【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、柱状部材を含む構造体、その製造方法、及び当該構造体を用いたデバイスに関するものである。特に、本発明は上記構造体の材料として、アルミニウムとゲルマニウムとを含む構造体に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年、機能性材料としての微細構造体への関心が高まっている。
こうした微細構造体の作製手法としては、フォトリソグラフィーなどの微細パターン形成技術を代表される半導体加工技術によって直接的に微細構造体を作製する手法が挙げられる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、上述の半導体加工技術とは別に、材料の自己組織化（ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）現象あるいは自己形成化現象を利用する手法がある。即ち、自然に形成される規則的な構造をべースに、新規な微細構造体を実現しようというものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−５５５４５号公報（第３頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この自己組織化現象あるいは自己形成化現象を利用する手法では、ミクロンオーダーは勿論、ナノオーダーの構造体を実現できる可能性があるため、多くの研究が行われているものの新規な微細構造体の提供やその製造方法の確立が求められていた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、新規な構造体、その製造方法、及びそれを利用した装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る構造体は、アルミニウムとゲルマニウムを含み構成される構造体であって、該アルミニウムを含み構成される柱状の部材が、該ゲルマニウムを含み構成される領域に取り囲まれており、該構造体には該ゲルマニウムが、該アルミニウムとゲルマニウムの全量に対して２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下の割合で含まれており、且つ該柱状の部材の径が２０ｎｍ未満であることを特徴とする。また、前記構造体に含まれる前記柱状の部材同士の間隔が３０ｎｍ以下であることが好ましく、前記ゲルマニウムを含み構成される領域は、非晶質ゲルマニウムである。
【０００８】
この構造体に例えば、絶縁領域を形成するなどにより電子デバイスの提供が可能となる。
【０００９】
前記構造体は、基板上に非平衡状態の成膜法により好適に作製される。
【００１０】
また、本発明に係る構造体の製造方法は、基板を用意する工程、及び該基板上にスパッタリング法により成膜し、アルミニウム含み構成される柱状の部材と、ゲルマニウムを含み構成され該柱状の部材を取り囲む領域とを有する構造体を形成する工程を含み、該構造体に該ゲルマニウムが、該アルミニウムとゲルマニウムの全量に対して２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下の割合で含まれるように該構造体を形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る膜状のアルミニウムゲルマニウム混合体は、アルミニウムを含み構成される柱状構造体と該柱状構造体を取り囲むゲルマニウム領域を有し、且つ該混合体にはゲルマニウムが２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下の割合で含まれていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電子デバイス装置とは、当該アルミニウムゲルマニウム混合体内に形成されたアルミニウムナノ構造であるアルミニウム量子ドットあるいはアルミニウム量子細線を用いた単電子トランジスタ、あるいは単電子メモリ等である。これらの電子デバイス装置は、少なくとも前述の構造体上に絶縁領域を形成する工程を経た上で実現される。
【００１３】
以下、本発明を成すに至った経緯について説明する。
【００１４】
本発明者らは、アルミニウムを用いた微細構造体に関して研究を進めていたところ、下記のような知見に至った。
【００１５】
即ち、基板上にアルミニウムの膜を形成する際に、ゲルマニウムを添加したところ所定条件下では自己形成的に柱状構造のアルミニウムが形成される場合があることを見出したのである。
【００１６】
そこで、本発明者らは上記知見に基づき鋭意研究を進め、本発明を成すに至った。
【００１７】
本発明におけるアルミニウムゲルマニウム混合体は、種々の母材や様々なデバイスとして応用が考えられ、例えば単電子トランジスタや単電子メモリなど様々な量子電子デバイスに適用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１：構造体の構成）
図１（ａ）は、本発明に係るアルミニウムゲルマニウム混合体の模式的平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の破線ＡＡ’に沿って試料を切断した場合の模式的断面図である。図１において、１はアルミニウムを含む柱状構造体、２は、該柱状構造体を取り囲むゲルマニウム領域である。また、図１（ｂ）において、３は基板である。
【００１９】
基板３上に形成された、膜状のアルミニウムゲルマニウム混合体１００は、その全量に対するゲルマニウムの割合が２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下である。好ましくは、２５ａｔｏｍｉｃ％以上６５ａｔｏｍｉｃ％以下、さらに好ましくは３０ａｔｏｍｉｃ％以上６０ａｔｏｍｉｃ％以下である。なお、ゲルマニウムの割合が上記範囲内でれば、ゲルマニウム領域２内に柱状構造体１が分散したアルミニウムゲルマニウム混合体が得られる。
【００２０】
上記割合（ａｔｏｍｉｃ％）とは、例えば誘導結合型プラズマ発光分析法でアルミニウムゲルマニウム混合体膜中のゲルマニウムとアルミニウムの量を定量分析したときの値である。
【００２１】
なお、上記割合においては、ａｔｏｍｉｃ％を単位として用いたが、ｗｅｉｇｈｔ％を単位として用いる場合は、２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下の場合は、４０．２ｗｅｉｇｈｔ％以上８６．３ｗｅｉｇｈｔ％以下となる（Ａｌの原子量を２６．９８２、Ｇｅの原子量を７２．５９として換算している）。
【００２２】
本発明におけるアルミニウムゲルマニウム混合体１００は、アルミニウムを主成分とする組成からなるアルミニウム柱状構造体と、その周囲のゲルマニウムを主成分とするゲルマニウム領域部を備える。
【００２３】
また、アルミニウムを含有する柱状構造体部１の組成は、アルミニウムを主成分とするが、柱状構造の微細構造体が得られていれば、ゲルマニウム、酸素、アルゴン、窒素、水素などの他の元素を含有していてもよい。なお、主成分とは、柱状構造体部の成分構成比においてアルミニウムの割合が８０ａｔｏｍｉｃ％以上ということである。
【００２４】
また、柱状構造体の周囲を取り囲んでいるゲルマニウム領域部の組成は、ゲルマニウムを主成分とするが、アルミニウムを含有する柱状構造の微細構造体の周囲を囲んでさえいれば、アルミニウム、酸素、アルゴン、窒素、水素などの各種の元素を含有してもよい。なお、主成分とは、ゲルマニウム領域部の成分構成比においてゲルマニウムの割合が８０ａｔｏｍｉｃ％以上ということである。
【００２５】
なお、ゲルマニウム領域部は、非晶質、あるいは微（多）結晶を用いることができる。但し、前記ゲルマニウム領域部が非晶質ゲルマニウムである方が絶縁性と言う観点からは好ましい。その理由は、非晶質ゲルマニウムとすることで結晶質ゲルマニウムに比べて、バンドギャップが増加し、柱状構造体を隔てる母体材料の電気的な絶縁性が向上するからである。
【００２６】
なお、ここで用いている混合体とは、ゲルマニウム母体中にアルミニウムが遊離している状態を示している。
【００２７】
（構造）
アルミニウムを含む柱状構造体１は、膜面から見たその平面形状は円形、あるいは楕円形である。勿論、ゲルマニウム領域２に前記柱状構造体１が適度に分散していれば、任意の形状であってもよい。
【００２８】
本発明に係るアルミニウムゲルマニウム混合体における柱状構造体の径としては、特に限定されるものではないが、平均径が０．５ｎｍ以上２０ｎｍ未満、好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ未満、さらに好ましくは２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であるのがよい。ここでいう径とは図１（ｂ）における２ｒである。なお、楕円等の場合は、最も長い外径部が、上記範囲内であればよい。ここで平均径とは、例えば、実際の膜表面のＳＥＭ写真（約１００ｎｍ×１００ｎｍの範囲）で観察されるアルミニウム部分をコンピュータで画像処理して、そのアルミニウム部分を楕円と仮定したとき、長軸として導出される長さの平均値である。
【００２９】
