JP4861448B2 - ニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一次元ナノ材料の製造方法に関し、特にニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法に関するものである。
金属シリサイドは、優れた熱安定性能及び低い抵抗率を有する。該金属シリサイドは、シリコン基板に生長することができ、該シリコン基板に拡散しにくいので、相互接続材料とすることが可能になる（非特許文献１を参照）。前記金属シリサイドで製造されたニッケルシリサイドナノワイヤは、低いシリサイド化温度を有し、シリコン消費が少ないので、ニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法に対して、いろいろな研究が行われている。
従来技術として、ニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法は、下記のようなステップを含む。まず、触媒材料が堆積されたシリコン基板の生長基板を提供する。次に、該生長基板を石英炉に置き、該石英炉に珪素ガスを導入すると同時に、該石英炉を５００℃〜１０００℃に加熱して、シリコンナノワイヤを生長させる。その後で、前記シリコンナノワイヤの表面にニッケルを堆積する。最後に、前記ニッケルが堆積されたシリコンナノワイヤを５５０℃に加熱し、固相反応を行なわせることで、ニッケルシリサイドナノワイヤを生長させる。
"Ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｍｅｔａｌｌｉｃ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ａｎｄ ｍｅｔａｌ／ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００４年、第１４３０巻、第６１頁〜第６５頁
しかし、前記ニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法において、シリコンナノワイヤを生長してから、前記シリコンナノワイヤの表面にニッケルを堆積した後で、固相反応により、ニッケルシリサイドナノワイヤを生長させるので、工程が複雑で、コストが高いという欠点がある。前記ニッケルシリサイドナノワイヤを製造する方法において、珪素ガスを反応ガスとする必要があるので、環境を汚染する。また、前記製造方法において、ニッケルシリサイドナノワイヤの直径を制御しにくい。
従って、本発明は、製造工程が簡単で、製造コストが低く、環境を汚染せず、ニッケルシリサイドナノワイヤの直径を制御できるニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法を提供することを課題とする。
ニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法は、表面に二酸化珪素層が形成されたシリコン基板を提供する第一ステップと、前記シリコン基板に形成された二酸化珪素層の表面にチタン層を形成する第二ステップと、生長装置を提供し、前記チタン層が形成されたシリコン基板を前記生長装置に置き、該生長装置を５００℃〜１０００℃に加熱する第三ステップと、前記シリコン基板の表面にニッケルクラスターを形成し、ニッケルシリサイドナノワイヤを生長させる第四ステップと、を含む。
前記第三ステップにおいて、該生長装置を加熱した後、２〜１０分間保持する。
前記第三ステップにおいて、前記チタン層が形成されたシリコン基板を、５００℃〜１０００℃に加熱させると、該シリコン基板の表面に複数のチタンシリサイドの島状構造が形成される。
前記第四ステップは、スパッタリング法により、ニッケルクラスターを形成する第一サブステップと、前記ニッケルクラスターを選択的に利用する第二サブステップと、選択された前記ニッケルクラスターを前記シリコン基板の表面に堆積する第三サブステップと、を含む。
前記第四ステップの第一サブステップにおいて、マグネトロンスパッタリング法でニッケルクラスターを形成する。
前記第四ステップの第二サブステップにおいて、四重極質量分析計で前記ニッケルクラスターを選択する。
従来のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法と比べると、本発明のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法において、前記ニッケルクラスターを前記シリコン基板の表面に直接に形成することによって、ニッケルシリサイドナノワイヤを生長させるので、製造工程が簡単で、コストが低い。更に、前記方法でニッケルシリサイドナノワイヤを製造する場合、珪素ガスを使用する必要がないので、環境を汚染しない。また、異なる厚さを有する二酸化珪素層とチタン層、及び異なる質量数を有するニッケルクラスターを選択することによって、異なる直径を有するニッケルシリサイドナノワイヤを製造することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１、図２及び図３を参照すると、本実施形態のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法は下記のステップを含む。
第一ステップでは、表面に二酸化珪素層３２０が形成されたシリコン基板３１２を提供する。
