JP2002009254A - Semiconductor storage device - Google Patents

Semiconductor storage device

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JP2002009254A
JP2002009254A JP2000182416A JP2000182416A JP2002009254A JP 2002009254 A JP2002009254 A JP 2002009254A JP 2000182416 A JP2000182416 A JP 2000182416A JP 2000182416 A JP2000182416 A JP 2000182416A JP 2002009254 A JP2002009254 A JP 2002009254A
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layer
memory device
semiconductor
electron transistor
semiconductor memory
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JP2000182416A
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Jun Sunamura
潤 砂村
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NEC Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor storage device, capable of using an advantageous semiconductor process in respect of manufacturing cost and mass productivity as the base, and which is low power consumption type where various kinds of single electronic transistors are used for a readout circuit, moreover, where refinement and large scale integration are possible and storage system can be selected easily. SOLUTION: A high conductivity layer 113 is disposed on a semiconductor substrate 111, a carrier accumulation layer 114 is disposed on the high conductivity layer, and a single electronic transistor 120 capable of detecting electrical charges captured in the carrier accumulation layer 114 is disposed on the of it. The write/erase operation of a memory is performed by potential change in the layer 113. The layer 113 formed on the substrate 111 where electrostatic capacity between the transistor 120 and an island 123 is constant, performs the write/erase operation. The layer 114 formed in lamination us used for a storage medium. The transistor 120 formed on the upper side, performs reading. Thus, there is achieved the architecture of a semiconductor storage circuit enabling low power consumption and high integration, and having high reliability.

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】本発明は半導体記憶装置に関
し、特に、キャリア注入の制御が基板鉛直方向で行わ
れ、さらに消費電力が低い電荷検知素子である単一電子
トランジスタをその上部に配置した層状構造を有するセ
ルサイズの小さな、高集積化可能な低消費電力半導体記
憶装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a layered structure in which a carrier injection control is performed in a vertical direction of a substrate, and a single electron transistor as a charge detecting element having low power consumption is disposed on the semiconductor memory device. The present invention relates to a low power consumption semiconductor memory device having a small cell size and high integration that has a structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の半導体記憶装置の第一の従来例と
して、読み出し回路に単一電子トランジスタを用いる不
揮発性記憶素子を挙げる。単一電子トランジスタの動作
原理については既知の事実であり、例えば、IEEE Trans
actions on Magnetics, Vol. MAG-23, No. 2, 1142 (19
87) (K. K. Likharev による) に記載されている。単一
電子トランジスタは、わずかな電荷の変化、すなわち電
子の個数に換算すると10-6個の変化をも検出できる高
感度な電荷計であることから、記憶媒体に蓄積させる電
荷数はわずかでよい。これは、単一電子トランジスタの
特徴であるクーロンブロッケード振動特性が、単一電子
トランジスタの近辺に設置されたメモリノードに蓄積さ
れた電荷によって、敏感に変化するからである。この原
理を用いると、メモリノードに蓄積された電荷の有無に
より単一電子トランジスタのオン・オフ状態が変化し、
低消費電力な半導体記憶装置が形成可能となる。これま
でに報告されている単一電子トランジスタを読み出し回
路に用いた不揮発性記憶素子は、主に金属系の材料をも
とに作製されている。例えば、Physical Review Letter
s, Vol. 72, 904 (1994)(Dresselhausらによる) に報告
されている素子がその代表例である。
2. Description of the Related Art As a first conventional example of a conventional semiconductor memory device, a nonvolatile memory element using a single-electron transistor in a read circuit is given. It is a known fact about the operating principle of single-electron transistors, such as the IEEE Trans
actions on Magnetics, Vol.MAG-23, No. 2, 1142 (19
87) (by KK Likharev). A single-electron transistor is a highly sensitive charge meter that can detect even a small change in charge, that is, a change of 10 −6 in terms of the number of electrons, so that the number of charges stored in a storage medium is small. . This is because the Coulomb blockade oscillation characteristic, which is a characteristic of a single-electron transistor, is sensitively changed by electric charges stored in a memory node located near the single-electron transistor. Using this principle, the ON / OFF state of a single-electron transistor changes depending on the presence or absence of charge stored in a memory node,
A semiconductor memory device with low power consumption can be formed. Non-volatile memory elements using a single-electron transistor for a readout circuit, which have been reported so far, are mainly manufactured based on a metal-based material. For example, Physical Review Letter
s, Vol. 72, 904 (1994) (by Dresselhaus et al.) is a typical example.

【0003】次に、第二の従来例として、文献平成10
年秋季応用物理学会学術講演会講演予稿集、17a-ZK-7で
報告されている単一電子メモリを例にあげる。これを図
7の素子構造図及び図8の読み出し動作の原理図を用い
て説明する。
Next, as a second conventional example, reference
An example is the single-electron memory reported in the Fall Meeting of the Japan Society of Applied Physics, 17a-ZK-7. This will be described with reference to the element structure diagram of FIG. 7 and the principle diagram of the read operation of FIG.

【0004】(素子構造)図7において、(a)は平面
図、(b)a−a’線は断面図であり、半導体記憶装置
210はシリコンなどの半導体基板212上に、基板と
は逆の型に高濃度にドープされたドレイン213とソー
ス214が形成されている。また、それらを被覆するよ
うに、素子分離膜215が形成されている。前記素子分
離膜215には、基板212及びドレイン213とソー
ス214の表面の一部だけが露出するように素子活性領
域220が開口されている。また、前記素子分離膜21
5に設けた穴を通して前記ドレイン213とソース21
4にそれぞれ接続されるドレイン電極227およびソー
ス電極228が形成されている。素子活性領域220上
には、シリコン酸化膜からなる第1の絶縁層216が被
覆され、この第1の絶縁層216上には、キャリア捕獲
中心を有するシリコン窒化膜からなる第2の絶縁層21
7が被覆され、さらに、前記第2の絶縁層217の上に
は、第3の絶縁層218が被覆されている。前記素子活
性領域220上に形成されたこれら3層の絶縁多層構造
の上には、単一電子トランジスタ219が製作されてい
る。単一電子トランジスタ219は、2つのトンネル障
壁222,224と、これらトンネル障壁222,22
4によってドレイン221およびソース225と電気的
に絶縁されたアイランド223、そしてゲート電極22
6からなる。
(Element structure) In FIG. 7, (a) is a plan view, (b) is a sectional view taken along the line aa ′, and the semiconductor memory device 210 is mounted on a semiconductor substrate 212 such as silicon, which is opposite to the substrate. A drain 213 and a source 214 which are heavily doped in the mold are formed. An element isolation film 215 is formed so as to cover them. An element active region 220 is opened in the element isolation film 215 so that only a part of the surface of the substrate 212 and the drain 213 and the source 214 is exposed. Further, the device isolation film 21
5 through the hole provided in the drain 213 and the source 21.
4, a drain electrode 227 and a source electrode 228 are formed. The element insulating region 220 is covered with a first insulating layer 216 made of a silicon oxide film. On the first insulating layer 216, a second insulating layer 21 made of a silicon nitride film having a carrier trapping center is formed.
7 is coated, and a third insulating layer 218 is coated on the second insulating layer 217. A single-electron transistor 219 is formed on the three insulating multilayer structures formed on the device active region 220. The single-electron transistor 219 includes two tunnel barriers 222 and 224, and these tunnel barriers 222 and 22.
4, an island 223 electrically insulated from the drain 221 and the source 225, and the gate electrode 22.
Consists of six.