ところで、ナノメートルサイズのナノ構造体（概ね０．１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲）においては、ある特徴的な長さより小さいサイズとなることで、特異な電気的、光学的、化学的性質を示すことがある。このような観点から、機能性材料としてナノ構造体は有用であり、本発明に係るアルミニウムゲルマニウム混合体においても、当該混合体を構成する柱状構造体の径が０．５ｎｍ以上２０ｎｍ未満、特に０．５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である場合には、ナノ構造体として種々の利用が可能である。
【００３０】
また、複数の柱状構造体１の中心間距離２Ｒ（図１（ｂ））は、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下であるのがよい。もちろん、上記２Ｒは柱状構造体どうしが接触しない間隔は有する。特に径２ｒ及び中心間距離２Ｒが共に上記範囲内にあるのが良い。
【００３１】
たとえば、柱状構造をした前記アルミニウムナノ構造の径が１〜１５ｎｍであり、かつ、前記アルミニウムナノ構造体の間隔が１０〜２０ｎｍであり、かつ、前記アルミニウムナノ構造体の高さと径の比が０．１〜１０００００であり、かつ、前記アルミニウムナノ構造体が基板に対して垂直である微細構造体などが挙げられる。
【００３２】
また、柱状構造体１の基板断面からみた形状は、図１（ｂ）のように長方形形状でも良いし、正方形や台形など任意の形状が可能である。なお、柱状構造とは、任意のアスペクト比（径／長さ）を有する形状を含むものである。例えば、アスペクト比（径２ｒ／長さＬ）として、０．１〜１０００００をとることができる。
【００３３】
例えば、柱状構造の長さＬとしては、１ｎｍ〜１００μｍの範囲で適用できる。
【００３４】
特に、柱状構造体の径２ｒが例えば１〜１５ｎｍであり、その中心間距離２Ｒが１０〜２０ｎｍである場合に、長さＬを１ｎｍ〜数μｍの範囲で制御する場合を考える。長さＬが数ｎｍ〜数十ｎｍのとき（長さと径の比が低いとき）、柱状構造体１はアルミニウム量子ドット（０次元）として作用し、それよりも大きい場合はアルミニウム量子細線（１次元）として作用する。
【００３５】
また、前記アルミニウム含有の柱状構造体１は、図１（ｂ）に示されているようにゲルマニウムを主成分とするゲルマニウム領域部により互いに分離されている。即ち、複数の柱状構造がゲルマニウム領域中に分散している。
【００３６】
アルミニウム含有の柱状構造体１は、特定方向に整列しているのがよい。図１（ｂ）に示すように、特に基板に対して垂直方向に整列しているのがよい。
【００３７】
基板３としては、特に限定されるものではないが、石英ガラスやプラスチックなどの絶縁性基板、シリコン基板、ゲルマニウム基板、ガリウム砒素、あるいはインジウム燐などの半導体基板、あるいは支持部材としての基板上にアルミニウムゲルマニウム混合体が形成できるのであれば、フレキシブルな基板（例えばポリイミド樹脂など）も用いることができる。さらには、支持基板上に一層以上の膜が形成されているものを使用してもかまわない。
【００３８】
なお、前記構造体は膜状の構造体であることが好ましく、基板上に当該構造体が設けられていてもよい。基板としては、特に限定されるものではないが、表面に酸化層あるいは窒化層などを有する基板や、石英ガラスなどの絶縁性基板、シリコン基板、ガリウム砒素、あるいはインジウム燐などの半導体基板、アルミニウムなどの金属基板あるいは支持部材としての基板上に上記構造体が形成できるのであれば、フレキシブル基板（例えばポリイミド樹脂など）も用いることができる。なお、成膜の際に、構造体が基板から膜剥がれ等を起こすことを回避すべく、基板と構造体間にＴｉなどのメタル層を介在させてもよい。また、メタル層替えて、基板上にアルミニウムの薄膜やゲルマニウムの薄膜を介在させておいてもよい。
【００３９】
（実施形態２：アルミニウムゲルマニウム混合体の作製方法）
図２を用いて、本発明に係るアルミニウムゲルマニウム混合体の作製方法について説明する。ここでは、非平衡状態で成膜する方法として、スパッタリング法を用いた例を示す。なお、図２において、１１が基板、１２がスパッタリングターゲットである。スパッタリング法を用いる場合は、ターゲット材料を変化させることで、アルミニウムとゲルマニウムの割合を簡単に変化させることができる。
【００４０】
図２に示したように、基板上に、非平衡状態で物質を形成する成膜法であるマグネトロンスパッタリング法により、アルミニウムゲルマニウム混合膜を形成する。成膜の際の種々の条件にもよるが、アルミニウムを含み構成される柱状の部材は、その平均径が２０ｎｍ未満であることを実現するには、スパッタリングで行うことにより実現される。そして、前記構造体は、膜状の構造体であることが好ましく、かかる場合、前記柱状の部材は膜の面内方向に対して略垂直になるように前記第２の材料を含み構成されるマトリックス中に分散していることになる。膜状構造体の膜厚としては、特に限定されるものではないが、１ｎｍ〜１００μｍの範囲で適用できる。プロセス時間等を考慮してより現実的な膜厚としては、１ｎｍ〜１μｍ程度である。特に３００ｎｍ以上の膜厚でも柱状構造が維持されていることが好ましい。発明者らの検討によるとスパッタリングにより成膜する場合であって、成膜温度（実際には基板温度）が２００℃以下であれば、基板上に形成される構造体の膜厚に依存することなく、アルミニウムの柱状部材が分散した構造体を作製することが可能であった。
【００４１】
原料としてのゲルマニウム及びアルミニウムは、図２のようにアルミニウムのターゲット基板上にゲルマニウムチップを配することで達成される。ゲルマニウムチップは、図２では、複数に分けて配置しているが、勿論これに限定されるものではなく、所望の成膜が可能であれば、１つであっても良い。但し、均一なアルミニウム含有の柱状構造体をゲルマニウム領域内に均一に分散させるには、図２に示したように基板１１に対象に配置しておいた方が良い。
【００４２】
また、所定量のアルミニウムとゲルマニウムとの粉末を焼成して作製したアルミニウムゲルマニウム焼成物を成膜のターゲット材として用いることもできる。このようなターゲットを用いることにより、膜組成のばらつきの少ない，均質な膜を形成することが可能となる。
【００４３】
また、アルミニウムターゲットとゲルマニウムターゲットを別々に用意し、同時に両方のターゲットをスパッタリングする方法を用いても良い。
【００４４】
形成される膜中のゲルマニウムの量は、アルミニウムとゲルマニウムの全量に対して２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下であり、好ましくは２５ａｔｏｍｉｃ％以上６５ａｔｏｍｉｃ％以下、さらに好ましくは３０ａｔｏｍｉｃ％以上６０ａｔｏｍｉｃ％以下である。
【００４５】
また、基板温度としては２００℃以下であり、好ましくは１００℃以下であるのがよい。また、より好ましくは室温あるいはそれ以下である。ゲルマニウム量が斯かる温度範囲内で作製されれば、ゲルマニウム領域内に柱状構造体が分散したアルミニウムゲルマニウム混合体が得られる。
【００４６】
前記アルミニウムゲルマニウム混合膜を形成しているときの試料温度は２００℃以下が好ましい。このように、２００℃以下の試料温度でアルミニウムとゲルマニウムを非平衡状態で物質を形成する成膜法で形成することにより、作製されたアルミニウムゲルマニウム混合膜は、アルミニウムとゲルマニウムが準安定状態の共晶型組織となり、アルミニウムが数ｎｍレベルのナノ柱状構造体を形成し、ゲルマニウム領域と自己形成的に分離する。しかし、少なくとも２００℃以上の試料温度でアルミニウムとゲルマニウムを成膜すると、作製されたアルミニウムゲルマニウム混合膜は、アルミニウムとゲルマニウムが２００℃以下で形成される構造より、より安定な状態の共晶型組織となり、アルミニウムが数ｎｍレベルのナノ柱状構造体を形成しない。
【００４７】
アルミニウムゲルマニウム混合体のゲルマニウムの量は、例えばアルミニウムターゲット上に置くゲルマニウムチップの量を変えるや、アルミニウムとゲルマニウムの粉末の混合量を変えて作製したターゲットを用いることにより制御できる。
【００４８】
非平衡状態で成膜を行う場合、特にスパッタリング法の場合は、アルゴンガスを流したときの反応装置内の圧力は、０．２〜１Ｐａ程度がよい。しかし、特に、これに限定されるものではなく、アルゴンプラズマが安定に形成される圧力であればよい。
【００４９】
基板１１としては、例えば石英ガラスをはじめとする絶縁体基板やシリコンやガリウム砒素をはじめとする半導体基板などの基板や、これらの基板の上に１層以上の膜を形成したものが挙げられる。なお、アルミニウムのナノ柱状構造体の形成に不都合がなければ、基体の材質、厚さ、機械的強度などは特に限定されるものではない。また、基板の形状としては平滑な板状のものに限らず、曲面を有するもの、表面にある程度の凹凸や段差を有するものなどが挙げられるが、アルミニウムのナノ柱状構造体に不都合がなければ、特に限定されるものではない。
【００５０】
非平衡状態で物質を形成する成膜法は、スパッタリング法が好ましいが蒸着法（抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着等）、イオンプレーティング法をはじめとする任意の非平衡状態で物質を形成する成膜法が適用可能である。
【００５１】
また、成膜のやり方としては、ゲルマニウムとアルミニウムを同時に形成する同時成膜プロセスを用いても良いし、ゲルマニウムとアルミニウムを数原子層づつ積層する積層成膜プロセスを用いてもかまわない。
【００５２】
（実施形態３：アルミニウムゲルマニウム混合体を用いた装置）
