JP2914314B2 - 微細パターン形成方法 - Google Patents

微細パターン形成方法

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JP2914314B2 JP24060596A JP24060596A JP2914314B2 JP 2914314 B2 JP2914314 B2 JP 2914314B2 JP 24060596 A JP24060596 A JP 24060596A JP 24060596 A JP24060596 A JP 24060596A JP 2914314 B2 JP2914314 B2 JP 2914314B2
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雅和 馬場
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子あるいは分子
により構成された原子スケールのパターンにより形成さ
れた原子デバイスを作製するための微細パターン形成方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の微細化に伴って数十個の原
子あるいは分子で構成される原子スケールのデバイスの
形成が考えられてきており、原子スケールのパターン形
成方法の開発が要求されている。このような原子スケー
ルのパターンを形成するための唯一の方法として、走査
型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneli
ng Microscope;STM)を用いた方法が
行われており、本発明者は論文(M.Baba and
S.Matsui;J.Vac.Sci.Techn
ol.B 12,3716−3719(1994).)
においてSTM原子微細加工の報告を行っている。
【0003】原子スケールのパターン形成工程を図4に
示す。従来技術のSTMによる原子スケールのパターン
形成方法は次のようになっている。すなわち、図4
(a)に示すように、まず、STMを内包する真空容器
内に置かれたSi基板41の表面が、10−8Pa台の
超高真空中で通電加熱(1230℃)により清浄化され
る。その後、塩素ガスを1×10−7Paだけ基板表面
に導入し塩素原子42の吸着を行う。
【0004】次に図4(b)に示すように、STMの針
43が基板41の表面上の任意の塩素原子の位置に近付
けられる。針43の先端と基板41表面との間隔は数オ
ングストロームである。針43が負になるように針43
と基板41との間にパルス電圧(4V〜6V)が印加さ
れると、針43の先端と基板41表面との間に微小電界
44が形成される。この微小電界44の影響下にある塩
素原子42は、電界蒸発により基板41表面から脱離す
る。
【0005】このようにして、塩素原子パターン45が
形成される(図4(c))。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の原子ス
ケールの微細パターン形成方法は、Si基板や層状物質
などのように、清浄化が簡単であり、かつ平坦な表面が
得られ、導電性が高いという条件を満たす基板にのみ適
用されている。なぜなら、STMでは、トンネル電子が
安定に流れる必要性があるため、導電性の高い表面が必
要であり、原子サイズのパターンを形成するためには、
当然、広範囲(数十nm)にわたって原子サイズで汚れ
や凹凸がないような清浄表面が基板に要求されており、
基板に対する制約が非常に大きい。
【0007】原子デバイスを作製するためには、多数の
原子を基板表面に平面状に並べるだけでなく、性質の異
なる原子を積み重ねることが必要となるが、現在の技術
では時間的・精度的に困難であり、導電性の高い基板表
面を用いているため、形成されたデバイスを電気的に基
板から分離することが困難である。
【0008】原子サイズの汚れや凹凸がない基板表面が
必要であるということは、従来の技術で形成された電極
や絶縁層などを有するデバイスとの融合は困難である。
【0009】本発明の目的は、従来のリソグラフィ技術
により作製されたデバイス基礎パターンにSTMを利用
した原子スケールの微細パターンを形成する方法を提供
することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る微細パターン形成方法は、デバイス基
礎パターン形成工程と、へき開面形成工程と、原子スケ
ールパターン形成工程とを有する微細パターン形成方法
であって、デバイス基礎パターン形成工程は、へき開性
を有する半導体基板表面に所望するデバイス基礎パター
ンをリソグラフィ技術により作製する処理であり、へき
開面形成工程は、前記形成された基礎パターンを含めて
基板をへき開し、へき開面を得る処理であり、原子スケ
ールパターン形成工程は、前記工程にて得られたへき開
面上に走査型トンネル顕微鏡を用いて、原子あるいは分