【0005】(プログラミング動作)この電気的に可変
な半導体記憶装置210のプログラミング動作について
説明する。ここでは、記憶に用いられるキャリアは電子
であるとする。この際に、記憶装置210に用いる前記
半導体基板212はp型半絶縁性基板であり、ドレイン
213とソース214はn型にドープされている。な
お、記憶に用いられるキャリアがホールの場合は各電極
に印加される電圧が逆の符号になる。記憶装置210を
プログラミングする際には、ドレイン電極227に正電
圧Vd を印加し、ソース電極228を接地する。このこ
とにより、記憶装置210のドレイン213にVd の正
電圧が印加され、ソース214は接地される。この状態
において、単一電子トランジスタ219に接続されてい
る電極の全て、即ちドレイン221、ソース225およ
びゲート226をVg の正電圧に印加する。すると、電
界効果トランジスタの原理によって、基板212表面に
チャネル層が誘起され、ソース214からドレイン21
3に向かって電子が流れ、いわゆる電界効果トランジス
タのon状態となる。この状態において、単一電子トラ
ンジスタ219に接続されている電極の全てと、半導体
基板212間に生じた電界によって、基板212表面に
誘起されたチャネル層中に存在する電子が、第1の絶縁
膜216を通してのトンネル過程によって第2の絶縁膜
217に注入される。注入された電子が第2の絶縁膜2
17の伝導帯に誘起され、その一部の電子が捕獲中心に
捕獲される。このように、第2の絶縁膜217中の捕獲
中心は負に帯電し、プログラミング動作が行われる。第
3の絶縁層218は、単一電子トランジスタ219側に
第2の絶縁膜217から電子が突き抜けるのを防ぎ、効
率的に電子が捕獲中心に捕獲される。また、ゲート電極
側からのホールの注入を防ぐことができるため、捕獲さ
れた電子が中性化するのを防ぐ。
(Programming Operation) The programming operation of the electrically variable semiconductor memory device 210 will be described. Here, it is assumed that carriers used for storage are electrons. At this time, the semiconductor substrate 212 used for the storage device 210 is a p-type semi-insulating substrate, and the drain 213 and the source 214 are doped n-type. When the carrier used for storage is a hole, the voltage applied to each electrode has the opposite sign. When programming the storage device 210, a positive voltage Vd is applied to the drain electrode 227 and the source electrode 228 is grounded. As a result, a positive voltage of Vd is applied to the drain 213 of the storage device 210, and the source 214 is grounded. In this state, all of the electrodes connected to the single-electron transistor 219, that is, the drain 221, the source 225, and the gate 226 are applied to a positive voltage of Vg. Then, a channel layer is induced on the surface of the substrate 212 by the principle of the field effect transistor, and
Electrons flow toward 3 and the so-called field-effect transistor is turned on. In this state, all the electrodes connected to the single-electron transistor 219 and the electrons present in the channel layer induced on the surface of the substrate 212 by the electric field generated between the semiconductor substrate 212 and the first insulating film Injected into the second insulating film 217 by a tunnel process through 216. The injected electrons are converted into the second insulating film 2
The electrons are induced in the 17 conduction band, and some of the electrons are trapped in the trapping center. As described above, the capture center in the second insulating film 217 is negatively charged, and the programming operation is performed. The third insulating layer 218 prevents electrons from penetrating from the second insulating film 217 to the single electron transistor 219 side, so that the electrons are efficiently captured at the capture center. In addition, since injection of holes from the gate electrode side can be prevented, captured electrons are prevented from being neutralized.

【0006】(消去動作)この電気的に可変な半導体記
憶装置210の消去動作について説明する。ここでは、
記憶に用いられるキャリアは電子であるとする。ホール
の場合は各電極に印加される電圧が逆の符号になる。記
憶装置210の記憶内容を消去する際には、単一電子ト
ランジスタ219に接続されている電極の全て、即ちド
レイン221、ソース225およびゲート226を−V
g の負電圧に印加し、半導体基板212は接地電位にす
る。単一電子トランジスタ219に接続されている電極
の全てと、半導体基板212間に生じた電界によって、
第2の絶縁膜217中の捕獲中心に捕獲された電子が、
第1の絶縁膜216を通してのトンネル過程によって、
基板212に注入される。これにより、第2の絶縁膜2
17中の捕獲中心に電子がない状態になる。第3の絶縁
層218は単一電子トランジスタ219側から窒化膜2
17に電子が注入されるのを防ぎ、効率的に電子を捕獲
中心から引き抜くことができる。
(Erase Operation) The erase operation of the electrically variable semiconductor memory device 210 will be described. here,
It is assumed that carriers used for storage are electrons. In the case of a hole, the voltage applied to each electrode has the opposite sign. When erasing the storage contents of the storage device 210, all the electrodes connected to the single-electron transistor 219, that is, the drain 221, the source 225, and the gate 226 are connected to -V.
g, and the semiconductor substrate 212 is set to the ground potential. The electric field generated between all the electrodes connected to the single-electron transistor 219 and the semiconductor substrate 212 causes
The electrons captured by the capture center in the second insulating film 217 are
By a tunnel process through the first insulating film 216,
It is injected into the substrate 212. Thereby, the second insulating film 2
There is no electron at the capture center 17. The third insulating layer 218 is formed from the single electron transistor 219 side by the nitride film 2.
17 can be prevented from being injected with electrons, and electrons can be efficiently extracted from the capture center.

【0007】(読み出し動作)前記のプログラミング動
作及び消去動作を検知する読み出し動作においては、単
一電子トランジスタ219を用いる。単一電子トランジ
スタ219の動作原理については、従来技術の第一の従
来例で述べたように既知の事実である。単一電子トラン
ジスタ219のゲート226に電圧VW を印加し、ソー
ス225を接地し、ドレイン221にVD を印加した場
合のドレイン221に流れる電流Iは、図8(a)のよ
うになる。この電流の振動はクーロンブロッケード振動
として知られているが、これはゲート226に印加され
た電圧VW によってアイランド223中に誘起される電
荷量Qの変化を反映した、クーロンブロッケード効果に
よるものである。一方で、捕獲中心に蓄えられた電荷量
QT は半導体記憶装置における書き込み及び消去動作に
よって変化する。この電荷量QT により、アイランド2
23と捕獲中心との間のキャパシタに電荷が誘起され
る。この誘起された電荷によって、単一電子トランジス
タ219のドレイン221を流れる電流Iが極大となる
ゲート電圧VW の値が電荷がなかった場合と比べて変化
する。この様子が、図8(b)に電圧V1 、V2 として
示されている。以上の蓄積電荷QT によって、電流Iが
極大となるVW の値が変化するという現象を利用して読
み出し動作を行う。例えば、書き込みの電荷量を、電流
Iの極大が半周期ずれるようにしておけば、書き込み・
消去によって、電流が流れるon状態と、電流が流れな
いoff状態を変化する事になるので、それを差動増幅
回路などによって検知してやれば良い。
(Read Operation) In the read operation for detecting the programming operation and the erasing operation, the single electron transistor 219 is used. The operating principle of the single-electron transistor 219 is a known fact as described in the first conventional example of the prior art. When the voltage VW is applied to the gate 226 of the single-electron transistor 219, the source 225 is grounded, and VD is applied to the drain 221, the current I flowing to the drain 221 is as shown in FIG. This current oscillation is known as Coulomb blockade oscillation, and is due to the Coulomb blockade effect, which reflects a change in the charge amount Q induced in the island 223 by the voltage VW applied to the gate 226. On the other hand, the amount of charge QT stored in the capture center changes due to writing and erasing operations in the semiconductor memory device. Due to this charge amount QT, the island 2
Charge is induced in the capacitor between 23 and the capture center. Due to the induced charges, the value of the gate voltage VW at which the current I flowing through the drain 221 of the single-electron transistor 219 becomes maximum changes as compared with the case where there is no charge. This state is shown as voltages V1 and V2 in FIG. The reading operation is performed by utilizing the phenomenon that the value of VW at which the current I becomes maximum changes due to the above-described accumulated charge QT. For example, if the maximum charge of the current I is shifted by half a cycle, the charge
By erasing, an on state in which a current flows and an off state in which a current does not flow are changed, and this may be detected by a differential amplifier circuit or the like.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】第一の従来例の半導体
記憶装置においては、単一電子トランジスタを用いるこ
とによって、低消費電力動作が可能になっていたが、単
一電子トランジスタ及びメモリノードが同一平面内に複
雑に形成されており、集積化の観点から不利な構造にな
っていた。また、平面内に形成される単一電子トランジ
スタのアイランドとメモリノード間の静電容量を制御す
ることが難しくなっていた。その点、第二の従来例にお
いては、半導体基板上に層状に形成される絶縁膜中のキ
ャリア捕獲中心と単一電子トランジスタを組み合わせる
ことにより、低消費電力で、高集積化が可能な半導体不
揮発性記憶装置が形成可能となった。また、膜厚制御性
の高いトンネル酸化膜を設けたことにより、書き込み・
消去特性を半導体基板上で均一に制御可能となった。
In the first prior art semiconductor memory device, low power consumption operation has been enabled by using a single electron transistor. It is complicatedly formed in the same plane, and has a disadvantageous structure from the viewpoint of integration. Also, it has been difficult to control the capacitance between the island of the single electron transistor formed in the plane and the memory node. In this regard, in the second conventional example, by combining a single-electron transistor with a carrier trapping center in an insulating film formed in a layer on a semiconductor substrate, a semiconductor nonvolatile memory that can be highly integrated with low power consumption is provided. Sex storage devices can now be formed. In addition, by providing a tunnel oxide film with high film thickness controllability,
The erasing characteristics can be controlled uniformly on the semiconductor substrate.