図５にアルミニウムゲルマニウム混合体を用いた、単電子メモリの模式図を示す。図のようにアルミニウムを量子ドット（アイランド）とすることで、量子ドットに蓄積された電荷の影響によりチャネル部分の電気的特性を制御することができる。また、量子ドットには長い時間電荷を蓄積できるので、電源も切っては情報が消えない不揮発性メモリを形成できる。なお、図中５１は基板、５２は絶縁体（例えば酸化シリコン）、５３はアルミニウムゲルマニウム混合体、５４はドレイン、５５はゲート絶縁物、５６はゲート電極、５７はソースである。
【００５３】
このようにアルミニウムゲルマニウム構造体を応用することで、量子効果を利用した単電子メモリ、あるいは同様な原理を用いて、単電子トランジスタなどとしても利用することができる。
【００５４】
また、本発明は、量子ドットや量子細線などのアルミニウムのナノ柱状構造体をさまざまな形態で応用することを可能とするものであり、その応用範囲を著しく広げるものである。本発明における構造体は、それ自体機能材料として使用可能であるが、さらなる新規なナノ構造体の母材、鋳型、などとして用いることもできる。
【００５５】
【実施例】
（実施例１）
図３に本発明のアルミニウムゲルマニウム混合体の概略図を示す。ここでは、ゲルマニウムに周囲を囲まれたアルミニウムナノ構造体部分が円柱状構造であり、その径２ｒが１０ｎｍであり、間隔２Ｒが１５ｎｍ、長さＬが２００ｎｍであるアルミニウム細線について示す。なお、図３において、２１が基板で、２２がアルミニウム量子細線、２３が非晶質ゲルマニウムである。図６に実際のＳＥＭ写真を示す。
【００５６】
まず、アルミニウム細線の作製方法を説明する。
【００５７】
ガラス基板２１上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて、ゲルマニウムをアルミニウムとゲルマニウムの全量に対して３７ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムゲルマニウム混合膜を約２００ｎｍ形成する。ターゲットには、図２に示すように、４インチのアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のゲルマニウムチップ１３を４枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：３００Ｗとした。また、基板温度は室温とした。
【００５８】
なお、ここではターゲット１２として、アルミニウムターゲット上にゲルマニウムチップ１３を４枚置いたものを用いたが、ゲルマニウムチップの枚数はこれに限定されるものではなく、スパッタ条件により変化し、アルミニウムゲルマニウム混合膜の組成が約３７ａｔｏｍｉｃ％近辺になれば良い。また、ターゲットはアルミニウムターゲット上にゲルマニウムチップを置いたものに限定したものではなく、ゲルマニウムターゲット上にアルミニウムチップを置いたものでも良いし、ゲルマニウムとアルミニウムの粉末を焼結したターゲットを用いても良い。
【００５９】
さらに、ここではスパッタリング法としてＲＦスパッタリング法を用いたが、これに限定されるものではなく、ＥＣＲスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法でよい。さらに、スパッタリング条件は装置に依存しており、これに限定されるものではない。
【００６０】
次に、このようにして得られたアルミニウムゲルマニウム混合膜をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて、ゲルマニウムのアルミニウムとシリコンの全量に対する分量（ａｔｏｍｉｃ％）を分析した。その結果、ゲルマニウムのアルミニウムとゲルマニウムの全量に対する分量は約３７ａｔｏｍｉｃ％であった。
【００６１】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、アルミニウムゲルマニウム混合膜を観察した。基板斜め真上方向から見た表面の形状は図３のように、ゲルマニウムに囲まれたほぼ円形のアルミニウムナノ柱状構造体が二次元的に配列していた。アルミニウムナノ構造体部分の画像処理より求めた孔径は１０ｎｍであり、その平均中心間間隔は１５ｎｍであった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察した所、膜の高さは２００ｎｍであり、それぞれのアルミニウムのナノ柱状構造体部分はお互いに独立していた。
【００６２】
また、Ｘ線回折法でこの試料を観察した所、結晶性を示すゲルマニウムの結晶ピークは確認できず、ゲルマニウムは非晶質であった。なお、アルミニウムの結晶ピークが複数確認でき、多結晶であることが分かった。
【００６３】
従って、ゲルマニウムに周囲を囲まれた間隔２Ｒが１５ｎｍ、径２ｒが１０ｎｍ、高さＬが２００ｎｍのアルミニウム細線を含んだアルミニウムゲルマニウム混合体を作製することができた。
【００６４】
本実施例で説明したように、アルミニウムゲルマニウム混合膜をスパッタ法などの非平衡状態で物質を形成する成膜法で形成することで、基板表面上に数から数十ｎｍスケールのアルミニウム量子ドットあるいはアルミニウム量子細線などのアルミニウムのナノ柱状構造体がゲルマニウム中に２次元的に形成された構造を有するアルミニウムゲルマニウム混合体を形成することが可能となる。
【００６５】
（比較例）
また、比較試料Ａとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、ゲルマニウムをアルミニウムとシリコンの全量に対して１０ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムゲルマニウム混合膜を約２００ｎｍ形成した。ターゲットには、４インチのアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のゲルマニウムチップ１３を１枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：３００Ｗとした。また、基板温度は室温とした。
【００６６】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、比較試料Ａを観察した。基板真上方向から見た表面の形状は、アルミニウム部分は円形状にはなっておらず、各々のアルミニウム部分は、連続的につながったような構造を形成した。即ち、アルミニウムの柱状構造体がゲルマニウム領域内に分散した微細構造体となっていなかった。さらに、その大きさ（長さ）は２０ｎｍを遥かに超えていた。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察した所、アルミニウム部分の幅は柱状にはなっておらず、数十ｎｍを超える大きな塊を形成していた。なお、このようにして得られたアルミニウムゲルマニウム混合膜をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて、ゲルマニウムのアルミニウムとゲルマニウムの全量に対する分量（ａｔｏｍｉｃ％）を分析した。その結果、ゲルマニウムのアルミニウムとゲルマニウムの全量に対する分量は約１０ａｔｏｍｉｃ％であった。
【００６７】
さらに、比較試料Ｂとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、ゲルマニウムをアルミニウムとゲルマニウムの全量に対して７５ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムゲルマニウム混合膜を約２００ｎｍ形成した。ターゲットには、４インチのアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のゲルマニウムチップ１３を８枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：３００Ｗとした。また、基板温度は室温とした。
【００６８】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、比較試料Ｂを観察した。基板真上方向から見た試料表面には、アルミニウム部分を観察することができなかった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察しても、明確なアルミニウム部分を観察することができなかった。なお、このようにして得られたアルミニウムゲルマニウム混合膜をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて、ゲルマニウムのアルミニウムとゲルマニウムの全量に対する分量（ａｔｏｍｉｃ％）を分析した。その結果、ゲルマニウムのアルミニウムとゲルマニウムの全量に対する分量は約７５ａｔｏｍｉｃ％であった。
【００６９】
このように、アルミニウムとゲルマニウムの全量に対するゲルマニウム含有量を、少なくとも２０ａｔｏｍｉｃ％以上７０ａｔｏｍｉｃ％以下に調整することで、ゲルマニウム中にアルミニウムのナノ柱状構造体を形成することが可能であり、また、基板に対してほぼ垂直に形成されたアルミニウム細線の作製が可能になる。
【００７０】
さらに、比較試料Ｃとして、ガラス基板上に、スパッタ法を用いて、ゲルマニウムをアルミニウムとゲルマニウムの全量に対して３７ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムシリコン混合膜を約２００ｎｍ形成した。ターゲットには、４インチのアルミニウムターゲット上に１５ｍｍ角のシリコンチップ１３を４枚おいたものを用いた。スパッタ条件は、ＲＦ電源を用いて、Ａｒ流量：５０ｓｃｃｍ、放電圧力：０．７Ｐａ、投入電力：３００Ｗとした。また、基板温度は２５０℃とした。
