JP2003078128A - Quantum effect element - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、量子効果素子及びその製造方
法、並びに半導体細線を用いた単電子トランジスタによ
り二分決定グラフ回路を形成し該回路を簡潔化した半導
体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、パーソナル携帯機器に対するLS
Iの低消費電力化の強い要求がある。LSIの低消費電
力化は、携帯機器全体の低消費電力化をもたらすため、
電池駆動における動作時間の延長を可能にするからであ
り、このため、半導体素子の低消費電力化が着実に進め
られてきている。
【0003】近年、半導体素子の主流となっているCM
OS型半導体素子にあっては、その消費電力PがP=f
・C・V2 で表わされる。ここで、fは回路の動作周波
数、Cは回路全体の等価容量、Vは動作電源電圧であ
る。これにより、動作周波数fを同一として比較した場
合に、消費電力Pを低減するには、回路全体の等価容量
Cを低減し、動作電源電圧Vを小さくすることが必要と
なる。容量を低減し、動作電圧を小さくすることは、即
ち、移動するキャリアの数を減少させることに対応す
る。
【0004】従って、半導体素子の低消費電力化を図る
ためには、信号を伝達するキャリアの数を減少させるこ
とが必要である。単一電子素子はその究極の形であり、
信号を1つの電子で伝達する(Nakazato et al., IEDM
Tech. Digest, p487(1992))。この単一電子素子はポス
トSi−VLSIの最有力候補として注目を集めてい
る。近年の微細加工技術の進展に伴って、電子の波長と
同程度の微細構造を形成することが可能になり、数個の
電子を用いた素子でビット情報を表わし、今日の半導体
デバイスの概念の延長で単一電子素子を構築する試みが
なされている。
【0005】以下、従来の4端子単一電子素子を図面を
参照しながら説明する。
【0006】図9(a)は従来の疑似CMOS単一電子
回路に用いる4端子単一電子素子を示す概略回路図であ
る(Tucker JR : J. Appl. Phys. 72, 4399 (1992))。
図9(a)に示すように、従来の4端子単一電子素子
は、一方の電極が共通接続部101に接続され、他方の
電極がドレイン端子102に接続された第1のトンネル
接合103と、一方の電極が共通接続部101に接続さ
れ、他方の電極がソース端子104に接続された第2の
トンネル接合105と、一方の電極が共通接続部101
に接続され、他方の電極がゲート端子106に接続され
た第1のキャパシタ107と、一方の電極が共通接続部
101に接続され、他方の電極が電源端子108に接続
された第2のキャパシタ109とから構成されている。
【0007】4端子単一電子素子の動作は、例えば、電
源端子108を電源電圧VDDに設定し、ゲート端子10
6をゲート電極として動作させれば、n型素子となり、
電源端子108を接地し、ゲート端子106をゲート電
極として動作させれば、p型素子となる。従って、これ
らn型とp型との4端子単一電子素子を1つずつ組み合
わせれば、CMOS回路と同等な回路を構築することが
できる。図9(b)は従来の4端子単一電子素子の動作
のシミュレーション結果であり、MOSFETのVd−
Id特性と同様な特性が得られることが予測されてい
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の単一電子素子は、信号を1つの電子で伝達するもの
であり、低消費電力化の観点からは究極のデバイスの一
つと考えられるものの、以下に挙げるように2つの問題
を有している。
【0009】第1の問題は加工技術にある。加工技術に
関しては、量産性及び材料安定性に優れたシリコンを用
いて図9(a)の素子を実現しようとする場合には、図
9(b)に示されているように、トンネル接合の容量を
数aF(アトファラッド:10-18 F)と極めて小さな
値にする必要があり、nmレベルの微細加工技術が不可
欠となる。従来の電子線リソグラフィー技術を用いた量
子効果素子の製造方法では、幅10nm程度の描画が限
界であり、顕著な量子効果が期待できる数nm以下の素
子形成は困難であるという問題を有している。また、電
子線を用いた場合には、シリコン基板表面にプロセスダ
メージが生じるため、素子特性を劣化させるという問題
を有している。
【0010】第2の問題は回路技術にある。回路技術に
関しては、単一電子素子は従来のVLSIの主流である
CMOS技術とは動作機構が異なっており、且つ、原理
的に入力電圧及び出力電圧が極めて小さいため、従来の
回路技術と異なった論理回路の技術を適用する必要があ
る。これに対して、単電子トランジスタを用いて二分決
定グラフ回路を構築するという提案が出ている(雨宮好
仁ら,応用物理,64,No.8, 765-768(1995))。
【0011】本発明は、前記従来の問題を解決し、素子
専有面積が極めて小さく、且つ、低消費電力の量子効果
素子を実現できるようにすることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、既存のシリコン半導体技術に適合する、
走査型プローブ顕微鏡を用いた電界支援酸化プロセス及
び結晶異方性エッチングを応用したダメージフリープロ
セスを用いる構成とするものである。単一電子素子は、
原理的に入力電圧及び出力電圧が非常に小さいため、電
圧振幅を大きく扱える他のデバイスと結合させる必要が
あり、本発明を用いた製造方法を用いると、現在主流で
あるSi−CMOSデバイスと容易に且つ確実に結合さ
せることができる。
【0013】具体的に請求項1の発明が講じた解決手段
は、量子効果素子を、シリコンよりなる量子細線と、前
記量子細線に、該量子細線が延びる方向に互いに間隔を
おいて形成された一対のトンネル障壁部と、前記量子細
線における前記一対のトンネル障壁部により挟まれてな
る島部に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜
の前記量子細線に対する反対側の面に形成されたゲート
電極とを備えている構成とするものである。
【0014】請求項1の構成により、シリコンよりな
り、一対のトンネル障壁部に挟まれてなる島部を有する
量子細線と、該島部に形成されたゲート絶縁膜を介して
設けられたゲート電極とを備えているため、量子細線の
一端部をソース電極とし、他端部をドレイン電極とする
と、疑似CMOS単一電子回路に用いる単一電子素子を
確実に実現できる。さらに、島部のゲート電極に対する
反対側の側部に絶縁膜を介して別のゲート電極を設けれ
ば、4端子単一電子素子を容易に実現することができ
る。
【0015】
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)本発明の第1
の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0016】図1(a)は本発明の第1の実施形態に係
る量子効果素子を示す模式斜視図である。図1(a)に
示すように、シリコンよりなる量子細線11に、シリコ
ン酸化膜よりなる一対のトンネル障壁部12に挟まれて
なるシリコン島部11aが形成されている。シリコン島
部11aの側部の一方にはシリコン酸化膜よりなるゲー
ト絶縁膜13を介して電位制御用のゲート電極14が設
けられ、シリコン島11aの側部の他方にはシリコン酸
化膜よりなる絶縁膜15を介して電位制御用の制御電極
16が設けられている。
【0017】量子細線11の幅及び膜厚は、トンネル障
壁部12の容量値が十分に小さくなるように10nm程
度が好ましい。トンネル障壁部12は、量子細線11を
局所的に膜厚方向に2nm〜5nm酸化させることによ
り形成されている。ゲート絶縁膜13及び絶縁膜15は
