弱いためにアニールによって
容易に離脱することとなり、この熱処理工程において酸
化シリコンマスク１２上にはＧａは形成されていない。

【００２５】次に図３に示すように、基板表面全体にＣ
ｌ原子１６を吸着させた後に表面励起を行うと、Ｓｉ清
浄表面領域１５では選択的にエッチングが起こりＳｉ清
浄表面領域１５のみに凹部１７が形成される。

【００２６】Ｓｉ（１１１）７×７清浄表面は表面活性
な構造であり、Ｃｌ原子が吸着するとイオン、電子、光
等の少しの励起によりＳｉ−Ｓｉ結合は容易にＳｉ−Ｃ
ｌ結合に置き換わり表面に塩化シリコンの反応生成物層
が形成される。ここでＣｌ原子はＳｉ基板中には拡散し
にくいため一旦反応生成物層が形成されると結合の置き
換え反応の進行は止まる。この反応生成物層にさらにイ
オン等で少しの励起を行うと、反応生成物は容易に表面
から脱離し、結果としてほぼ単原子層のエッチングが行
われる。このようにＣｌの吸着と表面励起を繰り返すこ
とにより、Ｓｉ清浄表面領域はほぼ１層ごとのデジタル
エッチングを行うことが出来る。こうしてエッチングサ
イクルの繰り返し数を変えることにより任意の深さのエ
ッチングを行うことが出来る。

【００２７】ところがＳｉ（１１１）清浄表面にＧａが
１／３原子層吸着してできる√３×√３再配列構造は、
Ｓｉの活性なダングリングボンドをまとめてＧａ終端し
た表面不活性な構造であるので、Ｃｌが表面に吸着して
も容易にはＧａ−Ｓｉ結合はＧａ−Ｃｌ結合に置き換わ
らない。また強い表面励起を行って強引にＧａとＣｌの
反応を起こさせても、塩化ガリウムの反応生成物は比較
的飽和蒸気圧が低いために容易に表面から脱離しない。
さらにＧａが終端した表面や塩化ガリウムの反応生成物
層が脱離していない表面ではＣｌは下地Ｓｉ中に拡散出
来ない等の理由により、上記の化学反応、脱離、拡散の
過程でエッチングの進行は妨げられる。

【００２８】上述の理由により、Ｓｉ清浄表面が露出し
ている面１７では、反応・脱離励起がおこりデジタルエ
ッチングされるが、Ｇａ吸着表面１４では反応・脱離励
起は生じない。従って本実施例ではＧａ吸着面をマスク
とした選択エッチングが可能となる。なお、酸化シリコ
ンマスク１２はさらに不活性であるためＣｌによってエ
ッチングされることはない。

【００２９】次に図４に示すように、凹部１７に絶縁層
としての厚い酸化膜１８を形成した後、Ｓｉ微粒子１９
を堆積する。この時Ｓｉ微粒子１９は予めドープしてあ
り表面酸化をしている。このＳｉ微粒子を堆積した後、
Ｓｉ微粒子の拡散を励起するために基板を熱処理し、凹
部１７にＳｉ微粒子１９を選択的に整列させる。本実施
例ではＳｉ単体の微粒子は、Ｈｅガス雰囲気中でＳｉ単
結晶をターゲットとしたＡｒＦエキシマレーザアブレー
ション法を用いることにより約１０ｎｍの粒径に制御し
たものを多量に生成する。

【００３０】このＳｉ単体微粒子をガスの流れに沿って
引き出し、Ｓｉ微粒子にＰイオンの低速イオン注入を行
ってｎ型ドーピングする。さらに酸素プラズマ中で表面
酸化とイオン化を行った後、電界によって引き出して目
的とする基板に照射する。このイオン化した微粒子はマ
スフィルターを通すことによりサイズ均一性の非常に優
れた微粒子だけを選び出すことができる。

【００３１】また別の配列方法として、電磁レンズを用
いた集束イオンビーム装置により基板上の目的とした位
置（ここでは基板上に形成された凹部）に正確に微粒子
を堆積することが出来る。

【００３２】堆積後に、熱、超音波等で表面励起を行う
ことにより、ドープして表面酸化したＳｉ微粒子１９
を、目的とする凹部１７に整列させる。次に図５に示す
ように、ＣＶＤ（化学気相堆積）法等の薄膜堆積装置で
微粒子ごと開口部全体を堆積酸化膜２０で埋め込む。図
では分かりやすくするために、埋め込まれたＳｉ微粒子
１９及び凹部１７が堆積酸化膜２０を通して見えるよう
に描いてある。ここで、開口部に残った酸化膜堆積前に
アニールによって蒸発させておく。

