制御されたドーピングを含む半導体ナノワイヤ及びその製造方法
【課題】 一定の横方向寸法及び有意なドーピング・レベルを有する半導体ナノワイヤを形成する方法を提供する。
【解決手段】 基板上の触媒粒子が反応器内の半導体材料を含有する反応物質に暴露される。一定の横方向寸法を有する真性半導体ナノワイヤは、十分に低い温度で成長させることで、真性半導体ナノワイヤの側壁上での反応物質の熱分解が抑制される。真性半導体ナノワイヤが所望の長さまで成長すると、半導体ナノワイヤの側壁上での熱分解が可能となるように反応器内の温度が高められ、その後ドーパントが反応物質を含む反応器内に供給される。内側の真性半導体ナノワイヤとドーピング半導体シェルとを有する複合半導体ナノワイヤが形成される。触媒粒子が除去され、その後アニールによってドーパントが複合半導体ナノワイヤの体積中に均一に分散され、その結果、一定の横方向寸法及び実質的に均一なドーピングを有する半導体ナノワイヤが形成される。
【解決手段】 基板上の触媒粒子が反応器内の半導体材料を含有する反応物質に暴露される。一定の横方向寸法を有する真性半導体ナノワイヤは、十分に低い温度で成長させることで、真性半導体ナノワイヤの側壁上での反応物質の熱分解が抑制される。真性半導体ナノワイヤが所望の長さまで成長すると、半導体ナノワイヤの側壁上での熱分解が可能となるように反応器内の温度が高められ、その後ドーパントが反応物質を含む反応器内に供給される。内側の真性半導体ナノワイヤとドーピング半導体シェルとを有する複合半導体ナノワイヤが形成される。触媒粒子が除去され、その後アニールによってドーパントが複合半導体ナノワイヤの体積中に均一に分散され、その結果、一定の横方向寸法及び実質的に均一なドーピングを有する半導体ナノワイヤが形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体構造体に関するものであり、特にドーピング半導体ナノワイヤ（doped semiconductornanowire）及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノワイヤとは、直径約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍのワイヤを指す。「ナノワイヤ」という用語が使用される場合は、ナノワイヤの直径よりも長さの方が実質的に大きいことが暗黙的に仮定される。それ自体の直径が上記範囲の低い方、即ち直径約１ｎｍ〜約１００ｎｍのナノワイヤは、量子力学的特性を示し、「量子ワイヤ」とも呼ばれる。ナノワイヤは、金属材料、半導体材料、あるいは絶縁材料から構成され得る。当業界では、例えばデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）のような有機ナノワイヤと無機ナノワイヤの両方が知られている。
【０００３】
ナノワイヤの長さと直径の比は、アスペクト比と呼ばれる。典型的なナノワイヤのアスペクト比の範囲は、約１０〜約１，０００，０００である。したがって、ナノワイヤの１つの寸法、即ち長さは、実用的な目的では事実上無限と見なすことができ、ナノワイヤの主な物理的特性及び化学的特性はナノワイヤの直径で決まることになる。ナノワイヤの長さに垂直な平面内のナノワイヤの寸法制約によるナノワイヤの量子力学的特性は、多くのタイプのナノワイヤで観察されている。
【０００４】
当業界では半導体ナノワイヤを利用する様々なデバイスが提案されている。半導体ナノワイヤを利用した半導体デバイスの製造における１つの課題は、ドーピング半導体ナノワイヤを形成する困難さである。特に、シリコン又はゲルマニウムから構成される半導体ナノワイヤの制御されたドーピングが大きな課題となっている。
【０００５】
従来技術の刊行物では、ナノワイヤの成長中にシランやゲルマン等の反応物質ガスを用いたホスフィンやジボラン等のドーパント・ガスによる半導体ナノワイヤのドーピングが提案されている。このような例の１つとして、Empedocles et al.の米国特許第６，９６２，８２３号には、半導体ナノワイヤの成長中にドーパント・レベルを変更することによる半導体ナノワイヤの分離帯のｉｎ‐ｓｉｔｕドーピングが記載されている。このアプローチを応用したシリコン・ナノワイヤ又はゲルマニウム・ナノワイヤの形成では、このアプローチの有用性を損なう深刻な問題に直面する。特に、直径３０ｎｍ未満のシリコン・ナノワイヤやゲルマニウム・ナノワイヤ等、特定のタイプの半導体ナノワイヤの成長には約３５０℃〜約４５０℃の比較的低い温度範囲が必要とされる。５００℃を超える高温では、そのような半導体ナノワイヤは横方向に成長する。
【０００６】
残念ながら、半導体ナノワイヤの成長中にドーパント原子を有意なレベル、即ち約１．０×１０１７／ｃｍ３以上の濃度で半導体ナノワイヤに正常に取り込むには、５００℃超の比較的高い温度が必要とされる。しかしながら、そのような温度では、高温によって半導体ナノワイヤの露出した表面上での反応物質の熱分解が発生し得るため、半導体ナノワイヤはやはり横方向に成長する。多くの半導体ナノワイヤにおいて、半導体ナノワイヤの側面上での反応物質の熱分解の抑制と半導体ワイヤの側面のドーピングとは、互いに相反するものとなる。換言すると、半導体ワイヤの側面のドーピングは、必然的に半導体ナノワイヤの側面上での反応物質の熱分解を発生させる。
【０００７】
この状況は、図１及び図２に示されている。図１では、絶縁材料あるいは半導体材料から構成され得る基板１０上に金粒子のような触媒粒子２０が置かれている。約３５０℃〜約４５０℃の温度範囲において、半導体ナノワイヤ３０は、半導体材料、例えばＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＧｅＨ４等を含有する反応物質が低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）チャンバや超高真空化学気相成長（ＵＨＶＣＶＤ）チャンバのような反応器に供給されるときに成長する。触媒粒子２０は、触媒粒子２０と半導体ナノワイヤ３０の上部領域との間の界面に薄い移動性共晶領域（図示せず）を形成し、成長プロセス全体にわたって半導体ナノワイヤの上部を移動する。半導体ナノワイヤ３０の直径又は横方向寸法は、触媒粒子２０の横方向寸法と実質的に同じである。この温度範囲では、半導体ナノワイヤ３０へのドーパントの取り込み量はごく僅かである。それ故、反応器内のドーパント・ガスについて高い分圧が維持される場合も、半導体ナノワイヤ３０へのドーパントの取り込み量が僅かとなり、半導体ナノワイヤ３０は実質的に未ドーピングのままとなる。
【０００８】
図２を参照すると、シリコン・ナノワイヤやゲルマニウム・ワイヤ等のいくつかの半導体ワイヤの場合では、ドーパントを強制的に取り込むために反応器の温度を５００℃超に高めなければならない。しかしながら、この場合はドーピング半導体ナノワイヤ４０の側壁上で熱分解が発生する。成長中にドーパントがドーピング半導体ナノワイヤ４０に取り込まれるときは、ドーピング半導体ナノワイヤ４０の横方向成長が不可避となる。更に、ドーピング半導体ナノワイヤ４０の底部が反応物質に暴露される時間が長くなるほど、当該底部の直径はドーピング半導体ナノワイヤ４０の上部よりも大きくなり、反応物質に暴露される時間が短いと横方向寸法は触媒粒子２０の横方向寸法に近くなる。それ故、ドーピング半導体ナノワイヤ４０の直径は先細りとなる、即ち一定の直径のドーピング半導体ナノワイヤ４０を得ることができなくなる。
【０００９】
ドーピング半導体ワイヤを形成する代替的なアプローチは、ドーパントをナノワイヤに注入することである。しかしながら、イオン注入は、注入されるイオンのエネルギーの高さから必然的に過激なプロセスとなる傾向があり、ナノワイヤ結晶構造のアモルファス化及びナノワイヤ自体のスパッタリングを招く。それ故、イオン注入は、イオン注入プロセス中の変形又はワイヤ切断あるいはその両方を発生させる傾向がある。その後、ナノワイヤを再結晶化するためにアニールが必要となるが、構造上の損傷が広範である場合はその効果が殆ど失われてしまう恐れがある。
【００１０】
Pan et al.の米国特許第７，１０５，４２８号やLieber et al.の米国特許第７，２１１，４６４号等の従来技術の刊行物にはドーピング半導体ナノワイヤの有用な応用例が開示されているが、そのような有用な構造体を使用可能にする構造体形成方法を提供することが依然として必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，９６２，８２３号
【特許文献２】米国特許第７，１０５，４２８号
【特許文献３】米国特許第７，２１１，４６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
それ故、一定の横方向寸法及び有意なドーピング・レベル、即ち１．０×１０１７／ｃｍ３以上の濃度を有する半導体ワイヤを形成する方法が必要とされている。
【００１３】
更に、一定の横方向寸法、例えば３０ｎｍ未満の直径を有するドーピング半導体ワイヤを形成する方法も必要とされている。
【００１４】
本開示では、ドーパント原子を半導体ナノワイヤに制御可能に取り込む単純な方法を記載する。本プロセスは、ナノワイヤの初期成長をドーピング・プロセスから切り離し、それによってナノワイヤの成長とナノワイヤ結晶構造体へのドーパント取り込みとを分離することを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、横方向寸法が一定の半導体ナノワイヤにドーパント原子を制御可能に取り込む方法を提供することによって上述の必要性を満足する。本方法は、半導体ナノワイヤの初期成長を後続のドーピング・プロセスから切り離し、それによって半導体ナノワイヤの成長と半導体ナノワイヤへのドーパント取り込みとを分離することを可能にする。
【００１６】
本発明によれば、触媒粒子が基板上に形成され、反応器内の半導体材料を含有する反応物質に暴露される。この触媒粒子が真性半導体ナノワイヤの上部を移動するのに従って、横方向寸法が一定の真性半導体ナノワイヤが成長する。真性半導体ナノワイヤは、真性半導体ナノワイヤの側壁上での反応物質の熱分解が抑制されるように十分低い温度で成長する。真性半導体ナノワイヤが所望の長さまで成長すると、半導体ナノワイヤの側壁上での熱分解が可能となるように反応器の温度が高められ、その後ドーパントが反応物質を含む反応器内に供給される。内側の真性半導体ナノワイヤとドーピング半導体シェルとを有する複合半導体ナノワイヤが形成される。触媒粒子が除去され、その後アニールによってドーパントが複合半導体ナノワイヤの体積内に均一に分散され、その結果、一定の横方向寸法及び実質的に均一なドーピングを有する半導体ナノワイヤが形成される。
【００１７】
本発明の一態様によれば、半導体ナノワイヤを形成する方法であって、
基板上に触媒粒子を設けるステップと、
前記触媒粒子を第１の反応物質ガスに第１の温度でさらすことにより前記触媒粒子と前記基板との間に未ドーピング半導体ナノワイヤ（undoped semiconductornanowire）を成長させるステップを含み、前記第１の温度では前記半導体ナノワイヤの側壁上での前記第１の反応物質ガスの熱分解が抑制され、
さらに、前記未ドーピング半導体ナノワイヤを第２の反応物質及びドーパントに第２の温度でさらすことにより、前記第２の反応物質及び前記ドーパントが熱分解によって取り込まれるドーピング半導体材料のシェルを前記未ドーピング半導体ナノワイヤの側壁の周囲に成長させるステップと
を含む方法が提供される。
【００１８】
一実施形態において、前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む。
【００１９】
別の実施形態において、前記ドーピング半導体材料は、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む。
【００２０】
