JPH07202165A - 量子構造の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコン結晶を加工することで良好な電子閉
じ込め効果を有する量子構造が得られるようにすること
を目的とする。 【構成】 シリコンパターン３の側面は、エッチング速
度が非常に遅い｛１１１｝面となっており、埋め込み酸
化膜２上のシリコン層表面の｛１１０｝面に対して垂直
に位置するため、形成されるシリコンパターン３の側面
は垂直な状態となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、量子効果を示す極微
細構造を形成する量子構造の形成方法に関し、詳しくは
ｎｍオーダの量子構造の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料などによる１０ｎｍオーダ程
度の寸法のパターンでは、電子現象に種々の量子効果が
現れ、これらを用いることで新しい高性能ディバイスの
実現が期待できる。また、特に、ＩＩＩ−Ｖ族を初めと
する化合物半導体だけでなく、シリコンを基板に用いて
上述したような量子効果ディバイスを作成することは、
ＭＯＳ構造にとって替わる将来の記憶素子として強く期
待されている。一方、ポーラスＳｉの可視光発光現象の
発見が引き金となって、その機構解明と、バルクシリコ
ンでも同様の現象をとらえようと、ｎｍオーダの径であ
るとともに、垂直壁を有したシリコンによるドット形状
の形成も求められている。

【０００３】以上のような、シリコン量子効果ディバイ
スを形成する場合、形成したドットや細線と基板とを電
気的に分離させる構造とするため、埋め込み酸化膜を有
したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ）を基板に用いることが必用となる。このＳＯＩ基板
としては、シリコンに酸素イオン打ち込みを施して埋め
込み酸化膜を形成してあるＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔ
ｉｏｎ ｂｙ ＩＭｐｌａｎｔｅｄ ＯＸｙｇｅｎ）ウ
エハや、２枚のウエハを酸化シリコンを介して接着した
張り合わせウエハがある。

【０００４】このようなＳＯＩ基板を用いて量子細線を
形成するには、ｎｍオーダの寸法のレジストパターンを
まず形成し、これをマスクとしてＳＯＩ基板の表面層で
あるシリコン層をエッチング加工する。もしくは、ＳＯ
Ｉ基板上に形成されたＳｉＯ₂ 膜にレジストパターンの
形状を転写した後、このＳｉＯ₂ のパターンをマスクと
してＳＯＩ基板のシリコン層をエッチングする。しかし
ながら、シリコンをｎｍオーダの寸法を保ったままエッ
チング加工する方法は確立されていないのが現状であ
る。

【０００５】例えば、通常のシリコン加工法である、塩
素を反応ガスに用いたプラズマエッチングでは、加工時
にアンダカットが生じてしまう。この場合において、加
工対象のシリコン上にエッチングマスクとなるパターン
を形成し、これをマスクとして下層のシリコンをプラズ
マエッチングするとき、マスクパターン下の形成してい
るシリコンパターン側面も、プラズマにさらされるなど
によりエッチングされてしまう。

【０００６】このため、上述したようにエッチング加工
時に形成しているパターン側面もエッチングされてしま
うアンダカットが生じ、形成しているパターンが倒れる
など制御面で問題を起こしていた。また、これら加工時
のプラズマからのダメージにより素子の特性が劣化する
問題もあり、加えて、プラズマエッチングでは形成した
パターンエッジが荒れるため、パターン寸法のばらつき
を増大させていた。

【０００７】これらの問題を解決するには、シリコンの
結晶面でのエッチング速度差を利用した高選択加工する
方法が適している。すなわち、水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）水溶液やアミン液などによるウエットエッチング
で、これらの溶液に対してシリコンの｛１００｝面の方
が｛１１１｝面よりも数百倍溶解速度が速いことを利用
する方法である。この方法によりシリコンをエッチング
していくと、シリコンの｛１１１｝面が露出してきたと
ころで、エッチングの進行が急激に低下するため、｛１
１１｝面に沿った形状のパターンを得ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように構
成されていたので、上述したような微細なシリコンパタ
ーンが得られるウエットエッチングを用いても、主表面
が｛１００｝面のシリコン基板を用いると、得られるパ
ターンの側面が垂直壁とならないという問題があった。
これは、シリコンの｛１１１｝面が｛１００｝面に対し
て９０度でないからである。

