JP2000022092A - Monoelectronic memory device - Google Patents

Monoelectronic memory device

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JP2000022092A
JP2000022092A JP10188858A JP18885898A JP2000022092A JP 2000022092 A JP2000022092 A JP 2000022092A JP 10188858 A JP10188858 A JP 10188858A JP 18885898 A JP18885898 A JP 18885898A JP 2000022092 A JP2000022092 A JP 2000022092A
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island
memory
electrons
electron
insulating film
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JP10188858A
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Japanese (ja)
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庸夫 ▲高▼橋
Tsuneo Takahashi
Satoshi Fujiwara
聡 藤原
Yukinori Ono
行徳 小野
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • G11C2216/02Structural aspects of erasable programmable read-only memories
    • G11C2216/08Nonvolatile memory wherein data storage is accomplished by storing relatively few electrons in the storage layer, i.e. single electron memory

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable data to be written in or erased out from a monoelectronic memory device with a low voltage, by a method wherein the monoelectroic memory device can be kept in a bistable state where it can be kept stable both in a memory state and in a non-memory state. SOLUTION: A barrier island 24B is formed on the channel 23A1 of a semiconductor MOSFET through the intermediary of a first tunnel insulating film 24A, and a memory island 24D is formed thereon through the intermediary of a second tunnel insulating film 24C. Moreover, a gate electrode 24F is formed on the memory island 24D through the intermediary of a comparatively thick insulating film 24E.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、単電子メモリ素子
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single-electron memory device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の単電子メモリと呼ばれる素子は、
シリコンのMOS型トランジスタを用いて作製されてい
る(たとえば、L.Guo,E.Leobandun
g,andS.Y.Chou,App1.Phys.L
ett.70巻、p.850−852(1997年)、
或いはA.Nakajima,T.Futatsug
i,K.Kosemura,T.Fukano,and
N.Yokoyama,App1.Phys.Let
t.70巻、p.1742−1744(1997
年))。
2. Description of the Related Art A conventional element called a single-electron memory is:
Fabricated using a silicon MOS transistor (for example, L. Guo, E. Leobandun)
g, andS. Y. Chou, Appl. Phys. L
ett. 70 volumes, p. 850-852 (1997),
Or A. Nakajima, T .; Futatsug
i, K. Kosemura, T .; Fukano, and
N. Yokoyama, Appl. Phys. Let
t. 70 volumes, p. 1742-1744 (1997)
Year)).

【0003】単電子メモリの基本的な構成は公知のフラ
ッシュメモリと呼ばれるメモリ素子と類似しており、チ
ャネル幅の狭いMOSFETのチャネル上に、電子がト
ンネル可能なほど薄い絶縁膜を介して小さな導電体の島
を配置した構造を有している(nチャネルの場合で説明
する)。単結晶シリコンがシリコン酸化膜上に形成され
ているSOI基板上にこれを実現した場合の、典型的な
構造を図8に示す。ここで、図8(a)は単電子メモリ
素子の平面図、図8(b)はその断面図である。
The basic structure of a single-electron memory is similar to a known memory element called a flash memory, and a small conductive film is formed on a channel of a MOSFET having a narrow channel width through an insulating film thin enough to allow electrons to tunnel. It has a structure in which islands of the body are arranged (it will be described in the case of n-channel). FIG. 8 shows a typical structure when this is realized on an SOI substrate in which single crystal silicon is formed on a silicon oxide film. Here, FIG. 8A is a plan view of a single-electron memory element, and FIG. 8B is a cross-sectional view thereof.

【0004】この単電子メモリ素子は図8(a)に示す
ように、SOI基板10上の薄い上層単結晶シリコン層
13を細線部13Aとその両端の幅広部13Bからなる
ように加工し、さらに、細線部13A上に積膜14を形
成する。すなわち、図8(b)に示すように、細線部1
3A上に薄い絶縁膜からなり電子がトンネル可能な絶縁
膜14A(たとえば、薄いシリコン酸化膜等)を形成
し、その上に小さな導電体層(メモリ島14Bと呼ぶ)
を置き、さらにその上に比較的厚い(電子のトンネルが
生じないような厚さの)絶縁膜14Cを形成し、その絶
縁膜14C介してもう一つの導電体層(上層ゲート電極
14Dと呼ぶ)を形成した構造を有する。
In this single-electron memory device, as shown in FIG. 8A, a thin upper single-crystal silicon layer 13 on an SOI substrate 10 is processed into a thin line portion 13A and wide portions 13B at both ends thereof. Then, the deposition film 14 is formed on the fine line portion 13A. That is, as shown in FIG.
An insulating film 14A (eg, a thin silicon oxide film) made of a thin insulating film and capable of tunneling electrons is formed on 3A, and a small conductor layer (referred to as a memory island 14B) is formed thereon.
Is further formed thereon, and a relatively thick insulating film 14C (having a thickness that does not cause electron tunneling) is formed thereon, and another conductive layer (referred to as an upper gate electrode 14D) is formed via the insulating film 14C. Is formed.

【0005】この単電子メモリ素子は、細線部13Aに
幅の狭いMOSFETのチャネル(電子が流れる領域)
13A1が形成され、この細線部13A上には、上述し
たようにトンネル絶縁膜14Aを介してメモリ島14B
が形成される。そして、このメモリ島14Bには、細線
部13Aのチャネル13A1から電子がトンネルするこ
とで注入され、電子が蓄えられる。この状態が電子がメ
モリ島14Bに書き込まれた”1”状態に対応する。逆
にメモリ島14Bからトンネルによって電子が出ていく
と、書き込まれていない”0”状態、あるいは消去され
た状態になる。この電子をメモリ島14Bに書き込む
か、或いは消去するかは、上層ゲート電極14Dに印加
する電圧によって決まる。すなわち、細線部13Aのチ
ャネルに対し、正の電圧を上層ゲート電極14Dに印加
すると、この正の電圧に引かれてチャネルの電子がメモ
リ島14Bにトンネルしてくる。逆に、上層ゲート電極
14Dに負の電圧を印加すると、反発してメモリ島14
Bから細線部13Aのチャネル13A1に出ていくこと
になる。
In this single-electron memory device, a channel (region through which electrons flow) of a narrow MOSFET is formed in a thin line portion 13A.
13A1 are formed, and the memory islands 14B are formed on the thin line portions 13A via the tunnel insulating films 14A as described above.
Is formed. Then, electrons are injected into the memory island 14B by tunneling from the channel 13A1 of the thin line portion 13A, and the electrons are stored. This state corresponds to the "1" state in which electrons have been written to the memory island 14B. Conversely, when electrons exit from the memory island 14B by tunneling, the state becomes "0" where data is not written or the state where data is erased. Whether these electrons are written to or erased from the memory island 14B is determined by the voltage applied to the upper gate electrode 14D. That is, when a positive voltage is applied to the upper gate electrode 14D with respect to the channel of the thin line portion 13A, the electrons of the channel are tunneled to the memory island 14B by the positive voltage. Conversely, when a negative voltage is applied to the upper gate electrode 14D, it repels and causes the memory island 14D to repel.
From B, it goes out to the channel 13A1 of the thin line portion 13A.