【００７１】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、比較試料Ｃを観察した。基板真上方向から見た試料表面には、円形あるいは楕円形をしたアルミニウムを確認することができなかった。つまり、アルミニウムのナノ柱状構造体を確認することができなかった。即ち、基板温度が高すぎると、より安定な状態に変化してしまうため、図１や図３に示したようなアルミニウムのナノ柱状構造体を形成する膜成長ができていないと思われる。
【００７２】
（実施例２）
図４に本発明のアルミニウムゲルマニウム混合体の概略図を示す。ここでは、ゲルマニウムに周囲を囲まれたアルミニウムのナノ構造体部分が円柱構造であり、その径２ｒが１２ｎｍ、間隔２Ｌが１５ｎｍ、長さＬが１０ｎｍであるアルミニウム量子ドットである場合について示す。なお、図４において、３１が基板で、３２がアルミニウム量子ドット、３３が非晶質ゲルマニウムである。ます、アルミニウムのナノ柱状構造部分がアルミニウム量子ドットであるアルミニウムゲルマニウム混合体の作製方法を説明する。シリコン基板上に、イオンビームスパッタリング法を用いて、ゲルマニウムをアルミニウムとゲルマニウムの全量に対して３０ａｔｏｍｉｃ％含んだアルミニウムゲルマニウム混合膜を約１０ｎｍ形成する。
【００７３】
次に、このようにして得られたアルミニウムゲルマニウム混合膜をＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて、ゲルマニウムのアルミニウムとゲルマニウムの全量に対する分量（ａｔｏｍｉｃ％）を分析した。その結果、ゲルマニウムのアルミニウムとゲルマニウムの全量に対する分量は約３０ａｔｏｍｉｃ％であった。なお、ここでは測定の都合上、基板として、カーボン基板上に堆積したアルミニウムゲルマニウム混合膜を用いた。
【００７４】
ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出走査型電子顕微鏡）にて、作製した試料を観察した。基板斜め真上方向から見た表面の形状は図４のように、ゲルマニウムにより囲まれた円形状のアルミニウム量子ドットが二次元的に配列していた。アルミニウムナノ構造体部分（アルミニウム量子ドット）の孔径２ｒは１２ｎｍであり、その平均中心間間隔２Ｒは１５ｎｍであった。また、断面をＦＥ−ＳＥＭにて観察した所、高さは１０ｎｍであり、それぞれのアルミニウム量子ドットはお互いに独立していた。
【００７５】
これによりゲルマニウムにより囲まれた間隔２Ｒが１５ｎｍ、径２ｒが１２ｎｍ、高さＬが１０ｎｍのアルミニウム量子ドットを有したアルミニウムゲルマニウム混合体を作製することができた。なお、Ｘ線回折法でこの試料を観察した所、アルミニウムは結晶質であり、ゲルマニウムは非晶質であった。
【００７６】
このように、アルミニウムとゲルマニウムの全量に対するゲルマニウム含有量を、変化させることで、ゲルマニウム中にアルミニウムのナノ柱状構造体の径を変化させることが可能であり（ゲルマニウムの量を少なくすると、アルミニウムのナノ柱状構造の径が大きくなる）、また、アルミニウムゲルマニウム混合体の膜厚を調節することで、アルミニウムのナノ柱状構造体の高さを変えることができる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ゲルマニウム領域内にナノレベルのアルミニウム含有の柱状構造体が分散した微細構造体、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るアルミニウムゲルマニウム混合体の一例を上面から見た概略図である。
（ｂ）は本発明に係るアルミニウムゲルマニウム混合体の一例を側面から見た概略図である。
【図２】本発明のアルミニウムゲルマニウム混合体の製造方法の一例を示す図である。
【図３】本発明のアルミニウムゲルマニウム混合体の一例を示す図である。
【図４】本発明のアルミニウムゲルマニウム混合体の一例を示す図である。
【図５】本発明に係るアルミニウムゲルマニウム混合体を用いた単電子メモリの模式図である。
【図６】本発明のアルミニウムゲルマニウム混合体の膜表面のＦＥ−ＳＥＭ像である。
【符号の説明】
１ アルミニウム
２、２３、３３ ゲルマニウム
３、１１、２１、３１、５１ 基板
１２ ターゲット
１３ ゲルマニウムチップ
２２ 柱状構造体
３２ 柱状構造体
５２ 絶縁体
５３ アルミニウムゲルマニウム混合体
５４ ドレイン
５５ ゲート絶縁物
５６ ゲート電極
５７ ソース
１００ アルミニウムゲルマニウム混合体膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure including a columnar member, a method for manufacturing the same, and a device using the structure. In particular, the present invention relates to a structure including aluminum and germanium as a material of the structure.
[0002]
[Background Art]
In recent years, interest in fine structures as functional materials has been increasing.
As a method for manufacturing such a fine structure, there is a method for directly manufacturing a fine structure by a semiconductor processing technique represented by a fine pattern forming technique such as photolithography (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In addition to the above-described semiconductor processing technology, there is a method that utilizes a self-organization phenomenon or a self-forming phenomenon of a material. That is, it is intended to realize a novel fine structure based on a naturally-occurring regular structure.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-55545 (page 3, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
This method using the self-organizing phenomenon or the self-forming phenomenon has the potential to realize nano-order structures as well as micron-order structures. It was required to provide and establish a manufacturing method.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a novel structure, a method of manufacturing the same, and an apparatus using the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The structure according to the present invention is a structure including aluminum and germanium, wherein the columnar member including aluminum is surrounded by a region including germanium. The body is characterized in that the germanium is contained in a ratio of 20 atomic% to 70 atomic% with respect to the total amount of the aluminum and germanium, and the diameter of the columnar member is less than 20 nm. In addition, it is preferable that the interval between the columnar members included in the structure is 30 nm or less, and the region including the germanium is amorphous germanium.
[0008]
For example, an electronic device can be provided by forming an insulating region in this structure.
[0009]