共にシリコン酸化膜よりなり、その幅は200nm以下
であり、好ましくは数10nmである。また、シリコン
島部11aは幅は10nmであり、長さは200nm以
下であり、数10nmが好ましい。ゲート電極14及び
制御電極16はn型不純物が高濃度に添加された単結晶
シリコンであるが、これに限らず金属であっても多結晶
シリコンであってもよい。
【0018】本実施形態に係る量子効果素子は、各端子
が図9(a)に示す疑似CMOS単一電子回路の4端子
単一電子素子の端子にそれぞれ対応している。すなわ
ち、量子細線11の一端11bがソース端子104に、
量子細線11の他端11cがドレイン端子102に、ゲ
ート電極14がゲート端子106に、制御電極16が電
源端子108にそれぞれ対応している。従って、制御電
極16に電源電位VDDを印加するとnチャンネルトラン
ジスタとして機能し、制御電極16に接地電位を印加す
るとpチャンネルトランジスタとして機能する。
【0019】図1(b)は図1(a)に示すソース・ド
レイン方向の断面図である。シリコン島部11aはトン
ネル障壁部12を形成する一対のシリコン酸化膜17が
量子細線11が延びる方向に互いに間隔をおいて形成さ
れている。ここで、各シリコン酸化膜17は量子細線1
1の表面からそのほぼ中心部にまで形成されており、量
子細線11の底部にまでは達していない。この構造を量
子細線コンストリクション(=くびれ)構造と呼ぶ。そ
の結果、トンネル電流が流れる際に、駆動力が低下せ
ず、また、キャリアの速度も大きくなる。
【0020】図1(c)は図1(a)に示すソース・ド
レイン方向の断面のエネルギー準位を示す図である。図
1(c)に示すように、シリコン酸化膜17による量子
細線コンストリクション構造を有しているため、トンネ
ル障壁部12のエネルギーバンドギャップEg2が量子細
線11のエネルギーバンドギャップEg1よりも大きくな
っていることがわかる。ここで、C.B.は伝導帯、
V.B.は価電子帯をそれぞれ表わしている。
【0021】このように、本実施形態の量子効果素子に
よると、電子数個でビット情報が記述でき、且つ、疑似
CMOS構造を形成できるため、極めて消費電力が小さ
い電力素子を実現できる。
【0022】さらに、本量子効果素子は、シリコン島部
11aを含めても原理的に一辺が数10nmの素子面積
で収まるため超高集積化が可能となる。
【0023】なお、ゲート絶縁膜13及びゲート電極1
4と、絶縁膜15及び制御電極16とは便宜上の名称で
あり、互いに対応する部材が同一であるので、ゲート絶
縁膜13側を電源端子108とし、制御電極16側をゲ
ート端子106として扱えることは明らかである。
【0024】以下、本発明の第1の実施形態に係る量子
効果素子の製造方法を図面に基づいて説明する。
【0025】図2(a)〜(c)及び図3は本発明の第
1の実施形態に係る量子効果素子の製造方法を示す工程
順斜視図及び断面図である。まず、図2(a)に示すよ
うに、面方位が(001)のシリコン基板21と、該シ
リコン基板21の上に形成され厚さが100nmの埋め
込み酸化膜22と、該埋め込み酸化膜22の上に形成さ
れ厚さが140nmの上部シリコン層(図示せず)とか
らなるSOI基板20を、温度が1000℃の度酸素雰
囲気中で約120分間酸化し、上部シリコン層の上部に
酸化して形成された酸化膜をフッ化水素(HF)水溶液
中で除去することにより上部シリコン層を薄膜化して、
膜厚が10nmの薄膜シリコン層23を形成する。表面
に金(Au)等をコートした導電性プローブ針(図1
(b)の符号18にその先端部のみを示す。)を有す
る、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネ
ル顕微鏡(STM)のような走査型プローブ顕微鏡を用
いて、該導電性プローブ針を薄膜化された薄膜シリコン
層23の所定領域に接近させた後、導電性プローブ針に
−10Vのバイアス電圧を印加しながら<110>結晶
軸方向に垂直、又は平行に走査して電界支援酸化を行な
うことにより、電界支援酸化膜としてのシリコン酸化膜
よりなり、交差部24Cで互いに直行する第1の直線パ
ターン24Aと第2の直線パターン24Bとを形成す
る。
【0026】次に、図2(b)に示すように、エチレン
ジアミンが1000ml、ピロカテコールが144g及
び純水が290mlの混合溶液をエッチング液に用い
て、該エッチング液を温度80℃に保ちつつ、SOI基
板20に対して1分間のシリコン結晶異方性エッチング
を行なう。シリコン結晶異方性エッチングは、(11
1)面のエッチングレートが約8nm/minであるの
に対し、(100)及び(110)方向は約100nm
/minのエッチングレートを持つ。図2(b)におけ
るI−I線断面図である図2(c)に示すように、この
特性と、シリコン酸化膜よりなる第1及び第2の直線パ
ターン24A,24Bの耐エッチング性とにより、該ウ
エットエッチング後には、埋め込み酸化膜22上に、
(111)面を側面に持ち、互いに交差部23cを有し
シリコンよりなる第1の量子細線23aと第2の量子細
線23bとからなるシリコン微構造が形成される。この
後、第1の直線パターン24A及び第2の直線パターン
24Bをフッ酸等で除去する。
【0027】次に、図3に示すように、走査型プローブ
顕微鏡を用いて、埋め込み酸化膜22の上における第1
の量子細線23a及び第2の量子細線23bを含む領域
を段差測定して、後工程の描画の位置合わせ用データを
求める。その後、第1の量子細線23aにおける交差部
23cを挟む第1の領域及び第2の領域に、(−10)
Vのバイアス電圧が印加された導電性プローブ針を順次
接近させて電界支援酸化を行なうことにより、第1の領
域及び第2の領域に電界支援酸化膜よりなるトンネル障
壁25a,25aをそれぞれ形成する。電界支援酸化に
よって生じた、導体であるシリコンの膜厚の差がバンド
ギャップの差に反映され、これにより、ポテンシャル障
壁が形成されることになる。その結果、第1の量子細線
23aは、交差部23cが2つのトンネル障壁25aに
挟まれるため、第1の量子細線23aの一端部にソース
端子が、他端部にドレイン端子がそれぞれ形成される。
各トンネル障壁25aは、顕微鏡の導電性プローブ針の
バイアス電圧値等を変化させることにより、電界支援酸
化膜の膜厚等を変化させることができるので、該膜厚に
応じて容量値やトンネル抵抗値を変化させることができ
る。
【0028】次に、第2の量子細線23bにおける交差
部23cを挟む第3の領域及び第4の領域に、(−3
0)Vのバイアス電圧が印加された導電性プローブ針を
順次接近させて電界支援酸化を行なって、第3の領域及
び第4の領域に電界支援酸化膜よりなる絶縁膜25b,
25bをそれぞれ形成することにより、一対のトンネル
障壁25a,25a及び一対の絶縁膜25b,25bに
囲まれてなるシリコン島部としての交差部23cが形成
される。これにより、第2の量子細線23bは2つの絶
縁膜25b、25bにより絶縁分離されるため、一端に
電位制御用のゲート電極が形成され、他端に電位制御用
の制御電極が形成されることになる。
【0029】このように、本実施形態に係る製造方法に
よると、走査型プローブ顕微鏡をパターン描画に用いて
いるため、数nmレベルの微細加工を容易に行なえる。
【0030】また、電界支援酸化プロセスにおける導電
性プローブ針のバイアス条件を適当に選ぶことにより、
素子特性や動作温度に大きく関係するトンネル障壁の容
量値や抵抗値を最適化することができ、シリコン島部を
形成する交差部23cを挟む一対のトンネル障壁25
a,25aを非対称に形成することも可能である。この
一対のトンネル障壁25a,25aを非対称に形成する
ことにより、所望の回路に合わせて、例えば、出力側の
トンネル障壁の容量を入力側のトンネル障壁の容量より
も小さくすることにより、出力時のスピードを大きくで
きるというメリットが生じる。
【0031】さらに、電界支援酸化プロセスはシリコン
原子表面のみを改質し、結晶異方性エッチングプロセス