【００３３】最後に図６に示すように、ＥＢリソグラフ
ィのリフトオフによりソース電極２１、ドレイン電極２
２、ゲート電極２３を形成してＳＥＴ型電荷検出素子の
基本構造は完成する。ここでも分かりやすくするため
に、埋め込まれ電極の下になったＳｉ微粒子１９等を図
には描いている。

【００３４】このＳＥＴ型電荷検出素子の動作を以下に
説明する。先ず１列に並んだＳｉ微粒子は、表面の酸化
膜が障壁層の働きをする多重トンネル接合のＳＥＴ島と
なっている。Ｓｉ微粒子の直径が１０ｎｍと微小なため
孤立球形島とみたときの静電容量は１ａＦ以下となり、
電子１個の充電エネルギーは非常に大きくなり、十分な
クーロンブロッケード動作が観測される。Ｓｉ微粒子列
に近接したゲート電極からバイアスを加えるとＳＥＴ島
中の電位が変化し、クーロンブロッケード現象により電
子１個に対応する変化でドレイン電流が変調される。つ
まり、微小な電荷によるゲート電極の電圧変化をドレイ
ン電流の変化として増幅して検出することが出来る電荷
検出素子である。

【００３５】本実施例の凹部パターン形成方法は、表面
における異種材料間の組み合わせによって生じる特徴的
なパターンを利用してエッチングを行うという、いわば
自己組織化エッチングとでも呼べる方法である。上記の
例では、［−１−１２］方向に低くなるように微傾斜し
たＳｉ（１１１）基板上を用い、この表面にＧａが吸着
する場合の√３×√３再配列構造を利用し、熱処理を調
整することでＧａがステップに対して平行に蒸発する現
象を利用している。一方［１１−２］方向に低くなるよ
うに微傾斜したＳｉ（１１１）基板を用いると、同様な
Ｇａ蒸発がステップ端を一辺とした正三角形状に起こ
り、任意な大きさの正三角形状のＳｉ清浄表面を得るこ
とが出来る。これを用いて上記実施例と同様に凹部を形
成し、この凹部に微粒子を配置することで別の半導体素
子構造を形成できる。

【００３６】以下にこの構造をＳＥＴ型電荷検出素子の
作製に用いた第２の実施例を説明する。基本的な構成は
第１の実施例と同様なため、異なる部分のみを詳しく述
べる。

【００３７】先ず図７に示すように、［１１−２］方向
に低くなるように微傾斜したアンドープＳｉ（１１１）
基板３１に、開口部を持つ酸化シリコンのマスク３２を
形成した後、超高真空装置内で表面処理を行って素子作
製領域の下地を整える。図７の開口部のＡ−Ａ′断面の
拡大図を右側に示す。第１の実施例と同様に開口部には
ステップ３３を有するようになるが結晶方向は反対にな
る。

【００３８】次に図８に示すように、ステップ３３の現
れた基板３１上に、超高真空装置内でＧａを蒸着した
後、熱処理を施してＧａ吸着領域３４とＳｉ清浄表面領
域３５を形成する。本実施例では［１１−２］方向に低
くなるように微傾斜したＳｉ（１１１）基板を用いてい
るため、一辺がステップ３３に平行な正三角形状のＳｉ
清浄表面領域３５が現れる。このときのアニール温度と
アニール時間によりＳｉ清浄表面領域３５のサイズを決
めることができる。その後、基板表面全体にＣｌ原子を
吸着させた後に表面励起を行うと、Ｓｉ清浄表面領域３
５では選択的にエッチングが起こりＳｉ清浄表面領域３
５のみに凹部３６が形成される。

【００３９】次に図９に示すように、凹部３６に厚い酸
化膜３８を形成し、直径１０ｎｍ程度の３種のＳｉ微粒
子を順番に堆積する。この時、Ｓｉ微粒子Ａ３８は予め
ドープして軽く表面酸化をしており、微粒子Ｂ３９はド
ープせずに強く表面酸化をしており、微粒子Ｃ４０はド
ープして表面酸化は行っていない。ここでは電磁レンズ
を用いたＦＩＢ装置の構成により基板上の凹部に正確に
異なる微粒子を堆積させるとともに、表面励起を併用し
て整列させる。

