JP2010204098A - ナノワイヤセンサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ナノワイヤ型のセンサ装置に関する。
【解決手段】本センサ装置は、導電性の第一の領域(2)及び絶縁体の第二の領域(4)を有する少なくとも一つのナノワイヤを備え、この第二の領域は、ナノワイヤの厚さ全体を占めることはなく、電流が、ナノワイヤ中を、そのナノワイヤの一端から他端へと循環することができる。
【選択図】図2
【解決手段】本センサ装置は、導電性の第一の領域(2)及び絶縁体の第二の領域(4)を有する少なくとも一つのナノワイヤを備え、この第二の領域は、ナノワイヤの厚さ全体を占めることはなく、電流が、ナノワイヤ中を、そのナノワイヤの一端から他端へと循環することができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、ナノワイヤを含むセンサの製造及び使用に関する。該センサは多様な分野における応用を有し、化学センサ(特に気相又は液相)の分野、力センサ(特に慣性力又は分子力)の分野、更に、質量分析法の分野が挙げられる。
ナノワイヤは、非常に小さな直径(100nm未満)及び非常に有利な表面/体積比を有するので、その表面に分子が吸着した際に、例えば電気伝導度の変化による外部摂動に対して感度が良い。従って、ナノワイヤは、1ダルトン(1.67×10−24g)に近い精度が予測される究極の質量測定の候補である。
ナノワイヤが振動機械素子として用いられる場合、その感度は、それ自体の質量に対して添加質量によって(例えば吸着によって)誘起される振動数シフトの比として定義され、それ自体の質量が非常に小さいので(長さ1μmで直径30nmのワイヤに対して1.7ag)、その感度が高い。
特許文献1より、ナノ梁(nano‐beam)を用いるセンサ構造も知られていて、また、非特許文献1より、他のナノワイヤ装置が知られている。ナノワイヤは、外部の圧電振動ポテンショメータによって振動し、次に、静電励起によって振動する。ナノワイヤがその臨界振幅を超えて励起されると、ナノワイヤに応力が発生することによって、二次ピエゾ抵抗効果を利用することができる。ナノワイヤは、二つのシリコンパッド間の成長によって構成される。
この文献で説明される装置において、ナノワイヤは、ピエゾ抵抗トランスデューサ(電流がワイヤを流れる)及びプルーフマス(それ自体の質量の運動が慣性を誘起する)の両方である。
観測されるピエゾ抵抗効果は、ナノワイヤ自体の曲げ運動に対するその抵抗の変化である。
M.Roukes外、Nanoletters、2008年、第8巻、第6号、p.1756−1761
I.Bargatin外、Applied Physics Letters、2005年、第86巻、p.133109
Y.Wims外、Sensors and Actuators B、2005年、第108巻
J.L.Arlett外、Nobel Symposium、2006年、第131巻
W.Jensen外、Nature Nanotechnology、2008年、第9巻、p.533
ナノワイヤ型の本発明に係るセンサ装置は、導電性の第一の領域及び絶縁体の第二の領域を有するナノワイヤを少なくとも一つ備え、この第二の領域はナノワイヤの厚さ全体を占めてはいない。電流は、ナノワイヤ中を、このナノワイヤの一端から他端へと循環することができる。
第二の領域は、ナノワイヤよりも短い長さで延伸し得る。
一実施形態によると、ナノワイヤの導電部は、例えばピエゾ抵抗物質等のドープ半導体又は金属物質である。
本発明に係る装置では、ワイヤの伸びに比例する軸歪みに晒された際に、一次ピエゾ抵抗効果、つまり、ワイヤの抵抗の変化を利用することができる。軸歪みは、ナノワイヤの曲げ方向における運動(曲げ運動に対応する)に比例する。
ナノワイヤの導電部は、ドープSi等のドープ半導体であり得る。半導体は、例えばヒ素、ホウ素、又はリンでドーピングされ得る。
ナノワイヤの導電部は、シリサイド化金属(金属の拡散したSi)であり得て、例えばNiSi、WSi、又はPtSiである。
絶縁体は、誘電体又は真性半導体であり得て、例えばシリコン、又はシリコンゲルマニウム合金(SiGe)であり、非ドープである。
誘電体領域は、例えばシリコン、窒化アルミニウム、又は酸化シリコンである。
一変形例として、本実施形態に係る装置は、
‐ 非ドープSiGeの誘電体領域及びドープSiの導電領域を備えるか、又は、
‐ 非ドープSiの誘電体領域及びドープSiGeの導電領域を備える。
‐ 非ドープSiGeの誘電体領域及びドープSiの導電領域を備えるか、又は、
‐ 非ドープSiの誘電体領域及びドープSiGeの導電領域を備える。
シリコンがドーピングされる場合、そのシリコンはピエゾ抵抗性であり、高いゲージ率G(例えば略1000)を有する。一方、シリコンがシリサイド化される場合、そのシリコンは金属となり、G率は非常に低い(例えば略2)。
ナノワイヤの一端は、固定されている固定領域に取り付けられ、この固定領域は電気コンタクト領域を更に備える。任意で、両端の各々がこのように取り付けられる。
