原子ステップバンドのネットワークを用いた島形成の精密制御

本間 芳和、Paul Finnie、荻野 俊郎
先端デバイス研究部

量子効果を利用した半導体デバイスの実現には、半導体表面にナノメータスケールの構造をサイズのみならず位置を制御して形成することが必要である。これまで、格子定数の異なる基板上での格子歪みを利用して３次元島を自己組織化的に形成することが盛んに研究されている。しかし、本方法では島のサイズや形成位置から偶然性を排除することは難しい。一方、走査型プローブを利用したナノ構造形成は、構造の制御性は高いものの、構造の高密度な集積は困難である。我々は、ナノ構造形成の新しい制御法として、基板の原子ステップ構造をウェハスケールでデザインし、これをテンプレートとして微細な構造を整列させる技術を提案している[1]。既に、テラスとステップバンドとの核生成の選択性を利用して、ステップバンドに沿った線状構造の形成を実現した[2]。さらに、液体金属の拡散を制御することにより、島状の構造を精密に自己組織化形成することに成功した[3]。
図1は、ステップバンドをネットワーク状に配置したSi(111)基板上でAuの島の配列制御を行った結果である。基板のステップバンドの規則配列は、リソグラフィにより穴のアレイを形成し、この基板を熱処理することによって得た。Auを400℃で蒸着すると、(a)のようにAuSiの液体金属島が高密度に形成される。これを560℃でアニールすると、Au原子が島からの吸脱着を繰り返すことにより島の消滅・融合が起こり、最終的にエネルギー的に安定な位置だけに島が残る。加熱温度により表面原子の拡散長とパターン周期を一致させることで、ステップバンド構造の１周期に１つの島だけを形成することができる。島のサイズは、蒸着量とパターン周期で精密に制御可能である。同様な島の規則配列はGaでも得られた。さらに、規則配列したAu島を種として、気相成長によりSiの柱状結晶を選択的に形成できることを実証した。
[1] T. Ogino, H. Hibino and Y. Homma, Jpn. J. Appl. Phys. 34(1995) L668.
[2] P. Finnie and Y. Homma, Appl. Phys. Lett. 72(1998) 827.
[3] Y. Homma, P. Finnie and T. Ogino, Appl. Phys. Lett. 74(1999) 815.

(a) 400°C蒸着後

(b) 560°Cアニール後

図１：ステップ構造を制御したSi(111)基板上のAu島のSEM像

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