【００４０】次に図１０に示すように、薄膜堆積装置で
微粒子ごと開口部全体を堆積酸化膜４１で埋め込む。最
後に、ＥＢリソグラフィのリフトオフやＦＩＢの直接堆
積などによりソース電極４２、ドレイン電極４３、ゲー
ト電極４４を形成してＳＥＴ型電荷検出素子の基本構造
は完成する。図では分かりやすくするために、埋め込ま
れた３種のＳｉ微粒子及び凹部が堆積酸化膜４１や電極
を通して見えるように描いてある。

【００４１】このＳＥＴ型電荷検出素子の動作を以下に
説明する。先ず１列に並んだＳｉ微粒子Ａ３８は、表面
の酸化膜が障壁層の働きをする多重トンネル接合のＳＥ
Ｔ島となっている。その横に２列に並んだＳｉ微粒子Ｂ
３９は絶縁層であり、ゲート電極の働きをするＳｉ微粒
子Ｃ４０をＳｉ微粒子Ａ３８のＳＥＴ島から絶縁してい
る。この場合も、Ｓｉ微粒子Ａの列に近接したゲート電
極のバイアスによりクーロンブロッケード現象が制御さ
れるため、微小な電荷によるゲート電極の電圧変化をド
レイン電流の変化として増幅して検出することが出来る
電荷検出素子として働く。

【００４２】このように本発明は異種材料の吸着による
特徴的なパターン形成を用いて、微細な凹部を形成し、
この凹部に選択的に微粒子を配置することで超微細な素
子構造を有する半導体素子を提供できるものである。例
えば異種材料の特徴的なパターン形成は、Ｓｉ（１０
０）等の他の指数面、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｚ
ｎＳｅ等の各種半導体の表面、さらにＰｔ、Ａｕ等の金
属結晶表面においても実現可能である。

【００４３】このような他の結晶面における特徴を生か
し、電子間のクーロン相互作用を用いたセル型量子効果
素子を作製する場合について、以下に本発明の第３の実
施例を説明する。作製工程については第１、第２の実施
例と共通する部分が多いため、特徴的な部分以外は簡単
に述べる。

【００４４】先ず図１１に示すように、アンドープＳｉ
（１００）基板５１に、目的とする素子形成領域に対応
した開口部を持つ酸化シリコンのマスク５２を形成した
後、超高真空装置内で表面処理を行い、さらにＧａを蒸
着する。その後に熱処理を施して全体の被覆率を０．５
原子層とすることにより、開口部に２×２再配列構造を
とるＧａ吸着領域５３を形成する。さらに、目的とする
セルを形成する位置に電子線照射を行い局所的にＧａを
脱離させた微小領域５４を形成する。図１１の開口部の
Ａ−Ａ′断面の拡大図を右側に示す。

【００４５】次に図１２に示すように、開口部の励起を
行って、Ｇａ脱離領域を拡大させて、正方形状のＳｉ清
浄表面領域５５を形成する。２×２再配列構造に光また
は電子線をパルス的に照射してＧａ脱離を促進すると、
微小領域５４を中心にＳｉ清浄表面領域が正方形状に広
がる。励起パルスの強度と回数を制御することにより、
約１４ｎｍ角の正方形のＳｉ清浄表面領域５５を形成す
る。その後、基板表面全体にＣｌ原子を吸着させた後に
表面励起を行うと、Ｓｉ清浄表面領域５５では選択的に
エッチングが起こりＳｉ清浄表面領域５５のみに凹部５
６が形成される。

【００４６】次に図１３に示すように、凹部５６のＳｉ
清浄表面に厚い酸化膜５７を形成、さらに凹部５６に直
径７ｎｍ程度のＳｉ微粒子５８を堆積する。この時、Ｓ
ｉ微粒子５８は予めドープして表面酸化層を形成してい
る。

【００４７】次に図１４に示すように、薄膜堆積装置で
微粒子ごと開口部全体を堆積酸化膜５９で埋め込む。最
後に、中に微小な構造をもつ入力端子６０および出力端
子６１を形成してセル型量子効果素子の基本構造の一例
は完成する。

【００４８】このセル型量子効果素子の動作を以下に説
明する。先ずセル内の４個の微粒子が電子を閉じ込める
量子ドットの働きをする。電子はセルを満たした厚い酸
化シリコンの高い障壁によりセル外には出られないが、
微粒子の極薄い酸化膜を通して量子ドット間はトンネル
することができる。セルに２個の電子を閉じ込めると、
電子は対角線に配置するのが安定となり、その２種の安
定状態を０、１の２値に対応させることができる。セル
の状態はクーロン相互作用により、近接したセルに伝わ
り、情報伝達することによって演算及び記憶動作を行う
素子となる。このように本発明を用いれば、結合量子ド
ットによって構成される論理素子または記憶素子、セル
ラーオートマトンのアーキテクチャーで構成される画像
処理素子、光のピックアップを用いた多重記憶素子、等
の量子ドットを用いた高機能微細素子も容易に作製する
ことが出来る。