少なくとも一つの電気コンタクト領域は、ナノワイヤの導電性の第一の領域と同一の導体製であり得る。一つ以上のコンタクト領域は、導電性に影響を与えるために多量又は少量にドーピングされた半導体製であり得て、例えば、1015cm−3から1019cm−3の間、1019cm−3超、又は1020cm−3以上でドーピングされる(この重ドーピングによって半導体は縮退し得る)。ドーピングについては、例えば、ヒ素を用い得て、又は、好ましくは、ホウ素若しくはリンをドーピングし、任意で厚さ方向に勾配を有する。従って、本発明に係る装置は、タップ、コンタクト、又はアクセス領域に対する改善を提供す、非常に低いアクセス抵抗を提供する。
一変形例では、可動質量体がナノワイヤの一端に固定され得る。少なくとも二つのナノワイヤが存在し得て、両方とも可動質量体に取り付けられる。各ナノワイヤの他端を、固定されている共通固定領域に取り付けることができる。
本発明に係る装置は、少なくとも一つのナノワイヤの運動、又はナノワイヤの一端に取り付けられた質量体の運動を電気信号に変換する変換手段を更に備えることができる。
本発明に係るナノワイヤを作動させる手段を提供することができて、例えば、静電型、熱弾性型、又は磁気型のものである。
本発明に係る装置の一構造が図2に示されている。この構造はナノワイヤ1を備え、ナノワイヤ1自体は、導電性が大きく異なる二つの部分又は領域2、4を備える。
二種類の導電領域2、つまり、二種類の変換を用いることができる。これら二つの実施形態について続けて説明する。
本発明の第一の実施形態では、これら領域の一つ(ここでは領域2)がピエゾ抵抗性で導電性である一方、領域4が絶縁性又は誘電性である。従って、本発明に係る第一の種類の装置は、例えばドープ半導体から成るナノワイヤ固有のピエゾ抵抗を利用する。よって、ゲージ率G(縦方向)は高く、1000以上のオーダである。
導電領域2は例えばシリコン等の半導体製(他の半導体も使用可能である)であり、導電性に影響を与えるように多量又は少量でドーピングされ得る。
ドーピングは多量又は少量の広範囲のものであり得て、例えば1015cm−3から1019cm−3の間である。ドーピングについては、例えば、ヒ素を用い得て、又は、好ましくは、ホウ素若しくはリンをドーピングし、任意で厚さ方向に勾配を有する。このドーピングは、ナノワイヤが形成される半導体の層のエピタキシー中に実施され得る。一変形例では、例えば注入等の他の方法が考えられる。
絶縁体領域4は、例えばSiN等の窒化物、又は、例えばSiO2等の酸化物であり得る。有利には、絶縁体層はAlNである。一変形例では、複数の単純な誘電体層が存在し得る。
一変形例では、一つの層を、勾配を付けて変更させることができ、例えば、単一の注入又は連続的な注入段階によって、厚さ方向に勾配を付けてドーピングする。この勾配は、例えば、注入及びその後のアニーリングによって得ることができる。また、注入は、侵入深さの異なる連続的な注入段階を用いても実施することができる。
これらの誘電体の例及び導電性ピエゾ抵抗物質の例は、本発明の第一の実施形態の以下の多様な例において使用可能である。
他の実施形態では、これら領域の一つ(ここでは領域2)が金属である一方、領域4は絶縁性又は誘電性である。これによって、低いゲージ率(縦方向)の金属の伸びに起因する所謂“ピエゾ抵抗”変換が促進される。金属ナノワイヤは、半導体のものよりもはるかに抵抗が小さい。従って、関連するジョンソンノイズが低くなり、第一の実施形態のものよりも小さな分解能が得られる。一方、感度(応答の勾配)は、半導体で得られるピエゾ抵抗の場合よりも低い。
この第二の実施形態のナノワイヤは、例えば、NiSi、WSi2、PtSi等のシリサイドのワイヤから形成可能である。任意で、半導体のナノワイヤのアモルファス化まで注入によってドーピングすることが可能であり、又は、ナノワイヤが形成される層のエピタキシー中にドーピングを行うことが可能である(この方法はドーピング勾配を生じさせることができる)。
この第二の実施形態の領域4用の絶縁体の一つは、例えば、真性シリコン、又は、SiNやSiO2等の絶縁体である。
本実施形態についても、これら誘電体、導体、ピエゾ抵抗物質の例は、以下の本発明の第二の実施形態の多様な例において使用可能である。
想定される実施形態を問わず、本発明に係る装置は、ナノワイヤの長さ全体に対する電流iの循環を利用する。しかしながら、導電部の抵抗は、その歪みに応じて変化する。従って、ナノワイヤは、プルーフマス(可動部を形成する)及びゲージ要素(測定される電気特性である)の両方として用いられる。特に、ナノワイヤが歪みに晒された際に、このナノワイヤ(このワイヤは一定の張力下にある)中の電流iの変化を測定することができる。
図2には、本発明に係るナノワイヤの幾何学的特性も見て取ることができる。ナノワイヤの全長はLnで、その厚さ又は直径はenで表されている一方、誘電体領域4の長さ及び厚さ(又は直径)はそれぞれldとedで表されている。