もウエットプロセスであるため、プロセスダメージフリ
ーであるので、単一電子素子の誤動作原因となる界面準
位等のオフセット電荷を極めて低いレベルに抑制するこ
とができる。
【0032】また、結晶異方性エッチングを用いている
ため、量子細線の側面は原子レベルで平坦であるので、
長手方向の幅均一性、直線性に極めて優れており、従っ
て、量子力学的な効果によって電子移動度の向上が期待
できるので、高速動作が可能となる。
【0033】(第2の実施形態)以下、本発明の第2の
実施形態を図面に基づいて説明する。
【0034】図4(a)は本発明の第2の実施形態に係
る半導体装置を示す部分平面図である。図4(a)にお
いて、SOI基板の上に、シリコンよりなるキャリア転
送部30と、該キャリア転送部30の一端部に第1のト
ンネル障壁41を介して電気的に接続されたシリコンよ
りなる第1の量子細線31と、キャリア転送部30の他
端部に第2のトンネル障壁42を介して電気的に接続さ
れたシリコンよりなる第2の量子細線32と、キャリア
転送部30の前記一端部と前記他端部との間に第3のト
ンネル障壁43を介して電気的に接続されたシリコンよ
りなる第3の量子細線33とが形成されている。
【0035】さらに、キャリア転送部30の上に絶縁膜
(図示せず)を介して形成された制御電極としての第1
のゲート電極51と、第2の量子細線32の上に絶縁膜
(図示せず)を介して形成された第2のゲート電極52
と、第3の量子細線33の上に絶縁膜(図示せず)を介
して形成された第3のゲート電極53とが形成されてい
る。
【0036】キャリア転送部30及び第1〜第3の量子
細線31〜33はそれぞれ幅100nm以下で且つ導電
性を有しておればよい。第1〜第3のトンネル障壁41
〜43はエネルギー的な障壁として動作し、トンネル電
流が流れればその材料を問わない。また、第1〜第3の
ゲート電極51〜53は電位を伝達できるものであれば
その材料を問わない。
【0037】第1の量子細線31を信号入力部とし、そ
の入力電圧をAとする。第2の量子細線32を第1の出
力検知部とし、その出力電圧をY0 とする。第3の量子
細線33を第2の出力検知部とし、その出力電圧をY1
とする。第3のゲート電極53を信号用制御電極とし、
その制御電位をX0 とする。第1のゲート電極51及び
第2のゲート電極52をクロック用制御電極とし、その
制御電位をそれぞれφ1 及びφ2 とする。
【0038】図4(b)は本発明の第2の実施形態の第
1変形例に係る半導体装置を示す部分平面図である。図
4(b)において、SOI基板の上に、シリコンよりな
る第1のキャリア転送部30Aと、該第1のキャリア転
送部30Aの一端部に第1のトンネル障壁41を介して
電気的に接続されたシリコンよりなる第1の量子細線3
1と、第1のキャリア転送部30Aの他端部に第2のト
ンネル障壁42を介して電気的に接続されたシリコンよ
りなる第2の量子細線32と、第1のキャリア転送部3
0Aの前記一端部と前記他端部との間に第3のトンネル
障壁43を介して電気的に接続されたシリコンよりなる
第2のキャリア転送部33Aと、該第2のキャリア転送
部33Aにおける第2の量子細線32側の側部に第4の
トンネル障壁44を介して電気的に接続されたシリコン
よりなる第3の量子細線34とが形成されている。
【0039】さらに、第1のキャリア転送部30Aの上
に絶縁膜(図示せず)を介して形成された第1のゲート
電極51と、第2の量子細線32及び第3の量子細線3
4の上に絶縁膜(図示せず)を介して形成された第2の
ゲート電極52と、第2のキャリア転送部33Aの上に
絶縁膜(図示せず)を介して形成された第3のゲート電
極53とが形成されている。
【0040】第1及び第2のキャリア転送部30A,3
3A及び第1〜第3の量子細線31,32,34はそれ
ぞれ幅0.1μm以下で且つ導電性を有しておればよ
い。第1〜第4のトンネル障壁41〜44はエネルギー
的な障壁として動作し、トンネル電流が流れればその材
料を問わない。また、第1〜第3のゲート電極51〜5
3は電位を伝達できるものであればその材料を問わな
い。
【0041】第1の量子細線31を信号入力部とし、そ
の入力電圧をAとする。第2の量子細線32を第1の出
力検知部Y0 とし、第3の量子細線34を第2の出力検
知部Y1 とする。第3のゲート電極53を信号用制御電
極とし、その制御電位をX0とする。第1のゲート電極
51及び第2のゲート電極52をクロック用制御電極と
し、その制御電位をそれぞれφ1 及びφ2 とする。
【0042】図5は本発明の第2の実施形態の第1変形
例に係る半導体装置の等価回路図である。第1のキャリ
ア転送部30Aは第1のトンネル障壁41、第2のトン
ネル障壁42及び第3のトンネル障壁43により囲まれ
ており、第2のキャリア転送部33Aは第3のトンネル
障壁43及び第4のトンネル障壁44により囲まれてい
るため、第1のキャリア転送部30A又は第2のキャリ
ア転送部33Aに電子が格納されると、電子間のクーロ
ン相互作用により他の電子は格納できなくなる。また、
第1のゲート電極51又は第3のゲート電極53に適当
な低い電位を印加しておくと、第1のキャリア転送部3
0A又は第2のキャリア転送部33Aから電子が流出す
ることもない。第1の量子細線31に電子が存在する場
合に、第1のゲート電極51に適当な高い電位を印加す
ると、該第1の量子細線31中の電子は第1のキャリア
転送部30Aに移動する。このとき、第3のゲート電極
53にさらに高い電位を印加すると、第1のキャリア転
送部30Aに移動した電子は、さらに第2のキャリア転
送部33Aに移動する。
【0043】図6は本発明の第2の実施形態の第1変形
例に係る半導体装置における各制御電圧を示すタイミン
グチャートである。図6に示すタイミングで、第1〜第
3のゲート電極51〜53に対応する制御電位φ1,φ
2,X0 をそれぞれ印加すると、第1の出力検知部の出
力電圧Y0 、及び第2の出力検知部の出力電圧Y1 にそ
れぞれ排他的に電荷が出力される。
【0044】これにより、本実施形態に係る回路は、制
御電位X0 がH(ハイ)であるならば、入力電圧Aの電
荷を第2の出力検知部に出力電圧Y1 として転送するこ
とができる一方、制御電位X0 がL(ロー)であるなら
ならば、第1の出力検知部に出力電圧Y0 として転送す
ることができるので、二分決定グラフ回路が構成される
ことになる。
【0045】従って、本実施形態によると、量子細線を
用いた単電子トランジスタによって二分決定グラフ回路
が容易に且つ確実に形成される。
【0046】なお、量子細線を構成する材料にシリコン
を用いたが、導電性を有する材料であればよい。トンネ
ル障壁はエネルギー的な障壁として動作し、トンネル電
流が流れればよく、例えば、薄いシリコン酸化膜や、量
子細線の周辺酸化による量子細線コンストリクション構
造等を用いるとよい。ゲート電極の材料としては、通
常、シリコン多層配線プロセスとの整合性を図るために
アルミニウム等が考えられるが、電位を伝達することが
できる材料であればよい。
【0047】(第3の実施形態)以下、本発明の第3の
実施形態を図面に基づいて説明する。
【0048】図7は本発明の第3の実施形態に係る半導
体装置を示す部分平面図である。図8(a)〜(f)は
本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を
示し、図7のIII−III線における工程順断面図である。
まず、図8(a)に示すように、例えば、SIMOX法
を用いて、シリコン基板61と、該シリコン基板61の
上に形成され厚さが80nmの埋め込み酸化膜62と、
該埋め込み酸化膜62の上に形成され厚さが180nm
で主面の面方位が<100>である上部シリコン層63
AとからなるSOI基板60を形成する。
【0049】次に、図8(b)に示すように、SOI基
板60を温度が1000℃の酸素雰囲気中で約120分
間酸化し、上部シリコン層63Aの上部に酸化して形成