The structure is preferably manufactured on a substrate by a non-equilibrium film formation method.
[0010]
In addition, the method for manufacturing a structure according to the present invention includes a step of preparing a substrate, a columnar member formed by sputtering on the substrate and including aluminum, and a columnar member configured by including germanium. Forming a structure having a region surrounding the structure, wherein the structure contains the germanium at a ratio of 20 atomic% or more and 70 atomic% or less based on the total amount of the aluminum and germanium. It is characterized by doing.
[0011]
Further, the film-like aluminum germanium mixture according to the present invention has a columnar structure including aluminum and a germanium region surrounding the columnar structure, and the mixture contains germanium in an amount of 20 atomic% to 70 atomic%. It is characterized in that it is contained in the following ratio.
[0012]
Further, the electronic device device according to the present invention is a single-electron transistor or a single-electron memory using aluminum quantum dots or aluminum quantum wires as aluminum nanostructures formed in the aluminum-germanium mixture. These electronic device devices are realized after at least a step of forming an insulating region on the above-described structure.
[0013]
Hereinafter, the process of achieving the present invention will be described.
[0014]
The present inventors have been conducting research on a microstructure using aluminum, and have come to the following knowledge.
[0015]
That is, they have found that when germanium is added when an aluminum film is formed on a substrate, aluminum having a columnar structure may be self-formed under predetermined conditions.
[0016]
Thus, the present inventors have conducted intensive research based on the above findings, and have accomplished the present invention.
[0017]
The aluminum germanium mixture in the present invention can be applied to various base materials and various devices, and can be applied to various quantum electronic devices such as single-electron transistors and single-electron memories.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1: Configuration of Structure)
FIG. 1A is a schematic plan view of the aluminum germanium mixture according to the present invention. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view when the sample is cut along a broken line AA ′ in FIG. In FIG. 1, 1 is a columnar structure containing aluminum, and 2 is a germanium region surrounding the columnar structure. In FIG. 1B, reference numeral 3 denotes a substrate.
[0019]
In the film-like aluminum-germanium mixture 100 formed on the substrate 3, the ratio of germanium to the total amount is 20 atomic% or more and 70 atomic% or less. Preferably, it is 25 atomic% or more and 65 atomic% or less, and more preferably 30 atomic% or more and 60 atomic% or less. If the ratio of germanium is within the above range, an aluminum germanium mixture in which the columnar structures 1 are dispersed in the germanium region 2 can be obtained.
[0020]
The ratio (atomic%) is a value obtained by quantitatively analyzing the amounts of germanium and aluminum in the aluminum-germanium mixed film by, for example, inductively coupled plasma emission spectrometry.
[0021]
In the above ratio, atomic% is used as a unit. However, when weight% is used as a unit, when it is 20 atomic% or more and 70 atomic% or less, it becomes 40.2 weight% or more and 86.3 weight% or less (Al The atomic weight is converted to 26.982, and the atomic weight of Ge is converted to 72.59).
[0022]
The aluminum-germanium mixture 100 according to the present invention includes an aluminum columnar structure having a composition containing aluminum as a main component, and a germanium region around the aluminum columnar structure.
[0023]
The composition of the columnar structure 1 containing aluminum is mainly composed of aluminum. However, if a columnar structure fine structure is obtained, other elements such as germanium, oxygen, argon, nitrogen, and hydrogen may be used. May be contained. The main component means that the ratio of aluminum is 80 atomic% or more in the component composition ratio of the columnar structure.