厚さ又は直径enは、50nm未満、又は数十nm未満であり、例えば40nmである。本発明のナノワイヤでは、以下の条件C1が少なくとも満たされる: ed<en。言い換えると、誘電体領域は、ナノワイヤの厚さ全体を占めず、電流iが、その一端E1から他端E2へと循環することができる。例えば、edは10nmである。最適効果用には、40nmの絶縁体の厚さ、10nmのドープSiの厚さが考えられ、若しくは、より一般的に、ドープSiの厚さよりも厚い絶縁体の厚さが考えられる; 又は、他の例によると、40nmのSiの厚さ、10nmの金属の厚さが考えられ、若しくは、より一般的に、金属の厚さよりも厚いSiの厚さが考えられる。
ワイヤに沿って複数の誘電体領域4が存在する場合、その各々が条件C1を順守する。一部実施形態では、以下の条件C2も存在する:ld<Ln。この条件は、誘電体領域4が、ナノワイヤの全長Lnに沿って縦方向に延伸しないことを意味する。
従って、領域4(絶縁性又は誘電性)は、ナノワイヤ中に局在化し得る。この局在化によって、特に、ワイヤの総抵抗の最小化を可能にし、信号対ノイズ比を最適化する: 所定の絶縁体に対して、領域4の寸法ld及びedは、ワイヤの抵抗に適合するように選択可能である。
図3は、ピエゾ抵抗導電領域を備えた上述の第一の種類の発明に係る装置を示す。本実施形態の他の例は、図4A〜図9Bを参照して説明される。
図3の例では、ナノワイヤ1が、上述の二つの幾何学的条件の一番目のものを満たす: 誘電体領域4はナノワイヤの長さ全体に沿って延伸しているが、その厚さが制限されている。ナノワイヤは、二つのパッド又は支持領域若しくはクランプ領域6、6’の間に懸架されている。電気コンタクト8、8’が各パッド上に設けられている。この例では、他の例と同様に、パッドは、例えばドープ半導体領域上に形成され、シリサイド化されて最終的に金属化される。この図では、他の図と同様に、ワイヤの両端の間に動作電圧を印加する手段と、ワイヤに印加される応力に起因するワイヤ中の電流の変化を測定する手段とが追加され得る。これらの手段は、図示されていない。
図4A及び図4Bは、中心に誘電体層4(局在化されている)を有するシリコンのナノワイヤ1を示す。ここでも、参照符号8及び8’は電気コンタクトを示す。この例では、上述の二つの条件C1及びC2が満たされる: 誘電体領域4は、ナノワイヤの長さの一部のみにわたって延伸し、そのナノワイヤの厚さの一部のみとして存在する。
図5A及び図5Bの変形例は、ナノワイヤの各クランプ部6、6’近くに絶縁体層4、4’が配置されている装置を示す。絶縁体層の全長はナノワイヤの長さ未満であり(上述の条件C2)、その各々の厚さも、ナノワイヤの厚さ未満である(条件C1)。ここでも、電気コンタクトが8、8’で示される。
クランプ領域6、6’に近いワイヤの端部においてワイヤに印加される応力が最大になるので、この変形例は前述のものよりも有利である。従って、電気信号はこの種類の構造では常により強いものとなる。
コンタクト6、6’の抵抗値を減少させるために、固定ポイントと、任意でその固定ポイントに近く接触に寄与するナノワイヤ領域とをシリサイド化及び/又はドーピングすることが可能である。また、層を交換することも可能である。これについて以下に示す:
‐ 図6A及び図6Bにおいて、その中心に誘電体層4を有するシリコンのナノワイヤ1は、上述の二つの条件C1及びC2を満たす。この例では、ナノワイヤが、ピエゾ抵抗物質の中心領域2と誘電体領域4とを備えることが見て取れる。ワイヤの側部12、12’は、例えばNiSi等のシリサイド製であり、各導電領域8、8’の連続体を形成し、言い換えると、各パッドを超えてナノワイヤ1の一部を形成する。この構成では、ワイヤの端部と各導電領域8、8’との間のオーム接触を顕著に改善することができる; より一般的には、上述のように、一以上のコンタクト領域を、より多量又はより少量でドーピングされた半導体として、導電性に影響を与えることができ、例えば、1015cm−3から1019cm−3の間、1019cm−3超、又は1020cm−3以上でドーピングする(従って、半導体は、この重ドーピングによって縮退し得る)。ドーピングについては、例えば、ヒ素を用い得て、又は、好ましくは、ホウ素若しくはリンをドーピングし、任意で厚さ方向に勾配を有する。従って、本発明の装置は、改善されたタップ、コンタクト又はアクセス領域を提供し、因って、非常に低いアクセス抵抗を提供する;
‐ 図7A及び図7Bにおいて、非ドープSiGeの層4を備えたドープシリコン2のナノワイヤは、非常に高い抵抗性を有するので、絶縁性を有する(高抵抗性(high resistivity)の非ドープ(真性)SiGe、つまり“HR”SiGeの場合)。このSiGeの層4は、例えばエピタキシーによって得ることができる。この層4の長さは、ナノワイヤの長さと同一であるが、その厚さはナノワイヤの厚さよりも薄く、上述の条件C1に従う;
‐ 図8A及び図8Bにおいて、シリコン(又は他のドープ半導体)のナノワイヤ2は、非ドープで局在化(例えばナノワイヤの中心に)しているSiGeの層4を備える。このSiGeの層4は、例えばエピタキシーによって得ることができる。ここでは、この層4は、ナノワイヤの長さよりも短い長さを有して、上述の条件C2に従い、また、その厚さはナノワイヤの厚さよりも薄くて、上述の条件C1に従う。