された酸化膜をフッ化水素(HF)水溶液中で除去する
ことにより上部シリコン層63Aを薄膜化して、膜厚が
50nmの薄膜シリコン層63Bを形成する。
【0050】次に、図8(c)に示すように、表面に金
(Au)等をコートした導電性プローブ針90を有す
る、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネ
ル顕微鏡(STM)のような走査型プローブ顕微鏡を用
いて、該導電性プローブ針90を薄膜化された薄膜シリ
コン層63Bの主面の第1の直線パターンを形成する所
定領域に接近させる。その後、導電性プローブ針90を
接地電位とし、薄膜シリコン層63Bに+9Vのバイア
ス電圧を印加したまま、該導電性プローブ針90を毎秒
約0.25μmの速度で薄膜シリコン層63Bの主面に
沿って直線状に移動させ、薄膜シリコン層63Bに印加
した電界による電界支援酸化を行なって、薄膜シリコン
層63Bの表面に、線幅が約100nmで膜厚が5nm
の電界支援酸化膜であり、第1の直線パターンとしての
シリコン酸化膜65Aを形成する。続いて、第1の直線
パターンにおける第1のキャリア転送部としての第1の
分岐部(図7に示す符号81)から、主面内で該第1の
直線パターンに垂直に延びる第2の直線パターンを同じ
く電界支援酸化法を用いて形成すると共に、第2の直線
パターンにおける第2のキャリア転送部としての第2の
分岐部(図7に示す符号82)から、主面内で該第2の
直線パターンに垂直且つ第1の直線パターンに平行に延
びる第3の直線パターンとしてのシリコン酸化膜65C
とを同様に形成する。
【0051】次に、図8(d)に示すように、エチレン
ジアミンが300ml、ピロカテコールが48g及び純
水が98mlの混合溶液をエッチング液に用いて、該エ
ッチング液を温度80℃に保ちつつ、SOI基板60に
対して30秒間の異方性エッチングを行なう。このエッ
チング液はシリコンに対してエッチングを行なうが、エ
ッチング速度が面方位によって異なっており、<111
>方向は他の面方位と比較して非常に遅い。従って、こ
のエッチング液中に30秒間浸した後の薄膜シリコン層
63Bはシリコン酸化膜65A,65C等の下側部分の
みが残るので、第1の量子細線63a、第2の量子細線
(図7に示す符号63b)及び第3の量子細線63cが
それぞれ形成される。各量子細線63a,63b、63
cの側面はそれぞれ<111>面となっている。ここ
で、各量子細線63a,63b,63cの上面はシリコ
ン酸化膜65A等によって保護されているためエッチン
グされない。
【0052】次に、図8(e)に示すように、第1の量
子細線63aにおける第1の分岐部81に対する第3の
量子細線63cの反対側の第1の領域に導電性プローブ
針90を接近させると共に、該導電性プローブ針90を
接地電位に印加し且つ第1の量子細線63aに+15V
のバイアス電圧を印加しつつ、該導電性プローブ針90
を第1の量子細線63aに対して垂直に毎秒約0.25
μmの速度で第1の量子細線63aの表面に沿って移動
させる。これにより、印加した電界による電界支援酸化
を用いて、該第1の領域に線幅及び膜厚が約10nmの
第1のトンネル障壁としての障壁酸化膜(図7に示す符
号66A)を形成する。同様に、第1の量子細線63a
における第1の分岐部81に対する第3の量子細線63
c側の第2の領域に導電性プローブ針90を接近させて
電界支援酸化を行なうことにより、該第2の領域に電界
支援酸化膜よりなる第2のトンネル障壁としての障壁酸
化膜66Bを形成する。続いて、同様に、第2の量子細
線63bにおける第2の分岐部82に対する第1の分岐
部81側の第3の領域に導電性プローブ針90を接近さ
せて電界支援酸化を行なうことにより、該第3の領域に
電界支援酸化膜よりなる第3のトンネル障壁としての障
壁酸化膜(図7に示す符号66C)を形成すると共に、
第3の量子細線63cにおける第2の分岐部82側の第
4の領域に導電性プローブ針90を接近させて電界支援
酸化を行なうことにより、該第4の領域に電界支援酸化
膜よりなる第4のトンネル障壁としての障壁酸化膜(図
7に示す符号66D)を形成する。
【0053】次に、図8(f)に示すように、例えば、
常圧CVD法を用いて、SOI基板60の上に全面にわ
たって厚さが100nmの層間絶縁膜としてのシリコン
酸化膜67を堆積した後、スパッタ法を用いて該シリコ
ン酸化膜67の上に全面にわたって厚さが500nmの
アルミニウム薄膜を堆積する。その後、フォトリソグラ
フィーを用いて該アルミニウム薄膜に対して選択的にエ
ッチングを行なって、第1の分岐部81の上方に第1の
ゲート電極(図7に示す符号68A)と、第1の量子細
線63aにおける障壁酸化膜66Bの第3の量子細線6
3c側の上方及び第3の量子細線63cの上方に第2の
ゲート電極(図7に示す符号68B)と、第2の分岐部
82の上方に第3のゲート電極68Cとをそれぞれ形成
する。
【0054】このように、本実施形態によると、第2の
実施形態の第1の変形例に示した二分決定グラフ回路を
実現する半導体装置と同一構成の、量子細線を用いた単
電子トランジスタにより構成される半導体装置を確実に
製造することができる。
【0055】また、走査型プローブ顕微鏡をパターン描
画に用いているため、数nmレベルの微細加工を容易に
行なえると共に、電界支援酸化プロセスにおける導電性
プローブ針のバイアス条件を適当に選ぶことにより、素
子特性や動作温度に大きく関係するトンネル障壁の容量
値や抵抗値を最適化することができる。
【0056】さらに、電界支援酸化プロセスはシリコン
原子表面のみを改質し、結晶異方性エッチングプロセス
もウエットプロセスであるため、プロセスダメージフリ
ーであるので、単一電子素子の誤動作原因となる界面準
位等のオフセット電荷を極めて低いレベルに抑制するこ
とができる。
【0057】また、結晶異方性エッチングを用いている
ため、量子細線の側面は原子レベルで平坦であるので、
長手方向の幅均一性、直線性に極めて優れており、従っ
て、量子力学的な効果によって電子移動度の向上が期待
できるので、高速動作が可能となる。
【0058】なお、量子細線の材料としてシリコンを用
いたが、導電性を有すればその材料を問わない。
【0059】また、障壁酸化膜は各量子細線を完全に酸
化しない、いわゆる、量子細線の周辺部酸化による量子
細線コンストリクション構造によって障壁を形成した
が、各量子細線の線幅をさらに微細化できれば、各量子
細線を完全に酸化してもよい。このようにすると、装置
のリーク電流が抑制されると共に、装置の冷却温度を比
較的高温にすることができる。なお、各障壁酸化膜はエ
ネルギー的な障壁として動作し、トンネル電流を流すこ
とができるものであればその材料を問わない。例えば、
薄いシリコン酸化膜や量子細線の周辺酸化による量子細
線コンストリクション構造等を用いるとよい。
【0060】また、ゲート電極の材料としては、シリコ
ン多層配線プロセスとの整合性を図るためアルミニウム
を用いたが、電位を伝達することができればその材料を
問わないことはいうまでもない。
【0061】また、導電性プローブ針の材料には、一般
に、金をコーティングしたシリコンが用いられるが、こ
の他にタングステンや不純物拡散を行なったシリコン等
を用いてもよい。
【0062】また、異方性エッチングにエチレンジアミ
ンとプロカテコールとの混合水溶液を用いたが、エッチ
ング速度が面方位により異なり、特定の面方位のエッチ
ング速度が他の面方位のエッチング速度よりも非常に遅
ければ、水酸化カリウム(KOH)やテトラメチルアン
モニウムハイドロオキサイド(TMAH)等の他の溶液
を用いてもよい。この場合には、主面の面方位を溶液の
異方性によって変更する必要があることはいうまでもな
い。
【0063】
【発明の効果】請求項1の発明に係る量子効果素子によ
ると、シリコンよりなり、一対のトンネル障壁部に挟ま
れてなる島部を有する量子細線と、該島部に形成された
ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備えて
いるため、量子細線の一端部をソース電極とし、他端部
をドレイン電極とすると、電子数個でビット情報が記述
できる疑似CMOS単一電子回路に用いる単一電子素子
を確実に実現できる。さらに、島部のゲート電極に対す
る反対側の側部に絶縁膜を介して別のゲート電極を接続
すれば、4端子単一電子素子を容易に且つ確実に実現す
ることができる。これにより、極めて低消費電力の素子
が実現可能となり、さらに、島部を含めても原理的に一
辺が数10nmの素子面積で収まるため、超高集積化が
可能となる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and its semiconductor device.
In particular, a quantum effect device and a method of manufacturing the same
Method and a single electron transistor using a semiconductor wire.
A semi-conductor that forms a binary decision diagram circuit and simplifies the circuit.
The present invention relates to a body device and a method of manufacturing the same. [0002] In recent years, LS for personal portable equipment has been developed.
There is a strong demand for low power consumption of I. Low power consumption of LSI
Powering will reduce the overall power consumption of mobile devices,
It is possible to extend the operating time in battery operation.
As a result, semiconductor devices are steadily reducing power consumption.
Have been In recent years, CMs that have become the mainstream of semiconductor devices
In the case of the OS type semiconductor element, the power consumption P is P = f
・ C ・ V Two Is represented by Where f is the operating frequency of the circuit
Number, C is the equivalent capacitance of the entire circuit, and V is the operating power supply voltage.
You. As a result, when the operating frequency f is compared with the same value,
In order to reduce the power consumption P, the equivalent capacitance of the entire circuit
It is necessary to reduce the operating power supply voltage V by reducing C
Become. Reducing capacitance and operating voltage is immediate.
In other words, reducing the number of moving carriers
You. Accordingly, the power consumption of the semiconductor device is reduced.
To reduce the number of carriers carrying signals.
Is necessary. A single electronic device is its ultimate form,
Signal is transmitted by one electron (Nakazato et al., IEDM
Tech. Digest, p487 (1992)). This single electronic device is
Attention as a leading candidate for Si-VLSI
You. With the recent development of microfabrication technology, the wavelength of electrons and
It is possible to form microstructures of the same degree, and several
Today's semiconductors use electronic elements to represent bit information
Attempts to build a single electronic device as an extension of the device concept
Has been done. Hereinafter, a conventional four-terminal single-electron element will be described with reference to the drawings.
It will be described with reference to FIG. FIG. 9A shows a conventional pseudo CMOS single electron.
FIG. 2 is a schematic circuit diagram showing a four-terminal single electronic element used in a circuit.
(Tucker JR: J. Appl. Phys. 72, 4399 (1992)).
As shown in FIG. 9A, a conventional four-terminal single-electron element
Has one electrode connected to the common connection portion 101 and the other
First tunnel with electrode connected to drain terminal 102
The junction 103 and one electrode are connected to the common connection portion 101.
And the second electrode whose other electrode is connected to the source terminal 104.
The tunnel junction 105 and one electrode are connected to the common connection portion 101
And the other electrode is connected to the gate terminal 106.
The first capacitor 107 and one electrode are connected to a common connection portion.