また別の実施形態において、前記ドーピング半導体材料は、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂのうちの少なくとも１つを更に含む。
【００２１】
また他の実施形態において、前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、前記未ドーピング半導体ナノワイヤの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する。前記未ドーピング半導体ナノワイヤの横方向寸法は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍとすることができ、更には３０ｎｍ未満とすることもできる。
【００２２】
更に別の実施形態において、前記シェルは、前記シェルの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する。前記シェルの厚さは、約０．３ｎｍ〜約１０ｎｍとすることができる。
【００２３】
他の実施形態において、前記シェルのドーピング濃度は、約１．０×１０１８／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３である。
【００２４】
また他の実施形態において、前記触媒粒子の横方向寸法は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍである。更に、前記触媒粒子の前記横方向寸法は、３０ｎｍ未満とすることができる。
【００２５】
また他の実施形態において、前記触媒粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、及びＳｎのうちの１つを含む。
【００２６】
また他の実施形態において、前記第１の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含む。
【００２７】
また他の実施形態において、前記第１の温度は、約３５０℃〜約４５０℃である。
【００２８】
更に別の実施形態において、前記第２の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含む。
【００２９】
また別の実施形態において、前記ドーパントは、Ｂ２Ｈ６、ＧａＨ３、ＧａＣｌ３、Ｇａ２Ｃｌ６、ＰＨ３、ＰＯＣｌ３、ＡｓＨ３、ＳｂＨ３、及びＳｂＦ３のうちの１つを含む。
【００３０】
他の実施形態において、前記第２の温度は、約５００℃〜約１，１００℃である。
【００３１】
また他の実施形態において、前記方法は、前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルを約６００℃〜約１，２００℃の高温でアニールするステップを更に含み、前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルは、前記アニール後実質的に均一なドーピング濃度を有する。
【００３２】
また他の実施形態において、前記実質的に均一なドーピング濃度は、約１．０×１０１７／ｃｍ３〜約５．０×１０２０／ｃｍ３である。
【００３３】
他の実施形態において、前記実質的に均一なドーピング濃度は、前記シェルの体積と前記シェル及び前記未ドーピング半導体ナノワイヤの各体積の合計との比を前記シェルのドーピング濃度に乗じた積である。
【００３４】
また他の実施形態において、前記シェルのドーピング濃度は、処理チャンバ内のドーパント・ガスの分圧、又は前記ドーパント・ガスの分圧と反応物質の分圧との比によって設定される。
【００３５】
前記実質的に均一なドーピング濃度は、前記シェルのドーピング濃度の調整、又は前記シェルの厚さの調整、あるいはそれらの組み合わせによって変更することができる。
【００３６】
本発明の別の態様によれば、上述の各方法によって形成される半導体ナノワイヤが提供される。
【００３７】
本発明に係る半導体ナノワイヤ構造体は、
前記触媒粒子を第１の反応物質ガスに第１の温度でさらすことによって形成される未ドーピング半導体ナノワイヤを含み、前記第１の温度では前記半導体ナノワイヤの側壁上での前記第１の反応物質ガスの熱分解が抑制され、
前記未ドーピング半導体ナノワイヤを第２の反応物質及びドーパントに第２の温度でさらすことによって形成される、前記未ドーピング半導体ナノワイヤの側壁に当接し該側壁を取り囲むドーピング半導体材料のシェルとを含み、前記第２の反応物質及び前記ドーパントは、熱分解によって前記シェルに取り込まれた
構造体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術の例示的な未ドーピング半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図２】従来技術の例示的なｉｎ‐ｓｉｔｕドーピング半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図３】未ドーピング半導体ナノワイヤ形成後の本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図４】図３のＸ‐Ｘ’平面に沿った例示的な半導体ナノワイヤの水平断面図である。
【図５】ドーピング・シェル形成後の本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図６】図５のＸ‐Ｘ’平面に沿った例示的な半導体ナノワイヤの水平断面図である。
【図７】ドーパント分散のためのアニール後の本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図８】図７のＸ‐Ｘ’平面に沿った例示的な半導体ナノワイヤの水平断面図である。
【図９】本発明に従って未ドーピング半導体ナノワイヤ及びシェルの組立体をドーピング半導体ナノワイヤに変換させる様子を示す概略図である。
【図１０】本発明に係る未ドーピング２０ｎｍ径ナノワイヤ及びボロン・ドーピング２９ｎｍ径ナノワイヤの光電子スペクトルを示す図である。
【図１１】本発明に係る未ドーピング半導体ナノワイヤのバンド図である。
【図１２】本発明に係るｐ型半導体ナノワイヤのバンド図である。
【図１３】本発明に係るｎ型半導体ナノワイヤのバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
上述のとおり、本発明は、横方向寸法が一定のドーピング半導体ワイヤ及びその製造方法に関するものであり、以下ではこれらについて添付図面を参照しながら詳細に説明する。同様の対応要素には同様の参照番号が付され、また、各図面は必ずしも縮尺どおりに描かれていないことに留意していただきたい。
【００４０】
図３及び図４を参照すると、基板１０と、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０と、触媒粒子２０と、を備える本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤ構造体が示されている。例示的な半導体ナノワイヤは、まず触媒粒子２０によって誘起される触媒成長を利用して未ドーピング半導体ナノワイヤ５０を基板１０上に成長させることによって提供される。
【００４１】
基板１０は、半導体材料から構成されることも絶縁材料から構成されることもある。基板１０で利用され得る半導体材料には、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金が含まれる。基板で利用され得る絶縁材料には、誘電性酸化物及び誘電性窒化物が含まれる。例示的な誘電性酸化物としては、シリコン酸化膜、ならびにＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、Ｙ２Ｏ３等、誘電率が４．０を超える高誘電率誘電材料を含む誘電性金属酸化膜が挙げられる。例示的な誘電性窒化物としては、シリコン窒化膜、ならびに窒化アルミニウム、窒化ストロンチウム、窒化ボロン、窒化ベリリウムのようなセラミック窒化膜が挙げられる。基板１０は、単結晶、多結晶、あるいは非晶質とすることができる。
【００４２】
触媒粒子２０は、適切な環境で半導体ナノワイヤの触媒成長を誘起する材料から構成される。触媒粒子２０の例示的な材料としては、必ずしもそれだけに限定されるわけではないが、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、及びＳｎが挙げられる。触媒粒子２０の横方向寸法は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、好ましくは約１ｎｍ〜約３０ｎｍである。触媒粒子２０は、径方向対称性を有しても有さなくてもよく、即ち水平断面領域が円形であっても円形でなくてもよい。触媒粒子２０は、球、楕円、円柱、円錐、正多面体、不規則多面体、あるいはそれらの組み合わせであってよい。触媒粒子２０の横方向寸法とは、触媒粒子２０に特徴的な寸法が存在すれば、そのような特徴的寸法を指す。例えば、水平断面領域が円又は楕円である場合、特徴的寸法は、直径、長軸、又は短軸、あるいはそれらのすべてであり得る。触媒粒子２０の断面領域の形状が規則的でない場合には、横方向寸法は断面領域の最大横方向範囲を指す。複数の断面領域がそれぞれ異なる横方向範囲を有する場合には、最大横方向範囲を有する断面領域を利用して触媒粒子２０の横方向寸法が特徴付けられる。
【００４３】
触媒粒子２０が基板１０上に置かれると、触媒粒子２０及び基板１０は、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）チャンバあるいは超高真空化学気相成長（ＵＨＶＣＶＤ）チャンバであり得る処理チャンバ内で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長を促す条件にさらされる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、例えば上記の米国特許第７，１０５，４２８号、同第７，２１１，４６４号、及び同第６，９６２，８２３号に記載される当業界で周知の半導体材料の触媒成長によって成長する。具体的には、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の触媒成長は、半導体材料を含有する反応物質を、本明細書では第１の温度と呼ばれる高温で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０に取り込まれるように供給することによって達成される。
【００４４】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の半導体材料は、シリコンやゲルマニウムのようなＩＶ族半導体材料とすることができる。半導体材料がシリコンから構成される場合には、反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、又はそれらの組み合わせとすることができる。半導体材料がゲルマニウムから構成される場合には、反応物質は、ＧｅＨ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの１つとすることができる。別法として、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の半導体材料は、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料あるいはＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料とすることができる。この場合、反応物質は、触媒粒子２０と反応したときに半導体材料を未ドーピング半導体ナノワイヤに提供する前駆物質の混合物を含む。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の半導体材料は、任意の半導体材料の混合物とすることができ、その場合、反応物質は上述の様々なガス又は前駆物質あるいはその両方の組み合わせとすることができる。