‐ 図6A及び図6Bにおいて、その中心に誘電体層4を有するシリコンのナノワイヤ1は、上述の二つの条件C1及びC2を満たす。この例では、ナノワイヤが、ピエゾ抵抗物質の中心領域2と誘電体領域4とを備えることが見て取れる。ワイヤの側部12、12’は、例えばNiSi等のシリサイド製であり、各導電領域8、8’の連続体を形成し、言い換えると、各パッドを超えてナノワイヤ1の一部を形成する。この構成では、ワイヤの端部と各導電領域8、8’との間のオーム接触を顕著に改善することができる; より一般的には、上述のように、一以上のコンタクト領域を、より多量又はより少量でドーピングされた半導体として、導電性に影響を与えることができ、例えば、1015cm−3から1019cm−3の間、1019cm−3超、又は1020cm−3以上でドーピングする(従って、半導体は、この重ドーピングによって縮退し得る)。ドーピングについては、例えば、ヒ素を用い得て、又は、好ましくは、ホウ素若しくはリンをドーピングし、任意で厚さ方向に勾配を有する。従って、本発明の装置は、改善されたタップ、コンタクト又はアクセス領域を提供し、因って、非常に低いアクセス抵抗を提供する;
‐ 図7A及び図7Bにおいて、非ドープSiGeの層4を備えたドープシリコン2のナノワイヤは、非常に高い抵抗性を有するので、絶縁性を有する(高抵抗性(high resistivity)の非ドープ(真性)SiGe、つまり“HR”SiGeの場合)。このSiGeの層4は、例えばエピタキシーによって得ることができる。この層4の長さは、ナノワイヤの長さと同一であるが、その厚さはナノワイヤの厚さよりも薄く、上述の条件C1に従う;
‐ 図8A及び図8Bにおいて、シリコン(又は他のドープ半導体)のナノワイヤ2は、非ドープで局在化(例えばナノワイヤの中心に)しているSiGeの層4を備える。このSiGeの層4は、例えばエピタキシーによって得ることができる。ここでは、この層4は、ナノワイヤの長さよりも短い長さを有して、上述の条件C2に従い、また、その厚さはナノワイヤの厚さよりも薄くて、上述の条件C1に従う。
図7A、図7B、図8A及び図8Bに関して、それぞれSiとSiGeである二つの層の機能を逆にすることができる。SiGeにドーピングしてこれを導電性にし、シリコンにドーピングせずこれを誘電体(“HR”Si)として用いることができる。
図5A〜図8Bに示されるような、本発明に係るナノワイヤ構造を、図9A〜図9Cに示されるような質量体を備えたより複雑な構造において使用することができる。
図9B及び図9Cは、図9Aの平面AA’、BB’に沿った断面図である。
この構造は、その平面外に振動する質量体を形成する中心部30を備える。この例では、上面図からみて、中心部は、二つのアーム部33、33’、35、35’によって二つのクランプ領域6、6’の各々に接続された実質的に矩形のものである。
上面図からみて他の形状、例えば円形や楕円形も考えられて、この場合もアーム部を備える。
各アーム部は、本発明に係るナノワイヤから実質的に構成される。各ナノワイヤの一端は、前述の例のように、導電領域8、8’、18、18’を介して装置の固定部6、6’に接続される。
質量体30自体は、その質量体の厚さ全体にわたって、誘電体部34を含み、誘電体部は装置を二つの部分30’、30”に分離し、各部分は、該部分に接続された二つのナノワイヤ33、33’及び35、35’を備えた測定領域を形成する。質量体30の残りの部分は導電体である。図9Cには、中心部分において、誘電体部34が、領域34の厚さよりも薄い領域34’、34”によって延伸されていて、ナノワイヤの誘電体領域4、4’の連続体として配置され得ることが見て取れる。図9Cには、図9Aに示される二つのナノワイヤ33’、35’の各々の構造を見て取ることができる: これら二つのナノワイヤは各々、誘電体層4、4’と導電層2、2’とを備える。
より一般的には、一つ以上のナノワイヤを一つ以上の質量体に附随させる又は接続することができて、例えばアレイにされる。これによって、質量測定応用に対する捕捉表面を増大させることができ、又は、慣性力センサ用の慣性質量を増大させることができる。
本発明に係るナノワイヤにおいて、導体2及び誘電体4のメッシュパラメータの差によって、また、各物質の熱膨張係数の差によって、内部歪みが生じ得る。この歪みは、ナノワイヤを張っている状態にするために制御され得る。この制御は、例えば堆積温度を制御することによって、また、異なる複数の層の相対的な厚さを制御することによって、達成可能である。従って、本発明に係るナノワイヤは、シリコンのみで形成されたナノワイヤよりも高い剛性及び高い共鳴振動数を提供することができる。
本発明に係る第二の種類の装置は金属物質2を利用し、好ましくは低いゲージ率(略2)を備える。
図10A及び図10Bは、その中心部4が例えば真性シリコンといった絶縁体、又は、SiN等の絶縁体である金属ナノワイヤを示す。この例では、上述の二つの条件C1及びC2が満たされる: 誘電体領域は、ナノワイヤの長さの一部にわたってのみ延伸し、また、その厚さの一部にのみ存在する。