【００４９】下地基板の表面構造への異種材料の吸着構
造に現れる特徴的な２次元パターンを利用して下地基板
を選択的にエッチングする方法には幾つかの種類があ
る。上記の実施例では、下地Ｓｉ基板に吸着したＧａ原
子が特徴的な２次元パターン（帯、正三角形、正方形）
を形成し、さらにＧａ吸着領域がエッチング種のＣｌに
対して不活性な領域となるためエッチングが抑制され、
言わば微細なエッチングマスクを形成することになり、
その働きでＧａ吸着領域以外の下地を選択的にエッチン
グし凹部を形成した。逆に、２次元パターン形成のため
の第１の吸着種が第２の吸着種よりも下地基板との結合
が弱いために、第１の吸着種の吸着領域を選択的にエッ
チングできる場合もある。その一例として、Ｓｉ基板に
対し第１の吸着種としてＧａ、第２の吸着種としてＯ₂
を用いた場合を述べる。

【００５０】先ず、Ｓｉ（１１１）基板にＧａを吸着さ
せた後、前記の実施例と同様にＧａを脱離させてＳｉ清
浄表面を露出させた２次元パターン形成する。次に室温
でＯ2 を１０原子層相当量を暴露させるとＳｉ清浄表面
領域にのみＯ₂ は選択的に吸着する。その後適当な熱処
理を行うことによりＧａ吸着領域のＧａは脱離し、また
Ｏ₂ 吸着領域には強い酸化シリコン膜が形成される。こ
の酸化シリコン膜をエッチングマスクとして塩素でエッ
チングすることにより、今度はＧａ吸着領域と同じパタ
ーンで凹部を形成することが出来る。

【００５１】ところで、上記のようにして形成した酸化
シリコン膜を用いてさらにパターン反転を行うことも可
能である。つまり、この酸化シリコン膜を選択成長マス
クとして用いると、Ｇａ吸着領域にさらに厚くＧａ（ま
たはＡｌ）を選択成長させることができるため、今度は
この厚いＧａ（またはＡｌ）領域をエッチングマスクと
して用いる。このときエッチングガス種としてはＦを用
いれば、酸化シリコンおよびＳｉは容易にエッチングさ
れるが、Ｇａ（Ａｌ）領域には揮発性の低いＧａ弗化物
（Ａｌ弗化物）が形成されてエッチングが進行しない。
よって、酸化シリコン領域のみがエッチングされ凹部と
なる。

【００５２】また、吸着種が下地の原子結合を弱めるこ
とによりエッチング種に対する反応を促進させ吸着領域
のエッチング速度が増大する一種の触媒的な過程の場合
もある。

【００５３】さらに表面に吸着されるエッチング種は単
原子に限らず分子状のものもあるため、エッチング種自
体が下地表面との相互作用により特異なパターンで吸着
する場合もある。その一例として、メチル基を含む高分
子はＧａＡｓ基板上にパターン配列した後、少しの表面
励起を行うことによって容易にメチル基が解離して、基
板のＧａやＡｓと結合しエッチングが行われる。

【００５４】凹部形成のためのエッチングにおいて、エ
ッチング反応を励起するためには、エッチング種の吸
着、解離、下地との反応、脱離等の素過程のうちの律速
となる反応を選択的に励起してやればよい。上記の実施
例の場合は、エッチング種と被エッチング材間の化学反
応及び反応生成物の表面からの脱離の活性化エネルギー
の違いを用いている。また、エッチング反応における励
起が必要な素過程の数に違いがあれば、必ずしも律速過
程に選択性がなくても選択的なエッチングは可能であ
る。例えば、ＧａＡｓ（１００）２×１構造において、
Ｃｌを吸着させた場合に、Ｇａ面ならば表面のダイマー
ボンドは励起なしに壊れて反応を起こすが、Ａｓ面の場
合は励起なしに反応は起こらない。

【００５５】本発明で微粒子とは、クラスター状のもの
であり、半導体に限ったものではなく、金属やドープし
たフラーレン等の電子の保持できる微粒子を用いること
もできる。またサイズとしては、直径が１ｎｍ以上１０
０ｎｍ、好ましくは直径が１ｎｍ以上１０ｎｍであれ
ば、良好な特性を得られる電子素子を提供できる。