【００４５】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長に利用される温度である第１の温度は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上での半導体材料の横方向成長を回避するように選択される。触媒粒子２０不在下の反応物質の熱分解は、触媒粒子２０の表面上で達成される触媒熱分解よりも高い温度で達成される。換言すると、触媒粒子２０の機能の１つは、触媒粒子２０がなければ反応物質の熱分解が通常発生しない温度で反応物質の触媒熱分解を可能にすることである。第１の温度は、反応物質の触媒熱分解が触媒粒子２０の直下で発生する一方、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁を含む通常の表面上では反応物質の熱分解が生じないように選択される。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０がシリコン又はゲルマニウムから構成される場合、第１の温度は、約３５０℃〜約５００℃、好ましくは約３５０℃〜約４５０℃、最も好ましくは約３５０℃〜約４００℃とすることができる。典型的には、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、成長中に半導体原子のエピタキシャル整合が触媒成長によって誘起される故に完全に単結晶となる。
【００４６】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の横方向寸法は、触媒粒子２０の横方向寸法と実質的に同じにすることができる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上の熱分解がなければ、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０が継続的に成長するので、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の各部分の横方向寸法は、触媒粒子２０がその部分から離れた後も保持される。それ故、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内の位置に関わらず一定となる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域は、円形、楕円形、あるいは多角形とすることができ、曲線部分と多角形部分の複合形状とすることもできる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域が円形である場合、その円の半径Ｒ１は約０．５ｎｍ〜約５００ｎｍ、対応する直径は約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍとすることができ、好ましくは半径Ｒ１を約０．５ｎｍ〜約１５ｎｍ、対応する直径を約１ｎｍ〜約３０ｎｍとすることができる。
【００４７】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、実質的に未ドーピングとなる。即ち、ドーパントが存在する場合、それらはすべてトレース・レベル、又は未ドーピング半導体ナノワイヤの導電性を有意なレベルに高めないレベルとなる。当業界では周知のとおり、本明細書で使用されるドーパントとは、半導体材料のｐ型ドーピング又はｎ型ドーピングを実現する電気的ドーパントを指す。ｐ型ドーパントは、Ｂ、Ｇａ、及びＩｎを含む。ｎ型ドーパントは、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂを含む。典型的には、１．０×１０１７／ｃｍ３未満のドーピング濃度では、半導体材料の導電性の大幅な増加を促すには不十分である。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長中はドーパントが処理チャンバに供給されないことが好ましく、また、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内のドーパントはすべてトレース・レベルとなることが好ましい。
【００４８】
ドーパント・ガスが第１の温度で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長中に処理チャンバ内に提供された場合も、第１の温度は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０に対するドーパント・ガスの有意なレベルのドーパント取り込みをもたらすには不十分であることに留意していただきたい。というのも、この触媒成長では、ドーパント・ガスから提供され得るドーパント原子と引き換えに半導体材料が選択的に取り込まれるからである。それ故、ドーパント・ガスが反応物質と一緒にガス流内に供給されたとしても、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０のドーピング濃度は１．０×１０１７／ｃｍ３よりもずっと低くなり、そのため未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、「未ドーピング」状態、即ち未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の特性がドーピングなしの半導体ナノワイヤの対応する特性と実質的に同じになるドーピング・レベルとなる。
【００４９】
図５及び図６を参照すると、ドーピング半導体材料のシェル６０は、本明細書では第２の温度と呼ばれる別の高温で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０を反応物質とドーパント・ガスの混合物に暴露させることにより、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁の直上及び周囲に成長する。この処理ステップでは、未ドーピング半導体ナノワイヤの成長に利用されるのと同じ処理チャンバが利用されても異なる処理チャンバが利用されてもよい。同じ処理チャンバを使用する場合は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の表面が処理チャンバ外部の周囲ガスに暴露されるのを防止する利点が得られる。
【００５０】
ドーピング半導体材料は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０と同じ半導体材料から構成されることも異なる半導体材料から構成されることもある。一般に、シェル６０用のドーピング半導体材料としては、上記で列挙した未ドーピング半導体ナノワイヤ５０に利用可能な任意の半導体材料が利用可能である。シェル６０の成長用の反応物質は、シェル６０の材料に基づいて選択され、上記で列挙した反応物質、即ちＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、ＧｅＣｌ４、及び化合物半導体向けの他の前駆物質と同じであってもよい。
【００５１】
ドーパント・ガスは、ドーパント原子の気相化合物から構成される。例示的なドーパント・ガスとしては、必ずしもそれだけに限定されるわけではないが、Ｂ２Ｈ６、ＧａＨ３、ＧａＣｌ３、Ｇａ２Ｃｌ６、ＰＨ３、ＰＯＣｌ３、ＡｓＨ３、ＳｂＨ３、及びＳｂＦ３が挙げられる。ドーパント・ガスは、シェル６０の構成が均一となるように反応物質と並行して連続的に処理チャンバ内に供給することができ、あるいはシェル６０が階層構造を有するようにシェル６０内のドーパント濃度を変調して間欠的に処理チャンバ内に供給することができる。シェル６０内のドーパント濃度は、ドーパント・ガスの分圧、又はドーパント・ガスの分圧と反応物質の分圧の比、あるいはその両方を調整することによって制御することができる。
【００５２】
シェル６０は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上及び未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の上部に成長する。触媒粒子２０は、シェル６０の成長によって未ドーピング半導体ナノワイヤ５０から分離され得る。成長中のシェルのｉｎ‐ｓｉｔｕドーピング、即ちシェル６０内へのドーパントの取り込みにより、シェル６０は、半導体材料とドーパントの両方を含むことになる。後続のアニールが実行された後に未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内の高いドーピング濃度レベルを達成するために、シェルのドーピング濃度は、好ましくは約１．０×１０１８／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３、より好ましくは約５．０×１０１９／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３である。
【００５３】
シェル６０の成長は触媒反応ではない、即ち、触媒粒子２０は未ドーピング半導体ナノワイヤ５０上のシェル６０の堆積速度を高める可能性があるが、シェル６０の成長を促進する上で触媒粒子２０の存在は必ずしも必要でない。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上でのシェル６０の成長を保証するために、第２の温度、即ちシェル６０の成長温度は、触媒粒子２０がなくても反応物質の熱分解が進行するような十分高い温度に設定される。シェル６０がシリコン又はゲルマニウムから構成される場合、第２の温度は、約５００℃〜約１，１００℃、好ましくは約５００℃〜約７００℃とすることができる。シェル６０のドーピング半導体材料は基礎となる未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とエピタキシャル整合しながら成長するので、シェル６０は典型的には単結晶となる。
【００５４】
シェル６０の断面領域は、シェル６０に沿った位置に依存しない。シェル６０は未ドーピング半導体ナノワイヤ５０を横方向に取り囲むので、シェル６０の内面は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の外面と共形となる。シェル６０の断面領域は環状とすることができ、あるいは未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域の拡大形状から未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域の形状を取り除いた形状を含むことができる。シェル６０の厚さは、約０．５ｎｍ〜約１００ｎｍ、典型的には約１ｎｍ〜約１０ｎｍとすることができる。シェル６０の厚さは、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の横方向寸法の約５％〜約１００％、好ましくは約２０％〜約５０％とすることができるが、本明細書ではより小さい割合及びより大きい割合が明示的に企図される。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域が円形である場合、シェルの断面領域は、ある内径と外径Ｒ２とを有する環又はリングとなる。内径は、内側の半導体ナノワイヤ５０の断面領域の円の半径Ｒ１と同じである。
【００５５】
図７及び図８を参照すると、触媒粒子２０は、触媒粒子２０が未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体から分離される加熱サイクルによって除去することができる。当業界では、ナノワイヤの形成後にナノワイヤから触媒粒子を分離する方法が知られている。
【００５６】