図11A及び図11Bの変形例は、クランプ領域6、6’近くの領域4、4’における窒化によって、ナノワイヤがその厚さ方向に対して部分的に絶縁性である装置を示す。また、電気コンタクトは8、8’で示される。
本発明に係る装置の構造は、より複雑になり得る。ピエゾ抵抗部について言及した箇所を全て金属部に置換することによって、図9A〜図9Cに従って得られる形状を有することができる。質量体30は、振動質量体として作用する。
上述のどの実施形態にナノワイヤが従うのかに関わらず、本発明に係る非対称ナノワイヤを備えた装置を用いた他の構造を得ることができる。
これは、例えば図12A及び図12Bの構造の場合であり、パッド6に固定された二つのナノワイヤを備え、各ナノワイヤの他端が質量体37に接続されている。この質量体37によって、電流ループを得ることができる。従って、質量体37は少なくとも部分的に導電性である。質量体の残りの部分は、ワイヤと同時に形成されるので、一般的に、その構築において、ナノワイヤの物質内にある。各ナノワイヤに対して、コンタクト領域8、8’がパッド6に附随する。図12Aに示されるように、アセンブリはU字型である。
本発明の上述の装置をアレイに配置することができる。
図13から図15を参照して説明するように、そのアレイは可変形状となり得て、可変ピッチ又は固定ピッチを備える。
各図面において、装置は、互いに平行に配置された本発明に係る複数のナノワイヤ1、21、31…を備え、各ナノワイヤの両端が各々、パッド60、60’に、又は、基板の一部に接続されている。ワイヤ中を循環する電流は、パッド60に入り、パッド60’から出て行く。
各装置は、ナノワイヤに平行な少なくとも一つの制御電極22、22’を備える。
図13に示されるアレイは、垂直型、つまり、キャリアウェーハ又は基板70の平面に垂直なものである。
図14及び図15に示されるアレイは、水平型のものであり、つまり、ナノワイヤは、ウェーハ又は基板20の平面内にある二次元アレイを形成し、その平面内にナノワイヤが形成されている。参照符号22、22’は、ナノワイヤのアレイの両側に平行に配置された二つの制御電極を指称する。ワイヤ中を循環する電流は、領域600に入り、領域600’から出て行く。
図15に示されるアレイの変形例では、ナノワイヤは、ナノワイヤに垂直な方向に増大する長さを有するものである。従って、各ナノワイヤが他のナノワイヤと異なる振動数を有するので、各ナノワイヤを個別にアドレス可能である。各ナノワイヤは、選択的な機能化を介して異なる化学種を検出することができる。各種は所定の振動数に対応する。
本発明のナノワイヤを作動させる手段は、例えば静電型の手段を備える。変形例として、作動手段は、熱弾性型、磁気型、又は他の手段を備え得る。この手段は、ナノワイヤの伸張方向に垂直な方向における、ナノワイヤに対する運動に影響を与えるために用いられる。
静電作動は、電位差を印加することによって、電極22(又は22’)とナノワイヤとの間に生じる静電力を用いる。
熱弾性作動は、二つの層(金属及び絶縁体)が同じ長さであり、ナノワイヤの長さに等しい場合に使用可能である。このタイプの作動は、各層における加熱効果を利用する。層が異なるタイプのものであるので、膨張が異なり、曲げモーメントが生じ、ナノワイヤの運動が生じる。
本発明に係る装置は、ナノワイヤの抵抗の変化を読み取る手段を用いることができる。その手段の例を図16〜図18に与える。
ナノワイヤの端部における抵抗の変化は、一定の読み取り電圧において、ナノワイヤを流れる電流Iの変調を介して直接測定することができる。これは、例えば図16に概略的に示される場合である: 一定電圧Vdcがナノワイヤの端部に印加される。参照符号50は、交流電圧Vacが印加される励起電極を指称する。出力信号(電流iac)はアンプ52につながれる。
図17の概略図は、ハーフブリッジでの直接測定を示す。ナノワイヤは一定電圧Vdc下にある。電極51及び53によって、振動数ωの交流電圧をワイヤ部分の一つに印加することができる。出て来る交流電流iac(ブリッジの二つの部分の間から取られる)はアンプ52に送られる。
ヘテロダイン法(図18に概略的に示す)を用いて、抵抗測定を高振動数から低振動数にすることができる。この方法は、直接測定と、ブリッジを用いる差分測定との両方に使用可能である。この方法については非特許文献2を参照することができる。
これらのアセンブリにおいて、交流電圧は局所発振器を介して発生可能である。読み取りシステムは、集積されるか(同一のチップ上に構造化される)、又は、外部のASIC上に配置され得る。
本発明に係る装置において、変換(ナノワイヤの運動による電流生成)はナノワイヤを通じて生じるので、このワイヤはプルーフマス(可動部)及びゲージ要素の両方として用いられ、所望のピエゾ抵抗変換が得られる。
従って、本発明に係る装置は、ナノワイヤの振動によって誘起される応力(σ)の変化に関連して、抵抗の変化ΔRを知ることを可能にする。何故ならば、ΔRは応力に比例するからである。
一般的に、導電性及び弾性の両方を有するナノワイヤの形状の構造によって形成される抵抗は、以下のように、軸歪みの関数として変化する:
ここで、ρはロッドで構成される媒体の抵抗率であり、εLはロッドの相対的な伸びであり、L及びSはそれぞれ、ロッドの長さ及び断面積である。νはポアソン比である。
第一項(dρ/ρ)は所謂ピエゾ抵抗効果に対応し、第二項(εL(1+2ν))は純粋な幾何学的効果に対応する。
シリコン等の半導体に関して、第二項は、第一項よりも数桁のオーダで小さい。
Πijは、半導体の主結晶軸に沿って表されるピエゾ抵抗性のテンソル要素である。ΠL及びΠTはそれぞれ、ナノワイヤの主参照系(N,T)において表される縦方向のピエゾ抵抗係数と横方向のピエゾ抵抗係数であり(図19を参照)、Nはナノワイヤの方向内にあり、Tは横方向にある。図19に示されるように、σL及びσTはそれぞれ、縦方向及び横方向に印加される応力である。
一様なナノワイヤの場合について、まず考えてみる。この場合、円形断面の梁として取り扱うことができる。このワイヤは、図20に示されるように位置の変化によって、応力に晒され、ワイヤの一部が、安定状態においてワイヤが占める位置(つまり外部応力が印加されていない場合の位置)から離れる。この曲げによって誘起される縦応力(軸方向)は、曲げモーメントに関連して簡単に表される:
σL=My/I (4)
σL=My/I (4)
Iは二次モーメントであり、Mは図20に示される曲げモーメントであり、yは、応力がゼロであるニュートラルライン(図20の破線)を原点とした縦座標である。
ナノワイヤの断面の平均応力はゼロである。
次に、図21Aに示されるような、非一様なナノワイヤの場合について考えてみる。この非一様なナノワイヤは、厚さt2の弱くドーピングされたシリコンの部分102(例えば、略1015cm−3から1019cm−3のドーピング)及び厚さt1のSiNのピエゾ抵抗窒化部分104から構成される矩形の断面のものである。
ここで、窒化部分104は、シリコンの部分102(厚さt2)よりも厚い厚さt1を有し、応力を集中させる。極限としては、Si層の厚さはSiNの厚さと比較して無視できるものとなり、Si中の応力が最大となり、SiN層の外線に対して計算される応力に等しい。より一般的な場合(t2がt1と比較して無視できない場合)、ニュートラルラインの位置を求める。これは、厚さだけではなく、個別のヤング率の値(<110>に沿ってESi=160GP、ESiN=230GPa)に依存する。
図21B及び図21Cは、如何にして、変形断面の原理を考慮してこのニュートラルラインの位置を計算するのかを説明する。このニュートラルラインの位置がわかると、式(4)を用いて、Si中の平均応力を導出することができる。
変形断面は次のように定義される:
I2=I1ESi/ESiN
C=(c1(t1l1)+c2(t2l2))/(t1l1)+(t2l2)
ここで、c1=t1/2、c2=t2/2である。
I2=I1ESi/ESiN
C=(c1(t1l1)+c2(t2l2))/(t1l1)+(t2l2)
ここで、c1=t1/2、c2=t2/2である。
ワイヤを形成するSiの部分に沿った平均応力を得るために、式(6)又は(7)を、歪みを考慮したワイヤの長さに対して積分する必要がある。
εLはゲージの伸びであり、Gはゲージ率(例えば、1015cm−3でドーピングされたホウ素ドープSiナノワイヤに対して、数千のオーダ)である。
Gは1単位から数単位(典型的には金属に対して2)のオーダである。
両方の場合において、抵抗率の変化は1のオーダであることがわかる。
本発明に係るナノワイヤにおいては、検討した実施形態に関わらず、導電性の違いに起因して生じる非対称性によって、異なる応力が、ニュートラルラインの上と下に生じる。これらの応力は平衡状態を見出すことができず、この不均衡によって、一次の測定を得ることができる。
本発明の装置の製造方法をこれから説明する。
その厚さ方向にわたって異なる複数の物質を有するワイヤの一実施形態が特許文献2に記載されている。この方法はリソグラフィ及びエッチング段階を利用する。“ピエゾ抵抗”変換用と、金属を用いる変換用の二つの例についてそれぞれ、図22A〜図22L、図23A〜図23Eを参照して説明する。
まず、図22A〜図22Lの段階について説明する。これは、単一のナノワイヤの製造に関連するものではあるが、複数のナノワイヤの製造にも容易に適用可能である。
第一段階において、シリコンウェーハ200を選択する。
次に、SiGeの層202と、Siの層204との2回のエピタキシーを続けて実施する(図22B)。SiGe層202中のゲルマニウムの割合は、所定の値に設定され得る; また、その割合はこの層内において可変であり得て、その層内の初期応力の変化を誘起する。従って、この初期応力は、ゲルマニウムの割合を制御することによって、調整可能である。
次に、シリコン層204のリソグラフィ及びエッチングを実施して、ナノ梁(nano‐beam)206を形成する。ナノ梁206の断面積は、例えば50nm×50nmのオーダである。
本実施形態において、作動電極を構造化し得る。
次に、SiGe層204のトンネルエッチングによって、このナノ梁をリリースする。この様子は図22D及び図22Eの二つの図面に示されている。図22Eは、図22Cの矢印Aに沿った側面図である。