まず、シリコン基板３１２を提供し、該シリコン基板３１２を超音波で５〜１０分間洗浄する。その後で、洗浄されたシリコン基板３１２を、酸素ガスを含む雰囲気に一定時間放置し、その表面に二酸化珪素層３２０を形成させる。酸化速度を高めるために、前記洗浄されたシリコン基板３１２を加熱することができる。前記シリコン基板３１２の形状及び大きさは制限されず、実際の応用によって、選択することができる。前記二酸化珪素層３２０の厚さは、１０ナノメートル〜１マイクロメートルである。本実施形態において、前記二酸化珪素層３２０の厚さは、５００ナノメートルであることが好ましい。
第二ステップでは、前記シリコン基板３１２に形成された二酸化珪素層３２０の表面にチタン層３２２を形成する。
前記チタン層３２２は、化学気相堆積法、スパッタリング法又はプラズマ堆積法などの方法によって、形成されることができる。前記チタン層３２２の厚さは、１ナノメートル〜５００ナノメートルである。本実施形態において、前記チタン層３２２の厚さは、５０ナノメートルであることが好ましい。
第三ステップでは、生長装置３０を提供し、前記チタン層３２２が形成されたシリコン基板３１２を前記生長装置３０に置き、該生長装置３０を加熱して、該シリコン基板３１２の表面に複数のチタンシリサイド（ＴｉＳｉ２）の島状構造３１４を形成させる。
前記生長装置３０は、スパッタ装置（図示せず）、スパッタ室３０２、反応室３０４、加熱装置（図示せず）及び真空装置（図示せず）を含む。前記スパッタ装置は、前記スパッタ室３０２に連接され、該スパッタ室３０２に粒子をスパッタリングするために用いられる。前記スパッタ室３０２と前記反応室３０４とは、四重極質量分析計３０６（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）によって、連接される。前記加熱装置は、前記反応室３０４を加熱することに用いられる。前記真空装置は、前記反応室３０４に連接され、該反応室３０４の内部における空気を吸引し、該反応室３０４を真空にする。
前記チタン層３２２が形成されたシリコン基板３１２を前記反応室３０４に置き、該反応室３０４の内部における空気を吸引し、該反応室３０４の内部の圧力を１×１０−３Ｐａ以下にする。その後で、１０℃／分の速度で前記反応室３０４を５００℃〜１０００℃まで加熱し、２〜１０分間保持する。
前記反応室３０４を５００℃〜１０００℃まで加熱した後で、前記シリコン基板３１２の表面に形成された二酸化珪素層３２０と、該シリコン基板３１２の表面に形成されたチタン層３２２とが反応して、該シリコン基板３１２の表面に複数のチタンシリサイドの島状構造３１４が形成される。前記シリコン基板３１２の、該チタンシリサイドの島状構造３１４が形成されない領域は、空気に暴露される。前記チタンシリサイドの島状構造３１４の大きさは、前記二酸化珪素層３２０及びチタン層３２２の厚さによって異なる。前記チタンシリサイドの島状構造３１４の大きさは、製造されたニッケルシリサイドナノワイヤ３１６の直径の大きさを決定する。前記チタンシリサイドの島状構造３１４が大きくなるほど、製造されたニッケルシリサイドナノワイヤ３１６の直径は大きくなる。前記チタンシリサイドの島状構造３１４が小さくなるほど、製造されたニッケルシリサイドナノワイヤ３１６の直径は小さくなる。
本実施形態において、前記二酸化珪素層３２０の厚さが５００ナノメートルであり、前記チタン層３２２の厚さが５０ナノメートルであるので、製造された前記チタンシリサイドの島状構造３１４の直径は、５００ナノメートル〜１マイクロメートルである。
第四ステップでは、複数のチタンシリサイドの島状構造３１４が形成された前記シリコン基板３１２の表面にニッケルクラスター（ｎｉｃｋｅｌ ｃｌｕｓｔｅｒｓ）３１０を形成し、ニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を生長させる。
まず、スパッタリング法により、ニッケルクラスター３１０を形成する。図３を参照すると、マグネトロンスパッタリング法でニッケルターゲットからニッケル粒子３０８を飛び出させてから、該ニッケル粒子３０８は、前記スパッタ室３０２で自由に運動し、互いに衝突し、ニッケルクラスター３１０を形成する。マグネトロンスパッタリング法でニッケル粒子３０８を飛び出させるガスは、アルゴンガスであり、前記スパッタ室３０２の圧力は、１×１０−１Ｐａ〜９×１０−１Ｐａである。
次に、前記ニッケルクラスター３１０を選択的に利用する。前記反応室３０４のガス圧が前記スパッタ室３０２のガス圧より小さいので、四重極質量分析計３０６を利用して、前記ニッケルクラスター３１０を前記反応室３０４に拡散させる。前記四重極質量分析計３０６によって、異なる質量数を有するニッケルクラスター３１０を選択できる。
最後に、選択された前記ニッケルクラスター３１０を前記シリコン基板３１２の表面に堆積する。
選択された前記ニッケルクラスター３１０が前記四重極質量分析計３０６によって、前記反応室３０４に拡散し続ける。運動中のニッケルクラスター３１０は、前記シリコン基板３１２に衝突して、該シリコン基板３１２に堆積することができる。同時に、前記反応室３０４の温度を生長温度に保持するので、堆積されたニッケルクラスター３１０と前記シリコン基板３１２とが反応して、ニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を生長する。
チタンシリサイドの島状構造３１４が形成されない前記シリコン基板３１２は空気に暴露されるので、該シリコン基板３１２の珪素は、該シリコン基板３１２に堆積された前記ニッケルクラスター３１０に接触することができ、反応して、ニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を生長する。図４に示すように、前記ニッケルシリサイドナノワイヤ３１６は、前記チタンシリサイドの島状構造３１４の縁に垂直に生長する。又は、図５に示すように、前記ニッケルシリサイドナノワイヤ３１６は、前記チタンシリサイドの島状構造３１４の縁に沿って、水平に生長する。