101, the other electrode is connected to the power terminal 108
And the second capacitor 109 formed. [0007] The operation of a four-terminal single-electron element can be, for example,
The source terminal 108 is set to the power supply voltage VDD, and the gate terminal 10
By operating 6 as a gate electrode, it becomes an n-type element,
The power terminal 108 is grounded, and the gate terminal 106 is
When operated as a pole, it becomes a p-type element. So this
Combine n-type and p-type four-terminal single-electron elements one by one
In other words, it is possible to construct a circuit equivalent to a CMOS circuit.
it can. FIG. 9B shows the operation of the conventional four-terminal single-electron element.
Are the simulation results, and the MOSFET Vd−
It is expected that characteristics similar to the Id characteristics will be obtained.
You. SUMMARY OF THE INVENTION
Conventional single electronic devices transmit signals with one electron
This is one of the ultimate devices from the perspective of lower power consumption.
Although it is considered one, there are two problems as listed below
have. The first problem is in the processing technology. Processing technology
Use silicon with excellent mass productivity and material stability.
In order to realize the device of FIG.
As shown in FIG. 9 (b), the capacitance of the tunnel junction is
Number aF (Atfarad: 10 -18 F) and extremely small
Value must be set, and nano-level fine processing technology cannot be used.
Will be missing. Amount using conventional electron beam lithography technology
In the manufacturing method of the child effect element, drawing with a width of about 10 nm is limited.
Element and a few nanometers or less in which a remarkable quantum effect can be expected.
The problem is that the formation of particles is difficult. In addition,
When using a strand, process
The problem of deterioration of device characteristics due to image formation
have. The second problem is in circuit technology. Circuit technology
Regarding single electronic devices, the mainstream of conventional VLSI
The operation mechanism is different from CMOS technology, and the principle
Input voltage and output voltage are extremely small,
It is necessary to apply a logic circuit technology different from the circuit technology.
You. On the other hand, a binary decision was made using a single-electron transistor.
There has been a proposal to build a constant graph circuit (Yoshi Amamiya
Jin et al., Applied Physics, 64, No. 8, 765-768 (1995)). The present invention solves the above-mentioned conventional problems and provides an element.
Extremely small occupied area and low power consumption quantum effect
An object is to realize an element. [0012] In order to achieve the above object,
Therefore, the present invention is compatible with existing silicon semiconductor technology,
Field-Assisted Oxidation Process Using Scanning Probe Microscope
Damage-free pro using crystal and crystal anisotropic etching
This is a configuration using a process. A single electronic device
In principle, the input and output voltages are very small,
Must be combined with other devices that can handle large pressure amplitudes
Yes, using the manufacturing method using the present invention
Easy and secure coupling to certain Si-CMOS devices
Can be made. Means for solving the problems specifically taken by the invention of claim 1
Describes a quantum effect device that is made up of a silicon quantum wire and a quantum wire.
The quantum wires are spaced from each other in the direction in which the quantum wires extend.
A pair of tunnel barrier portions formed in
Line between the pair of tunnel barriers.
A gate insulating film formed on the island portion, and the gate insulating film
Formed on the surface opposite to the quantum wire of
And an electrode. According to the first aspect of the present invention, the semiconductor device is made of silicon.
Has an island part sandwiched between a pair of tunnel barrier parts
Via the quantum wire and the gate insulating film formed on the island
And the provided gate electrode,
One end is the source electrode and the other end is the drain electrode
And a single electronic device used for a pseudo CMOS single electronic circuit.
Can be reliably realized. Furthermore, for the gate electrode in the island,
Another gate electrode is provided on the opposite side via an insulating film.
For example, a four-terminal single electronic device can be easily realized.
You. (First Embodiment) A first embodiment of the present invention.
An embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1A relates to a first embodiment of the present invention.
1 is a schematic perspective view showing a quantum effect device. In FIG. 1 (a)
As shown in FIG.
Sandwiched between a pair of tunnel barrier portions 12 made of an oxide film.
A silicon island portion 11a is formed. Silicon Island
A gate made of a silicon oxide film is provided on one side of the portion 11a.
A gate electrode 14 for potential control is provided through the insulating film 13.
The other side of the silicon island 11a
Control electrode for controlling electric potential via an insulating film 15 made of an oxide film
16 are provided. The width and thickness of the quantum wires 11 are not
About 10 nm so that the capacitance value of the wall portion 12 becomes sufficiently small.
Degrees are preferred. The tunnel barrier section 12 forms the quantum wire 11
By locally oxidizing 2 nm to 5 nm in the film thickness direction
Is formed. The gate insulating film 13 and the insulating film 15
Both are made of silicon oxide and have a width of 200 nm or less
And preferably several tens nm. Also silicon
The island 11a has a width of 10 nm and a length of 200 nm or less.
Below and several tens of nm are preferred. The gate electrode 14 and
The control electrode 16 is a single crystal to which an n-type impurity is added at a high concentration.
Silicon, but not limited to metal
It may be silicon. The quantum effect device according to the present embodiment has terminals
Are the four terminals of the pseudo CMOS single electronic circuit shown in FIG.
Each corresponds to a terminal of a single electronic element. Sandals
One end 11b of the quantum wire 11 is connected to the source terminal 104,
The other end 11 c of the quantum wire 11 is connected to the drain terminal 102.
The gate electrode 14 is connected to the gate terminal 106, and the control electrode 16 is connected to the gate terminal 106.
Each corresponds to a source terminal 108. Therefore, the control
When the power supply potential VDD is applied to the pole 16, the n-channel transistor
It functions as a transistor and applies a ground potential to the control electrode 16.
Then, it functions as a p-channel transistor. FIG. 1B is a diagram showing the source / destination shown in FIG.
It is sectional drawing of a rain direction. Silicon island 11a is ton
A pair of silicon oxide films 17 forming the tunnel barrier 12
They are formed at intervals in the direction in which the quantum wires 11 extend.
Have been. Here, each silicon oxide film 17 is formed of the quantum wire 1
1 is formed from the surface to almost the center thereof.
It does not reach the bottom of the fine wire 11. Quantify this structure
It is referred to as a fine wire constriction structure. So
As a result, when tunnel current flows,
In addition, the speed of the carrier increases. FIG. 1 (c) shows the source / destination shown in FIG. 1 (a).
It is a figure which shows the energy level of the cross section of a rain direction. Figure
As shown in FIG. 1 (c), the quantum
Because of the fine wire construction structure,
The energy band gap Eg2 of the barrier region 12 is
Greater than the energy band gap Eg1 of line 11.
You can see that it is. Here, C.I. B. Is the conduction band,
V. B. Represents a valence band. As described above, the quantum effect device of the present embodiment
According to this, bit information can be described with several electrons and
Extremely low power consumption because a CMOS structure can be formed
Power element can be realized. Further, the present quantum effect device has a silicon island portion.
Element area of several tens nm on one side in principle even when 11a is included
It is possible to achieve ultra-high integration. The gate insulating film 13 and the gate electrode 1
4 and the insulating film 15 and the control electrode 16 are named for convenience.
And the corresponding members are the same,
The edge film 13 side is a power supply terminal 108 and the control electrode 16 side is a gate terminal.