[0024]
In addition, the composition of the germanium region surrounding the columnar structure is mainly germanium, but aluminum, oxygen, argon can be used as long as it surrounds the columnar microstructure including aluminum. , Nitrogen, hydrogen and the like. The main component means that the proportion of germanium in the germanium region portion is 80 atomic% or more.
[0025]
Note that the germanium region can be made of amorphous or fine (poly) crystal. However, it is preferable that the germanium region is amorphous germanium from the viewpoint of insulating properties. The reason is that using amorphous germanium increases the band gap and improves the electrical insulation of the base material separating the columnar structures as compared with crystalline germanium.
[0026]
The mixture used here indicates a state in which aluminum is liberated in the germanium matrix.
[0027]
(Construction)
The columnar structure 1 containing aluminum has a circular or elliptical planar shape when viewed from the film surface. Of course, any shape may be used as long as the columnar structure 1 is appropriately dispersed in the germanium region 2.
[0028]
The diameter of the columnar structure in the aluminum germanium mixture according to the present invention is not particularly limited, but the average diameter is 0.5 nm or more and less than 20 nm, preferably 1 nm or more and less than 20 nm, more preferably 2 nm or more and 15 nm or less. It is good. The diameter here is 2r in FIG. 1 (b). In the case of an ellipse or the like, the longest outer diameter portion may be within the above range. Here, the average diameter refers to, for example, a major axis when an aluminum portion observed in an SEM photograph (range of about 100 nm × 100 nm) of an actual film surface is image-processed by a computer and the aluminum portion is assumed to be an ellipse. Is the average value of the length derived as
[0029]
By the way, in nanometer-sized nanostructures (generally in the range of 0.1 nm to 100 nm), when they have a size smaller than a certain characteristic length, they exhibit specific electrical, optical, and chemical properties. is there. From such a viewpoint, a nanostructure is useful as a functional material, and even in the aluminum germanium mixture according to the present invention, the diameter of the columnar structure constituting the mixture is 0.5 nm or more and less than 20 nm, particularly 0 nm. When it is not less than 0.5 nm and not more than 15 nm, various uses as a nanostructure are possible.
[0030]
Further, the distance 2R between the centers of the plurality of columnar structures 1 (FIG. 1B) is preferably 30 nm or less, and more preferably 20 nm or less. Of course, the 2R has an interval at which the columnar structures do not contact each other. In particular, both the diameter 2r and the center-to-center distance 2R are preferably within the above ranges.
[0031]
For example, the diameter of the aluminum nanostructure having a columnar structure is 1 to 15 nm, the interval between the aluminum nanostructures is 10 to 20 nm, and the ratio between the height and the diameter of the aluminum nanostructure is 0. And a fine structure in which the aluminum nanostructure is perpendicular to the substrate.
[0032]
The shape of the columnar structure 1 viewed from the cross section of the substrate may be a rectangular shape as shown in FIG. 1B, or an arbitrary shape such as a square or a trapezoid. Note that the columnar structure includes a shape having an arbitrary aspect ratio (diameter / length). For example, the aspect ratio (diameter 2r / length L) can be 0.1 to 100,000.
[0033]
For example, the length L of the columnar structure can be applied in a range of 1 nm to 100 μm.
[0034]
In particular, when the diameter 2r of the columnar structure is, for example, 1 to 15 nm and the center-to-center distance 2R is 10 to 20 nm, the case where the length L is controlled in the range of 1 nm to several μm is considered. When the length L is several nm to several tens of nm (when the ratio of length to diameter is low), the columnar structure 1 acts as an aluminum quantum dot (0-dimensional), and when it is larger than that, the aluminum quantum wire (1 Act as a dimension).
[0035]
The aluminum-containing columnar structures 1 are separated from each other by a germanium region mainly containing germanium, as shown in FIG. That is, a plurality of columnar structures are dispersed in the germanium region.
[0036]
The aluminum-containing columnar structures 1 are preferably aligned in a specific direction. As shown in FIG. 1 (b), it is particularly preferable that the substrate is aligned in a direction perpendicular to the substrate.
[0037]
The substrate 3 is not particularly limited, but may be an insulating substrate such as quartz glass or plastic, a silicon substrate, a germanium substrate, a semiconductor substrate such as gallium arsenide, or indium phosphide, or a substrate serving as a support member. As long as a germanium mixture can be formed, a flexible substrate (for example, a polyimide resin or the like) can also be used. Further, a substrate in which one or more films are formed on a supporting substrate may be used.
[0038]
Note that the structure is preferably a film-like structure, and the structure may be provided over a substrate. Examples of the substrate include, but are not limited to, a substrate having an oxide layer or a nitride layer on its surface, an insulating substrate such as quartz glass, a silicon substrate, a semiconductor substrate such as gallium arsenide, or indium phosphide, and aluminum. If the above structure can be formed on a metal substrate or a substrate as a supporting member, a flexible substrate (for example, a polyimide resin) can also be used. During the film formation, a metal layer such as Ti may be interposed between the substrate and the structure in order to prevent the structure from peeling off from the substrate. In place of the metal layer, a thin film of aluminum or a thin film of germanium may be interposed on the substrate.
[0039]
(Embodiment 2: Manufacturing method of aluminum germanium mixture)
A method for manufacturing the aluminum germanium mixture according to the present invention will be described with reference to FIG. Here, an example in which a sputtering method is used as a method for forming a film in a non-equilibrium state will be described. In FIG. 2, 11 is a substrate, and 12 is a sputtering target. When the sputtering method is used, the ratio between aluminum and germanium can be easily changed by changing the target material.
[0040]
As shown in FIG. 2, an aluminum-germanium mixed film is formed on a substrate by a magnetron sputtering method which is a film forming method for forming a substance in a non-equilibrium state. Although it depends on various conditions at the time of film formation, the columnar member including aluminum is realized by sputtering to achieve an average diameter of less than 20 nm. The structure is preferably a film-like structure. In such a case, the columnar member is configured to include the second material so as to be substantially perpendicular to an in-plane direction of the film. It will be dispersed in the matrix. The thickness of the film-like structure is not particularly limited, but can be applied in the range of 1 nm to 100 μm. In consideration of the process time and the like, a more realistic film thickness is about 1 nm to 1 μm. In particular, it is preferable that the columnar structure is maintained even at a film thickness of 300 nm or more. According to the studies by the inventors, when a film is formed by sputtering, if the film formation temperature (actually, the substrate temperature) is 200 ° C. or less, it depends on the film thickness of the structure formed on the substrate. Thus, it was possible to produce a structure in which aluminum columnar members were dispersed.
[0041]
Germanium and aluminum as raw materials are achieved by disposing a germanium chip on an aluminum target substrate as shown in FIG. In FIG. 2, the germanium chip is divided into a plurality of pieces, but is not limited to this, and may be one if a desired film formation is possible. However, in order to uniformly disperse the columnar structure containing aluminum uniformly in the germanium region, it is better to dispose the columnar structure symmetrically on the substrate 11 as shown in FIG.