【0009】しかしながら、第二の従来例においては、
以下の課題があった。具体的には、書き込み・消去動作
を司る制御用の基板ゲートの問題と、電界効果トランジ
スタを用いたための素子構造の複雑化の問題である。こ
の2点に関して、以下に記述する。第一の問題点につい
て、第二の従来例おいては、半導体基板と単一電子トラ
ンジスタとの間に印加される電界を用いて、書き込み・
消去を行っているが、半導体基板と単一電子トランジス
タのアイランドの間の静電容量のために、この電界が単
一電子トランジスタの特性にも影響を及ぼす。また、チ
ャネル層形成などの効果により、半導体基板と単一電子
トランジスタのアイランドの間の静電容量が、素子内電
界によって変化する可能性がある。さらに、素子温度変
化によってもこの効果は起こりうる。この半導体基板と
単一電子トランジスタのアイランド間の静電容量変化
は、半導体基板と単一電子トランジスタのアイランド間
の実効的な距離の変化をもたらす。すなわち、プログラ
ミング・消去動作時には、プログラミング・消去動作だ
けでなく、その他の電界効果も単一電子トランジスタに
よって検出されてしまう。以上の理由により、半導体基
板と単一電子トランジスタのアイランドの間の静電容量
を一定に保つ素子構造が必要となり、これが第二の問題
点として、電界効果トランジスタを用いたための素子構
造の複雑化も問題となる。これは、素子作製プロセスの
多工程化にもつながる一方で、素子面積の増大をもたら
す。半導体基板に混入しているイオンとは逆の型の元素
をイオン注入した領域を形成する必要もある、電界効果
トランジスタ型の素子構造は、素子面積が大きく、微細
化に有利である単一電子トランジスタを用いた利点が生
かせなくなる可能性がある。
However, in the second conventional example,
There were the following issues. Specifically, there are a problem of a substrate gate for controlling a writing / erasing operation and a problem of a complicated element structure due to the use of a field effect transistor. These two points will be described below. Regarding the first problem, in the second conventional example, writing / writing is performed using an electric field applied between the semiconductor substrate and the single-electron transistor.
Although erasing is taking place, this electric field also affects the characteristics of the single-electron transistor due to the capacitance between the semiconductor substrate and the island of the single-electron transistor. In addition, due to effects such as formation of a channel layer, the capacitance between the semiconductor substrate and the island of the single-electron transistor may change due to an electric field in the device. Furthermore, this effect can also be caused by a change in element temperature. This change in capacitance between the semiconductor substrate and the island of the single-electron transistor results in a change in the effective distance between the semiconductor substrate and the island of the single-electron transistor. That is, at the time of the programming / erasing operation, not only the programming / erasing operation but also other field effects are detected by the single electron transistor. For the above reasons, an element structure for maintaining a constant capacitance between the semiconductor substrate and the island of the single-electron transistor is required. The second problem is that the element structure becomes complicated due to the use of the field-effect transistor. Is also a problem. This leads to an increase in the element area while increasing the number of steps in the element manufacturing process. A field-effect transistor-type element structure requires the formation of a region into which an element of the opposite type to the ions mixed into the semiconductor substrate is implanted. The single-electron element has a large element area and is advantageous for miniaturization. There is a possibility that the advantage of using a transistor cannot be used.

【0010】本発明の目的は、製造コストおよび量産性
の面で有利な半導体プロセスをベースとして用いること
ができ、各種の単一電子トランジスタを読み出し回路に
利用した低消費電力型の、しかも微細化および大規模集
積化が可能な信頼性の高い半導体記憶装置を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to use a semiconductor process which is advantageous in terms of manufacturing cost and mass productivity as a base, and to use a single-electron transistor of various kinds in a read circuit for a low power consumption type and miniaturization. Another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor memory device capable of large-scale integration.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置記憶
装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された
高導電率層と、前記高導電率層の上部に形成されたキャ
リア蓄積層と、前記キャリア蓄積層の上部に形成された
単一電子トランジスタとを備える構成とする。すなわ
ち、キャリア蓄積層に捕らえられた電荷をその上部に形
成された単一電子トランジスタが検知し、メモリの書き
込み・消去動作が高導電率層の電位変化によって行われ
ることを特徴とする。本発明においては、単一電子トラ
ンジスタのアイランドとの間の静電容量が一定である半
導体基板上に形成された高導電率層を用いて書き込み・
消去を行っており、層状に形成されたキャリア蓄積層を
記憶媒体に用い、かつその上部に形成された単一電子ト
ランジスタで読み出しを行うことで、低消費電力で、高
集積化が可能であり、そして高信頼性を備えた半導体記
憶回路を構成することが可能となる。
A semiconductor device memory device according to the present invention comprises a semiconductor substrate, a high conductivity layer formed on the semiconductor substrate, and a carrier accumulation layer formed on the high conductivity layer. And a single-electron transistor formed on the carrier accumulation layer. That is, the single electron transistor formed on the carrier storage layer detects the charge trapped in the carrier storage layer, and the writing / erasing operation of the memory is performed by the potential change of the high conductivity layer. In the present invention, writing / writing is performed using a high-conductivity layer formed on a semiconductor substrate having a constant capacitance between the island of a single-electron transistor.
By performing erasing, using a carrier storage layer formed in a layered form as a storage medium, and performing reading with a single-electron transistor formed on the storage medium, low power consumption and high integration are possible. Thus, a semiconductor memory circuit having high reliability can be configured.

【0012】また、本発明の半導体記憶装置では、次の
形態として構成することが可能である。前記半導体基板
と前記高導電率層との間に第1の絶縁層が存在する。ま
た、前記高導電率層が、前記単一電子トランジスタおよ
びその周辺領域で定義されるメモリセル領域下部にのみ
存在する。この場合、前記高導電率層と前記キャリア蓄
積層との間に第2の絶縁層が存在する。さらに、この場
合、前記キャリア蓄積層と前記単一電子トランジスタと
の間に第3の絶縁層が存在する。
Further, the semiconductor memory device of the present invention can be configured as follows. A first insulating layer exists between the semiconductor substrate and the high conductivity layer. Further, the high conductivity layer exists only below the memory cell region defined by the single electron transistor and the peripheral region. In this case, a second insulating layer exists between the high conductivity layer and the carrier accumulation layer. Further, in this case, a third insulating layer exists between the carrier accumulation layer and the single electron transistor.

【0013】なお、前記高導電率層は、高濃度にドープ
されたシリコンオンインシュレータ層、高濃度にドープ
されたポリシリコン層、金属層のいずれか一つからな
る。また、前記半導体基板がシリコンからなり、前記キ
ャリア蓄積層がシリコン窒化物およびシリコン酸化膜の
多層構造、または、シリコンを材料とする粒子およびシ
リコン酸化膜の多層構造からなる。
The high-conductivity layer comprises one of a heavily doped silicon-on-insulator layer, a heavily doped polysilicon layer, and a metal layer. Further, the semiconductor substrate is made of silicon, and the carrier accumulation layer is made of a multilayer structure of silicon nitride and a silicon oxide film, or a multilayer structure of particles made of silicon and a silicon oxide film.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態
を、具体的なデータと共に説明する。 〔第1の実施形態〕図1は、本発明の半導体記憶装置の
第1の実施形態の(a)平面図と(b)a−a’線断面
図である。この半導体記憶装置110は、シリコンなど
の半導体基板111上に高導電率層113、キャリア蓄
積層114が積層されている。前記高導電率層113
は、たとえば半導体シリコン又は金属アルミニウムでよ
く、シリコンの場合はp型またはn型に1×1019/c
3 から1×1021/cm3 程度にドープされているこ
とが望ましい。また、前記高導電率層113は、30〜
500nm程度の厚さが望ましい。前記キャリア蓄積層
114は、キャリアを保持することができ、例えば、シ
リコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、ポ
リシリコン粒などのシリコンを材料とする粒子およびこ
れらからなる多層膜でよく、5nm〜50nm程度の厚
さが望ましい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below together with specific data. [First Embodiment] FIGS. 1A and 1B are a plan view and a sectional view taken along line aa 'of a first embodiment of a semiconductor memory device according to the present invention. In this semiconductor memory device 110, a high conductivity layer 113 and a carrier accumulation layer 114 are stacked on a semiconductor substrate 111 such as silicon. The high conductivity layer 113
May be, for example, semiconductor silicon or metal aluminum, and in the case of silicon, a p-type or n-type is 1 × 10 19 / c
It is desirable to dope from m 3 to about 1 × 10 21 / cm 3 . The high conductivity layer 113 has a thickness of 30 to
A thickness of about 500 nm is desirable. The carrier accumulation layer 114 can hold carriers, and may be, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, particles made of silicon such as polysilicon particles, and a multilayer film made of these, A thickness of about 5 nm to 50 nm is desirable.