【0006】メモリ島14Bに電子が書き込まれている
か否かは、上層ゲート電極14Dの電圧をある規定の値
にしたときの、メモリ島14Bの図中下部に位置する細
線部13Aのチャネル13A1のコンダクタンスで知る
ことができる。すなわち、メモリ島14Bに電子が注ぎ
込まれると、細線部13AのMOSFETのチャネル1
3A1の閾値が正側にずれるので、チャネル13A1の
コンダクタンスが低くなることを利用して検出するもの
である。
Whether or not electrons have been written to the memory island 14B depends on whether the voltage of the upper gate electrode 14D is set to a predetermined value, the channel 13A1 of the thin line portion 13A located in the lower part of the memory island 14B in the drawing. It can be known by conductance. That is, when electrons are injected into the memory island 14B, the channel 1 of the MOSFET in the thin line portion 13A
The detection is performed by utilizing the fact that the conductance of the channel 13A1 is low because the threshold value of 3A1 is shifted to the positive side.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来の単電子メモリ素
子では、メモリ島14Bに蓄えられた電子が書込プロセ
ス終了後に細線部13Aのチャネルに出ていかないか、
或いは電子が、”0”状態のメモリ島14Bに書き込み
プロセスを経ずに入ってこないことが大切であるので、
細線部13Aのチャネルとメモリ島14B間のトンネル
抵抗をかなり高めに設定している。したがって、書込、
消去に比較的大きな正と負の電圧がそれぞれ必要になる
という問題がある。
In the conventional single-electron memory device, it is determined whether the electrons stored in the memory island 14B do not enter the channel of the thin line portion 13A after the end of the writing process.
Alternatively, since it is important that electrons do not enter the memory island 14B in the “0” state without going through the writing process,
The tunnel resistance between the channel of the thin line portion 13A and the memory island 14B is set to be considerably high. Therefore, writing,
There is a problem that relatively large positive and negative voltages are required for erasing, respectively.

【0008】この単電子メモリ素子の書込、消去動作は
基本的に公知のフラッシュメモリと同じであり、この問
題はデバイスのサイズを小さくしても解決しない。ま
た、そのうえ、単電子メモリでは、上記のメモリ島14
Bのサイズを小さくして電子が数個しか入らないように
している。この点は、蓄積する電子数を極めて小さくで
きるので省電力な素子として有効である。しかし、この
ような系では電子n個をメモリ島14Bに入れた場合、
電子の素電荷をe、メモリ島14Bの総容量をCとする
と、メモリ島14Bの電位はne/Cだけ高くなる。こ
こで、メモリ島14Bのサイズが小さくなると、上記n
が1のオーダーでもメモリ島14Bの電位の上昇が無視
できなくなり、したがって電子が1個入ると次の電子が
入りにくくなる効果が顕著になってくる。これは、電子
を2個以上メモリ島14Bに蓄えると、各電子の電荷同
士の反発で電子が島から排出され易くなることを意味し
ており、電荷を蓄えておくことを動作の基本にしている
メモリ素子としては不利である。
The writing and erasing operations of this single-electron memory element are basically the same as those of a known flash memory, and this problem cannot be solved by reducing the size of the device. In addition, in a single-electron memory, the above-mentioned memory island 14 is used.
The size of B is reduced so that only a few electrons enter. This point is effective as a power-saving element because the number of stored electrons can be extremely reduced. However, in such a system, when n electrons are put into the memory island 14B,
Assuming that the elementary charge of electrons is e and the total capacity of the memory island 14B is C, the potential of the memory island 14B increases by ne / C. Here, when the size of the memory island 14B is reduced, the n
, The rise in the potential of the memory island 14B cannot be ignored, so that the effect that one electron becomes difficult to enter the next electron becomes remarkable. This means that, when two or more electrons are stored in the memory island 14B, the electrons of the electrons tend to be discharged from the island due to repulsion of the charges of each electron. This is disadvantageous as a memory device.

【0009】そもそもこの単電子メモリ素子は、メモリ
される電子が電子同士の反発が無い1個と仮定し、且つ
最適な設計がなされたと仮定しても、原理的に電子がメ
モリされている状態と、メモリされていない状態とが同
じエネルギーを持ち、且つこの2つの状態の中間の状態
としてこれより高いエネルギーを有する状態を通らずに
遷移する。したがって双安定な状態とは言えず、基本的
なメモリの保持動作はトンネル抵抗を高めることで、電
子がメモリ島から出ていく確率を小さく押さえたにすぎ
ない。また、従来の単電子メモリの中には図8とは異な
る構造を有したものもあるが動作の基本は図8の単電子
メモリと同じである。このように従来の単電子メモリ
は、メモリされている状態とメモリされていない状態と
を双安定にできないため、書込、消去に比較的大きな電
圧が必要であるという欠点があった。
In the first place, this single-electron memory element has a state in which electrons are stored in principle even if it is assumed that the electrons to be stored are one in which there is no repulsion between the electrons and an optimal design is made. And the state that is not stored has the same energy, and transitions without passing through a state having a higher energy as an intermediate state between the two states. Therefore, it cannot be said that the state is a bistable state. The basic operation of holding the memory is to merely reduce the probability that electrons leave the memory island by increasing the tunnel resistance. Some conventional single-electron memories have a structure different from that of FIG. 8, but the basic operation is the same as that of the single-electron memory of FIG. As described above, the conventional single-electron memory has a drawback that a relatively large voltage is required for writing and erasing since the memory state and the non-memory state cannot be made bistable.

【0010】したがって本発明は、メモリされている状
態とメモリされていない状態とを双安定に存在できるよ
うにして小さな電圧でメモリの書込及び消去を行うこと
を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to enable writing and erasing of a memory with a small voltage by enabling a state of being stored and a state of not being stored to be bistable.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、半導体からなるMOS型トランジス
タのチャネル上に少なくとも第1のトンネル性絶縁膜を
介して形成されたバリアとなる第1の導電体島と、第1
の導電体島上に第2のトンネル性絶縁膜を介して形成さ
れたメモリとなる第2の導電体島と、少なくとも第2の
導電体島と容量的に結合した電極とを備えたものであ
る。また、半導体からなる単電子トランジスタの単電子
島上に少なくとも第1のトンネル性絶縁膜を介して形成
されたバリアとなる第1の導電体島と、第1の導電体島
上に第2のトンネル性絶縁膜を介して形成されたメモリ
となる第2の導電体島と、少なくとも第2の導電体島と
容量的に結合した電極とを備えたものである。また、第
1及び第2の導電体島のうち少なくとも一方の導電体島
は2個以上の導電体島からなり、各導電体島は互いに絶
縁膜により分離されるものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method of forming a barrier which is formed on a channel of a MOS transistor made of a semiconductor via at least a first tunnel insulating film. The first conductive island and the first conductive island
A second conductive island serving as a memory formed on the conductive island via a second tunnel insulating film, and an electrode capacitively coupled to at least the second conductive island. . In addition, a first conductive island serving as a barrier formed on at least a single electron island of a semiconductor single electron transistor via a first tunnel insulating film, and a second conductive island formed on the first conductive island. The semiconductor device includes a second conductor island serving as a memory formed through an insulating film, and at least an electrode capacitively coupled to the second conductor island. At least one of the first and second conductor islands is composed of two or more conductor islands, and each conductor island is separated from each other by an insulating film.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。以下の実施の形態では、シリコンのMO
S型トランジスタの構成あるいは作製プロセスを基本に
して説明する。言うまでもないが、他の材料、たとえば
化合物半導体を用いたデバイス・プロセス構成でも可能
である。また、以下の各実施の形態の説明においては、
説明の都合上nチャネル(電子をキャリアとする)の場
合について説明する。なお、pチャネルの場合でも電子
を正孔と読み替えることにより同様に動作するような素
子であれば、以下の各実施の形態の全てについてnチャ
ネルの場合と同様に適用できる。
Next, the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiment, the MO of silicon will be described.
The description will be made based on the configuration or manufacturing process of the S-type transistor. It goes without saying that a device / process configuration using another material, for example, a compound semiconductor is also possible. In the following description of each embodiment,
The case of n-channel (electrons are carriers) will be described for convenience of explanation. Note that, in the case of a p-channel element as long as the element operates similarly by replacing electrons with holes, the following embodiments can be applied in the same manner as in the case of the n-channel.