加熱サイクルと同時に又は加熱サイクルに続いて、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体は、典型的にはシェル６０内のドーパントを未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内に拡散させるために第２の温度よりも高い温度で実行される高温アニールにかけられ、それによって組立体は均一ドーピング半導体ナノワイヤ（uniformly dopedsemiconductor nanowire）７０に変換される。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０及びシェル６０が単結晶である場合は、アニールの結果得られる構造体、即ち均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０もまた単結晶となる。
【００５７】
アニールの温度は、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０内のドーパント濃度が実質的に均一となるように、シェル６０内のドーパントの未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内への十分なバルク拡散を達成するように選択される。例えば、アニール温度は、約６００℃〜約１，２００℃とすることができる。アニールは、炉内で実行されても急速熱アニール・チャンバ内で実行されてもよい。アニールの継続時間は、約１秒〜約１２時間、典型的には約１０秒〜約１時間とすることができる。典型的には、高いアニール温度を使用する場合には短い継続時間のアニール・プロセスが必要となり、低いアニール温度を使用する場合には長い継続時間のアニール・プロセスが必要となる。
【００５８】
均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０のドーピング濃度は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０のアニール前のドーピング濃度（実質的にゼロ）と、シェル６０のアニール前のドーピング濃度の体積加重平均である。例えば、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の体積をＶ１、シェル６０の体積をＶ２、シェル６０のアニール前のドーピング濃度をＣｂとすると、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０のアニール後のドーピング濃度は、Ｃａ＝Ｃｂ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）によって与えられる。シェル６０のドーピング濃度が約１．０×１０１８／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３である場合、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０のドーピング濃度は、約１．０×１０１７／ｃｍ３〜約５．０×１０２０／ｃｍ３である可能性があるが、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の寸法又はシェル６０の寸法あるいはその両方を操作することにより、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０に関するより高いドーピング濃度及びより低いドーピング濃度を得ることも可能である。
【００５９】
それ故、本発明は、半導体の直径を一定に維持しながら高いドーピング・レベル、即ち１．０×１０１７／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有する半導体ナノワイヤを形成する方法を提供する。更に、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０の横方向寸法を小さい寸法、即ち約１ｎｍ〜約３０ｎｍに維持することも可能である。これは、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の横方向寸法をそのような小さい寸法に維持し、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁における反応物質の熱分解を回避することによって実現され得る。
【００６０】
図９を参照すると、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体をアニールによって均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０に変換するプロセスが概略的に示されている。アニールは、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０が実質的に「均一な」ドーピング濃度を有するように、半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体内部のドーパント分散を均質化する。
【００６１】
図１０を参照すると、測定された２つの光電子スペクトルが本発明の実験例として示されている。この実験設定では、２本のナノワイヤに６．２ｅＶの運動エネルギーを有する光子ビームを照射した。光電子放出された電子は１５ｅＶのバイアス電位で抽出し、それにより、本設定の電気的バイアスを利用して１５ｅＶのエネルギーが光電子放出された電子の初期の運動エネルギーに加えられるようにした。１本目のナノワイヤは、直径２０ｎｍの未ドーピング・シリコン・ナノワイヤで構成した。２本目のナノワイヤは、本発明の方法に従って、まず直径２０ｎｍの未ドーピング・シリコン・ナノワイヤを形成し、続いて厚さ４．５ｎｍのドーピング・シリコン・シェルを形成し、その後アニールを施すことによって製作された直径２９ｎｍの均一ドーピング・シリコン・ナノワイヤで構成した。ドーピング・シリコン・シェルは、ドーピング材料としてボロン（ｐ型ドーパント）を含有する。
【００６２】
ドーピング・シリコン・ナノワイヤである２本目のナノワイヤの光電子スペクトルでは、未ドーピング・シリコン・ナノワイヤである１本目のナノワイヤの光電子スペクトルを基準とした光電子放出された電子のエネルギー・シフトが観察される。この光電子スペクトルのエネルギー・シフトは、２本目のナノワイヤのフェルミ準位が２本目のナノワイヤのドーピングによってシフトしたことを示す。換言すると、この光電子スペクトルのシフトは、実際に２本目のシリコン・ナノワイヤが本発明で開示するようにｐ型ドーパントでドーピングされていることを証明する。
【００６３】
図１１乃至図１３を参照すると、それぞれ未ドーピング半導体ナノワイヤ、ｐ型ドーピング半導体ナノワイヤ、及びｎ型ドーピング半導体ナノワイヤに関するフェルミ準位図が示されている。本発明は、図１１に示される未ドーピング半導体ナノワイヤのフェルミ準位に比べてフェルミ準位がシフトしたｐ型又はｎ型ドーピング半導体ナノワイヤの形成を可能にする。それ故、フェルミ準位を本発明に従って操作することにより、半導体ナノワイヤの導電性を変更すること、ならびに半導体ナノワイヤの電荷キャリア・タイプを決定することが可能となる。
【００６４】
以上、本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、上記の説明を読めば様々な代替形態、修正形態、及び変形形態が当業者に理解されることは明らかである。したがって、本発明は、そのようなすべての代替形態、修正形態、及び変形形態が本発明の範囲及び趣旨ならびに添付の特許請求範囲に含まれることを企図する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体構造体に関するものであり、特にドーピング半導体ナノワイヤ（doped semiconductornanowire）及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノワイヤとは、直径約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍのワイヤを指す。「ナノワイヤ」という用語が使用される場合は、ナノワイヤの直径よりも長さの方が実質的に大きいことが暗黙的に仮定される。それ自体の直径が上記範囲の低い方、即ち直径約１ｎｍ〜約１００ｎｍのナノワイヤは、量子力学的特性を示し、「量子ワイヤ」とも呼ばれる。ナノワイヤは、金属材料、半導体材料、あるいは絶縁材料から構成され得る。当業界では、例えばデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）のような有機ナノワイヤと無機ナノワイヤの両方が知られている。
【０００３】
ナノワイヤの長さと直径の比は、アスペクト比と呼ばれる。典型的なナノワイヤのアスペクト比の範囲は、約１０〜約１，０００，０００である。したがって、ナノワイヤの１つの寸法、即ち長さは、実用的な目的では事実上無限と見なすことができ、ナノワイヤの主な物理的特性及び化学的特性はナノワイヤの直径で決まることになる。ナノワイヤの長さに垂直な平面内のナノワイヤの寸法制約によるナノワイヤの量子力学的特性は、多くのタイプのナノワイヤで観察されている。
【０００４】
当業界では半導体ナノワイヤを利用する様々なデバイスが提案されている。半導体ナノワイヤを利用した半導体デバイスの製造における１つの課題は、ドーピング半導体ナノワイヤを形成する困難さである。特に、シリコン又はゲルマニウムから構成される半導体ナノワイヤの制御されたドーピングが大きな課題となっている。
【０００５】
従来技術の刊行物では、ナノワイヤの成長中にシランやゲルマン等の反応物質ガスを用いたホスフィンやジボラン等のドーパント・ガスによる半導体ナノワイヤのドーピングが提案されている。このような例の１つとして、Empedocles et al.の米国特許第６，９６２，８２３号には、半導体ナノワイヤの成長中にドーパント・レベルを変更することによる半導体ナノワイヤの分離帯のｉｎ‐ｓｉｔｕドーピングが記載されている。このアプローチを応用したシリコン・ナノワイヤ又はゲルマニウム・ナノワイヤの形成では、このアプローチの有用性を損なう深刻な問題に直面する。特に、直径３０ｎｍ未満のシリコン・ナノワイヤやゲルマニウム・ナノワイヤ等、特定のタイプの半導体ナノワイヤの成長には約３５０℃〜約４５０℃の比較的低い温度範囲が必要とされる。５００℃を超える高温では、そのような半導体ナノワイヤは横方向に成長する。
【０００６】
残念ながら、半導体ナノワイヤの成長中にドーパント原子を有意なレベル、即ち約１．０×１０１７／ｃｍ３以上の濃度で半導体ナノワイヤに正常に取り込むには、５００℃超の比較的高い温度が必要とされる。しかしながら、そのような温度では、高温によって半導体ナノワイヤの露出した表面上での反応物質の熱分解が発生し得るため、半導体ナノワイヤはやはり横方向に成長する。多くの半導体ナノワイヤにおいて、半導体ナノワイヤの側面上での反応物質の熱分解の抑制と半導体ワイヤの側面のドーピングとは、互いに相反するものとなる。換言すると、半導体ワイヤの側面のドーピングは、必然的に半導体ナノワイヤの側面上での反応物質の熱分解を発生させる。
【０００７】
この状況は、図１及び図２に示されている。図１では、絶縁材料あるいは半導体材料から構成され得る基板１０上に金粒子のような触媒粒子２０が置かれている。約３５０℃〜約４５０℃の温度範囲において、半導体ナノワイヤ３０は、半導体材料、例えばＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＧｅＨ４等を含有する反応物質が低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）チャンバや超高真空化学気相成長（ＵＨＶＣＶＤ）チャンバのような反応器に供給されるときに成長する。触媒粒子２０は、触媒粒子２０と半導体ナノワイヤ３０の上部領域との間の界面に薄い移動性共晶領域（図示せず）を形成し、成長プロセス全体にわたって半導体ナノワイヤの上部を移動する。半導体ナノワイヤ３０の直径又は横方向寸法は、触媒粒子２０の横方向寸法と実質的に同じである。この温度範囲では、半導体ナノワイヤ３０へのドーパントの取り込み量はごく僅かである。それ故、反応器内のドーパント・ガスについて高い分圧が維持される場合も、半導体ナノワイヤ３０へのドーパントの取り込み量が僅かとなり、半導体ナノワイヤ３０は実質的に未ドーピングのままとなる。