【0015】さらに、前記キャリア蓄積層114の上に
は、単一電子トランジスタ120が製作されている。こ
の単一電子トランジスタ120は、2つのトンネル障壁
122、124と、該トンネル障壁によってドレイン1
21およびソース125と電気的に絶縁されたアイラン
ド123、そしてゲート電極126からなる。単一電子
トランジスタ120のドレイン121、ソース125、
アイランド123およびゲート126の材料は問わない
が、例えば、アルミニウム層を用いることができる。ア
ルミニウム層の厚さは、10nmから100nm程度で
よい。アイランド123の横幅、奥行きは例えばそれぞ
れ50nm以下である。トンネル障壁122,124
は、伝導電子又はホールにとって障壁となるもので、障
壁の高さは1eV以上が望ましい。
Further, a single electron transistor 120 is formed on the carrier accumulation layer 114. This single-electron transistor 120 has two tunnel barriers 122 and 124 and a drain 1
21, an island 123 electrically insulated from the source 125, and a gate electrode 126. The drain 121 and the source 125 of the single electron transistor 120,
Although the material of the island 123 and the gate 126 is not limited, for example, an aluminum layer can be used. The thickness of the aluminum layer may be about 10 nm to 100 nm. The width and depth of the island 123 are, for example, 50 nm or less, respectively. Tunnel barriers 122, 124
Is a barrier for conduction electrons or holes, and the height of the barrier is desirably 1 eV or more.

【0016】この半導体記憶装置110の形成の具体的
な例として、半導体プロセスの面から図2を用いて説明
する。なお、図2において、(a1)〜(e1)は断面
図、(a2)〜(e2)は平面図である。先ず、(a
1),(a2)のように、面方位(100)のシリコン
基板111を用意する。その基板に、リン濃度が1×1
19/cm3 から1×1021/cm3 程度になるように
イオン注入を行う。イオン注入されたシリコンの膜厚は
30nm〜500nm程度でよい。このようにして、高
導電率層113が形成される。この構造上に、(b
1),(b2)のように、常法の半導体プロセス技術に
より、厚さ5nm〜50nmのキャリア蓄積層114を
成長する。この層は、例えば、プラズマ気相成長法もし
くは減圧気相成長法により成長したシリコン窒化膜でよ
い。このようにして、メモリノードとなるキャリア蓄積
層が形成される。
A specific example of the formation of the semiconductor memory device 110 will be described with reference to FIGS. In FIG. 2, (a1) to (e1) are cross-sectional views, and (a2) to (e2) are plan views. First, (a
As shown in 1) and (a2), a silicon substrate 111 having a plane orientation of (100) is prepared. The substrate has a phosphorus concentration of 1 × 1
Ion implantation is performed so as to be about 0 19 / cm 3 to about 1 × 10 21 / cm 3 . The thickness of the ion-implanted silicon may be about 30 nm to 500 nm. Thus, the high conductivity layer 113 is formed. On this structure, (b
As in 1) and (b2), a carrier accumulation layer 114 having a thickness of 5 nm to 50 nm is grown by a normal semiconductor process technique. This layer may be, for example, a silicon nitride film grown by a plasma vapor deposition method or a low pressure vapor deposition method. In this way, a carrier accumulation layer serving as a memory node is formed.

【0017】次に、(c1),(c2)のように、図外
のポジ型フォトレジストをキャリア蓄積層114上に塗
布し、コンタクトホールとなるべき領域を従来式の紫外
線露光を用いて露光し、現像を行う。このポジ型フォト
レジストをマスクとして、キャリア蓄積層114のエッ
チングを行い、コンタクトホール151を形成する。エ
ッチングでは、従来の半導体製造過程で用いられるエッ
チング液、例えばバッファード弗酸を用いる。再度、図
外のポジ型フォトレジストを塗布し、外部と素子の接続
をはかるための配線パターンを従来式の紫外線露光を用
いて露光し、現像を行う。そして、アルミニウム等の金
属を100nm〜300nm蒸着し、リフトオフ法によ
ってフォトレジスト上の金属を除去することで、(d
1),(d2)のように、単一電子トランジスタ120
への接続を行うための電極152及び高導電率層113
への電極153の形成を行う。
Next, as shown in (c1) and (c2), a positive photoresist (not shown) is applied on the carrier accumulation layer 114, and a region to be a contact hole is exposed using a conventional ultraviolet exposure. Then, development is performed. Using this positive photoresist as a mask, the carrier accumulation layer 114 is etched to form a contact hole 151. In the etching, an etchant used in a conventional semiconductor manufacturing process, for example, buffered hydrofluoric acid is used. Again, a positive photoresist (not shown) is applied, and a wiring pattern for connecting the device to the outside is exposed using conventional ultraviolet exposure, and development is performed. Then, a metal such as aluminum is deposited in a thickness of 100 nm to 300 nm, and the metal on the photoresist is removed by a lift-off method.
1) and (d2), the single-electron transistor 120
152 and high conductivity layer 113 for making connection to
The electrode 153 is formed.

【0018】こうして形成された基板上に、(e1),
(e2)のように、単一電子トランジスタ120を形成
する。単一電子トランジスタ120の形成は、例えば従
来技術である3層レジストを用いたリフトオフ法により
行う。例えば、図6を参照すると、最初にPMMA/G
e/PMMAの3層レジストを形成し、電子線照射を用
いて、上層のPMMAに幅数nm〜数100nm、長さ
数nm〜数μmのレジストパターンを形成し、これをマ
スクにしてGeをドライエッチングする。さらに、Ge
をマスクにして下層のPMMAを垂直及び回転ドライエ
ッチングしてサイドエッチングされた空洞を形成する。
このとき、上層のPMMAはエッチング除去され、レジ
スト層は図6(a)の状態になる。そして、この残され
た2層のGe/PMMAレジストからなるレジストパタ
ーンにより、垂直方向(1)からアルミニウムを蒸着し
て前記キャリア蓄積層114の表面上にアイランド12
3を形成する。次いで、前記アイランド123の表面を
酸化し、酸化アルミニウムからなるトンネル障壁12
2,124を形成する。さらに、今度は前記3層レジス
トパターンに対してアルミニウムの斜め蒸着(2),
(3)を行い、ドレイン121、ソース125、ゲート
126を形成する。その後、リフトオフすることによ
り、前記したアルミニウム系の単一電子トランジスタ1
20が形成される。なお、同図(b)において、点描領
域が垂直蒸着(1)により形成した部分、斜線領域が斜
め蒸着(2),(3)により形成した部分である。
On the substrate thus formed, (e1),
As shown in (e2), the single electron transistor 120 is formed. The single-electron transistor 120 is formed by, for example, a conventional lift-off method using a three-layer resist. For example, referring to FIG. 6, first, PMMA / G
A three-layer resist of e / PMMA is formed, and a resist pattern having a width of several nm to several hundred nm and a length of several nm to several μm is formed on the upper layer PMMA using electron beam irradiation, and Ge is used as a mask by using this as a mask. Dry-etch. Furthermore, Ge
Is used as a mask to dry-etch the lower layer of PMMA vertically and rotationally to form side-etched cavities.
At this time, the PMMA in the upper layer is removed by etching, and the resist layer is in the state shown in FIG. Then, aluminum is vapor-deposited in the vertical direction (1) by the resist pattern composed of the remaining two layers of Ge / PMMA resist, and an island 12 is formed on the surface of the carrier accumulation layer 114.
Form 3 Next, the surface of the island 123 is oxidized to form a tunnel barrier 12 made of aluminum oxide.
2, 124 are formed. Further, this time, aluminum is obliquely deposited on the three-layer resist pattern (2),
By performing (3), a drain 121, a source 125, and a gate 126 are formed. Thereafter, the aluminum-based single electron transistor 1 is lifted off.
20 are formed. In FIG. 3B, the stippling region is a portion formed by vertical vapor deposition (1), and the hatched region is a portion formed by oblique vapor deposition (2) and (3).