ナノ梁の断面を、例えば25nm、より一般的には10nmから30nmの間のオーダの直径又は寸法になるまで、減少させて、一つ以上のナノワイヤ210を形成する(図22Dから図22F、図22Eから図22G)。
続いて、酸化物208を堆積させる(図22H)。酸化物208は、ナノワイヤ210全体を包み込み、特に、ナノワイヤと基板との間のギャップを充填するだけでなく、ナノワイヤの上方にも堆積される。
ナノワイヤ上に形成された酸化物の堆積物は、リソグラフィ及びエッチング工程に晒されて(図22I)、一部の選択された領域を変換する目的のために、ナノワイヤへのアクセス領域をリリースする。
次に、ナノワイヤのリリースされた部分の窒化220(例えば10nmの厚さ)を行い得る。使用される方法としては、酸化物に何らの反応も誘起しないアニーリング法が考えられる。
次に、ワイヤ上の酸化物208を除去する(図22K); 酸化物上のSiNの除去は湿式プロセスによって行うことができる。任意で、コンタクト領域を厚くして、そのコンタクト領域を、ドーピング及び/又はシリサイド化及び/又は金属化によって、金属にすることができる。
そして、ナノワイヤを、基板に接触しているキャビティ内の酸化物208をエッチングすることによって、リリースする(図22L)。
この方法の最初の二段階は、SOIウェーハを使用することによって、省略可能である。この場合、SiGe層の代わりに、酸化物がエッチングされる。リリース(図22D)は、HF蒸気によって行われる。
図23A〜図23Eの段階についてこれから説明する。これらの段階も単一のナノワイヤの製造に関係するものではあるが、複数のナノワイヤの製造に容易に適用可能である。ここでは、“ピエゾ抵抗”変換を得ることが目的であることを思い出されたい。
本方法の開始時の図面は、上述の図22A〜図22Iと同一である。従って、これらの図面について、改めて示すことはしない。これらの図面を参照しての上述の説明が有効である。
そこで、開始物質は、図22Iに示されるような構造であり、図23Aに改めて示されている。
金属堆積物217(ニッケル又はプラチナ)が、領域全体にわたって形成される(図23B)。
次に、例えば厚さ6nmにわたって、ナノワイヤのリリースされた部分の金属の拡散によって、シリサイド化を進行させることができる(図23C)。使用される方法は、酸化物に何ら反応を誘起しないアニーリング法である。シリサイド化プロセスは、(アモルファス化までの)ドーピングに置換可能である。
次に、ナノワイヤ上の酸化物208を除去する; 酸化物上のNiSiの除去は湿式プロセスによって行うことができる。そして、基板200に接触しているキャビティ220内の酸化物をエッチングすることによって、ナノワイヤがリリースされる(図23E)。
この場合も、最初の二段階は、SOIウェーハを用いることによって、省略可能である。そして、リリースも、HF蒸気を用いることによって行われる。
本発明に係る装置を得る方法の実施形態の他の例を、図24A〜図24Eを参照して、説明する。
初期段階において、SiO2又はSiGe又はSiの層302とSiGe又はSiの層304から構成される二層を形成する(図24A)。この二層の上に樹脂の層を形成し、エッチングすることによって、層302のエッチングを可能にするパターン306を形成することができる(図24B)。
任意で、アニーリングを実施して、形成されるSiのパッド308、310の上面に丸みをつけることができる。一変形例として、連続的なアニーリング及び/又は酸化段階を実施して、ナノワイヤの断面に丸みをつけて且つその断面積を減少させることができる。一以上のアニーリング及び/又は酸化段階によって、ナノワイヤに丸みをつけ、そのナノワイヤの断面積を減少させて、例えば略5nmの直径にすることができる。アニーリングによって、再結晶化を行うことができる。
次に、SiO2、SiN又は二層のマスク(スペーサ)312を堆積させて、エッチングする。
次に、上述のようなシリサイド化320を行い、続いて、ニッケル、プラチナ、コバルト…をそれぞれ選択的に除去する(図24D)。スペーサ312によって保護されていない部分がシリサイド化される。
そして、SiO2に対しては純HFで、SiGeに対しては酸素とCF4プラズマで、エッチングを行う(図24E)。これによって、本発明に係る構造を有するナノワイヤ320がリリースされる。
本発明に係る装置において、測定手段は外部の回路から構成され得る。
作動(例えば静電作動)は、ナノワイヤをリリースした後の基板とナノワイヤとの間のギャップを介して、達成される。これは、好ましくは、ナノワイヤを画定するエッチング段階中における、ナノワイヤと電極との間の“側方”ギャップのエッチングによって、達成される。
一変形例では、ナノワイヤを、ナノワイヤの側方の電極及びナノワイヤの下方の電極を備えた作動手段を利用することによって、振動させることができる。
本発明に係るセンサは、気相又は液相の化学センサとして用いることができ(他のセンサを用いてのこの応用については非特許文献3に記載されている)、又は、分子力センサとして用いることができ(他のセンサを用いてのこの応用については非特許文献4に記載されている)、又は、質量分析法の分野において用いることができる(他のセンサを用いてのこの応用については非特許文献5に記載されている)。