【0013】(1)第1の実施の形態 まず、本発明の第1の実施の形態として、既に図8で説
明した従来の単電子メモリに構造が近い単一島型の構造
の例について図1を参照し説明する。なお、ここでは素
子の分離が単純であるため、単結晶シリコン21上にシ
リコン酸化膜22(埋め込み酸化膜と呼ぶ)を介してそ
の上層にさらに単結晶シリコン層23が形成されたSO
Iウエハ20(SIMOXや張り付けウエハ等がある)
を用いたMOS型トランジスタの構成について説明する
が、この代わりにバルクのシリコン基板上に形成したM
OS型トランジスタを用いても良い。
(1) First Embodiment First, as a first embodiment of the present invention, an example of a single island type structure similar in structure to the conventional single electron memory already described with reference to FIG. 1 will be described. Here, since the isolation of the element is simple, an SOI in which a single-crystal silicon layer 23 is further formed on the single-crystal silicon 21 via a silicon oxide film 22 (referred to as a buried oxide film) over the silicon oxide film 22
I wafer 20 (SIMOX, bonded wafer, etc.)
The structure of a MOS type transistor using a MOS transistor will be described.
An OS transistor may be used.

【0014】図1(a)の平面図に示すように、SOI
ウエハ20の薄層化された上層シリコン23を、細線状
にくびれた領域(細線部23A)とその両端の幅の広い
領域(幅広部23B)を有する構造に加工する。さら
に、その上層シリコン23の細線部23A上には図1
(b)の断面図に示すように、第1の薄いトンネル性絶
縁膜24Aを挟んで第1の導電体からなるバリア島24
Bを形成する。そして、そのバリア島24B上に第2の
薄いトンネル性絶縁膜24Cを挟んで第2の導電体から
なるメモリ島24Dを形成し、さらにそのメモリ島24
D上に比較的厚い絶縁膜層24Eを挟んで上層のゲート
電極24Fを形成する。
As shown in the plan view of FIG.
The thinned upper silicon layer 23 of the wafer 20 is processed into a structure having a narrow region (fine line portion 23A) and wide regions (wide portions 23B) at both ends thereof. Further, on the fine line portion 23A of the upper silicon 23, FIG.
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2B, a barrier island 24 made of a first conductor is sandwiched across a first thin tunnel insulating film 24A.
Form B. Then, a memory island 24D made of a second conductor is formed on the barrier island 24B with a second thin tunnel insulating film 24C interposed therebetween.
An upper gate electrode 24F is formed on D with a relatively thick insulating film layer 24E interposed therebetween.

【0015】このような単電子メモリ素子の作製工程に
ついては、まずSOIウエハ20の薄層化された上層シ
リコン23上に第1の薄いトンネル性絶縁膜24Aとし
てたとえば燐などをドープした薄いシリコン酸化膜を熱
酸化法等で形成し、その上にバリア島24Bとなる第1
の導電体層としてたとえば薄い多結晶あるいはアモルフ
ァスのシリコン層を形成する。次に、このシリコン層上
に第2のトンネル性絶縁膜24Cとしてたとえば薄いシ
リコン酸化膜をCVD法あるいは熱酸化法等で形成し、
さらにその酸化膜上にメモリ島24Dである第2の導電
体層としてたとえば燐などをドープした薄い多結晶ある
いはアモルファスのシリョン層を形成する。続いて、こ
のシリョン層上に絶縁膜層24Eとしてたとえばシリコ
ン酸化膜をCVD法あるいは熱酸化法で形成する。こう
した積層膜24の形成後に、公知の電子ビームリソグラ
フィーとエッチングにより、バリア島24B、メモリ島
24Dになる部分を加工し、第1の導電体層(バリア島
24B)を島に加工したところでエッチングを中断し、
新たに細線部24Bとその両端の幅広部24Aを有する
構造に加工し、図1に示すような構造を得る。上層のゲ
ート電極24Fは加工後に形成することもできるし、積
層膜24上に形成して置いて、メモリ島24Dの加工と
同時に加工することも可能である。
In the manufacturing process of such a single-electron memory device, first, a thin silicon oxide doped with, for example, phosphorus or the like as a first thin tunnel insulating film 24A is formed on a thinned upper silicon 23 of an SOI wafer 20. A film is formed by a thermal oxidation method or the like, and a first barrier island 24B is formed thereon.
For example, a thin polycrystalline or amorphous silicon layer is formed. Next, for example, a thin silicon oxide film is formed as a second tunnel insulating film 24C on the silicon layer by a CVD method or a thermal oxidation method.
Further, on the oxide film, a thin polycrystalline or amorphous silicon layer doped with, for example, phosphorus is formed as a second conductive layer which is the memory island 24D. Subsequently, a silicon oxide film, for example, is formed as an insulating film layer 24E on the silicon layer by a CVD method or a thermal oxidation method. After the formation of the laminated film 24, the portions that become the barrier islands 24B and the memory islands 24D are processed by known electron beam lithography and etching, and etching is performed when the first conductive layer (barrier island 24B) is processed into islands. Suspend,
A new structure having a thin wire portion 24B and wide portions 24A at both ends is obtained to obtain a structure as shown in FIG. The upper layer gate electrode 24F can be formed after processing, or can be formed and placed on the laminated film 24 and processed simultaneously with the processing of the memory island 24D.

【0016】次にこうして作製された単電子メモリ素子
の動作について説明する。図2に簡略化したこの単電子
メモリ素子の等価回路を示す。なお、ゲート電極24F
とメモリ島24D間の容量性絶縁膜24Eは厚く、電子
はトンネルできないものとする。ここで、細線部23A
にはサイズの小さいMOSFETのチャネル23A1が
形成されており、この細線部23Aのチャネル23A1
にトンネル性絶縁膜24Aを介してバリア島24Bが接
続されるので、この絶縁膜24Aのトンネル容量C1が
バリア島24Bと細線部23Aのチャネル23A1との
間に挟まれた回路構成となる。さらに、その上に絶縁膜
24Cのトンネル容量C2を介してメモリ島23Cが存
在し、さらにその上に絶縁膜24Eを介してゲート電極
24Fが存在する回路構成になる。このような構造で
は、バリア島24Bやメモリ島24Dのサイズが小さい
と、その容量(トンネル容量を含め、島がそれ以外の外
界に対して有する容量の総和)が小さくなる。このよう
な島に電子が1個追加された場合、島のエネルギーはe
2 /2Ctotal だけ上昇する。ただし、島の総容量をC
total 、電子の素電荷をeとする。
Next, the operation of the single-electron memory device thus manufactured will be described. FIG. 2 shows a simplified equivalent circuit of this single-electron memory element. The gate electrode 24F
It is assumed that the capacitive insulating film 24E between the memory island 24D and the memory island 24D is thick and electrons cannot tunnel. Here, the thin line portion 23A
Is formed with a small-sized MOSFET channel 23A1.
Is connected to the barrier island 24B via the tunnel insulating film 24A, so that a tunnel capacitance C1 of the insulating film 24A is sandwiched between the barrier island 24B and the channel 23A1 of the thin wire portion 23A. Further, a circuit configuration is provided in which the memory island 23C is present thereon via the tunnel capacitance C2 of the insulating film 24C, and the gate electrode 24F is further provided thereon via the insulating film 24E. In such a structure, when the size of the barrier islands 24B and the memory islands 24D is small, the capacity (total capacity of the island with respect to the outside world including the tunnel capacity) becomes small. If one electron is added to such an island, the energy of the island is e
It rises by 2 / 2C total. However, the total capacity of the island is C
total and the elementary charge of the electron is e.