【００５６】微粒子の作製方法に関しても、レーザアブ
レーションの他にもＣＶＤ、スパッタリング、電界蒸発
の方法を用いることができる。また微粒子のドーピング
には、予めドーピングされたターゲットを用いる方法、
微粒子形成時の雰囲気にドーピングガスを添加する方
法、ドーパント原子を含むガスプラズマ中に晒す方法が
ある。また、微粒子サイズのフィルタリングに関して
も、特にイオン化せずともＴＯＦ（飛行時間）法などで
分離は可能である。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微細構造をサイズの制御性良く任意の位置に形成出来
る。したがって高集積化した場合にも特性のバラつきを
十分に抑えた微細構造素子を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図２】本発明の第１の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図３】本発明の第１の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図４】本発明の第１の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図５】本発明の第１の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図６】本発明の第１の実施例に係る微細構造素子及
びその製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図７】本発明の第２の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図８】本発明の第２の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図９】本発明の第２の実施例に係る微細構造素子の
製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図１０】本発明の第２の実施例に係る微細構造素子
及びその製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図１１】本発明の第３の実施例に係る微細構造素子
の製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図１２】本発明の第３の実施例に係る微細構造素子
の製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図１３】本発明の第３の実施例に係る微細構造素子
の製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図１４】本発明の第３の実施例に係る微細構造素子
及びその製造方法を説明する上面図及び断面図。

【図１５】従来例に係る微細構造素子の製造方法を説
明する断面図。

【図１６】従来例に係る微細構造素子を説明する上面
図。

【符号の説明】

１１Ｓｉ（１１１）基板１２酸化シリコンマスク１３ステップ１４Ｇａ吸着領域１５Ｓｉ清浄表面領域１６Ｃｌ１７凹部１８酸化膜１９Ｓｉ微粒子２０堆積酸化膜２１ソース電極２２ドレイン電極２３ゲート電極３１Ｓｉ（１１１）基板３２酸化シリコンマスク３３ステップ３４Ｇａ吸着領域３５Ｓｉ清浄表面領域３６凹部３７酸化膜３８Ｓｉ微粒子Ａ３９Ｓｉ微粒子Ｂ４０Ｓｉ微粒子Ｃ４１堆積酸化膜４２ソース電極４３ドレイン電極４４ゲート電極５１Ｓｉ（１００）基板５２酸化シリコンマスク５３Ｇａ吸着領域５４Ｇａ脱離微小領域５５Ｓｉ清浄表面領域５６凹部５７酸化膜５８Ｓｉ微粒子５９堆積酸化膜６０入力端子６１出力端子１０１ＧａＡｓ（１００）基板１０２ＧａＡｓバッファ層１０３Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓの３次元島１０４ＧａＡｓキャップ層１０５Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ量子ドット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹部を有する基板とこの凹部に設けられた
微粒子とを具備することを特徴とする微細構造素子。
【請求項２】前記微粒子は複数個存在し、微粒子間に電
気的相互作用を有することを特徴とする請求項１記載の
微細構造素子。
【請求項３】基板上に開口部を持ったマスクを形成する
工程と、この基板上にこの基板とは異なる第１の材料を
堆積させた後表面処理を施して前記マスクの開口部に第
１の材料の被覆領域と非被覆領域を形成する工程と、被
覆領域と非被覆領域の基板に対する反応性の違いまたは
第２の材料に対する反応性の違いを利用して被覆領域ま
たは非被覆領域のどちらかの基板材料を選択的にエッチ
ング除去し凹部を形成する工程と、この凹部に微粒子を
堆積し整列させる工程と、凹部と微粒子全体または一部
を埋め込んで固定する工程を含むことを特徴とする微細
構造素子の製造方法。
【請求項４】前記基板材料を選択的にエッチング除去し
凹部を形成する工程は、第１の材料をエッチングマスク
として働かせて第１の材料の非被覆領域をエッチング除
去することによってなることを特徴とする請求項３記載
の微細構造素子の製造方法。
【請求項５】前記基板材料を選択的にエッチング除去し
凹部を形成する工程は、第１の材料が第２の材料による
エッチングマスクを形成するための選択マスクの働きを
する、また第１の材料が基板エッチングを促進するため
の触媒として働くことにより、第１の材料の被覆領域を
エッチング除去することによってなることを特徴とする
請求項３記載の微細構造素子の製造方法。
【請求項６】前記凹部に微粒子を堆積し整列させる工程
は、基板に熱、光、超音波、粒子線、或いは微小プロー
ブにより表面励起を行うことにより、前記微粒子を前記
凹部に選択的に整列させることによってなることを特徴
とする請求項３記載の微細構造素子の製造方法。