【０００８】
図２を参照すると、シリコン・ナノワイヤやゲルマニウム・ワイヤ等のいくつかの半導体ワイヤの場合では、ドーパントを強制的に取り込むために反応器の温度を５００℃超に高めなければならない。しかしながら、この場合はドーピング半導体ナノワイヤ４０の側壁上で熱分解が発生する。成長中にドーパントがドーピング半導体ナノワイヤ４０に取り込まれるときは、ドーピング半導体ナノワイヤ４０の横方向成長が不可避となる。更に、ドーピング半導体ナノワイヤ４０の底部が反応物質に暴露される時間が長くなるほど、当該底部の直径はドーピング半導体ナノワイヤ４０の上部よりも大きくなり、反応物質に暴露される時間が短いと横方向寸法は触媒粒子２０の横方向寸法に近くなる。それ故、ドーピング半導体ナノワイヤ４０の直径は先細りとなる、即ち一定の直径のドーピング半導体ナノワイヤ４０を得ることができなくなる。
【０００９】
ドーピング半導体ワイヤを形成する代替的なアプローチは、ドーパントをナノワイヤに注入することである。しかしながら、イオン注入は、注入されるイオンのエネルギーの高さから必然的に過激なプロセスとなる傾向があり、ナノワイヤ結晶構造のアモルファス化及びナノワイヤ自体のスパッタリングを招く。それ故、イオン注入は、イオン注入プロセス中の変形又はワイヤ切断あるいはその両方を発生させる傾向がある。その後、ナノワイヤを再結晶化するためにアニールが必要となるが、構造上の損傷が広範である場合はその効果が殆ど失われてしまう恐れがある。
【００１０】
Pan et al.の米国特許第７，１０５，４２８号やLieber et al.の米国特許第７，２１１，４６４号等の従来技術の刊行物にはドーピング半導体ナノワイヤの有用な応用例が開示されているが、そのような有用な構造体を使用可能にする構造体形成方法を提供することが依然として必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，９６２，８２３号
【特許文献２】米国特許第７，１０５，４２８号
【特許文献３】米国特許第７，２１１，４６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
それ故、一定の横方向寸法及び有意なドーピング・レベル、即ち１．０×１０１７／ｃｍ３以上の濃度を有する半導体ワイヤを形成する方法が必要とされている。
【００１３】
更に、一定の横方向寸法、例えば３０ｎｍ未満の直径を有するドーピング半導体ワイヤを形成する方法も必要とされている。
【００１４】
本開示では、ドーパント原子を半導体ナノワイヤに制御可能に取り込む単純な方法を記載する。本プロセスは、ナノワイヤの初期成長をドーピング・プロセスから切り離し、それによってナノワイヤの成長とナノワイヤ結晶構造体へのドーパント取り込みとを分離することを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、横方向寸法が一定の半導体ナノワイヤにドーパント原子を制御可能に取り込む方法を提供することによって上述の必要性を満足する。本方法は、半導体ナノワイヤの初期成長を後続のドーピング・プロセスから切り離し、それによって半導体ナノワイヤの成長と半導体ナノワイヤへのドーパント取り込みとを分離することを可能にする。
【００１６】
本発明によれば、触媒粒子が基板上に形成され、反応器内の半導体材料を含有する反応物質に暴露される。この触媒粒子が真性半導体ナノワイヤの上部を移動するのに従って、横方向寸法が一定の真性半導体ナノワイヤが成長する。真性半導体ナノワイヤは、真性半導体ナノワイヤの側壁上での反応物質の熱分解が抑制されるように十分低い温度で成長する。真性半導体ナノワイヤが所望の長さまで成長すると、半導体ナノワイヤの側壁上での熱分解が可能となるように反応器の温度が高められ、その後ドーパントが反応物質を含む反応器内に供給される。内側の真性半導体ナノワイヤとドーピング半導体シェルとを有する複合半導体ナノワイヤが形成される。触媒粒子が除去され、その後アニールによってドーパントが複合半導体ナノワイヤの体積内に均一に分散され、その結果、一定の横方向寸法及び実質的に均一なドーピングを有する半導体ナノワイヤが形成される。
【００１７】
本発明の一態様によれば、半導体ナノワイヤを形成する方法であって、
基板上に触媒粒子を設けるステップと、
前記触媒粒子を第１の反応物質ガスに第１の温度でさらすことにより前記触媒粒子と前記基板との間に未ドーピング半導体ナノワイヤ（undoped semiconductornanowire）を成長させるステップを含み、前記第１の温度では前記半導体ナノワイヤの側壁上での前記第１の反応物質ガスの熱分解が抑制され、
さらに、前記未ドーピング半導体ナノワイヤを第２の反応物質及びドーパントに第２の温度でさらすことにより、前記第２の反応物質及び前記ドーパントが熱分解によって取り込まれるドーピング半導体材料のシェルを前記未ドーピング半導体ナノワイヤの側壁の周囲に成長させるステップと
を含む方法が提供される。
【００１８】
一実施形態において、前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む。
【００１９】
別の実施形態において、前記ドーピング半導体材料は、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む。
【００２０】
また別の実施形態において、前記ドーピング半導体材料は、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂのうちの少なくとも１つを更に含む。
【００２１】
また他の実施形態において、前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、前記未ドーピング半導体ナノワイヤの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する。前記未ドーピング半導体ナノワイヤの横方向寸法は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍとすることができ、更には３０ｎｍ未満とすることもできる。
【００２２】
更に別の実施形態において、前記シェルは、前記シェルの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する。前記シェルの厚さは、約０．３ｎｍ〜約１０ｎｍとすることができる。
【００２３】
他の実施形態において、前記シェルのドーピング濃度は、約１．０×１０１８／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３である。
【００２４】
また他の実施形態において、前記触媒粒子の横方向寸法は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍである。更に、前記触媒粒子の前記横方向寸法は、３０ｎｍ未満とすることができる。
【００２５】
また他の実施形態において、前記触媒粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、及びＳｎのうちの１つを含む。
【００２６】
また他の実施形態において、前記第１の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含む。
【００２７】
また他の実施形態において、前記第１の温度は、約３５０℃〜約４５０℃である。
【００２８】
更に別の実施形態において、前記第２の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含む。
【００２９】
また別の実施形態において、前記ドーパントは、Ｂ２Ｈ６、ＧａＨ３、ＧａＣｌ３、Ｇａ２Ｃｌ６、ＰＨ３、ＰＯＣｌ３、ＡｓＨ３、ＳｂＨ３、及びＳｂＦ３のうちの１つを含む。
【００３０】
他の実施形態において、前記第２の温度は、約５００℃〜約１，１００℃である。
【００３１】
また他の実施形態において、前記方法は、前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルを約６００℃〜約１，２００℃の高温でアニールするステップを更に含み、前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルは、前記アニール後実質的に均一なドーピング濃度を有する。
【００３２】
また他の実施形態において、前記実質的に均一なドーピング濃度は、約１．０×１０１７／ｃｍ３〜約５．０×１０２０／ｃｍ３である。
【００３３】
他の実施形態において、前記実質的に均一なドーピング濃度は、前記シェルの体積と前記シェル及び前記未ドーピング半導体ナノワイヤの各体積の合計との比を前記シェルのドーピング濃度に乗じた積である。
【００３４】
また他の実施形態において、前記シェルのドーピング濃度は、処理チャンバ内のドーパント・ガスの分圧、又は前記ドーパント・ガスの分圧と反応物質の分圧との比によって設定される。
【００３５】
前記実質的に均一なドーピング濃度は、前記シェルのドーピング濃度の調整、又は前記シェルの厚さの調整、あるいはそれらの組み合わせによって変更することができる。
【００３６】
本発明の別の態様によれば、上述の各方法によって形成される半導体ナノワイヤが提供される。
【００３７】
本発明に係る半導体ナノワイヤ構造体は、
前記触媒粒子を第１の反応物質ガスに第１の温度でさらすことによって形成される未ドーピング半導体ナノワイヤを含み、前記第１の温度では前記半導体ナノワイヤの側壁上での前記第１の反応物質ガスの熱分解が抑制され、
前記未ドーピング半導体ナノワイヤを第２の反応物質及びドーパントに第２の温度でさらすことによって形成される、前記未ドーピング半導体ナノワイヤの側壁に当接し該側壁を取り囲むドーピング半導体材料のシェルとを含み、前記第２の反応物質及び前記ドーパントは、熱分解によって前記シェルに取り込まれた
構造体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術の例示的な未ドーピング半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図２】従来技術の例示的なｉｎ‐ｓｉｔｕドーピング半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図３】未ドーピング半導体ナノワイヤ形成後の本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図４】図３のＸ‐Ｘ’平面に沿った例示的な半導体ナノワイヤの水平断面図である。
【図５】ドーピング・シェル形成後の本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図６】図５のＸ‐Ｘ’平面に沿った例示的な半導体ナノワイヤの水平断面図である。
【図７】ドーパント分散のためのアニール後の本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤの垂直断面図である。
【図８】図７のＸ‐Ｘ’平面に沿った例示的な半導体ナノワイヤの水平断面図である。
【図９】本発明に従って未ドーピング半導体ナノワイヤ及びシェルの組立体をドーピング半導体ナノワイヤに変換させる様子を示す概略図である。
【図１０】本発明に係る未ドーピング２０ｎｍ径ナノワイヤ及びボロン・ドーピング２９ｎｍ径ナノワイヤの光電子スペクトルを示す図である。
【図１１】本発明に係る未ドーピング半導体ナノワイヤのバンド図である。
【図１２】本発明に係るｐ型半導体ナノワイヤのバンド図である。