【0017】ここで、まず全ての導電体の仕事関数が等
しく、且つ各電極には電圧が印加されていない状態を考
える。たとえば、バリア島24Bの大きさをメモリ島2
4Dより少し小さくするなどしてバリア島24Bの総容
量がメモリ島24Dの総容量より小さくしておき、電子
を1個島に書き込むことを考えると、電子はバリア島2
4Bに存在するよりはメモリ島24Dに存在する方が安
定である(必ずしもこのような容量の大小関係が成り立
っている必要は無いが、この例の方が効果的であり、理
解が簡単であるので例にとって説明する)。
First, consider a state where the work functions of all the conductors are equal and no voltage is applied to each electrode. For example, the size of the barrier island 24B is
Considering that the total capacity of the barrier island 24B is made smaller than the total capacity of the memory island 24D, for example, by making it slightly smaller than 4D, and electrons are written into one island, the electrons are stored in the barrier island 2B.
It is more stable in the memory island 24D than in the memory island 4B. (It is not necessary that such a size relationship be established. However, this example is more effective and easy to understand.) This is explained using an example).

【0018】電子がメモリ島24Dに書き込まれるとメ
モリ島24Dの電位は上昇するが、バリア島24Bに移
ると、メモリ島24D以上にエネルギーが上昇するので
このようなトンネルは起きない。電子がメモリ島24D
から出ていくためにはバリア島24Bに一旦電子が移っ
て、細線部23Aのチャネル23A1に出る必要がある
が、このプロセスが取れないことになる。従って、安定
にメモリ島24Dに電子が1個存在できることになる。
電子を強制的にメモリ島24Dから排出するためには、
ゲート電極24Fに負の電圧を印加すれば、電界の効果
により電子がバリア島24Bに移った方がエネルギー的
に安定になり、電子はバリア島24Bに排出され、さら
に安定な細線部23Aのチャネル23A1に移動した状
態へと遷移させれば良い。
When electrons are written to the memory island 24D, the potential of the memory island 24D rises. However, when the electron moves to the barrier island 24B, such a tunnel does not occur because the energy rises more than the memory island 24D. Electron is Memory Island 24D
In order to get out, the electrons need to move once to the barrier island 24B and exit to the channel 23A1 of the thin line portion 23A, but this process cannot be taken. Therefore, one electron can stably exist in the memory island 24D.
In order to forcibly eject electrons from the memory island 24D,
When a negative voltage is applied to the gate electrode 24F, the energy is more stable when electrons move to the barrier island 24B due to the effect of the electric field, the electrons are discharged to the barrier island 24B, and the channel of the finer wire portion 23A is more stable. What is necessary is just to change to the state moved to 23A1.

【0019】一方、電子をメモリ島24Bに書き込むた
めには、ゲート電極24Fに正の電圧を印加し、逆向き
の電界により、逆のプロセスを通ってメモリ島24Bに
電子を引き込むことが可能である。このように、書込、
消去の際にのみゲート電極24Fに正負の電圧を印加す
る手法は、既に説明した従来例と同じである。しかし、
本発明では、メモリ島24Dの電子を保持するか、ある
いはメモリ島24Dに電子が無い状態で細線部23Aの
チャネル23A1から電子がメモリ島24Dに入ってく
るのを阻止するのは従来例のようにトンネル抵抗を高く
するのではなく、バリア島24Bを挿入することで行っ
ている。したがって、電子のとじ込めとトンネル抵抗は
無関係(有限な温度では、2つのトンネル性絶縁膜24
A,24Cのトンネル抵抗があまりに小さいと、高次の
トンネル現象である協同トンネル現象が生じるので、或
程度高いトンネル抵抗が必要である。これを改善する手
法については後述する)であるので、小さな印加電圧
で、高速な書込、消去ができる。
On the other hand, in order to write electrons into the memory island 24B, a positive voltage is applied to the gate electrode 24F, and the electrons can be drawn into the memory island 24B through the reverse process by the electric field in the opposite direction. is there. Thus, writing,
The method of applying a positive or negative voltage to the gate electrode 24F only at the time of erasing is the same as that of the conventional example described above. But,
In the present invention, it is conventional to hold the electrons of the memory island 24D or to prevent the electrons from entering the memory island 24D from the channel 23A1 of the thin wire portion 23A when there is no electron in the memory island 24D as in the conventional example. Instead of increasing the tunnel resistance, a barrier island 24B is inserted. Therefore, the confinement of electrons and the tunnel resistance are irrelevant (at a finite temperature, the two tunnel insulating films 24
If the tunnel resistance of A and 24C is too small, a cooperative tunnel phenomenon, which is a higher-order tunnel phenomenon, occurs, so that a somewhat high tunnel resistance is required. Since a technique for improving this will be described later), high-speed writing and erasing can be performed with a small applied voltage.

【0020】メモリ島24Dに書き込まれた電子の検出
は、細線部23Aの小さなMOSFETのチャネル23
A1のソースSとドレインD間のコンダクタンスで検出
する。たとえば、メモリ島24Dに電子が入ると、2つ
のトンネル容量C1,C2を直列接続した容量(細線部
23Aのチャネルとメモリ島間の容量で決まるので、そ
の他にメモリ島から直接細線部23Aのチャネルに作用
する容量も含めるのが正しい)を介して細線部23Aの
チャネル23A1のコンダクタンスが下がることで検出
可能である。
The detection of electrons written in the memory island 24D is performed by detecting the small MOSFET channel 23 in the thin line portion 23A.
It is detected by the conductance between the source S and the drain D of A1. For example, when electrons enter the memory island 24D, the capacitance obtained by connecting the two tunnel capacitors C1 and C2 in series (determined by the capacity between the channel of the thin line portion 23A and the memory island, and in addition, directly from the memory island to the channel of the thin line portion 23A) It is possible to detect the decrease in the conductance of the channel 23A1 of the thin line portion 23A via the capacitance that acts correctly).

【0021】以上の説明では、書込、消去動作時以外の
保持状態において細線部23Aのチャネル23A1とゲ
ート電極24F間に電圧を印加しない手法について説明
したが、メモリ島24Dにメモリした状態と、メモリし
ていない状態のエネルギーを全く同じにするためには、
保持状態でゲート電極24Fにわずかに正の電圧を印加
する(電極材料を変えて、その仕事関数で調整すること
も可能)のが良い。このように、保持状態でゲート電圧
を印加する手法を用いることを考えると、上述のように
バリア島24Bの総容量をメモリ島24Dの総容量より
小さくしておくという制約は不要であり、ゲート電極2
4Fの電圧でメモリ島24Dにメモリした状態とメモリ
していない状態のエネルギーを全く同じにすれば良い。
In the above description, the method in which no voltage is applied between the channel 23A1 of the thin line portion 23A and the gate electrode 24F in the holding state other than the writing and erasing operations has been described. In order to make the energy of the state without memory exactly the same,
It is preferable to apply a slightly positive voltage to the gate electrode 24F in the holding state (the work function can be adjusted by changing the electrode material). As described above, considering the method of applying the gate voltage in the holding state, it is not necessary to limit the total capacity of the barrier island 24B to be smaller than the total capacity of the memory island 24D as described above. Electrode 2
The energy of the state stored in the memory island 24D at the voltage of 4F and the energy of the state not stored in the memory island 24D may be made exactly the same.