従って、本発明によって、特に、少なくとも二つの導電性の大きく異なる部分又は領域を有するナノワイヤセンサを得ることができ、少なくも二つの方法が用いられる:
‐ 例えば、導電層を得るためのマイクロエレクトロニクス技術を用いて、上述の段階の一つ以上を用いて(ナノワイヤの非ドープ又はほとんどドーピングされていない部分のシリサイド化によって、又は、アモルファス化までの任意でのワイヤの一部のドーピングによって)製造された金属/半導体ナノワイヤ;
‐ 又は、ドーピングされたワイヤの少なくとも一部の窒化によるもの。
‐ 例えば、導電層を得るためのマイクロエレクトロニクス技術を用いて、上述の段階の一つ以上を用いて(ナノワイヤの非ドープ又はほとんどドーピングされていない部分のシリサイド化によって、又は、アモルファス化までの任意でのワイヤの一部のドーピングによって)製造された金属/半導体ナノワイヤ;
‐ 又は、ドーピングされたワイヤの少なくとも一部の窒化によるもの。
更に、一つ以上の感度の高い領域(ピエゾ抵抗ゲージ等)を局在化させて、変換効率を改善することができる。
全ての場合において、特にコンタクト領域のドーピングによる非常に低いアクセス抵抗の結果として、接触を改善することができる。
本発明に係る装置によって、半導体中の一次効果が得られ、特に特許文献1に記載されているような既知の方法と比較して、検出効果が増大する。
2 導電領域
4 絶縁体領域
6 クランプ領域
8 電気コンタクト
4 絶縁体領域
6 クランプ領域
8 電気コンタクト
Claims (19)
- 導電性の第一の領域(2)及び絶縁体の第二の領域(4)を有する少なくとも一つのナノワイヤを備えたナノワイヤ型のセンサ装置であって、前記第二の領域が前記ナノワイヤの厚さ全体を占めてはおらず、電流が前記ナノワイヤ中を該ナノワイヤの一端から他端へと循環することができる、装置。
- 前記第二の領域が前記ナノワイヤの長さよりも短い長さにわたって延伸している、請求項1に記載の装置。
- 前記ナノワイヤの導電部がドープ半導体又は金属物質である、請求項1又は2に記載の装置。
- 前記ドープ半導体のナノワイヤの導電部がピエゾ抵抗物質である、請求項3に記載の装置。
- 前記半導体にヒ素、ホウ素又はリンがドーピングされている、請求項3又は4に記載の装置。
- 前記ナノワイヤの導電部(2)がシリサイド化金属、例えばNiSi、WSi又はPtSiである、請求項3に記載の装置。
- 前記絶縁体が誘電体又は真性半導体である、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記真性半導体がシリコン、又はシリコンゲルマニウム合金(SiGe)であり、非ドープである、請求項7に記載の装置。
- 前記誘電体がシリコン、窒化アルミニウム、又は酸化シリコンである、請求項7に記載の装置。
- ‐ 非ドープSiGeの誘電体領域(4)及びドープSiの導電領域(2)を備えるか、又は、
‐ 非ドープSiの誘電体領域(4)及びドープSiGeの導電領域(2)を備える請求項1から9のいずれか一項に記載の装置。 - 請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサ装置を少なくとも一つと、前記ナノワイヤの端部に固定された少なくとも一つの固定領域(6、6’)とを備えたナノワイヤセンサ装置であって、該固定領域が電気コンタクト領域(8、8’)を備える、装置。
- 少なくとも一つの電気コンタクト領域が、前記導電性の第一の領域(2)と同一の導体製である、請求項11に記載の装置。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサ装置を少なくとも一つと、各ナノワイヤの端部が取り付けられている固定された二つの固定領域(60、60’、600、600’)とを備えたナノワイヤセンサ装置。
- 請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサ装置を少なくとも一つと、前記ナノワイヤの一端に取り付けられた少なくとも一つの可動質量体(30、37)とを備えたナノワイヤセンサ装置。
- 前記可動質量体に取り付けられた少なくとも二つのナノワイヤを備えた請求項14に記載の装置。
- 各ナノワイヤの他端が固定された固定領域(6、6’)に取り付けられている、請求項14又は15に記載の装置。
- 前記少なくとも一つのナノワイヤの運動、又は前記ナノワイヤの一端に取り付けられた少なくとも一つの質量体(30、37)の運動を電気信号に変換する変換手段を更に備えた請求項1から16のいずれか一項に記載の装置。
- ナノワイヤを作動させる手段を更に備えた請求項1から17のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ナノワイヤを作動させる手段が、静電型、熱弾性型、又は磁気型である、請求項18に記載の装置。
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