【０００９】図５は、主表面が｛１００｝面のシリコン
基板を用いて、前述した方法によるウエットエッチング
で形成したシリコンパターンの形状を示す斜視図であ
る。同図において、５１はＳＯＩ構造基板に形成されて
いる埋め込み酸化膜、５２は埋め込み酸化膜５１上のシ
リコン層を加工することで形成されたシリコンパター
ン、５３はシリコンパターン５２を形成するためのマス
クパターンである。シリコンパターン５２は、マスクパ
ターン５３をマスクとして、４ｍｏｌ／ｌの濃度の水酸
化カリウム水溶液で、埋め込み酸化膜５１上にあったシ
リコン層をエッチングすることで得られる。

【００１０】この条件では、シリコンの｛１００｝面と
｛１１１｝面とのエッチング速度の比は２００：１であ
るので、｛１００｝面を主表面としたシリコン層のＳＯ
Ｉ構造基板を用いた場合、上述したようなウエットエッ
チングを行うと、形成されるシリコンのパターン側面は
｛１１１｝面となる。ところが、シリコンの｛１００｝
面と｛１１１｝面とは９０度の関係にないので、このパ
ターンの側面は垂直壁とならなず、形成されるパターン
は末広がりの状態となる。このような末広がりのパター
ン形状では、パターンの低部が広いため、良好な電子の
閉じ込め効果は期待できない。

【００１１】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、シリコン結晶を加工する
ことで良好な電子閉じ込め効果を有する量子構造が得ら
れるようにすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の量子構造の形
成方法は、シリコンの｛１１１｝面が他の面よりエッチ
ングされ難い状態のエッチングにより、この埋め込み絶
縁膜上の主表面が｛１１０｝面であるシリコン層に量子
効果を有するパターンを形成することを特徴とする。

【００１３】

【作用】形成するパターンの側面がパターンの上部平面
に対して９０度の関係となる。そして、形成されたパタ
ーンは、末広がりとならず、その上部と下部とで寸法が
変化していない。

【００１４】

【実施例】以下この発明の１実施例を図を参照して説明
する。図１は、この発明により形成されたシリコンのパ
ターンを示す斜視図であり、１はＳＯＩ構造のシリコン
基板、２はシリコン基板１の埋め込み酸化膜、３はシリ
コン基板１の埋め込み酸化膜２上の主表面が｛１１０｝
面であるシリコン層を加工することで形成したシリコン
パターン、４はシリコンパターン３を形成するためのエ
ッチングマスクとして用いた酸化シリコンからなるマス
クパターンである。

【００１５】シリコンパターン３の側面は、エッチング
速度が非常に遅い｛１１１｝面となっており、埋め込み
酸化膜２上のシリコン層表面の｛１１０｝面に対して垂
直に位置するため、形成されるシリコンパターン３の側
面は垂直な状態となる。このシリコンパターン３では、
形成される細線の線幅が下部と上部で一定であるため、
電子の閉じ込め効果が一定となり、より強い量子効果が
現れることになる。従って、主表面が｛１１０｝面とな
っているＳＯＩ構造のシリコン基板を用いることによ
り、良好なシリコン量子構造が得られることが分かる。

【００１６】ところで、シリコンの｛１１０｝面に対す
る｛１１１｝面には、垂直な関係のものの他に、３５度
の関係のものもある。例えば、（１１０）面と（１−１
１）面，（−１１１）面，（−１１−１）面，（１−１
−１）面とは垂直な関係にある。しかし、他の｛１１
１｝面である（１１１）面，（１１−１）面，（−１−
１−１）面は、（１１０）面と約３５度，正確にはＣＯ
Ｓ^-1｛（６）^-2／３｝で示される角度に傾いたものであ
る。エッチングにおいてこの面が出てしまうと、パター
ン側面が斜めになる可能性がある。

【００１７】これを防ぐには、形成する細線の方向を
［１−１２］，［−１１２］，［−１１２］のどれかと
なるようにすればよい。このようにすると、（１１０）
面からのエッチングで、この面と垂直な関係となってい
ない（１１１）面，（１１−１）面，（−１−１−１）
面が出てくることがない。以上示したように、量子細線
と基板との電気的な分離が可能となるＳＯＩ基板とし
て、その主表面が｛１１０｝面となっているものを用い
ることにより、良好な量子細線を得ることができる。

【００１８】次に、この発明に係る量子構造の形成方法
について詳細に説明する。図２は、この発明の量子構造
の形成方法を説明するための斜視図である。同図におい
て、２１はＳＯＩ構造となっているシリコン基板、２２
は埋め込み酸化膜、２３は埋め込み酸化膜２２上のシリ
コン層である。ここで、埋め込み酸化膜２２は８０ｎｍ
の膜厚のＳｉＯ₂ から構成され、この埋め込み酸化膜２
２上のシリコン層２３は厚さ０．３μｍで、主表面が
（１１０）面となっている。