【0022】また、島のサイズが小さくなると量子閉じ
込め効果により、電子が1個追加されたときのエネルギ
ー上昇が島の容量で決まる以上に大きくなる。最適設計
にはこの効果をも取り入れる必要がある。また、有限な
温度での動作を考えた場合2つのトンネル性絶縁膜24
A,24Cのトンネル抵抗があまりに小さいと、高次の
トンネル現象である協同トンネル現象が生じ、これを阻
止するためにトンネル抵抗を低く設定できない場合があ
る。これは高速な書込、消去動作を阻害することにな
る。これを解決するためには、バリア島24Bを直列に
多数挿入すれば良い。これにより、協同トンネル現象を
抑えることができる。図1,2の例ではバリア島24B
が1個であるが、図3の例のように、より多層にバリア
島23B1,23B2とトンネル性絶縁膜層24A1,
24A2を形成することにより可能になる。
Further, when the size of the island becomes smaller, the energy increase when one electron is added becomes larger than that determined by the capacity of the island due to the quantum confinement effect. It is necessary to incorporate this effect into the optimal design. Further, considering operation at a finite temperature, two tunnel insulating films 24 are required.
If the tunnel resistance of A and 24C is too small, a cooperative tunnel phenomenon, which is a higher-order tunnel phenomenon, occurs. In order to prevent this, the tunnel resistance may not be set low. This hinders high-speed writing and erasing operations. In order to solve this, a large number of barrier islands 24B may be inserted in series. Thereby, the cooperative tunnel phenomenon can be suppressed. In the example of FIGS. 1 and 2, barrier island 24B
However, as shown in FIG. 3, the barrier islands 23B1 and 23B2 and the tunnel insulating film layers 24A1 and 24A1
This is made possible by forming 24A2.

【0023】図3は、バリア島を2個用いた場合の等価
回路である。直列に挿入するバリア島の数を増やせば増
やすほど協同トンネル現象を抑えることができるが、細
線部23Aのチャネル23A1とメモリ島24Dとの間
の実効的な容量も小さくなるので、メモリ島24Dに存
在する電子を細線部23Aのチャネルコンダクタンスで
検出する感度が低下することに注意する必要がある。
FIG. 3 is an equivalent circuit when two barrier islands are used. The more the number of barrier islands inserted in series is increased, the more the cooperative tunnel phenomenon can be suppressed. However, since the effective capacity between the channel 23A1 of the thin wire portion 23A and the memory island 24D also becomes smaller, the memory island 24D It should be noted that the sensitivity of detecting existing electrons by the channel conductance of the thin wire portion 23A is reduced.

【0024】(2)第2の実施の形態 第2の実施の形態では、上記の第1の実施の形態で一例
として説明した、SOIを用いた本発明の素子形成法で
ある図1の構造の作製法において、多層膜を構成する場
合、第2の導電体層(メモリ島24Dとなる導電体層)
として多結晶あるいはアモルファスシリコン層を形成
後、島構造に多層膜を加工する(第1の実施の形態では
その上の絶縁膜形成後に加工しているが、前記の例でも
ここで説明する手法を用いることができることは言うま
でもない)。
(2) Second Embodiment In a second embodiment, the structure shown in FIG. 1 which is an example of the element formation method of the present invention using SOI, which has been described as an example in the first embodiment, will be described. In the case where a multilayer film is formed in the method described in the above, the second conductor layer (conductor layer to be the memory island 24D)
After forming a polycrystalline or amorphous silicon layer, a multilayer film is processed into an island structure (in the first embodiment, processing is performed after forming an insulating film thereon, but the method described here is also used in the above example. Needless to say, it can be used).

【0025】次に細線部23Aと幅広部23Bを形成
後、この構造をたとえば1000℃の温度で熱酸化す
る。この熱酸化で、最上層にあるメモリ島24Dの上部
が酸化されて、比較的厚い酸化膜が形成される。このと
き、酸化によりメモリ島24Dを構成するシリコンが酸
化シリコンに変わるのでメモリ島24Dとなるシリコン
が減少する。従って、これを考慮してシリコン層の初期
の厚さを厚くしておく必要がある。なお、酸化は、この
ような縦方向(垂直方向)ばかりではなく、図1に示す
島構造において横方向(水平方向)からも生じるので、
メモリ島24Dとバリア島24Bのサイズは横方向から
縮小されることも考慮する必要がある。さらに、この酸
化プロセスでは、埋め込み酸化膜を介しての酸化性化学
種(水分あるいは酸素)の拡散と細線部23Aあるいは
パターンエッジ部での酸化に伴う応力の効果で、SOI
の上層シリコンのパターン形状に依存した酸化が生じ、
細線の両端部が細線部23Aや幅広部23Bより薄くな
る現象が生じる。
Next, after forming the thin line portion 23A and the wide portion 23B, the structure is thermally oxidized at a temperature of, for example, 1000.degree. By this thermal oxidation, the upper part of the memory island 24D in the uppermost layer is oxidized, and a relatively thick oxide film is formed. At this time, the silicon constituting the memory island 24D is changed to silicon oxide by oxidation, so that the amount of silicon that becomes the memory island 24D decreases. Therefore, it is necessary to increase the initial thickness of the silicon layer in consideration of this. Oxidation occurs not only in such a vertical direction (vertical direction) but also in a horizontal direction (horizontal direction) in the island structure shown in FIG.
It is necessary to consider that the sizes of the memory island 24D and the barrier island 24B are reduced in the horizontal direction. Furthermore, in this oxidation process, the SOI is affected by the diffusion of oxidizing chemical species (moisture or oxygen) through the buried oxide film and the stress caused by oxidation at the fine wire portion 23A or the pattern edge portion.
Oxidation occurs depending on the pattern shape of the upper silicon,
A phenomenon occurs in which both ends of the thin wire become thinner than the thin wire portion 23A and the wide portion 23B.

【0026】初期のSOIの上層シリコン層の厚さを適
当な厚さ(1000℃の酸化ではたとえば20nmから
50nm程度)に設定しておくと、薄くなった部分をト
ンネル容量とし、シリコン細線部23A1を小さなシリ
コン島に変えることができる(以上の構造は特開平7−
275544号:クーロンブロッケイド素子とその製造
方法に示されている)。すなわち、図4の等価回路に示
すように、バリア島24Bの下にシリコン島24G(単
電子島;以下、SET島24Gと呼ぶ)が形成され、そ
の両端の幅広部23Bとの間にトンネル容量C3,C4
を有する構造ができる。そして、この構造のメモリ島2
4D上にゲート電極24Fを形成する。
If the thickness of the upper silicon layer of the initial SOI is set to an appropriate thickness (for example, about 20 nm to 50 nm in the case of oxidation at 1000 ° C.), the thinned portion is used as a tunnel capacitor, and the silicon thin wire portion 23A1 is formed. Can be changed to small silicon islands.
275544: Coulomb blockade element and its manufacturing method). That is, as shown in the equivalent circuit of FIG. 4, a silicon island 24G (single electron island; hereinafter, referred to as a SET island 24G) is formed below the barrier island 24B, and a tunnel capacitance is formed between the silicon island 24G and the wide portions 23B at both ends. C3, C4
Is obtained. And memory island 2 of this structure
A gate electrode 24F is formed on 4D.