前記チタンシリサイドの島状構造３１４の大きさは、前記ニッケルクラスター３１０の質量数により異なる。要望するチタンシリサイドの島状構造３１４が大きければ、質量数が大きなニッケルクラスター３１０を選択するべきである。要望するチタンシリサイドの島状構造３１４が小さければ、質量数が小さなニッケルクラスター３１０を選択するべきである。更に、前記チタンシリサイドの島状構造３１４の大きさは、前記二酸化珪素層３２０とチタン層３２２の厚さと関係があるので、異なる厚さを有する二酸化珪素層３２０とチタン層３２２、及び異なる質量数を有するニッケルクラスター３１０を選択することによって、異なる直径を有するニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を製造することができる。大きな厚さを有する二酸化珪素層３２０とチタン層３２２を採用する場合、製造されるニッケルシリサイドナノワイヤ３１６の直径は大きい。小さな厚さを有する二酸化珪素層３２０とチタン層３２２を採用する場合、製造されるニッケルシリサイドナノワイヤ３１６の直径は小さい。製造されるニッケルシリサイドナノワイヤ３１６は、長さが制限されず、生長時間によって異なる。生長時間が長くなるほど、製造されるニッケルシリサイドナノワイヤ３１６の長さは長くなる。
本実施形態において、前記二酸化珪素層３２０の厚さが５００ナノメートルであり、前記チタン層３２２の厚さが５０ナノメートルであり、前記ニッケルクラスター３１０の質量数が７０００〜９０００であるので、製造されるニッケルシリサイドナノワイヤ３１６は、長さが１００ナノメートル〜２マイクロメートルであり、直径が１０ナノメートル〜５００ナノメートルである。
本実施形態のニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を製造する方法において、前記ニッケルクラスター３１０を前記シリコン基板３１２の表面に直接形成することによってニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を生長させるので、製造工程が簡単で、製造コストが低い。更に、前記方法でニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を製造する場合、珪素ガスを使用する必要がなくなるので、環境を汚染しない。また、異なる厚さを有する二酸化珪素層３２０とチタン層３２２、及び異なる質量数を有するニッケルクラスター３１０を選択することによって、異なる直径を有するニッケルシリサイドナノワイヤ３１６を製造することができる。
３０ 生長装置
３０２ スパッタ室
３０４ 反応室
３０６ 四重極質量分析計
３０８ ニッケル粒子
３１０ ニッケルクラスター
３１２ シリコン基板
３１４ チタンシリサイドの島状構造
３１６ ニッケルシリサイドナノワイヤ
３２０ 二酸化珪素層
３２２ チタン層
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３１４ チタンシリサイドの島状構造
３１６ ニッケルシリサイドナノワイヤ
３２０ 二酸化珪素層
３２２ チタン層
Claims (6)
- 表面に二酸化珪素層が形成されたシリコン基板を提供する第一ステップと、
前記シリコン基板に形成された二酸化珪素層の表面にチタン層を形成する第二ステップと、
生長装置を提供し、前記チタン層が形成されたシリコン基板を前記生長装置に置き、該生長装置を５００℃〜１０００℃に加熱する第三ステップと、
前記シリコン基板の表面にニッケルクラスターを形成し、ニッケルシリサイドナノワイヤを生長させる第四ステップと、
を含むことを特徴とするニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法。 - 前記第三ステップにおいて、該生長装置を加熱した後、２〜１０分間保持することを特徴とする請求項１に記載のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法。
- 前記第三ステップにおいて、
前記チタン層が形成されたシリコン基板を、５００℃〜１０００℃に加熱させると、該シリコン基板の表面に複数のチタンシリサイドの島状構造が形成されることを特徴とする請求項１に記載のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法。 - 前記第四ステップは、
スパッタリング法により、ニッケルクラスターを形成する第一サブステップと、
前記ニッケルクラスターを選択的に利用する第二サブステップと、
選択された前記ニッケルクラスターを前記シリコン基板の表面に堆積する第三サブステップと、
を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法。 - 前記第四ステップの第一サブステップにおいて、
マグネトロンスパッタリング法でニッケルクラスターを形成することを特徴とする請求項４に記載のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法。 - 前記第四ステップの第二サブステップにおいて、
四重極質量分析計で前記ニッケルクラスターを選択することを特徴とする請求項４又は５に記載のニッケルシリサイドナノワイヤの製造方法。
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