【００１９】以下、形成方法について説明する。まず、
シリコン層２３上にＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレ
ート）からなる電子線レジストを膜厚５０ｎｍとなるよ
うに塗布する。ついで、５０ｋＶの加速電圧からなるポ
イント電子ビームにより、２０ｎｍ幅のライン列パター
ン形状を露光し、これを引き続いて現像して、図２
（ａ）に示すように、ライン状のスペース部を有するレ
ジストパターン２４を形成した。次に、図２（ｂ）に示
すように、このレジストパターン２４上より、スパッタ
リングによりＳｉＯ₂ 膜２５を５０ｎｍ堆積する。この
ことにより、レジストパターン２４のスペース部のシリ
コン層２３上にもＳｉＯ₂ 膜２５ａが堆積する。

【００２０】次いで、レジストパターン２４の除去によ
るリフトオフでレジストパターン２４上に堆積したＳｉ
Ｏ₂ 膜２５のみを除去し、マスクとなるＳｉＯ₂ 膜２５
ａを残す。そして、図２（ｃ）に示すように、このＳｉ
Ｏ₂ 膜２５ａをマスクとしてシリコン層２３をエッチン
グして、細線２３ａを形成する。このエッチングでは、
４ｍｏｌ／ｌの水酸化カリウムの水溶液をエッチング液
としたウエットエッチングにより行う。

【００２１】そして、レジストパターン２４のスペース
部を、シリコン層の表面における［−１１２］方位の方
向に形成すれば、細線２３ａの側面は、（１−１１）
面，もしくは（−１１−１）面となる。この面は、非常
にエッチングされにくいのでアンダカットなどが入ら
ず、かつ（１１０）面とは９０度の関係にあるので、垂
直な側面が得られる。

【００２２】実施例２．上記実施例では、量子細線につ
いて説明したが、これに限るものではない。図３は、こ
の発明の第２の実施例における量子構造を示す平面図
（ａ）と斜視図（ｂ）である。同図において、３１はＳ
ＯＩ構造となっているシリコン基板、３２は埋め込み酸
化膜、３３ａは埋め込み酸化膜３２上のシリコン層に形
成された量子ドットであり、１辺が［１−１２］，［−
１１２］，［−１１２］のどれかの方位となり、その平
面形状は７０．５度と１０９．５度とでなす角から形成
された平行四辺形となっている。なお、上述した７０．
５度と１０９．５度は、より正確にはｃｏｓ^-1（１／
３）度と１８０−ｃｏｓ（１／３）^-1度である。

【００２３】以下、この実施例２における量子構造の形
成方法を、図４の断面図を用いて説明する。この実施例
においては、図４（ａ）に示すように、実施例１と同様
のＳＯＩ構造となっているシリコン基板３１のシリコン
層３３上に、まず膜厚５０ｎｍのＳｉＯ₂ 膜３４を形成
しておく。次に、図４（ｂ）に示すように、電子線レジ
ストとポイント電子ビームの露光を用いるなどして、Ｓ
ｉＯ₂ 膜３４上にひし形のレジストパターン３５を複数
を形成する。

【００２４】レジストパターン３５の形成においては、
ポイント電子ビームの露光を、まず、シリコン層３３の
表面における［−１１２］方位の方向に、３０ｎｍ幅の
ラインパターン形状を５０ｎｍおきに露光し、次いで、
このライン列パターン方向に対して約７０．５度の角度
の方向に、３０ｎｍのラインパターン形状を５０ｎｍお
きに露光した。引き続いて現像することで、１辺が［−
１１２］方位の７０．５度と１０９．５度の角度を有す
るひし形のレジストパターン３５が複数個形成される。

【００２５】次いで、図４（ｃ）に示すように、このレ
ジストパターン３５をマスクとしてＳｉＯ₂ 膜３４をエ
ッチングして酸化膜パターン３４ａを形成した。このエ
ッチングでは、ＣＨＦ₃／Ｏ₂＝１０／１の比率からなる
混合ガスプラズマを用いた反応性イオンエッチングを用
いた。続いて、この酸化膜パターン３４ａをマスクとし
て４ｍｏｌ／ｌの水酸化カリウム水溶液をエッチング液
としたウエットエッチングによりシリコン層をエッチン
グし、その後、酸化膜パターン３４ａを除去すること
で、図４（ｄ）に示すように、量子ドット３３ａを得
た。