【0027】この単電子メモリ素子のデバイスは、図
1,2の単電子メモリ素子のデバイスのMOSFETの
チャネル23A1を単電子トランジスタ(SET)23
A2に置き換えた構造のデバイスになっている。このデ
バイスでは、MOSFETのチャネルコンダクタンスの
代わりに、単電子トランジスタ(SET)23A2のソ
ース・ドレインコンダクタンスでメモリ島24Dの電子
の有無を検出することになる。また、メモリ島24Dへ
の電子は、ソースSまたはドレインDからSET島24
Gとバリア島24Bを介して出し入れされることにな
る。この構造の利点は、SET島24Gもバリア島24
Bとして働くので、図4に示すデバイスでは、実効的に
バリア島24Bを2個直列に配置した図3の素子のよう
に、協同トンネルを抑制する効果がある。
In this single-electron memory device, the MOSFET channel 23A1 of the single-electron memory device shown in FIGS.
The device has a structure replaced with A2. In this device, the presence or absence of electrons in the memory island 24D is detected by the source-drain conductance of the single-electron transistor (SET) 23A2 instead of the channel conductance of the MOSFET. Electrons to the memory island 24D are transferred from the source S or the drain D to the SET island 24D.
G and the barrier island 24B. The advantage of this structure is that the SET island 24G and the barrier island 24
4, the device shown in FIG. 4 has an effect of suppressing a cooperative tunnel, like the element of FIG. 3 in which two barrier islands 24B are effectively arranged in series.

【0028】したがって、この単電子メモリ素子は、図
5の等価回路に示すように、図4のデバイスからバリア
島24Bを省略した構造でもメモリ動作する。ここで、
メモリ用ゲート電極24Fに正の電圧を印加していくと
バリア島24Bとして作用していたSET島24Gのク
ーロンブロッケイドが破れ、ソースS(あるいはドレイ
ンD)からSET島24Gを通って単電子がメモリ島2
4Dに供給される。ゲート電極24Fの電位を元に戻す
と、バリア島24BであるSET島24Gがクーロンブ
ロッケイド状態になるので、メモリ島24Dの電子は出
ていけない。したがって、単電子がメモリ島24Dにメ
モリされた状態(書き込み状態)になる。これを消去す
るためには、メモリ用ゲート電極24Fに負の電圧を印
加し、SET島24Gのクーロンブロッケイドを破って
メモリ島24DからSET島24Gを経由してソースS
(あるいはドレインD)に電子を放出すれば良い。この
場合、メモリ島24Dは消去状態になる。このような、
メモリノードの書き込み、消去による単電子の増減は、
メモリ島24Dとトンネル容量C2を介して接続された
SET島24Gのコンダクタンスの変化として読みとる
ことができる。
Therefore, as shown in the equivalent circuit of FIG. 5, this single-electron memory element operates as a memory even in a structure in which the barrier island 24B is omitted from the device of FIG. here,
When a positive voltage is applied to the memory gate electrode 24F, the Coulomb blockade of the SET island 24G acting as the barrier island 24B is broken, and a single electron from the source S (or drain D) passes through the SET island 24G. Memory Island 2
4D. When the potential of the gate electrode 24F is returned to its original state, the SET island 24G, which is the barrier island 24B, enters a Coulomb blockade state, so that the electrons on the memory island 24D cannot escape. Accordingly, a state is reached in which a single electron is stored in the memory island 24D (write state). To erase this, a negative voltage is applied to the memory gate electrode 24F to break the Coulomb blockade of the SET island 24G and cause the source island S from the memory island 24D via the SET island 24G.
(Or drain D). In this case, the memory island 24D is in the erased state. like this,
Increase / decrease of single electron due to writing / erasing of memory node
It can be read as a change in the conductance of the SET island 24G connected to the memory island 24D via the tunnel capacitance C2.

【0029】なお、この場合、図4に示すバリア島24
Bを配置した構成でも同様に動作する。この場合は、バ
リア島24Bが挿入されているので、より安定にクーロ
ンプロッケイドが成り立ち、協同トンネルを抑える効果
に加えて島の周囲にある浮遊の電荷の影響をより受けに
くくする効果もある。
In this case, the barrier island 24 shown in FIG.
The same operation is performed in the configuration where B is arranged. In this case, since the barrier island 24B is inserted, the Coulomb blockade is more stably formed, and in addition to the effect of suppressing the cooperative tunnel, there is also an effect of making it less susceptible to the influence of floating charges around the island.

【0030】(3)第3の実施の形態 上記の第1及び第2の実施の形態では、メモリ島24D
やバリア島24Bが単一のシリコン島(直列になってい
る場合はそれぞれ1個1個の島がバリア島としての役割
を果たすと考える)から構成されている場合について説
明した。しかし、バリア島24B、あるいはメモリ島2
4Dが並列に多数存在しても良い。ここでは、その例に
ついて説明する。
(3) Third Embodiment In the above first and second embodiments, the memory island 24D
And the case where the barrier island 24B is constituted by a single silicon island (in the case of being in series, each island is considered to play a role as a barrier island). However, barrier island 24B or memory island 2
Many 4Ds may exist in parallel. Here, an example thereof will be described.

【0031】図6にその一例を示す。図6の例は、図1
の第1の実施の形態におけるバリア島24Bとメモリ島
24Dがそれぞれ多数の微小な導電体島からなる層で形
成されたものである。したがって、バリア島24BとM
OSFETのチャネル23A1間、バリア島24Bとメ
モリ島24D間は薄いシリコン酸化膜などのトンネル性
絶縁膜26を介して隔てられている。ただし、バリア島
24Bとなる微小な導電体島層内及びメモリ島24Dと
なる微小な導電体島層内のそれぞれの個々の島27、2
8はトンネル性絶縁膜で隔てられていても良いし、非ト
ンネル性絶縁膜で隔てられていても良い。
FIG. 6 shows an example. The example of FIG.
In the first embodiment, the barrier islands 24B and the memory islands 24D are each formed by a layer composed of a large number of minute conductive islands. Therefore, barrier islands 24B and M
The channel 23A1 of the OSFET and the barrier island 24B and the memory island 24D are separated from each other via a tunnel insulating film 26 such as a thin silicon oxide film. However, the individual islands 27, 2 in the minute conductor island layer that becomes the barrier island 24B and in the minute conductor island layer that becomes the memory island 24D
8 may be separated by a tunnel insulating film or may be separated by a non-tunnel insulating film.

【0032】このような微小な導電体島層の作製に関し
ては、各種の手法が公知である。たとえば、シリコン酸
化膜中に、シリコンやスズの原子をイオン注入し、熱処
理すると酸化膜中のシリコンやスズが島状に集まって小
さなシリコンやスズの島の層が形成される。あるいは、
シリコン酸化膜表面に真空中でシリコンを蒸着するとシ
リコン酸化膜上に吸着したシリコン原子が酸化膜表面を
マイグレーションし、小さなシリコン島を形成する。
Various methods are known for producing such a fine conductor island layer. For example, when silicon or tin atoms are ion-implanted into a silicon oxide film and heat treatment is performed, silicon and tin in the oxide film gather in an island shape to form a small silicon or tin island layer. Or,
When silicon is deposited on the surface of the silicon oxide film in a vacuum, silicon atoms adsorbed on the silicon oxide film migrate on the surface of the oxide film to form small silicon islands.