【0019】以上のように形成された、半導体記憶装置
110の動作原理について説明する。 (プログラミング動作)半導体記憶装置110のプログ
ラミング動作について説明する。ここでは、記憶に用い
られるキャリアは電子であり、高導電率層113とキャ
リア蓄積層114の間で電子のやり取りがあるとする。
記憶装置110をプログラミングする際には、高導電率
層113に−Vg の負電圧を印加する。単一電子トラン
ジスタ120に接続されている電極すべて、即ちドレイ
ン121、ソース125およびアイランド123は、ほ
ぼ接地電位を持つため、高導電率層113との間に生じ
た電界によって、高導電率層113中に存在する電子
が、トンネル過程によって、キャリア蓄積層114に注
入される。このように、キャリア蓄積層114中は負に
帯電し、プログラミング動作が行われる。
The operation principle of the semiconductor memory device 110 formed as described above will be described. (Programming Operation) A programming operation of the semiconductor memory device 110 will be described. Here, it is assumed that carriers used for storage are electrons, and electrons are exchanged between the high-conductivity layer 113 and the carrier accumulation layer 114.
When programming the storage device 110, a negative voltage of −Vg is applied to the high conductivity layer 113. Since all the electrodes connected to the single-electron transistor 120, that is, the drain 121, the source 125, and the island 123 have almost a ground potential, the electric field generated between them and the high-conductivity layer 113 causes The electrons present therein are injected into the carrier storage layer 114 by a tunnel process. Thus, the carrier accumulation layer 114 is negatively charged, and the programming operation is performed.

【0020】(消去動作)半導体記憶装置110の消去
動作について説明する。ここでは、記憶に用いられるキ
ャリアは電子であるとする。記憶装置110の記憶内容
を消去する際には、高導電率層113にVg の正電圧を
印加する。単一電子トランジスタ120に接続されてい
る電極の全て、即ちドレイン121、ソース125およ
びアイランド123は、ほぼ接地電位を持つため、高導
電率層113との間に生じた電界によってキャリア蓄積
層114中に存在する電子が、トンネル過程によって高
導電率層113に注入される。これにより、キャリア蓄
積層114中に電子がない状態になる。
(Erase Operation) The erase operation of the semiconductor memory device 110 will be described. Here, it is assumed that carriers used for storage are electrons. When erasing the storage content of the storage device 110, a positive voltage of Vg is applied to the high conductivity layer 113. Since all of the electrodes connected to the single-electron transistor 120, that is, the drain 121, the source 125, and the island 123 have a substantially ground potential, the electric field generated between the single-electron transistor 120 and the high-conductivity layer 113 causes the carrier storage layer 114 Are injected into the high conductivity layer 113 by a tunnel process. As a result, there is no electron in the carrier accumulation layer 114.

【0021】(読み出し動作)前記のプログラミング動
作及び消去動作を検知する読み出し動作においては、単
一電子トランジスタ120を用いる。単一電子トランジ
スタ120の動作原理については、従来技術で述べたよ
うに既知の事実である。単一電子トランジスタ120の
ゲート126に電圧VW を印加し、ソース125を接地
し、ドレイン121にVD を印加した場合のドレイン1
21に流れる電流Iは、図8(a)に示したようにな
る。この電流の振動はクーロン振動として知られている
が、これはゲート126に印加された電圧VW によって
アイランド123中に誘起される電荷量Qの変化を反映
した、クーロンブロッケード効果によるものである。本
半導体記憶装置では、捕獲中心に蓄えられた電荷量QT
は半導体記憶装置における書き込み及び消去動作によっ
て変化する。この電荷量QT により、アイランド123
とキャリア蓄積層114との間のキャパシタに電荷が誘
起される。この誘起された電荷量によって、図8(b)
に示したように、単一電子トランジスタ120のドレイ
ン121を流れる電流Iが極大となるゲート電圧VW の
値が電荷がなかった場合と比べて変化する。以上の蓄積
電荷QT によって、電流Iが極大となるVW の値が変化
するという現象を利用して読み出し動作を行う。
(Read Operation) In the read operation for detecting the programming operation and the erase operation, the single electron transistor 120 is used. The operating principle of the single-electron transistor 120 is a known fact as described in the prior art. When the voltage VW is applied to the gate 126 of the single-electron transistor 120, the source 125 is grounded, and the drain 1 is applied when VD is applied to the drain 121.
The current I flowing through 21 is as shown in FIG. This current oscillation is known as Coulomb oscillation, which is due to the Coulomb blockade effect, which reflects a change in the amount of charge Q induced in the island 123 by the voltage VW applied to the gate 126. In the present semiconductor memory device, the charge amount QT stored at the capture center
Is changed by writing and erasing operations in the semiconductor memory device. With this charge amount QT, the island 123
A charge is induced in a capacitor between the capacitor and the carrier storage layer 114. FIG. 8 (b)
As shown in (1), the value of the gate voltage VW at which the current I flowing through the drain 121 of the single-electron transistor 120 becomes maximum changes as compared with the case where there is no charge. The reading operation is performed by utilizing the phenomenon that the value of VW at which the current I becomes maximum changes due to the above-described accumulated charge QT.

【0022】ここで、本記憶装置においては、高導電率
層113の電位変化によって、書き込み・消去を制御す
る。一方では、書き込み・消去の際に、従来技術の第二
の従来例で説明したように、高導電率層113の電位に
よって単一電子トランジスタ120のアイランド123
に誘起される電荷量が変化する。高導電率層113と単
一電子トランジスタ120のアイランド123の間の静
電容量は、素子内部の電界および素子温度によって変化
しないために、この電荷量の変化は容易に決定でき、単
一電子トランジスタ120のゲート126に逆符号の適
当な電位を同時に与える事によって、この電荷量の変化
を打ち消す事ができる。この打ち消す方法に関しては、
例えば、Applied Physics Letters, Vol. 71, 2038 (19
97)(C. D. Chenらによる)に記載されている。これによ
り、キャリア蓄積層114における電子の出し入れのみ
が、電流Iの変化となって現れるようにする事ができ
る。外部の増幅回路などによって、この電流Iの変化を
観測する事で、読み出し動作を行う。
Here, in the present memory device, writing / erasing is controlled by a potential change of the high conductivity layer 113. On the other hand, at the time of writing / erasing, as described in the second conventional example of the prior art, the potential of the high-conductivity layer 113 causes the island 123
The amount of charge induced by the change. Since the capacitance between the high-conductivity layer 113 and the island 123 of the single-electron transistor 120 does not change due to the electric field inside the device and the device temperature, the change in the amount of charge can be easily determined. By simultaneously applying an appropriate potential of the opposite sign to the gate 126 of the gate 120, this change in the charge amount can be canceled. For how to counter this,
For example, Applied Physics Letters, Vol. 71, 2038 (19
97) (by CD Chen et al.). Thus, only the transfer of electrons into and out of the carrier storage layer 114 can be caused to appear as a change in the current I. The read operation is performed by observing the change of the current I by an external amplifier circuit or the like.

【0023】このように形成された半導体記憶装置11
0は、高導電率層を用いる事によって、素子面積を10
0nm×100nm程度に微細化することができた。ま
た、作製された単一電子トランジスタ120は、温度7
7Kにおいて明瞭なクーロンブロッケード振動を示し、
高温動作可能であることが確認できた。また、高導電率
層113と単一電子トランジスタ120間の静電容量
は、高導電率層113を用いたために電界及び温度変化
に対して一定となり、キャリア蓄積層114の膜厚変化
により容易に制御可能となった。さらに、所望の履歴現
象を確認し、本記憶装置が半導体記憶装置として使用可
能であることが確認できた。
The semiconductor memory device 11 thus formed
0 means that the element area is 10 by using a high conductivity layer.
It was possible to reduce the size to about 0 nm × 100 nm. In addition, the manufactured single electron transistor 120 has a temperature of 7
Show clear Coulomb blockade oscillation at 7K,
It was confirmed that high-temperature operation was possible. Further, the capacitance between the high-conductivity layer 113 and the single-electron transistor 120 becomes constant with respect to an electric field and a temperature change due to the use of the high-conductivity layer 113, and is easily caused by a change in the thickness of the carrier accumulation layer 114. It became controllable. Further, a desired history phenomenon was confirmed, and it was confirmed that the present storage device was usable as a semiconductor storage device.