[0042]
Alternatively, a fired aluminum germanium product prepared by firing a predetermined amount of powder of aluminum and germanium can be used as a target material for film formation. By using such a target, it is possible to form a uniform film with little variation in film composition.
[0043]
Alternatively, a method may be used in which an aluminum target and a germanium target are separately prepared, and both targets are simultaneously sputtered.
[0044]
The amount of germanium in the formed film is 20 atomic% or more and 70 atomic% or less, preferably 25 atomic% or more and 65 atomic% or less, more preferably 30 atomic% or more and 60 atomic% or less based on the total amount of aluminum and germanium.
[0045]
The substrate temperature is 200 ° C. or lower, preferably 100 ° C. or lower. The temperature is more preferably room temperature or lower. If the amount of germanium is manufactured in such a temperature range, an aluminum germanium mixture in which the columnar structure is dispersed in the germanium region is obtained.
[0046]
The sample temperature during the formation of the aluminum germanium mixed film is preferably 200 ° C. or less. As described above, by forming a film by a method in which aluminum and germanium are formed in a non-equilibrium state at a sample temperature of 200 ° C. or less, a mixed aluminum-germanium film is produced, in which aluminum and germanium are metastable. A crystal structure is formed, and aluminum forms a nano-columnar structure with a level of several nm, and is separated from the germanium region in a self-forming manner. However, when aluminum and germanium are formed at a sample temperature of at least 200 ° C., the produced aluminum-germanium mixed film has a more stable eutectic structure than a structure in which aluminum and germanium are formed at 200 ° C. or lower. Thus, aluminum does not form a nano-columnar structure having a level of several nm.
[0047]
The amount of germanium in the aluminum-germanium mixture can be controlled, for example, by changing the amount of germanium chips placed on the aluminum target or by using a target prepared by changing the amount of mixture of aluminum and germanium powder.
[0048]
When film formation is performed in a non-equilibrium state, particularly in the case of a sputtering method, the pressure in the reactor when flowing argon gas is preferably about 0.2 to 1 Pa. However, the pressure is not particularly limited as long as the pressure is such that argon plasma is stably formed.
[0049]
As the substrate 11, for example, a substrate such as an insulating substrate such as quartz glass, a semiconductor substrate such as silicon or gallium arsenide, or a substrate on which one or more layers of films are formed. The material, thickness, mechanical strength, and the like of the base are not particularly limited as long as there is no problem in forming the aluminum nanocolumn structure. In addition, the shape of the substrate is not limited to a smooth plate-like shape, and may have a curved surface, a surface having a certain degree of unevenness or steps, but if there is no problem with the aluminum nano-columnar structure, There is no particular limitation.
[0050]
As a film formation method for forming a substance in a non-equilibrium state, a sputtering method is preferable, but a vapor deposition method (resistance heating evaporation, electron beam evaporation, or the like), an ion plating method, or any other non-equilibrium state for forming a substance is used. The membrane method is applicable.
[0051]
As a method of film formation, a simultaneous film formation process for simultaneously forming germanium and aluminum may be used, or a stacked film formation process for stacking several atomic layers of germanium and aluminum may be used.
[0052]
(Embodiment 3: Apparatus using aluminum germanium mixture)
FIG. 5 is a schematic view of a single-electron memory using an aluminum germanium mixture. By using aluminum as a quantum dot (island) as shown in the figure, the electrical characteristics of the channel portion can be controlled by the influence of the electric charge accumulated in the quantum dot. In addition, since charges can be accumulated in the quantum dots for a long time, a nonvolatile memory in which information is not lost even when the power is turned off can be formed. In the drawing, 51 is a substrate, 52 is an insulator (for example, silicon oxide), 53 is an aluminum germanium mixture, 54 is a drain, 55 is a gate insulator, 56 is a gate electrode, and 57 is a source.
[0053]
By applying the aluminum germanium structure in this manner, it can be used as a single-electron memory using the quantum effect or a single-electron transistor using the same principle.
[0054]
Further, the present invention enables the application of aluminum nano-columnar structures such as quantum dots and quantum wires in various forms, and significantly expands the application range. The structure according to the present invention can be used as a functional material by itself, but can also be used as a base material, a template, and the like for further novel nanostructures.
[0055]
【Example】
(Example 1)
FIG. 3 shows a schematic view of the aluminum germanium mixture of the present invention. Here, the aluminum nanostructure part surrounded by germanium has a columnar structure, the diameter 2r is 10 nm, the interval 2R is 15 nm, and the length L is 200 nm. In FIG. 3, 21 is a substrate, 22 is an aluminum quantum wire, and 23 is amorphous germanium. FIG. 6 shows an actual SEM photograph.
[0056]
First, a method for manufacturing an aluminum thin wire will be described.
[0057]
An aluminum-germanium mixed film containing germanium at 37 atomic% with respect to the total amount of aluminum and germanium is formed to a thickness of about 200 nm on the glass substrate 21 by RF magnetron sputtering. As shown in FIG. 2, a target having four 15 mm square germanium chips 13 placed on a 4-inch aluminum target was used. The sputtering conditions were as follows: Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 300 W using an RF power source. The substrate temperature was room temperature.
[0058]
Here, as the target 12, one in which four germanium chips 13 were placed on an aluminum target was used. However, the number of germanium chips is not limited to this, but changes according to sputtering conditions, and an aluminum-germanium mixed film is formed. Should be about 37 atomic%. Further, the target is not limited to a target in which a germanium chip is placed on an aluminum target, and may be a target in which an aluminum chip is placed on a germanium target, or a target obtained by sintering a powder of germanium and aluminum may be used. .
[0059]
Furthermore, although the RF sputtering method is used here as the sputtering method, the present invention is not limited to this, and may be an ECR sputtering method, a DC sputtering method, or an ion beam sputtering method. Furthermore, sputtering conditions depend on the apparatus, and are not limited to these.
[0060]
Next, the aluminum germanium mixed film thus obtained was analyzed for the amount (atomic%) of germanium with respect to the total amount of aluminum and silicon by ICP (inductively coupled plasma emission analysis). As a result, the amount of germanium relative to the total amount of aluminum and germanium was about 37 atomic%.
[0061]
The aluminum germanium mixed film was observed by FE-SEM (field emission scanning electron microscope). As shown in FIG. 3, the surface of the substrate viewed diagonally right above the substrate was a two-dimensional array of substantially circular aluminum nanocolumns surrounded by germanium. The pore size of the aluminum nanostructure portion determined by image processing was 10 nm, and the average center-to-center spacing was 15 nm. In addition, when the cross section was observed by FE-SEM, the height of the film was 200 nm, and the aluminum nano-columnar structure portions were independent of each other.
[0062]
Further, when this sample was observed by an X-ray diffraction method, no crystalline peak of germanium showing crystallinity could be confirmed, and germanium was amorphous. Note that a plurality of aluminum crystal peaks were confirmed, and it was found that the crystal was polycrystalline.