【0033】この島のサイズと密度は、蒸着するシリコ
ンの蒸着速度、基板の温度、蒸着量によって可変であ
る。蒸着の代わりにシランやジシランガスを用いたCV
D法を用いても同様なシリコン島が形成できる。このよ
うな導電体島は他の元素(Ge等の半導体や金属元素)
を絶縁膜上に蒸着等で付着させたときにも形成される。
また、金コロイド等を用いて絶縁膜表面に分散する手法
等もある。バリア島層とメモリ島層の2層の微小な導電
体島層を作製する必要があるので、たとえば、イオン注
入等により絶縁膜中に島を形成する手法では、エネルギ
ーを変えて2層のイオン注入をすれば良いし、蒸着等で
表面に島を形成する手法では、島形成後に、薄いトンネ
ル性綿繰膜を蒸着やCVD法寺(材料によっては酸化な
どの化学反応で島形成材料を絶縁体に変えることも可
能)で形成後、再びもう1層の微小な導電体島層を作製
すればよい。
The size and density of the islands are variable depending on the deposition rate of silicon to be deposited, the temperature of the substrate, and the amount of deposition. CV using silane or disilane gas instead of vapor deposition
A similar silicon island can be formed by using the D method. Such a conductive island is composed of another element (semiconductor or metal element such as Ge).
Is also formed when is deposited on an insulating film by vapor deposition or the like.
In addition, there is a method of dispersing on the surface of the insulating film using gold colloid or the like. Since it is necessary to fabricate two small conductive island layers of a barrier island layer and a memory island layer, for example, in a method of forming islands in an insulating film by ion implantation or the like, two layers of ions are formed by changing energy. In the method of forming islands on the surface by vapor deposition or the like, a method of forming islands on the surface is to form a thin tunneling cotton ginning film by vapor deposition or a CVD method. After that, another fine conductive island layer may be formed again.

【0034】この構造のデバイスでは、島のサイズがあ
る程度揃っていないと、クーロンブロッケイドを生じる
電圧が異なるので、電子を島にメモリさせる場合には、
上層ゲート24Fに印加する正の電圧が小さいと、島に
よっては電子がメモリされないことになる。逆に、一旦
入ってしまうと消去のための負のゲート電圧が小さい場
合は消去されない島も存在することになる。
In the device having this structure, if the size of the islands is not uniform to some extent, the voltage at which Coulomb blockade occurs differs. Therefore, when electrons are stored in the islands,
If the positive voltage applied to the upper gate 24F is small, electrons will not be stored in some islands. On the other hand, once it enters, if there is a small negative gate voltage for erasure, some islands will not be erased.

【0035】このデバイスでは、多数のメモリ島に蓄積
された電子を細線部23Aのチャネルのコンダクタンス
で検出することになり、島層全体でのメモリされる電子
数は1個ではなく、厳密には単電子メモリではない。ま
た、個々の島のサイズがばらついたときには、個々のメ
モリ島に蓄積される電子の数は島毎にばらつくことにな
る。さらに、電子がメモリされた島とメモリされていな
い島が混在することになるが、細線部23Aのチャネル
23A1のコンダクタンスは、細線部23Aのチャネル
23A1の長さと幅当たりにそれぞれ並んでいる島の数
が多い場合には、メモリされた電子の平均的な効果とし
て現れるので、平均的に島の電子の数が増減させること
ができればメモリデバイスとして動作する。
In this device, electrons stored in a large number of memory islands are detected by the conductance of the channel of the thin wire portion 23A, and the number of electrons stored in the entire island layer is not one, but strictly speaking. It is not a single-electron memory. When the size of each island varies, the number of electrons stored in each memory island varies for each island. Furthermore, although islands where electrons are stored and islands where no electrons are stored are mixed, the conductance of the channel 23A1 of the thin line portion 23A is the same as the length and width of the channel 23A1 of the channel 23A1 of the thin line portion 23A. If the number is large, it appears as an average effect of the stored electrons, so if the number of electrons on the island can be increased or decreased on average, it operates as a memory device.

【0036】逆に言えば、島のサイズのばらつきが大き
い場合に所望の特性で動作する素子を得る確率を高める
ためは、細線部23Aのチャネル23A1の幅と長さ当
たりの島の数を増やしておく必要があるということであ
る。当然のことではあるが、島のサイズが揃っていた方
が動作可能な範囲が広くなり(あるいはメモリ状態と非
メモリ状態の差が大きくなる)、且つ素子毎の特性のば
らつきが少なくなる。
Conversely, in order to increase the probability of obtaining an element that operates with desired characteristics when the variation in the size of islands is large, the number of islands per width and length of the channel 23A1 of the thin wire portion 23A must be increased. It is necessary to keep. As a matter of course, when the size of the islands is uniform, the operable range is widened (or the difference between the memory state and the non-memory state is increased), and the variation in characteristics among the elements is reduced.

【0037】この例では、バリア島24Bが1層の場合
について示したが、2層以上の多層としても良いことは
上記の実施の形態で示したのと同様である。また、言う
までもないが、メモリされた電子を検出するMOSFE
Tのチャネルの代わりに、第2の実施の形態で示した単
電子トランジスタを用いても良い。
In this example, the case where the barrier island 24B has one layer has been described, but it is possible to use two or more layers as in the above embodiment. Needless to say, a MOSFE for detecting stored electrons is used.
Instead of the T channel, the single-electron transistor described in the second embodiment may be used.

【0038】(4)第4の実施の形態 第3の実施の形態の構造は、メモリ島24Dとしても2
次元状に配置した微小な導電体島層を用いているが、図
7に示すように、バリア島24Bは微小な導電体島層の
ままで、メモリ島24Dのみ一個の導電体島としても同
様に動作する。この構造は、第3の実施の形態のメモリ
島層内での横方向のトンネル確率を高くした極限の構成
と同一である。この構造においては、電子をメモリ島2
4Dに書き込む場合、ゲート電極24Fに正の電圧を印
加してバリア島23Bのクーロンブロッケイドを破って
MOSFETのチャネル23A1からメモリ島24Dに
電子を注入するわけであるが、最も大きな島のクーロン
ブロッケイドが最初(より低い電圧でと言っても良い)
に破れる傾向に有るので、その島を通って電子が注入さ
れる。
(4) Fourth Embodiment The structure of the third embodiment has a structure in which the memory island 24D has two
Although a small conductor island layer arranged in a dimensional manner is used, as shown in FIG. 7, the barrier island 24B is still a small conductor island layer, and the memory island 24D is the same as a single conductor island. Works. This structure is the same as the extreme configuration of the third embodiment in which the probability of a lateral tunnel in the memory island layer is increased. In this structure, electrons are transferred to the memory island 2
When writing to 4D, a positive voltage is applied to the gate electrode 24F to break the Coulomb blockade of the barrier island 23B and inject electrons from the channel 23A1 of the MOSFET to the memory island 24D. Kade first (maybe at lower voltage)
Electrons are injected through the island.

【0039】逆に、電子を消去するときもその島を通っ
て排出される。また、メモリ状態を保持する場合にもそ
の島のクーロンブロッケイドが破れない範囲でメモリ島
の電子(この場合は、0個からバリア島に応じた個数ま
で)がメモリ状態に維持される。したがって、ほとんど
この最初にクーロンブロッケイドが破れる島でデバイス
の特性が決まることになる。島のサイズが小さいほど、
クーロンギャップが大きく安定に動作できるわけである
ので、最大の島のサイズを小さく押さえることが肝要で
ある。
Conversely, when erasing electrons, they are discharged through the island. Also, when the memory state is maintained, the electrons of the memory island (in this case, from 0 to the number corresponding to the barrier island) are maintained in the memory state within a range where the Coulomb blockade of the island is not broken. Therefore, almost all of the islands where the Coulomb blockade breaks at the outset will determine device characteristics. The smaller the island size,
Since the Coulomb gap is large and can operate stably, it is important to keep the maximum island size small.