【0024】〔第2の実施形態〕図3は本発明の第2の
実施形態を示す(a)平面図と(b)a−a’線断面図
であり、ここでは半導体基板上に形成された高導電率層
が、第1の絶縁層により半導体基板と電気的に分離され
ている構成を具備する電気的に可変な半導体記憶装置の
例である。この半導体記憶装置110Aは第1の実施形
態の構造とは次の点で異なっている。第1の実施形態に
おいて説明された高導電率層113が、第1の絶縁層1
12により半導体基板111から電気的に分離されてい
ることである。すなわち、半導体基板111上には、第
1の絶縁層112が被覆されている。前記第1の絶縁層
112は、例えば熱酸化により形成されたシリコン酸化
膜またはシリコンオンイシュレータ基板の埋め込み酸化
膜で、その厚みは30nmから500nm程度である。
前記第1の絶縁層112上には、高導電率層113が被
覆されている。この高導電率層113は、リン濃度が1
×1019/cm3 から1×1021/cm3 程度になるよ
うにイオン注入又はリン拡散されているポリシリコン膜
またはシリコンオンインシュレータ層又は金属であるア
ルミニウム層で、30〜500nm程度の厚さである事
が望ましい。前記高導電率層113の上部には、キャリ
ア蓄積層114が形成される。前記キャリア畜積層11
4は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリ
コン酸窒化膜、ポリシリコン粒などのシリコンを材料と
する粒子およびこれらからなる多層膜でよく、5nm〜
50nm程度の厚さが望ましい。そして、前記キャリア
蓄積層114の上には、単一電子トランジスタ120が
製作されている。前記単一電子トランジスタ120は第
1の実施形態と同様であるので、ここでは説明は省略す
る。
[Second Embodiment] FIGS. 3A and 3B are a plan view and a sectional view taken along the line aa 'of FIG. 3 showing a second embodiment of the present invention. 1 is an example of an electrically variable semiconductor memory device having a configuration in which a high-conductivity layer is electrically separated from a semiconductor substrate by a first insulating layer. This semiconductor storage device 110A differs from the structure of the first embodiment in the following points. The high conductivity layer 113 described in the first embodiment is different from the first insulating layer 1 in the first embodiment.
12 electrically separate from the semiconductor substrate 111. That is, the first insulating layer 112 is coated on the semiconductor substrate 111. The first insulating layer 112 is, for example, a silicon oxide film formed by thermal oxidation or a buried oxide film of a silicon-on-insulator substrate, and has a thickness of about 30 nm to 500 nm.
A high conductivity layer 113 is coated on the first insulating layer 112. The high conductivity layer 113 has a phosphorus concentration of 1
A polysilicon film or a silicon-on-insulator layer or a metal aluminum layer, which has been ion-implanted or phosphorus-diffused so as to have a density of about × 10 19 / cm 3 to about 1 × 10 21 / cm 3 , and a thickness of about 30 to 500 nm; Is desirable. A carrier accumulation layer 114 is formed on the high conductivity layer 113. The carrier animal stack 11
Reference numeral 4 denotes particles made of silicon such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, and polysilicon particles, and a multilayer film made of these, and
A thickness of about 50 nm is desirable. A single electron transistor 120 is formed on the carrier storage layer 114. Since the single-electron transistor 120 is the same as that of the first embodiment, the description is omitted here.

【0025】このように形成された半導体記憶装置11
0Aは、高導電率層113を用いる事によって、素子面
積を100nm×100nm程度に微細化することがで
きた。また、作製された単一電子トランジスタ120
は、温度77Kにおいて明瞭なクーロンブロッケード振
動を示し、高温動作可能であることが確認できた。ま
た、高導電率層113と単一電子トランジスタ120間
の静電容量は、高導電率層113を用いたために電界及
び温度変化に対して一定となり、キャリア畜積層の膜厚
変化により容易に制御可能となった。さらに、所望の履
歴現象を確認し、本装置が半導体記憶装置として使用可
能であることが確認できた。さらに本例では、シリコン
酸化膜からなる第1の絶縁層112が、高導電率層11
3を半導体基板111と電気的に分離するのに有効であ
り、半導体基板111と、当該半導体基板111に形成
される単一電子トランジスタ120等の記憶素子とをそ
れぞれ分離することができ、同一半導体基板内で半導体
記憶装置を高密度に形成する事が可能になった。
The semiconductor memory device 11 formed as described above
In the case of 0A, by using the high conductivity layer 113, the element area could be reduced to about 100 nm × 100 nm. In addition, the fabricated single electron transistor 120
Showed clear Coulomb blockade vibration at a temperature of 77 K, and it was confirmed that the device could be operated at a high temperature. In addition, the capacitance between the high conductivity layer 113 and the single electron transistor 120 becomes constant with respect to electric field and temperature change due to the use of the high conductivity layer 113, and can be easily controlled by changing the thickness of the carrier layer. It has become possible. Further, a desired hysteresis phenomenon was confirmed, and it was confirmed that the present device was usable as a semiconductor memory device. Further, in this example, the first insulating layer 112 made of a silicon oxide film is
3 is effective for electrically separating the semiconductor substrate 111 from the semiconductor substrate 111. The semiconductor substrate 111 and the storage element such as the single electron transistor 120 formed on the semiconductor substrate 111 can be separated from each other. It has become possible to form a semiconductor memory device at high density within a substrate.

【0026】〔第3の実施形態〕図4は本発明の第3の
実施形態を示す(a)平面図と(b)a−a’線断面図
であり、ここでは半導体基板上に第1の絶縁層を挟んで
形成された高導電率層が、メモリセル下部のみに存在す
るように微細化された構成を具備する電気的に可変な半
導体記憶装置の例である。この半導体記憶装置110B
の構成は、第2の実施形態で説明されたものと次の点で
異なっている。すなわち、第2の実施形態において説明
された高導電率層113が、メモリセル下部、具体的に
は単一電子トランジスタ120のソース125、ドレイ
ン121、アイランド123およびゲート126といっ
た主要部分の領域にのみ存在するように形成されている
ことである。この例では、高導電率層113の平面の大
きさは、幅が50nm程度になっている。
[Third Embodiment] FIGS. 4A and 4B are a plan view and a sectional view taken along line aa 'of FIG. 4 showing a third embodiment of the present invention. This is an example of an electrically tunable semiconductor memory device having a miniaturized configuration in which a high conductivity layer formed with an insulating layer interposed therebetween is present only below a memory cell. This semiconductor storage device 110B
Is different from that described in the second embodiment in the following point. That is, the high-conductivity layer 113 described in the second embodiment is provided only in the lower part of the memory cell, specifically, only in the region of the main part such as the source 125, the drain 121, the island 123, and the gate 126 of the single-electron transistor 120. It is formed to exist. In this example, the plane of the high conductivity layer 113 has a width of about 50 nm.

【0027】すなわち、半導体基板111上には、第1
の絶縁層112が被覆されている。第1の絶縁層112
は、例えば熱酸化により形成されたシリコン酸化膜また
はシリコンオンイシュレータ基板の埋め込み酸化膜で、
その厚みは30nmから500nm程度である。前記第
1の絶縁層112上には、高導電率層113が被覆され
ている。この高導電率層113は、リン濃度が1×10
19/cm3 から1×1021/cm3 程度になるようにイ
オン注入又はリン拡散されている、ポリシリコン膜また
はシリコンオンインシュレータ層又は金属であるアルミ
ニウム層で、30〜500nm程度の厚さである事が望
ましい。この高導電率層は幅50nm程度に微細化され
ているが、その形成には、レジストに電子線照射を用い
て幅50nmのレジストパターンを形成し、それをドラ
イエッチングのマスクとして用いる。ドライエッチング
による微細加工の後、レジストを剥離して微細な高導電
率層が形成される。前記高導電率層113の上部には、
キャリア蓄積層114が形成される。前記キャリア畜積
層114は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化
膜、シリコン酸窒化膜、ポリシリコン粒などのシリコン
を材料とする粒子およびこれらからなる多層膜でよく、
5nm〜50nm程度の厚さが望ましい。前記キャリア
蓄積層114の上には、前記各実施形態と同様に単一電
子トランジスタ120が製作されている。
That is, on the semiconductor substrate 111, the first
Of the insulating layer 112 is covered. First insulating layer 112
Is, for example, a silicon oxide film formed by thermal oxidation or a buried oxide film of a silicon on insulator substrate,
Its thickness is about 30 to 500 nm. A high conductivity layer 113 is coated on the first insulating layer 112. The high conductivity layer 113 has a phosphorus concentration of 1 × 10
A polysilicon film, a silicon-on-insulator layer, or a metal aluminum layer, which is ion-implanted or phosphorus-diffused so as to have a density of about 19 / cm 3 to about 1 × 10 21 / cm 3 , and has a thickness of about 30 to 500 nm. Something is desirable. The high-conductivity layer is miniaturized to a width of about 50 nm. For the formation, a resist pattern having a width of 50 nm is formed on the resist by using electron beam irradiation, and is used as a mask for dry etching. After fine processing by dry etching, the resist is peeled off to form a fine high conductivity layer. Above the high conductivity layer 113,
A carrier accumulation layer 114 is formed. The carrier storage layer 114 may be, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a particle made of silicon such as polysilicon particles and a multilayer film made of these,
A thickness of about 5 nm to 50 nm is desirable. On the carrier accumulation layer 114, a single-electron transistor 120 is manufactured as in the above embodiments.