[0063]
Therefore, an aluminum-germanium mixture containing an aluminum thin wire having a space 2R of 15 nm, a diameter 2r of 10 nm, and a height L of 200 nm surrounded by germanium could be produced.
[0064]
As described in this embodiment, by forming an aluminum germanium mixed film by a film forming method of forming a substance in a non-equilibrium state such as a sputtering method, aluminum quantum dots of several to several tens nm scale or It becomes possible to form an aluminum-germanium mixture having a structure in which aluminum nano-columnar structures such as aluminum quantum wires are two-dimensionally formed in germanium.
[0065]
(Comparative example)
As a comparative sample A, an aluminum-germanium mixed film containing germanium at 10 atomic% with respect to the total amount of aluminum and silicon was formed on a glass substrate by sputtering at a thickness of about 200 nm. The target used was one in which one 15 mm square germanium chip 13 was placed on a 4-inch aluminum target. The sputtering conditions were as follows: Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 300 W using an RF power source. The substrate temperature was room temperature.
[0066]
Comparative sample A was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). As for the shape of the surface viewed from directly above the substrate, the aluminum portion was not circular, and each aluminum portion formed a structure that was continuously connected. That is, it was not a fine structure in which the aluminum columnar structure was dispersed in the germanium region. Furthermore, its size (length) was far over 20 nm. Further, when the cross section was observed by FE-SEM, the width of the aluminum portion was not columnar, and a large lump exceeding several tens of nm was formed. The aluminum germanium mixed film thus obtained was analyzed by ICP (inductively coupled plasma emission spectrometry) for the amount (atomic%) of germanium with respect to the total amount of aluminum and germanium. As a result, the amount of germanium relative to the total amount of aluminum and germanium was about 10 atomic%.
[0067]
Further, as a comparative sample B, an aluminum-germanium mixed film containing germanium at 75 atomic% with respect to the total amount of aluminum and germanium was formed to a thickness of about 200 nm on a glass substrate by a sputtering method. The target used was one in which eight 15 mm square germanium chips 13 were placed on a 4-inch aluminum target. The sputtering conditions were as follows: Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 300 W using an RF power source. The substrate temperature was room temperature.
[0068]
Comparative sample B was observed by FE-SEM (field emission scanning electron microscope). No aluminum portion could be observed on the sample surface as viewed from directly above the substrate. Further, even when the cross section was observed by FE-SEM, a clear aluminum portion could not be observed. The aluminum germanium mixed film thus obtained was analyzed by ICP (inductively coupled plasma emission spectrometry) for the amount (atomic%) of germanium with respect to the total amount of aluminum and germanium. As a result, the amount of germanium relative to the total amount of aluminum and germanium was about 75 atomic%.
[0069]
As described above, by adjusting the germanium content with respect to the total amount of aluminum and germanium to be at least 20 atomic% or more and 70 atomic% or less, it is possible to form a nano-columnar structure of aluminum in germanium, and It becomes possible to manufacture an aluminum thin wire formed substantially perpendicular to the aluminum wire.
[0070]
Further, as a comparative sample C, an aluminum-silicon mixed film containing germanium at 37 atomic% with respect to the total amount of aluminum and germanium was formed to a thickness of about 200 nm on a glass substrate by a sputtering method. The target used was a 4-inch aluminum target with four 15 mm square silicon chips 13 placed thereon. The sputtering conditions were as follows: Ar flow rate: 50 sccm, discharge pressure: 0.7 Pa, and input power: 300 W using an RF power source. The substrate temperature was set to 250 ° C.
[0071]
Comparative sample C was observed with an FE-SEM (field emission scanning electron microscope). No circular or elliptical aluminum could be observed on the sample surface viewed from directly above the substrate. That is, the nano-columnar structure of aluminum could not be confirmed. That is, if the substrate temperature is too high, the state changes to a more stable state, and it is considered that the film growth for forming the aluminum nano-columnar structure shown in FIGS. 1 and 3 has not been performed.
[0072]
(Example 2)
FIG. 4 shows a schematic view of the aluminum germanium mixture of the present invention. Here, a case is shown in which the aluminum nanostructure surrounded by germanium has a columnar structure, and is an aluminum quantum dot having a diameter 2r of 12 nm, an interval 2L of 15 nm, and a length L of 10 nm. In FIG. 4, 31 is a substrate, 32 is an aluminum quantum dot, and 33 is amorphous germanium. First, a method for producing an aluminum germanium mixture in which the aluminum nanocolumn structure is an aluminum quantum dot will be described. An aluminum-germanium mixed film containing germanium at 30 atomic% with respect to the total amount of aluminum and germanium is formed to a thickness of about 10 nm on a silicon substrate by an ion beam sputtering method.
[0073]
Next, the aluminum germanium mixed film thus obtained was analyzed by ICP (inductively coupled plasma emission spectrometry) for the amount (atomic%) of germanium with respect to the total amount of aluminum and germanium. As a result, the amount of germanium relative to the total amount of aluminum and germanium was about 30 atomic%. Here, for the sake of measurement, an aluminum germanium mixed film deposited on a carbon substrate was used as the substrate.
[0074]
The prepared sample was observed by FE-SEM (field emission scanning electron microscope). As shown in FIG. 4, the surface shape of the substrate viewed obliquely right above the substrate was such that circular aluminum quantum dots surrounded by germanium were two-dimensionally arranged. The pore diameter 2r of the aluminum nanostructure portion (aluminum quantum dots) was 12 nm, and the average center-to-center spacing 2R was 15 nm. When the cross section was observed by FE-SEM, the height was 10 nm, and the aluminum quantum dots were independent of each other.
[0075]
Thus, an aluminum-germanium mixture having aluminum quantum dots surrounded by germanium with an interval 2R of 15 nm, a diameter 2r of 12 nm, and a height L of 10 nm was obtained. When this sample was observed by the X-ray diffraction method, aluminum was crystalline and germanium was amorphous.
[0076]
As described above, by changing the germanium content with respect to the total amount of aluminum and germanium, it is possible to change the diameter of the aluminum nano-columnar structure in germanium. By adjusting the thickness of the aluminum-germanium mixture, the height of the aluminum nano-columnar structure can be changed.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a microstructure in which nano-level aluminum-containing columnar structures are dispersed in a germanium region, and a method for manufacturing the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic view of an example of an aluminum germanium mixture according to the present invention as viewed from above.
(B) is the schematic which looked at an example of the aluminum germanium mixture which concerns on this invention from the side surface.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a method for producing an aluminum germanium mixture of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the aluminum germanium mixture of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of the aluminum germanium mixture of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a single-electron memory using the aluminum germanium mixture according to the present invention.
FIG. 6 is an FE-SEM image of the film surface of the aluminum germanium mixture of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Aluminum
2,23,33 Germanium
3, 11, 21, 31, 51 substrate
12 Target
13 Germanium chips
22 Column structure
32 pillar structure
52 Insulator
53 Aluminum germanium mixture
54 drain
55 Gate insulator
56 Gate electrode
57 Source
100 Aluminum germanium mixed film