【図１３】本発明に係るｎ型半導体ナノワイヤのバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
上述のとおり、本発明は、横方向寸法が一定のドーピング半導体ワイヤ及びその製造方法に関するものであり、以下ではこれらについて添付図面を参照しながら詳細に説明する。同様の対応要素には同様の参照番号が付され、また、各図面は必ずしも縮尺どおりに描かれていないことに留意していただきたい。
【００４０】
図３及び図４を参照すると、基板１０と、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０と、触媒粒子２０と、を備える本発明に係る例示的な半導体ナノワイヤ構造体が示されている。例示的な半導体ナノワイヤは、まず触媒粒子２０によって誘起される触媒成長を利用して未ドーピング半導体ナノワイヤ５０を基板１０上に成長させることによって提供される。
【００４１】
基板１０は、半導体材料から構成されることも絶縁材料から構成されることもある。基板１０で利用され得る半導体材料には、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金が含まれる。基板で利用され得る絶縁材料には、誘電性酸化物及び誘電性窒化物が含まれる。例示的な誘電性酸化物としては、シリコン酸化膜、ならびにＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、Ｙ２Ｏ３等、誘電率が４．０を超える高誘電率誘電材料を含む誘電性金属酸化膜が挙げられる。例示的な誘電性窒化物としては、シリコン窒化膜、ならびに窒化アルミニウム、窒化ストロンチウム、窒化ボロン、窒化ベリリウムのようなセラミック窒化膜が挙げられる。基板１０は、単結晶、多結晶、あるいは非晶質とすることができる。
【００４２】
触媒粒子２０は、適切な環境で半導体ナノワイヤの触媒成長を誘起する材料から構成される。触媒粒子２０の例示的な材料としては、必ずしもそれだけに限定されるわけではないが、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、及びＳｎが挙げられる。触媒粒子２０の横方向寸法は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、好ましくは約１ｎｍ〜約３０ｎｍである。触媒粒子２０は、径方向対称性を有しても有さなくてもよく、即ち水平断面領域が円形であっても円形でなくてもよい。触媒粒子２０は、球、楕円、円柱、円錐、正多面体、不規則多面体、あるいはそれらの組み合わせであってよい。触媒粒子２０の横方向寸法とは、触媒粒子２０に特徴的な寸法が存在すれば、そのような特徴的寸法を指す。例えば、水平断面領域が円又は楕円である場合、特徴的寸法は、直径、長軸、又は短軸、あるいはそれらのすべてであり得る。触媒粒子２０の断面領域の形状が規則的でない場合には、横方向寸法は断面領域の最大横方向範囲を指す。複数の断面領域がそれぞれ異なる横方向範囲を有する場合には、最大横方向範囲を有する断面領域を利用して触媒粒子２０の横方向寸法が特徴付けられる。
【００４３】
触媒粒子２０が基板１０上に置かれると、触媒粒子２０及び基板１０は、低圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）チャンバあるいは超高真空化学気相成長（ＵＨＶＣＶＤ）チャンバであり得る処理チャンバ内で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長を促す条件にさらされる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、例えば上記の米国特許第７，１０５，４２８号、同第７，２１１，４６４号、及び同第６，９６２，８２３号に記載される当業界で周知の半導体材料の触媒成長によって成長する。具体的には、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の触媒成長は、半導体材料を含有する反応物質を、本明細書では第１の温度と呼ばれる高温で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０に取り込まれるように供給することによって達成される。
【００４４】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の半導体材料は、シリコンやゲルマニウムのようなＩＶ族半導体材料とすることができる。半導体材料がシリコンから構成される場合には、反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、又はそれらの組み合わせとすることができる。半導体材料がゲルマニウムから構成される場合には、反応物質は、ＧｅＨ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの１つとすることができる。別法として、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の半導体材料は、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料あるいはＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料とすることができる。この場合、反応物質は、触媒粒子２０と反応したときに半導体材料を未ドーピング半導体ナノワイヤに提供する前駆物質の混合物を含む。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の半導体材料は、任意の半導体材料の混合物とすることができ、その場合、反応物質は上述の様々なガス又は前駆物質あるいはその両方の組み合わせとすることができる。
【００４５】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長に利用される温度である第１の温度は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上での半導体材料の横方向成長を回避するように選択される。触媒粒子２０不在下の反応物質の熱分解は、触媒粒子２０の表面上で達成される触媒熱分解よりも高い温度で達成される。換言すると、触媒粒子２０の機能の１つは、触媒粒子２０がなければ反応物質の熱分解が通常発生しない温度で反応物質の触媒熱分解を可能にすることである。第１の温度は、反応物質の触媒熱分解が触媒粒子２０の直下で発生する一方、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁を含む通常の表面上では反応物質の熱分解が生じないように選択される。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０がシリコン又はゲルマニウムから構成される場合、第１の温度は、約３５０℃〜約５００℃、好ましくは約３５０℃〜約４５０℃、最も好ましくは約３５０℃〜約４００℃とすることができる。典型的には、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、成長中に半導体原子のエピタキシャル整合が触媒成長によって誘起される故に完全に単結晶となる。
【００４６】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の横方向寸法は、触媒粒子２０の横方向寸法と実質的に同じにすることができる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上の熱分解がなければ、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０が継続的に成長するので、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の各部分の横方向寸法は、触媒粒子２０がその部分から離れた後も保持される。それ故、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内の位置に関わらず一定となる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域は、円形、楕円形、あるいは多角形とすることができ、曲線部分と多角形部分の複合形状とすることもできる。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域が円形である場合、その円の半径Ｒ１は約０．５ｎｍ〜約５００ｎｍ、対応する直径は約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍとすることができ、好ましくは半径Ｒ１を約０．５ｎｍ〜約１５ｎｍ、対応する直径を約１ｎｍ〜約３０ｎｍとすることができる。
【００４７】
未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、実質的に未ドーピングとなる。即ち、ドーパントが存在する場合、それらはすべてトレース・レベル、又は未ドーピング半導体ナノワイヤの導電性を有意なレベルに高めないレベルとなる。当業界では周知のとおり、本明細書で使用されるドーパントとは、半導体材料のｐ型ドーピング又はｎ型ドーピングを実現する電気的ドーパントを指す。ｐ型ドーパントは、Ｂ、Ｇａ、及びＩｎを含む。ｎ型ドーパントは、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂを含む。典型的には、１．０×１０１７／ｃｍ３未満のドーピング濃度では、半導体材料の導電性の大幅な増加を促すには不十分である。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長中はドーパントが処理チャンバに供給されないことが好ましく、また、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内のドーパントはすべてトレース・レベルとなることが好ましい。
【００４８】
ドーパント・ガスが第１の温度で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の成長中に処理チャンバ内に提供された場合も、第１の温度は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０に対するドーパント・ガスの有意なレベルのドーパント取り込みをもたらすには不十分であることに留意していただきたい。というのも、この触媒成長では、ドーパント・ガスから提供され得るドーパント原子と引き換えに半導体材料が選択的に取り込まれるからである。それ故、ドーパント・ガスが反応物質と一緒にガス流内に供給されたとしても、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０のドーピング濃度は１．０×１０１７／ｃｍ３よりもずっと低くなり、そのため未ドーピング半導体ナノワイヤ５０は、「未ドーピング」状態、即ち未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の特性がドーピングなしの半導体ナノワイヤの対応する特性と実質的に同じになるドーピング・レベルとなる。
【００４９】
図５及び図６を参照すると、ドーピング半導体材料のシェル６０は、本明細書では第２の温度と呼ばれる別の高温で未ドーピング半導体ナノワイヤ５０を反応物質とドーパント・ガスの混合物に暴露させることにより、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁の直上及び周囲に成長する。この処理ステップでは、未ドーピング半導体ナノワイヤの成長に利用されるのと同じ処理チャンバが利用されても異なる処理チャンバが利用されてもよい。同じ処理チャンバを使用する場合は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の表面が処理チャンバ外部の周囲ガスに暴露されるのを防止する利点が得られる。