【0028】この半導体記憶素子110Bは、素子面積
が50nm×50nm程度に微細化することができるこ
とが確認できた。また、作製された単一電子トランジス
タは、温度77Kにおいて明瞭なクーロンブロッケード
振動を示し、高温動作可能であることが確認できた。ま
た、高導電率層113と単一電子トランジスタ120間
の静電容量は、高導電率層113を用いたために電界及
び温度変化に対して一定となり、キャリア蓄積層114
の膜厚変化により容易に制御可能となった。さらに、所
望の履歴現象を確認し、本装置が半導体記憶装置として
使用可能であることが確認できた。更に本例では、高導
電率層113が半導体基板111から電気的に分離され
たと同時に、メモリセルの下部のみに形成されたことに
よる微細化に伴い、同一半導体基板内の各素子を独立に
制御できる事が可能となった。また、高導電率層113
の微細化により、単一電子トランジスタ120のアイラ
ンド123と高導電率層113の間の結合容量が、単一
電子トランジスタ120のアイランド123とゲート1
26の間の結合容量より小さくできたため、第1の実施
形態において説明したメモリ動作時に、ゲート126に
印加する電圧を低くする事ができた。
It has been confirmed that the semiconductor memory element 110B can be miniaturized to an element area of about 50 nm × 50 nm. In addition, the manufactured single-electron transistor exhibited clear Coulomb blockade oscillation at a temperature of 77 K, and it was confirmed that the single-electron transistor was operable at a high temperature. In addition, the capacitance between the high conductivity layer 113 and the single electron transistor 120 becomes constant with respect to an electric field and a temperature change due to the use of the high conductivity layer 113, and the carrier accumulation layer 114
Can be easily controlled by changing the film thickness. Further, a desired hysteresis phenomenon was confirmed, and it was confirmed that the present device was usable as a semiconductor memory device. Further, in this example, at the same time as the high conductivity layer 113 is electrically separated from the semiconductor substrate 111, each element in the same semiconductor substrate is independently controlled with miniaturization due to being formed only in the lower part of the memory cell. What you can do is now possible. In addition, the high conductivity layer 113
, The coupling capacitance between the island 123 of the single-electron transistor 120 and the high-conductivity layer 113 is increased.
26, the voltage applied to the gate 126 during the memory operation described in the first embodiment could be reduced.

【0029】〔第4の実施形態〕図5は本発明の第4の
実施形態を示す(a)平面図と(b)a−a’線断面図
であり、半導体基板上に第1の絶縁層を挟んで形成され
た高導電率層が、メモリセル下部のみに存在するように
微細化されており、その上部に第2の絶縁層を配し、そ
の上部にキャリア蓄積層を配し、さらに第3の絶縁層を
配した構成を具備する電気的に可変な半導体記憶装置の
例である。この半導体記憶装置110Cは、第3の実施
形態で説明されたものと、次の点で異なっている。第3
の実施形態において説明されたキャリア蓄積層114
が、第2の絶縁層115および第3の絶縁層116によ
って挟まれていることである。これら第2の絶縁層11
5および第3の絶縁層はキャリア蓄積層114より大き
なバンドギャップを持ち、バリアとして働く。ただし、
第2の絶縁層115または第3の絶縁層116のどちら
かは1〜15nmと薄くトンネルバリアとして作用し、
もう片方は20〜200nmと厚くキャリアの抜けを防
ぐ作用がある
[Fourth Embodiment] FIGS. 5A and 5B are a plan view and a sectional view taken along line aa 'of FIG. 5 showing a fourth embodiment of the present invention. The high-conductivity layer formed with the layers interposed therebetween is miniaturized so as to exist only below the memory cell, a second insulating layer is disposed thereon, and a carrier accumulation layer is disposed thereon, This is an example of an electrically variable semiconductor memory device having a structure in which a third insulating layer is further provided. This semiconductor memory device 110C is different from that described in the third embodiment in the following point. Third
Carrier storage layer 114 described in the embodiment.
Is sandwiched between the second insulating layer 115 and the third insulating layer 116. These second insulating layers 11
The fifth and third insulating layers have a larger band gap than the carrier storage layer 114 and serve as a barrier. However,
Either the second insulating layer 115 or the third insulating layer 116 functions as a tunnel barrier as thin as 1 to 15 nm,
The other is as thick as 20 to 200 nm and has the effect of preventing carrier from coming off.

【0030】すなわち、半導体基板111上には、第1
の絶縁層112が被覆されている。第1の絶縁層112
は、例えば熱酸化により形成されたシリコン酸化膜また
はシリコンオンイシュレータ基板の埋め込み酸化膜で、
その厚みは30nmから500nm程度である。前記第
1の絶縁層112上には、高導電率層113が被覆され
ている。この高導電率層113は、リン濃度が1×10
19/cm3 から1×1021/cm3 程度になるようにイ
オン注入又はリン拡散されているポリシリコン膜または
シリコンオンインシュレータ層又は金属であるアルミニ
ウム層で、30〜500nm程度の厚さである事が望ま
しい。この高導電率層は幅50nm程度に微細化されて
いるが、その形成には、レジストに電子線照射を用いて
幅50nmのレジストパターンを形成し、それをドライ
エッチングのマスクとして用いる。ドライエッチングに
よる微細加工の後、レジストを剥離して、微細な高導電
率層113が形成される。前記高導電率層113の上部
には、第2の絶縁層115が形成される。前記第2の絶
縁層115は、例えば、熱酸化によって形成されたシリ
コン酸化膜でよい。その上にキャリア蓄積層114が形
成される。キャリア畜積層114は、例えば、シリコン
窒化膜、シリコン酸窒化膜、またはポリシリコン粒など
のシリコンを材料とする粒子でよく、5〜50nm程度
の厚さが望ましい。前記キャリア蓄積層114の上に
は、第3の絶縁層116が形成される。第3の絶縁層1
16は、例えば、熱酸化によって形成されたシリコン酸
化膜でよい。前記第2の絶縁層115と第3の絶縁層1
16の厚みは、片方が1〜15nmと薄く、片方が20
〜200nmである事が望ましい。前記第3の絶縁層1
16の上には、前記各実施形態と同様に単一電子トラン
ジスタ120が製作されている。
That is, on the semiconductor substrate 111, the first
Of the insulating layer 112 is covered. First insulating layer 112
Is, for example, a silicon oxide film formed by thermal oxidation or a buried oxide film of a silicon on insulator substrate,
Its thickness is about 30 to 500 nm. A high conductivity layer 113 is coated on the first insulating layer 112. The high conductivity layer 113 has a phosphorus concentration of 1 × 10
A polysilicon film or a silicon-on-insulator layer or a metal aluminum layer, which is ion-implanted or phosphorus-diffused so as to have a thickness of about 19 / cm 3 to about 1 × 10 21 / cm 3 , and has a thickness of about 30 to 500 nm. Things are desirable. The high-conductivity layer is miniaturized to a width of about 50 nm. For the formation, a resist pattern having a width of 50 nm is formed on the resist by using electron beam irradiation, and is used as a mask for dry etching. After fine processing by dry etching, the resist is peeled off, and a fine high conductivity layer 113 is formed. On the high conductivity layer 113, a second insulating layer 115 is formed. The second insulating layer 115 may be, for example, a silicon oxide film formed by thermal oxidation. A carrier accumulation layer 114 is formed thereon. The carrier layer 114 may be, for example, a particle made of silicon such as a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a polysilicon particle, and preferably has a thickness of about 5 to 50 nm. A third insulating layer 116 is formed on the carrier accumulation layer 114. Third insulating layer 1
Reference numeral 16 may be, for example, a silicon oxide film formed by thermal oxidation. The second insulating layer 115 and the third insulating layer 1
The thickness of 16 is as thin as 1 to 15 nm on one side and 20 on one side.
It is desirable that the thickness be 200 nm. The third insulating layer 1
The single-electron transistor 120 is fabricated on the same as in the above embodiments.