子により構成された原子スケールのパターンを形成する
処理である。
【0011】また、前記原子スケールのパターンは、一
個〜数十個の原子あるいは分子により構成されたもので
ある。
【0012】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。
【0013】微細パターン形成工程の断面模式図である
図1を参照すると、へき開面を利用した原子スケールの
微細パターン形成方法は、次のようになっている。
【0014】まず図1(a)に示すように、基板1の表
面に従来のリソグラフィ技術により電極2や絶縁層3を
有するデバイス基礎パターン6を作製する。基板1のへ
き開性を利用して、基板1上にを形成した積層構造を含
めて基板1をへき開し、図1(b)のようなデバイス基
礎パターン6が露出したへき開面を得る。この断面パタ
ーン7を新たな基板としてSTMによる原子サイズ加工
により、図1(c)のような原子数個〜数十個により形
成された原子スケールの微細パターン4を作製し、従来
のデバイスと融合させた新しい原子デバイスを作製す
る。電極2からの配線5は図1(c)のように裏面のへ
き開面より結線をする。
【0015】この従来のリソグラフィ技術には、レジス
トを用いた光露光や電子ビーム露光の他に、レジストマ
スクによるエッチング,MBEの製膜技術,金属蒸着技
術などが含まれる。
【0016】下地の基板1には、へき開性を有し従来よ
り広く使われているシリコンが好ましいが、へき開性を
有する点では、ゲルマニウムや化合物半導体(GaA
s,InP等)を用いてもよい。
【0017】原子スケールの微細パターン4を構成する
原子あるいは分子は、金属(アルミ・銅・タングステ
ン)の他、半導体物質や酸化物などが用いられる。
【0018】絶縁層3には、アルミ酸化物(Al23
やシリコン酸化物(SiO2)等の絶縁物が用いられる
が、ノンドープの成長により得られた化合物半導体など
を用いることができる。
【0019】電極2となる金属には、アルミや銅,金な
どが用いられるが、レジストパターンを利用してイオン
注入による高ドープによる低抵抗領域を用いることがで
きる。
【0020】(実施例)次に、本発明の実施例について
図面を参照して説明する。
【0021】図1と従来のリソグラフィ技術によるデバ
イス基礎パターン形成工程の断面模式図である図2と、
原子スケールの微細パターン形成工程の断面模式図であ
る図3とを併せて参照すると、本発明の実施例は、以下
のようになっている。
【0022】まず、従来のリソグラフィ技術によるデバ
イス基礎パターン形成について図2を用いて説明する。
図2(a)のように低抵抗のシリコン基板11(方位1
00面,10Ω以下)上に、酸化膜(SiO2)12を
形成した後、図2(b)に示すように、電子ビーム描画
装置による直接パターン露光法を用い、レジスト13に
よるマスクパターンを酸化膜12上に形成する。次に図
2(c)に示すように、アルミ金属14を蒸着し、図2
(d)に示すようにリフトオフ法により電極15を形成
する。
【0023】図2(e)に示すようにレジストを除去し
た後、酸化膜12を成長させ、再びレジストを塗布し電
子ビーム露光によりレジスト13によるパターンを形成
する(図2(f))。その後、パターニングしたレジス
ト13をマスクとして、酸化膜12上にアルミ金属14
を蒸着し(図2(g))、リフトオフ法により電極15
を形成する(図2(h))。全体の強度を高めるため、
電極15の周りを酸化膜(SiO2)12でカバーし
て、図2(i)に示すようなデバイス基礎パターン16
を形成する。
【0024】この従来のリソグラフィ技術によりパター
ンを形成した試料をへき開し、図1(c)に示すような
断面パターンが得られる。この得られた断面パターンに
対して、図1(c)に示すような配線5を行い、外部よ
り電圧を印加できるようにする。へき開は、デバイス基
礎パターンが形成されている部分を走査型トンネル顕微
鏡を用いて確認した後、ダイヤモンドカッターで傷を付
け、傷の両端にわずかに力を加えることで簡単にへき開
することができる。まず、最初に図1(c)に示すよう
な配線5を結線する面を上述した方法で得た後、原子ス
ケールの微細パターンを形成する表面を得るために、真
空中でへき開しやすいようにあらかじめダイヤモンドカ
ッターで傷を付けておく。
【0025】次に、容器の超高真空(10−8Pa台)
雰囲気内に設置されたSTM装置に、上記のようにへき
開した基板11を設置し、超高真空中で、Si基板11
のへき開性を利用してへき開する。へき開面は、電極1
5と絶縁層12を有する断面パターが露出しており、超
高真空中でへき開しているために、平坦で、極めて清浄
な表面を得ることができる。この断面パターン7の表面
では、電極15上は当然導電性があるが、絶縁層12上
でも、絶縁層の領域が小さく、また、表面拡散電子が存
在するために、わずかではあるがトンネル電子が流れ