【００５０】
ドーピング半導体材料は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０と同じ半導体材料から構成されることも異なる半導体材料から構成されることもある。一般に、シェル６０用のドーピング半導体材料としては、上記で列挙した未ドーピング半導体ナノワイヤ５０に利用可能な任意の半導体材料が利用可能である。シェル６０の成長用の反応物質は、シェル６０の材料に基づいて選択され、上記で列挙した反応物質、即ちＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、ＧｅＣｌ４、及び化合物半導体向けの他の前駆物質と同じであってもよい。
【００５１】
ドーパント・ガスは、ドーパント原子の気相化合物から構成される。例示的なドーパント・ガスとしては、必ずしもそれだけに限定されるわけではないが、Ｂ２Ｈ６、ＧａＨ３、ＧａＣｌ３、Ｇａ２Ｃｌ６、ＰＨ３、ＰＯＣｌ３、ＡｓＨ３、ＳｂＨ３、及びＳｂＦ３が挙げられる。ドーパント・ガスは、シェル６０の構成が均一となるように反応物質と並行して連続的に処理チャンバ内に供給することができ、あるいはシェル６０が階層構造を有するようにシェル６０内のドーパント濃度を変調して間欠的に処理チャンバ内に供給することができる。シェル６０内のドーパント濃度は、ドーパント・ガスの分圧、又はドーパント・ガスの分圧と反応物質の分圧の比、あるいはその両方を調整することによって制御することができる。
【００５２】
シェル６０は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上及び未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の上部に成長する。触媒粒子２０は、シェル６０の成長によって未ドーピング半導体ナノワイヤ５０から分離され得る。成長中のシェルのｉｎ‐ｓｉｔｕドーピング、即ちシェル６０内へのドーパントの取り込みにより、シェル６０は、半導体材料とドーパントの両方を含むことになる。後続のアニールが実行された後に未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内の高いドーピング濃度レベルを達成するために、シェルのドーピング濃度は、好ましくは約１．０×１０１８／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３、より好ましくは約５．０×１０１９／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３である。
【００５３】
シェル６０の成長は触媒反応ではない、即ち、触媒粒子２０は未ドーピング半導体ナノワイヤ５０上のシェル６０の堆積速度を高める可能性があるが、シェル６０の成長を促進する上で触媒粒子２０の存在は必ずしも必要でない。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁上でのシェル６０の成長を保証するために、第２の温度、即ちシェル６０の成長温度は、触媒粒子２０がなくても反応物質の熱分解が進行するような十分高い温度に設定される。シェル６０がシリコン又はゲルマニウムから構成される場合、第２の温度は、約５００℃〜約１，１００℃、好ましくは約５００℃〜約７００℃とすることができる。シェル６０のドーピング半導体材料は基礎となる未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とエピタキシャル整合しながら成長するので、シェル６０は典型的には単結晶となる。
【００５４】
シェル６０の断面領域は、シェル６０に沿った位置に依存しない。シェル６０は未ドーピング半導体ナノワイヤ５０を横方向に取り囲むので、シェル６０の内面は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の外面と共形となる。シェル６０の断面領域は環状とすることができ、あるいは未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域の拡大形状から未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域の形状を取り除いた形状を含むことができる。シェル６０の厚さは、約０．５ｎｍ〜約１００ｎｍ、典型的には約１ｎｍ〜約１０ｎｍとすることができる。シェル６０の厚さは、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の横方向寸法の約５％〜約１００％、好ましくは約２０％〜約５０％とすることができるが、本明細書ではより小さい割合及びより大きい割合が明示的に企図される。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の断面領域が円形である場合、シェルの断面領域は、ある内径と外径Ｒ２とを有する環又はリングとなる。内径は、内側の半導体ナノワイヤ５０の断面領域の円の半径Ｒ１と同じである。
【００５５】
図７及び図８を参照すると、触媒粒子２０は、触媒粒子２０が未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体から分離される加熱サイクルによって除去することができる。当業界では、ナノワイヤの形成後にナノワイヤから触媒粒子を分離する方法が知られている。
【００５６】
加熱サイクルと同時に又は加熱サイクルに続いて、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体は、典型的にはシェル６０内のドーパントを未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内に拡散させるために第２の温度よりも高い温度で実行される高温アニールにかけられ、それによって組立体は均一ドーピング半導体ナノワイヤ（uniformly dopedsemiconductor nanowire）７０に変換される。未ドーピング半導体ナノワイヤ５０及びシェル６０が単結晶である場合は、アニールの結果得られる構造体、即ち均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０もまた単結晶となる。
【００５７】
アニールの温度は、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０内のドーパント濃度が実質的に均一となるように、シェル６０内のドーパントの未ドーピング半導体ナノワイヤ５０内への十分なバルク拡散を達成するように選択される。例えば、アニール温度は、約６００℃〜約１，２００℃とすることができる。アニールは、炉内で実行されても急速熱アニール・チャンバ内で実行されてもよい。アニールの継続時間は、約１秒〜約１２時間、典型的には約１０秒〜約１時間とすることができる。典型的には、高いアニール温度を使用する場合には短い継続時間のアニール・プロセスが必要となり、低いアニール温度を使用する場合には長い継続時間のアニール・プロセスが必要となる。
【００５８】
均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０のドーピング濃度は、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０のアニール前のドーピング濃度（実質的にゼロ）と、シェル６０のアニール前のドーピング濃度の体積加重平均である。例えば、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の体積をＶ１、シェル６０の体積をＶ２、シェル６０のアニール前のドーピング濃度をＣｂとすると、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０のアニール後のドーピング濃度は、Ｃａ＝Ｃｂ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）によって与えられる。シェル６０のドーピング濃度が約１．０×１０１８／ｃｍ３〜約５．０×１０２１／ｃｍ３である場合、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０のドーピング濃度は、約１．０×１０１７／ｃｍ３〜約５．０×１０２０／ｃｍ３である可能性があるが、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の寸法又はシェル６０の寸法あるいはその両方を操作することにより、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０に関するより高いドーピング濃度及びより低いドーピング濃度を得ることも可能である。
【００５９】
それ故、本発明は、半導体の直径を一定に維持しながら高いドーピング・レベル、即ち１．０×１０１７／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有する半導体ナノワイヤを形成する方法を提供する。更に、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０の横方向寸法を小さい寸法、即ち約１ｎｍ〜約３０ｎｍに維持することも可能である。これは、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の横方向寸法をそのような小さい寸法に維持し、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０の側壁における反応物質の熱分解を回避することによって実現され得る。
【００６０】
図９を参照すると、未ドーピング半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体をアニールによって均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０に変換するプロセスが概略的に示されている。アニールは、均一ドーピング半導体ナノワイヤ７０が実質的に「均一な」ドーピング濃度を有するように、半導体ナノワイヤ５０とシェル６０の組立体内部のドーパント分散を均質化する。
【００６１】
図１０を参照すると、測定された２つの光電子スペクトルが本発明の実験例として示されている。この実験設定では、２本のナノワイヤに６．２ｅＶの運動エネルギーを有する光子ビームを照射した。光電子放出された電子は１５ｅＶのバイアス電位で抽出し、それにより、本設定の電気的バイアスを利用して１５ｅＶのエネルギーが光電子放出された電子の初期の運動エネルギーに加えられるようにした。１本目のナノワイヤは、直径２０ｎｍの未ドーピング・シリコン・ナノワイヤで構成した。２本目のナノワイヤは、本発明の方法に従って、まず直径２０ｎｍの未ドーピング・シリコン・ナノワイヤを形成し、続いて厚さ４．５ｎｍのドーピング・シリコン・シェルを形成し、その後アニールを施すことによって製作された直径２９ｎｍの均一ドーピング・シリコン・ナノワイヤで構成した。ドーピング・シリコン・シェルは、ドーピング材料としてボロン（ｐ型ドーパント）を含有する。
【００６２】
ドーピング・シリコン・ナノワイヤである２本目のナノワイヤの光電子スペクトルでは、未ドーピング・シリコン・ナノワイヤである１本目のナノワイヤの光電子スペクトルを基準とした光電子放出された電子のエネルギー・シフトが観察される。この光電子スペクトルのエネルギー・シフトは、２本目のナノワイヤのフェルミ準位が２本目のナノワイヤのドーピングによってシフトしたことを示す。換言すると、この光電子スペクトルのシフトは、実際に２本目のシリコン・ナノワイヤが本発明で開示するようにｐ型ドーパントでドーピングされていることを証明する。
【００６３】