Obviously, it can be handled as the port terminal 106. Hereinafter, the quantum device according to the first embodiment of the present invention will be described.
A method for manufacturing the effect element will be described with reference to the drawings. FIGS. 2A to 2C and FIG. 3 show a second embodiment of the present invention.
Step showing a method for manufacturing a quantum effect device according to one embodiment
It is a forward perspective view and a sectional view. First, as shown in FIG.
Thus, a silicon substrate 21 having a plane orientation of (001) and the silicon
A 100 nm thick buried layer formed on the recon substrate 21
Embedded film 22 and a buried oxide film 22
Or an upper silicon layer (not shown) with a thickness of 140 nm
The SOI substrate 20 made of
Oxidation for about 120 minutes in an atmosphere, on top of the upper silicon layer
Oxidized film formed by oxidation is converted to a hydrogen fluoride (HF) aqueous solution
Thinning the upper silicon layer by removing it in
A thin film silicon layer 23 having a thickness of 10 nm is formed. surface
Conductive probe needle coated with gold (Au) etc.
Reference numeral 18 in (b) shows only the tip. Have)
For example, an atomic force microscope (AFM) or a scanning tunnel
Use a scanning probe microscope such as a scanning microscope (STM)
And the conductive probe needle is formed into a thin film silicon.
After approaching the predetermined area of the layer 23, the conductive probe needle
<110> crystal while applying a bias voltage of -10V
Scan vertically or parallel to the axial direction to perform field-assisted oxidation.
The silicon oxide film as an electric field assisted oxide film
And a first straight line perpendicular to each other at the intersection 24C.
Forming a turn 24A and a second linear pattern 24B;
You. Next, as shown in FIG.
Diamine 1000ml, Pyrocatechol 144g
And a mixed solution of pure water of 290 ml is used as an etching solution.
While maintaining the etchant at a temperature of 80 ° C.,
1 minute silicon crystal anisotropic etching on plate 20
Perform The silicon crystal anisotropic etching is (11
1) The etching rate of the surface is about 8 nm / min.
On the other hand, the (100) and (110) directions are about 100 nm.
/ Min etching rate. In FIG. 2 (b)
As shown in FIG.
Characteristics and the first and second linear patterns made of a silicon oxide film.
Due to the etching resistance of the turns 24A and 24B,
After the etching, on the buried oxide film 22,
It has a (111) plane on the side and has an intersection 23c with each other
A first quantum wire 23a made of silicon and a second quantum wire
A silicon microstructure consisting of line 23b is formed. this
After that, the first linear pattern 24A and the second linear pattern
24B is removed with hydrofluoric acid or the like. Next, as shown in FIG.
Using a microscope, the first on the buried oxide film 22
Region including the first quantum wire 23a and the second quantum wire 23b
To measure the level difference,
Ask. Then, the intersection at the first quantum wire 23a
(-10) in the first region and the second region sandwiching 23c.
The conductive probe needle to which the bias voltage of V is applied is sequentially
By performing electric field assisted oxidation in close proximity,
Barrier composed of an electric field assisted oxide film in the first region and the second region
The walls 25a, 25a are respectively formed. For electric field assisted oxidation
The difference in the film thickness of silicon, which is the conductor,
This is reflected in gap differences,
A wall will be formed. As a result, the first quantum wire
23a is that the intersection 23c has two tunnel barriers 25a.
The source is connected to one end of the first quantum wire 23a
A terminal is formed at the other end, and a drain terminal is formed at the other end.
Each tunnel barrier 25a is provided with a conductive probe needle of a microscope.
By changing the bias voltage value, etc.,
The thickness of the passivation film can be changed.
Capacitance value and tunnel resistance value can be changed according to
You. Next, the intersection at the second quantum wire 23b
The third region and the fourth region sandwiching the portion 23c have (-3)
0) Connect the conductive probe needle to which a bias voltage of V was applied.
The electric field assisted oxidation is performed by sequentially approaching the third region and
And an insulating film 25b made of an electric field assist oxide film in the fourth region,
By forming each of the tunnels 25b, a pair of tunnels is formed.
Barriers 25a, 25a and a pair of insulating films 25b, 25b
Intersection 23c is formed as an enclosed silicon island
Is done. As a result, the second quantum wire 23b has two discontinuities.
Because it is insulated and separated by the edge films 25b, 25b,
A gate electrode for potential control is formed, and the other end for potential control
Will be formed. As described above, in the manufacturing method according to this embodiment,
According to the report, using a scanning probe microscope for pattern drawing
Therefore, fine processing on the order of several nm can be easily performed. Also, the conductivity in the electric field assisted oxidation process
By appropriately selecting the bias conditions of the probe needle,
Tunnel barrier capacity greatly related to device characteristics and operating temperature
The amount and resistance can be optimized and the silicon island
A pair of tunnel barriers 25 sandwiching the intersection 23c to be formed
It is also possible to form a and 25a asymmetrically. this
A pair of tunnel barriers 25a, 25a are formed asymmetrically
Thus, for example, the output side
The capacity of the tunnel barrier is greater than the capacity of the tunnel barrier on the input side.
To increase output speed.
There is an advantage that it can be cut. Further, the electric field assisted oxidation process is performed on silicon.
Crystal anisotropic etching process that only modifies the atomic surface
Is also a wet process, so process damage free
Interface interface, which can cause malfunction of a single electronic device.
To minimize offset charges such as
Can be. Further, the crystal anisotropic etching is used.
Therefore, the side surface of the quantum wire is flat at the atomic level,
Excellent in width uniformity and linearity in the longitudinal direction.
Expected to improve electron mobility due to quantum mechanical effects
As a result, high-speed operation is possible. (Second Embodiment) Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
An embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 4A shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial plan view showing a semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 4 (a)
And a carrier transfer made of silicon on an SOI substrate.
Transmitting section 30 and one end of the carrier transfer section 30
Silicon electrically connected through the channel barrier 41
The first quantum wire 31 and the carrier transfer unit 30
The end is electrically connected through a second tunnel barrier 42.
Quantum wire 32 made of doped silicon and carrier
A third token is provided between the one end and the other end of the transfer unit 30.
Silicon electrically connected through the channel barrier 43
A third quantum wire 33 is formed. Further, an insulating film is formed on the carrier transfer section 30.
(Not shown) as a control electrode formed through
Gate electrode 51 and an insulating film on the second quantum wire 32
Second gate electrode 52 formed via (not shown)
And an insulating film (not shown) on the third quantum wire 33
And a third gate electrode 53 formed by
You. The carrier transfer unit 30 and the first to third quantum units
Each of the thin wires 31 to 33 has a width of 100 nm or less and is conductive.
What is necessary is just to have the property. First to third tunnel barriers 41
43 operate as energy barriers, and
Any material can be used as long as the current flows. In addition, the first to third
If the gate electrodes 51 to 53 can transmit a potential,
Regardless of the material. The first quantum wire 31 is used as a signal input part, and
Is A. The second quantum wire 32 is connected to the first
The output voltage is defined as Y0. Third quantum
The thin line 33 is used as a second output detector, and its output voltage is represented by Y1
And The third gate electrode 53 is used as a signal control electrode,
The control potential is X0. A first gate electrode 51 and
The second gate electrode 52 is used as a clock control electrode.