る。この現象を利用してSTMを用いた原子スケールの
微細パターンを形成する。
【0026】STMを利用した原子スケールの金属原子
パターン形成について図3を用いて説明する。まず、基
板201表面にへき開して得られた断面パターン(デバ
イス基礎パターン)が露出した状態で、フッ素原子20
2とタングステン原子203とが結合してなるWF6
ス(ハロゲン金属ガス)204が真空容器内に導入され
る。このとき、このWF6ガス204の一部は基板20
1の表面に吸着し、基板201の表面にハロゲン化金属
単分子吸着層(実施形態では、WF6単分子吸着層)2
05が形成される(図3(a))。
【0027】この状態でSTMの針206が基板201
表面の所望の位置に近付けられる。針206の先端と基
板201の表面との間隔は数オングストロームである。
針206と基板201との間に電圧207が印加され、
針206の端と基板201の表面との間に極小電界20
8が形成される。この極小電界208の影響下にあるW
6単分子吸着層205は、極小電界208により分解
し、ガス化したフッ素イオン209が脱離し、タングス
テン原子210が残置する。
【0028】針206が所望の位置の範囲内を走査した
後、WF6ガスの導入が停止され、真空容器内に残留浮
遊しているガス分子及びフッ素イオンが真空容器外に排
気される(図3(c))。さらに基板201が所定の温
度(約200℃)に加熱され、基板201の表面に残置
されたWF6単分子吸着層205がガス化してWF6ガス
となり、基板201より脱離し、タングステン原子から
なる金属原子パターン211が形成される(図3
(d))。
【0029】上記のハロゲン化金属ガスを用いた金属原
子パターンを作製する場合に用いることができるガスと
して、タングステン(W)の場合には、WF6,WC
6,W(CO)6等があげられる。アルミの場合はAl
2Cl6等、モリブデン(Mo)の場合はMoCl6,M
o(C662等、タンタル(Ta)の場合にはTaC
5等である。
【0030】このようにして、従来リソグラフィ技術に
より作製された電極パターン上に、STMを利用した原
子スケールの細線が形成され、裏面にボンディングされ
た配線より電圧を印加し細線の電気特性を調べることが
できる。
【0031】なお、上記の実施形態では、単純な電極パ
ターン上に原子細線を形成したが、基板上に作製するパ
ターンを工夫することにより、原子細線をゲートにした
トランジスタの作製等が可能である。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明の微細パター
ン形成方法によれば、従来のリソグラフィ技術により作
製されたデバイス基礎パターンにSTMを利用した原子
スケールの微細パターンを形成することが容易にでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る微細パターン形成方法
を製造工程順に示す断面模式図である。
【図2】従来のリソグラフィ技術によるデバイス基礎パ
ターンの形成方法を製造工程順に示す断面模式図であ
る。
【図3】本発明の実施形態における原子スケールの微細
パターン形成方法を製造工程順に示す断面模式図であ
る。
【図4】従来例における原子スケールのパターン形成方
法を製造工程順に示す断面模式図である。
【符号の説明】 1,11,41,201 基板 2,15 電極 3 絶縁層 4 微細パターン 5 配線 6,16 デバイス基礎パターン 7 断面パターン 12 酸化膜 13 レジスト 42 Cl吸着原子 45 塩素原子パータン 204 WF6ガス 205 WF6単分子吸着層 206,43 針 208,44 極小電界 210 W原子 211 金属原子パターン

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 デバイス基礎パターン形成工程と、へき
    開面形成工程と、原子スケールパターン形成工程とを有
    する微細パターン形成方法であって、 デバイス基礎パターン形成工程は、へき開性を有する半
    導体基板表面に所望するデバイス基礎パターンをリソグ
    ラフィ技術により作製する処理であり、 へき開面形成工程は、前記形成された基礎パターンを含
    めて基板をへき開し、へき開面を得る処理であり、 原子スケールパターン形成工程は、前記工程にて得られ
    たへき開面上に走査型トンネル顕微鏡を用いて、原子あ
    るいは分子により構成された原子スケールのパターンを
    形成する処理であることを特徴とする微細パターン形成
    方法。
  2. 【請求項2】 前記原子スケールのパターンは、一個〜
    数十個の原子あるいは分子により構成されたものである
    ことを特徴とする請求項1に記載の微細パターン形成方
    法。
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