【００２６】この量子ドット３３ａを得るためのウエッ
トエッチングでは、エッチングにより現れる量子ドット
３３ａのパターン側面は、シリコンの（１−１１）面，
（−１１１）面，（−１１−１）面，（１−１−１）面
となり、これらパターン側面は（１１０）面と垂直な関
係となっているので、量子ドット３３ａは垂直壁を有す
るシリコンパターンとなる。

【００２７】なお、上記実施例では、加工するシリコン
層が（１１０）面を主表面とするようにしたが、（０１
１）面や（１−１０）面でも良い。例えば、（０１１）
面を主表面とした場合、形成するシリコンパターンの側
面が（１１−１）面，（−１１−１）面，（１−１１）
面，（−１−１１）面のどれかとなっていればよい。

【００２８】また、上記実施例では、シリコンのエッチ
ングに水酸化カリウムの水溶液を用いたが、これに限定
されるものではなく、シリコンの｛１１１｝面に対して
はエッチング速度が著しく遅くなるエッチングを用いれ
ばよい。例えば、エチレンジアミンやヒドラジンおよび
これらとピロカテコールとの混合液を用いたウエットエ
ッチングでもなんら問題はない。一方、上記実施例で
は、ＳＯＩ基板としてシリコン／ＳｉＯ₂ ／シリコン構
造を用いるようにしたが、埋め込み絶縁層はＳｉＯ₂ に
限定されるものではなく、窒化シリコンなどでもなんら
問題はない。また、この発明が上記埋め込み絶縁層の形
成方法やレジストパターン，マスクパターンの形成方法
によらないことは勿論である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、主表面がシリコンの｛１１０｝面となっているＳＯ
Ｉ基板を用い、シリコンの｛１１１｝面に対してはエッ
チング速度が著しく遅くなるウエットエッチングを用い
てシリコンのパターンを形成するようにした。このこと
により、量子細線など先幅の細いストライプパターンや
量子ドットのように微細なシリコンパターンをエッチン
グ形成するときに、パターン側面に｛１１１｝面が出て
くるので、この側面がほとんどエッチングされることが
無い。

【００３０】このため、このエッチングによりパターン
を形成しているとき、サイドエッチング（アンダカッ
ト）が発生せず、形成するシリコンパターンがマスクパ
ターン寸法より細くなることが無く、パターンが倒れる
などの問題が起きない。また、特に、シリコンの｛１１
０｝面に対して９０度の関係となっている｛１１１｝面
が側面になるようにパターンを形成しているので、パタ
ーン形成時に９０度の関係となっていない｛１１１｝面
がパターン側面に現れることがない。そして、シリコン
の｛１１１｝面は｛１１０｝面に対して９０度の関係に
あるので、パターンの側面は垂直に形成され、形成され
た細線やドットは良好な電子閉じ込め効果を有するとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明により形成されたシリコンのパターン
を示す斜視図である。

【図２】この発明の量子構造の形成方法を説明するため
の斜視図である。

【図３】この発明の第２の実施例における量子構造を示
す平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。

【図４】この発明の第２の実施例における量子構造の形
成方法を説明するための断面図である。

【図５】主表面が｛１００｝面のシリコン基板を用いて
ウエットエッチングにより形成したシリコンパターンの
形状を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 埋め込み絶縁膜 ３ シリコンパターン ４ マスクパターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/80 9171−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 29/80 Ａ (72)発明者 岩立 和巳 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 村瀬 克実 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予め埋め込み絶縁膜が形成されているシ
   リコン基板を加工することによる量子構造の形成方法で
   あって、 シリコンの｛１１１｝面が他の面よりエッチングされ難
   い状態のエッチングにより、この前記埋め込み絶縁膜上
   の主表面が｛１１０｝面であるシリコン層に量子効果を
   有するパターンを形成することを特徴とする量子構造の
   形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の量子構造の形成方法にお
   いて、 前記パターンの少なくとも１対の対向する側面が前記シ
   リコン層の主表面と直交する｛１１１｝面となるように
   このパターンを形成することを特徴とする量子構造の形
   成方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の量子構造の形成方法にお
   いて、 前記パターンを形成するエッチングに用いるマスクは、
   前記シリコン層主表面の＜１１２＞方位に１辺が沿って
   いる平面形状を有することを特徴とする量子構造の形成
   方法。