【0040】以上説明したように本単電子メモリ素子
は、メモリ島24Dと、細線部23Aの電子の有無検出
用のMOSFET型トランジスタのチャネル23A1と
の間に、バリア島23Bを挿入するようにしたので、電
子をメモリ島24Dにメモリした状態とメモリしていな
い状態とを安定的に保持でき、且つ小さな印加電圧で高
速に電子の書込と消去が可能になるという効果がある。
また、作製手法を少し工夫することにより、電子の有無
の検出にMOSFETの代わりに単電子トランジスタ2
3A2を用いた構造が実現でき、この構造では、単電子
トランジスタ23A2のSET島24Gがバリア島24
Bとして働き、構造が簡略化できる。
As described above, in the single-electron memory element, the barrier island 23B is inserted between the memory island 24D and the channel 23A1 of the MOSFET transistor for detecting the presence or absence of electrons in the thin line portion 23A. Therefore, there is an effect that the state where electrons are stored in the memory island 24D and the state where they are not stored can be stably held, and the writing and erasing of electrons can be performed at high speed with a small applied voltage.
Also, by slightly devising the manufacturing method, a single-electron transistor 2 is used instead of the MOSFET to detect the presence or absence of electrons.
In this structure, the SET island 24G of the single-electron transistor 23A2 is replaced with the barrier island 24G.
It functions as B and can simplify the structure.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、メ
モリとなる第2の導電体島と、第2の導電体島に蓄えら
れた電荷を検出するトランジスタのチャネルとの間に、
バリアとなる第1の導電体島を形成するようにしたの
で、この第1の導電体島により、第2の導電体島とチャ
ネルとの間のトンネルによる電子移動が阻止され、した
がってこの間のトンネル抵抗が大きくなくても、メモリ
している状態とメモリしていない状態とを双安定に存在
させることができるため、小さな電圧でメモリの書込及
び消去が可能になると共に、メモリの書き換えを高速で
行うことができる。
As described above, according to the present invention, between the second conductive island serving as a memory and the channel of the transistor for detecting the charge stored in the second conductive island,
Since the first conductive island serving as a barrier is formed, electron transfer by a tunnel between the second conductive island and the channel is prevented by the first conductive island. Even if the resistance is not large, the memory state and the non-memory state can exist in a bistable manner, so that writing and erasing of the memory can be performed with a small voltage, and rewriting of the memory can be performed at a high speed. Can be done with

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る単電子メモリ素子の第1の構造
例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a first structural example of a single-electron memory device according to the present invention.

【図2】 単電子メモリ素子の第1の等価回路の例を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a first equivalent circuit of a single-electron memory element.

【図3】 単電子メモリ素子の第2の等価回路の例を示
す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a second equivalent circuit of the single-electron memory element.

【図4】 単電子メモリ素子の第3の等価回路の例を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a third equivalent circuit of the single-electron memory element.

【図5】 単電子メモリ素子の第4の等価回路の例を示
す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a fourth equivalent circuit of the single-electron memory element.

【図6】 単電子メモリ素子の第2の構造例を示す図で
ある。
FIG. 6 is a diagram showing a second structure example of the single-electron memory element.

【図7】 単電子メモリ素子の第3の構造例を示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram showing a third example of the structure of the single-electron memory element.

【図8】 従来の単電子メモリ素子の構造例を示す図で
ある。
FIG. 8 is a diagram showing a structural example of a conventional single-electron memory element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21…基板シリコン、22…シリコン酸化膜、23…単
結晶シリコン、23A…細線部、23A1…MOSFE
Tチャネル、23A2…単電子トランジスタ、23B…
幅広部、24…積層部、24A…トンネル絶縁膜、24
B…バリア島、24C…シリコン酸化膜、24D…メモ
リ島、24E…シリコン酸化膜、24F…ゲート電極、
24G…SET島、26…酸化膜、27,28…微小導
電性島。
Reference numeral 21: silicon substrate, 22: silicon oxide film, 23: single crystal silicon, 23A: thin line portion, 23A1: MOSFE
T channel, 23A2 ... single electron transistor, 23B ...
Wide part, 24 ... Laminated part, 24A ... Tunnel insulating film, 24
B: barrier island, 24C: silicon oxide film, 24D: memory island, 24E: silicon oxide film, 24F: gate electrode,
24G: SET island, 26: oxide film, 27, 28: minute conductive island.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 行徳 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 Fターム(参考) 5F040 DC01 EA08 EB12 5F083 FZ01 HA02  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Yukinori Ono 3-19-2 Nishi-Shinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo F-term in Nippon Telegraph and Telephone Corporation (reference) 5F040 DC01 EA08 EB12 5F083 FZ01 HA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体からなるMOS型トランジスタの
チャネル上に少なくとも第1のトンネル性絶縁膜を介し
て形成されたバリアとなる第1の導電体島と、 前記第1の導電体島上に第2のトンネル性絶縁膜を介し
て形成されたメモリとなる第2の導電体島と、 少なくとも前記第2の導電体島と容量的に結合した電極
とを有することを特徴とする単電子メモリ素子。
A first conductive island serving as a barrier formed at least via a first tunnel insulating film on a channel of a MOS transistor made of a semiconductor; and a second conductive island provided on the first conductive island. A single-electron memory element comprising: a second conductive island serving as a memory formed through a tunnel insulating film according to (1); and at least an electrode capacitively coupled to the second conductive island.
【請求項2】 半導体からなる単電子トランジスタの単
電子島上に少なくとも第1のトンネル性絶縁膜を介して
形成されたバリアとなる第1の導電体島と、 前記第1の導電体島上に第2のトンネル性絶縁膜を介し
て形成されたメモリとなる第2の導電体島と、 少なくとも前記第2の導電体島と容量的に結合した電極
とを有することを特徴とする単電子メモリ素子。
2. A first conductive island serving as a barrier formed on at least a single electron island of a single electron transistor made of a semiconductor via a first tunnel insulating film, and a second conductive island formed on the first conductive island. 2. A single-electron memory device comprising: a second conductive island serving as a memory formed via a second tunnel insulating film; and at least an electrode capacitively coupled to the second conductive island. .
【請求項3】 請求項1において前記第1及び第2の導
電体島のうち少なくとも一方の導電体島は2個以上の導
電体島からなり、この複数の各導電体島は互いに絶縁膜
により分離されることを特徴とする単電子メモリ素子。
3. The conductive island according to claim 1, wherein at least one of the first and second conductive islands comprises two or more conductive islands, and each of the plurality of conductive islands is formed of an insulating film. A single-electron memory device characterized by being separated.
【請求項4】 請求項2において前記第1及び第2の導
電体島のうち少なくとも一方の導電体島は2個以上の導
電体島からなり、この複数の各導電体島は互いに絶縁膜
により分離されることを特徴とする単電子メモリ素子。
4. The conductive island according to claim 2, wherein at least one of the first and second conductive islands comprises two or more conductive islands, and each of the plurality of conductive islands is formed of an insulating film. A single-electron memory device characterized by being separated.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004010508A1 (en) * 2002-07-23 2004-01-29 Asahi Glass Company, Limited Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method
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EP2443284B2 (en) 2009-06-16 2020-11-18 Basf Se Method for increasing dry strength of paper, paperboard and cardboard

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