図１１乃至図１３を参照すると、それぞれ未ドーピング半導体ナノワイヤ、ｐ型ドーピング半導体ナノワイヤ、及びｎ型ドーピング半導体ナノワイヤに関するフェルミ準位図が示されている。本発明は、図１１に示される未ドーピング半導体ナノワイヤのフェルミ準位に比べてフェルミ準位がシフトしたｐ型又はｎ型ドーピング半導体ナノワイヤの形成を可能にする。それ故、フェルミ準位を本発明に従って操作することにより、半導体ナノワイヤの導電性を変更すること、ならびに半導体ナノワイヤの電荷キャリア・タイプを決定することが可能となる。
【００６４】
以上、本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、上記の説明を読めば様々な代替形態、修正形態、及び変形形態が当業者に理解されることは明らかである。したがって、本発明は、そのようなすべての代替形態、修正形態、及び変形形態が本発明の範囲及び趣旨ならびに添付の特許請求範囲に含まれることを企図する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ナノワイヤを形成する方法であって、
基板上に触媒粒子を設けるステップと、
前記触媒粒子を第１の反応物質ガスに第１の温度でさらすことにより前記触媒粒子と前記基板との間に未ドーピング半導体ナノワイヤを成長させるステップを含み、前記第１の温度では前記半導体ナノワイヤの側壁上での前記第１の反応物質ガスの熱分解が抑制され、
さらに、前記未ドーピング半導体ナノワイヤを第２の反応物質及びドーパントに第２の温度でさらすことにより、前記第２の反応物質及び前記ドーパントが熱分解によって取り込まれるドーピング半導体材料のシェルを前記未ドーピング半導体ナノワイヤの側壁の周囲に成長させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドーピング半導体材料は、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ドーピング半導体材料は、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂのうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、前記未ドーピング半導体ナノワイヤの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤの横方向寸法は、１ｎｍ〜１，０００ｎｍである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤの前記横方向寸法は、３０ｎｍ未満である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記シェルは、前記シェルの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記シェルの厚さは、０．３ｎｍ〜１０ｎｍである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記シェルのドーピング濃度は、１．０×１０１８／ｃｍ３〜５．０×１０２１／ｃｍ３である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記触媒粒子の横方向寸法は、１ｎｍ〜１，０００ｎｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記触媒粒子の前記横方向寸法は、３０ｎｍ未満である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記触媒粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、及びＳｎのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含み、前記第１の温度は、３５０℃〜４５０℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ドーパントは、Ｂ２Ｈ６、ＧａＨ３、ＧａＣｌ３、Ｇａ２Ｃｌ６、ＰＨ３、ＰＯＣｌ３、ＡｓＨ３、ＳｂＨ３、及びＳｂＦ３のうちの１つを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の温度は、５００℃〜１，１００℃である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルを６００℃〜１，２００℃の高温でアニールするステップを更に含み、前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルは、前記アニール後実質的に均一なドーピング濃度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記実質的に均一なドーピング濃度は、１．０×１０１７／ｃｍ３〜５．０×１０２０／ｃｍ３であり、前記シェルの体積と前記シェル及び前記未ドーピング半導体ナノワイヤの各体積の合計との比を前記シェルのドーピング濃度に乗じた積である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記シェルのドーピング濃度は、処理チャンバ内のドーパント・ガスの分圧、又は前記ドーパント・ガスの分圧と反応物質の分圧との比によって設定される、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法によって形成される半導体ナノワイヤ。
【請求項１】
半導体ナノワイヤを形成する方法であって、
基板上に触媒粒子を設けるステップと、
前記触媒粒子を第１の反応物質ガスに第１の温度でさらすことにより前記触媒粒子と前記基板との間に未ドーピング半導体ナノワイヤを成長させるステップを含み、前記第１の温度では前記半導体ナノワイヤの側壁上での前記第１の反応物質ガスの熱分解が抑制され、
さらに、前記未ドーピング半導体ナノワイヤを第２の反応物質及びドーパントに第２の温度でさらすことにより、前記第２の反応物質及び前記ドーパントが熱分解によって取り込まれるドーピング半導体材料のシェルを前記未ドーピング半導体ナノワイヤの側壁の周囲に成長させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドーピング半導体材料は、ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ‐Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ‐ＶＩ化合物半導体材料、及びそれらの合金を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ドーピング半導体材料は、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ、及びＳｂのうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤは、前記未ドーピング半導体ナノワイヤの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤの横方向寸法は、１ｎｍ〜１，０００ｎｍである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤの前記横方向寸法は、３０ｎｍ未満である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記シェルは、前記シェルの全体の長さにわたって実質的に一定の断面領域を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記シェルの厚さは、０．３ｎｍ〜１０ｎｍである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記シェルのドーピング濃度は、１．０×１０１８／ｃｍ３〜５．０×１０２１／ｃｍ３である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記触媒粒子の横方向寸法は、１ｎｍ〜１，０００ｎｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記触媒粒子の前記横方向寸法は、３０ｎｍ未満である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記触媒粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、及びＳｎのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含み、前記第１の温度は、３５０℃〜４５０℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の反応物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、Ｇｅ２Ｈ６、ＧｅＨ３Ｃｌ、ＧｅＨ２Ｃｌ２、ＧｅＨＣｌ３、及びＧｅＣｌ４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ドーパントは、Ｂ２Ｈ６、ＧａＨ３、ＧａＣｌ３、Ｇａ２Ｃｌ６、ＰＨ３、ＰＯＣｌ３、ＡｓＨ３、ＳｂＨ３、及びＳｂＦ３のうちの１つを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の温度は、５００℃〜１，１００℃である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルを６００℃〜１，２００℃の高温でアニールするステップを更に含み、前記未ドーピング半導体ナノワイヤ及び前記シェルは、前記アニール後実質的に均一なドーピング濃度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記実質的に均一なドーピング濃度は、１．０×１０１７／ｃｍ３〜５．０×１０２０／ｃｍ３であり、前記シェルの体積と前記シェル及び前記未ドーピング半導体ナノワイヤの各体積の合計との比を前記シェルのドーピング濃度に乗じた積である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記シェルのドーピング濃度は、処理チャンバ内のドーパント・ガスの分圧、又は前記ドーパント・ガスの分圧と反応物質の分圧との比によって設定される、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法によって形成される半導体ナノワイヤ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公表番号】特表２０１１−５０４２９１（Ｐ２０１１−５０４２９１Ａ）
【公表日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３１１０９（Ｐ２０１０−５３１１０９）
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７７４１９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５５１８１
【国際公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７７４１９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０５５１８１
【国際公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（３９０００９５３１）インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＳＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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