【0031】この半導体記憶装置110Cは、素子面積
が50nm×50nm程度に微細化することができるこ
とが確認できた。また、作製された単一電子トランジス
タ120は、温度77Kにおいて明瞭なクーロンブロッ
ケード振動を示し、高温動作可能であることが確認でき
た。また、高導電率層113と単一電子トランジスタ1
20間の静電容量は、高導電率層113を用いたために
電界及び温度変化に対して一定であり、キャリア蓄積層
114および第2の絶縁層115および第3の絶縁層1
16の膜厚変化により容易に制御可能となった。さら
に、所望の履歴現象を確認し、本装置が半導体記憶装置
として使用可能であることが確認できた。更に本例で
は、高導電率層113が半導体基板111から電気的に
分離され、同一半導体基板内の各素子を独立に制御で
き、メモリ動作時にゲート126に印加する電圧を低く
する事ができたのに加え、キャリア蓄積層114を第2
の絶縁層115と第3の絶縁層116によって挟む事に
より、キャリアの保持特性を向上する事ができた。また
更に、第2の絶縁層115と第3の絶縁層116のう
ち、薄い方の絶縁層が膜厚制御性の高いトンネルバリア
として作用し、キャリアの書き込み・消去モードを膜厚
制御により容易に選択する事が可能になった。
It has been confirmed that the semiconductor memory device 110C can be miniaturized to an element area of about 50 nm × 50 nm. In addition, it was confirmed that the manufactured single-electron transistor 120 exhibited clear Coulomb blockade oscillation at a temperature of 77 K, and was capable of operating at a high temperature. The high conductivity layer 113 and the single electron transistor 1
20 is constant with respect to electric field and temperature change because the high conductivity layer 113 is used, and the carrier accumulation layer 114, the second insulating layer 115, and the third insulating layer 1
It became possible to control easily by the film thickness change of 16. Further, a desired hysteresis phenomenon was confirmed, and it was confirmed that the present device was usable as a semiconductor memory device. Further, in this example, the high conductivity layer 113 was electrically separated from the semiconductor substrate 111, and each element in the same semiconductor substrate could be controlled independently, and the voltage applied to the gate 126 during the memory operation could be reduced. In addition, the carrier accumulation layer 114 is
By interposing the insulating layer 115 and the third insulating layer 116, the carrier holding characteristics can be improved. Further, of the second insulating layer 115 and the third insulating layer 116, the thinner insulating layer acts as a tunnel barrier having high film thickness controllability, and the carrier writing / erasing mode can be easily controlled by the film thickness control. You can now choose.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、単一電子
トランジスタを検知素子として用いたことにより、低消
費電力で、また、キャリア蓄積層の下部に高導電率層を
配し、それを記憶装置動作の制御に用いた事により、高
密度、高集積、高信頼性を備え、また、層状構造を用い
たことにより膜厚制御による素子設計が容易な半導体記
憶装置を構成することが可能となる。
According to the present invention described above, by using a single electron transistor as a sensing element, a high conductivity layer can be arranged with low power consumption and under a carrier storage layer. It is possible to configure a semiconductor memory device that has high density, high integration, and high reliability by using it for controlling the operation of the storage device, and that can easily design elements by controlling the film thickness by using a layered structure. Become.

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

【図1】本発明の第1の実施形態の半導体記憶装置を示
し、(a)は平面図、(b)はa−a’線断面図であ
る。
FIGS. 1A and 1B show a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line aa ′.

【図2】第1の実施形態における製造プロセス工程を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a manufacturing process step in the first embodiment.

【図3】本発明の第2の実施形態の半導体記憶装置を示
し、(a)は平面図、(b)はa−a’線断面図であ
る。
FIGS. 3A and 3B show a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line aa ′.

【図4】本発明の第3の実施形態の半導体記憶装置を示
し、(a)は平面図、(b)はa−a’線断面図であ
る。
FIGS. 4A and 4B show a semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention, wherein FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line aa ′.

【図5】本発明の第4の実施形態の半導体記憶装置を示
し、(a)は平面図、(b)はa−a’線断面図であ
る。
FIGS. 5A and 5B show a semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a sectional view taken along line aa ′.

【図6】単一電子トランジスタの製造方法を説明するた
めの概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a method for manufacturing a single-electron transistor.

【図7】従来技術の第2の従来例で説明した半導体不揮
発性記憶装置を示す、(a)は平面図、(b)a−a’
線は断面図である。
7A and 7B show a semiconductor nonvolatile memory device described in a second conventional example of the related art, FIG. 7A is a plan view, and FIG. 7B is aa ′.
The line is a cross-sectional view.

【図8】単一電子トランジスタにおけるクーロン振動
と、ゲート電圧VW の変動を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing Coulomb oscillation and fluctuation of a gate voltage VW in a single-electron transistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110 半導体記憶装置 111 半導体基板 112 第1の絶縁層 113 高導電率層 114 キャリア蓄積層 115 第2の絶縁層 116 第3の絶縁層 120 単一電子トランジスタ 121 ドレイン 122,124 トンネル障壁 123 アイランド 125 ソース 126 ゲート 210 半導体記憶装置 212 半導体基板 213 電界効果トランジスタのドレイン 214 電界効果トランジスタのソース 215 素子分離膜 216 第1の絶縁層 217 第2の絶縁層 218 第3の絶縁層 219 単一電子トランジスタ 220 活性領域 221 単一電子トランジスタのドレイン 222,224 トンネル障壁 223 アイランド 225 単一電子トランジスタのソース 226 ゲート 227 電界効果トランジスタのドレイン電極 228 電界効果トランジスタのソース電極 Reference Signs List 110 semiconductor storage device 111 semiconductor substrate 112 first insulating layer 113 high conductivity layer 114 carrier accumulation layer 115 second insulating layer 116 third insulating layer 120 single electron transistor 121 drain 122,124 tunnel barrier 123 island 125 source 126 Gate 210 Semiconductor storage device 212 Semiconductor substrate 213 Drain of field effect transistor 214 Source of field effect transistor 215 Element isolation film 216 First insulating layer 217 Second insulating layer 218 Third insulating layer 219 Single electron transistor 220 Active Region 221 Single-electron transistor drain 222,224 Tunnel barrier 223 Island 225 Single-electron transistor source 226 Gate 227 Field-effect transistor drain electrode 228 Field effect The source electrode of the transistor

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、前記半導体基板上に形成
された高導電率層と、前記高導電率層の上部に形成され
たキャリア蓄積層と、前記キャリア蓄積層の上部に形成
された単一電子トランジスタとを備えることを特徴とす
る半導体記憶装置。
1. A semiconductor substrate, a high conductivity layer formed on the semiconductor substrate, a carrier storage layer formed on the high conductivity layer, and a single storage layer formed on the carrier storage layer. A semiconductor memory device comprising a one-electron transistor.
【請求項2】 前記半導体基板と前記高導電率層との間
に第1の絶縁層が存在することを特徴とする請求項1記
載の半導体記憶装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a first insulating layer exists between said semiconductor substrate and said high conductivity layer.
【請求項3】 前記第1の絶縁膜層がシリコン酸化膜で
あることを特徴とする請求項2記載の半導体記憶装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein said first insulating film layer is a silicon oxide film.
【請求項4】 前記高導電率層が、前記単一電子トラン
ジスタおよびその周辺領域で定義されるメモリセル領域
下部にのみ存在することを特徴とする請求項1ないし3
のいずれかに記載の半導体記憶装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-conductivity layer exists only below a memory cell region defined by the single-electron transistor and a peripheral region thereof.
The semiconductor memory device according to any one of the above.
【請求項5】 前記高導電率層が、前記単一電子トラン
ジスタのアイランドを含む微小接合の領域の直下におい
て、前記微小接合の領域と同程度の大きさに形成されて
いることを特徴とする請求項4記載の半導体記憶装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-conductivity layer is formed just below the region of the micro-junction including the island of the single-electron transistor and has a size similar to that of the region of the micro-junction. The semiconductor memory device according to claim 4.
【請求項6】 前記高導電率層と前記キャリア蓄積層と
の間に第2の絶縁層が存在することを特徴とする請求項
4または5に記載の半導体記憶装置。
6. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein a second insulating layer exists between said high conductivity layer and said carrier storage layer.
【請求項7】 前記キャリア蓄積層と前記単一電子トラ
ンジスタとの間に第3の絶縁層が存在することを特徴と
する請求項6に記載の半導体記憶装置。
7. The semiconductor memory device according to claim 6, wherein a third insulating layer exists between said carrier accumulation layer and said single electron transistor.
【請求項8】 前記高導電率層が、高濃度にドープされ
たシリコンオンインシュレータ層、高濃度にドープされ
たポリシリコン層、金属層のいずれか一つからなること
を特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の半導
体記憶装置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-conductivity layer comprises one of a heavily doped silicon-on-insulator layer, a heavily doped polysilicon layer, and a metal layer. 8. The semiconductor memory device according to any one of items 1 to 7.
【請求項9】 前記半導体基板がシリコンからなり、前
記キャリア蓄積層がシリコン窒化物およびシリコン酸化
膜の多層構造からなる、あるいは、前記キャリア蓄積層
がシリコンを材料とする粒子およびシリコン酸化膜の多
層構造からなることを特徴とする請求項1ないし8のい
ずれかに記載の半導体記憶装置。
9. The semiconductor substrate is made of silicon, and the carrier storage layer is made of a multilayer structure of silicon nitride and a silicon oxide film. Alternatively, the carrier storage layer is made of silicon-based particles and a multilayer of silicon oxide film. 9. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said semiconductor memory device has a structure.
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