The control potentials are φ1 and φ2, respectively. FIG. 4B shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a partial plan view showing a semiconductor device according to a modification. Figure
In FIG. 4 (b), on the SOI substrate,
A first carrier transfer section 30A, and the first carrier transfer section 30A.
A first tunnel barrier 41 is provided at one end of the sending section 30A.
First quantum wire 3 made of electrically connected silicon
1 and a second token at the other end of the first carrier transfer section 30A.
Silicon electrically connected through the channel barrier 42
A second quantum wire 32 and a first carrier transfer unit 3
A third tunnel between said one end of said OA and said other end
Made of silicon electrically connected via the barrier 43
A second carrier transfer section 33A and the second carrier transfer
A fourth portion is provided on a side portion of the portion 33A on the side of the second quantum wire 32.
Silicon electrically connected through a tunnel barrier 44
A third quantum wire 34 is formed. Further, on the first carrier transfer section 30A,
Gate formed through an insulating film (not shown)
The electrode 51 and the second and third quantum wires 32 and 3
4 formed on an insulating film (not shown)
On the gate electrode 52 and the second carrier transfer section 33A
A third gate electrode formed via an insulating film (not shown)
A pole 53 is formed. The first and second carrier transfer units 30A, 30
3A and the first to third quantum wires 31, 32, 34
It is only necessary that each width is 0.1 μm or less and it has conductivity.
No. The first to fourth tunnel barriers 41 to 44 are energy
Works as a physical barrier, and if a tunnel current flows, the material
Regardless of the fee. Also, the first to third gate electrodes 51 to 5
3 is not limited as long as it can transmit electric potential.
No. The first quantum wire 31 is used as a signal input section, and
Is A. The second quantum wire 32 is connected to the first
The third quantum wire 34 is used as a second output detector.
It is assumed that the sensing unit is Y1. The third gate electrode 53 is connected to a signal control
And its control potential is X0. First gate electrode
51 and the second gate electrode 52 as clock control electrodes.
The control potentials are φ1 and φ2, respectively. FIG. 5 shows a first modification of the second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to an example. The first carry
The transfer unit 30A includes a first tunnel barrier 41 and a second tunnel
Surrounded by a tunnel barrier 42 and a third tunnel barrier 43.
The second carrier transfer unit 33A is in the third tunnel
Surrounded by a barrier 43 and a fourth tunnel barrier 44.
Therefore, the first carrier transfer unit 30A or the second carrier
A) When electrons are stored in the transfer unit 33A, the cool
Other electrons cannot be stored due to the interaction. Also,
Suitable for the first gate electrode 51 or the third gate electrode 53
When a very low potential is applied, the first carrier transfer unit 3
0A or electrons leak from the second carrier transfer unit 33A
Never even. When electrons exist in the first quantum wire 31
In this case, an appropriate high potential is applied to the first gate electrode 51.
Then, the electrons in the first quantum wire 31 become the first carrier
Move to transfer section 30A. At this time, the third gate electrode
When a higher potential is applied to 53, the first carrier
The electrons that have moved to the transmission unit 30A are further transferred to the second carrier.
Move to sending section 33A. FIG. 6 shows a first modification of the second embodiment of the present invention.
Timing indicating each control voltage in a semiconductor device according to an example
It is a chart. At the timing shown in FIG.
Control potentials φ1, φ corresponding to the three gate electrodes 51 to 53
When X0 and X0 are respectively applied, the output of the first output
The output voltage Y0 and the output voltage Y1 of the second output detection unit
The charge is exclusively output. As a result, the circuit according to this embodiment is
If the control potential X0 is H (high), the input voltage A
Transfer the load to the second output detector as an output voltage Y1.
On the other hand, if the control potential X0 is L (low)
If so, the output is transferred to the first output detector as the output voltage Y0.
So that a BDD circuit is constructed.
Will be. Therefore, according to the present embodiment, the quantum wire is
Binary decision diagram circuit by single electron transistor used
Are easily and reliably formed. The material constituting the quantum wires is silicon.
Was used, but any material having conductivity may be used. Tonne
The barrier acts as an energy barrier,
It is only necessary for the flow to flow, for example, a thin silicon oxide film,
Quantum Wire Constriction Structure by Edge Oxidation of Wire
It is preferable to use a structure or the like. As a material for the gate electrode,
Always for consistency with the silicon multilayer wiring process
Aluminum etc. can be considered, but it can transmit electric potential
Any material that can be used may be used. (Third Embodiment) Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described.
An embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 7 shows a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
It is a partial plan view showing a body device. 8 (a) to 8 (f)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
First, for example, as shown in FIG.
Using a silicon substrate 61 and the silicon substrate 61
A buried oxide film 62 formed thereon and having a thickness of 80 nm;
180 nm thick formed on the buried oxide film 62
And the upper silicon layer 63 whose main surface has a plane orientation of <100>
A SOI substrate 60 made of A is formed. Next, as shown in FIG.
The plate 60 is kept in an oxygen atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for about 120 minutes.
Oxidation during formation, formed by oxidation on the upper silicon layer 63A
Oxide film removed in an aqueous solution of hydrogen fluoride (HF)
This makes the upper silicon layer 63A thinner,
A 50 nm thin film silicon layer 63B is formed. Next, as shown in FIG.
It has a conductive probe needle 90 coated with (Au) or the like.
For example, an atomic force microscope (AFM) or a scanning tunnel
Use a scanning probe microscope such as a scanning microscope (STM)
Then, the conductive probe needle 90 is
Where the first linear pattern on the main surface of the cone layer 63B is formed
Approach the fixed area. Then, the conductive probe needle 90 is
A ground potential, and a + 9V via in the thin film silicon layer 63B
While the probe voltage is applied, the conductive probe needle 90 is moved every second.
At a speed of about 0.25 μm on the main surface of the thin silicon layer 63B.
Move linearly along the line and apply it to the thin silicon layer 63B
Field-assisted oxidation by the applied electric field
On the surface of the layer 63B, the line width is about 100 nm and the film thickness is 5 nm.
Field-assisted oxide film of
A silicon oxide film 65A is formed. Then, the first straight line
The first as a first carrier transfer unit in the pattern
From the branch portion (reference numeral 81 shown in FIG. 7), the first
Same as the second straight line pattern extending perpendicular to the straight line pattern
Formed using an electric field assisted oxidation method,
The second as a second carrier transfer unit in the pattern
From the branch portion (reference numeral 82 shown in FIG. 7), the second
Extending perpendicular to the straight line pattern and parallel to the first straight line pattern
Silicon oxide film 65C as a third linear pattern
Are similarly formed. Next, as shown in FIG.
Diamine 300ml, Pyrocatechol 48g and pure
Using a mixed solution of 98 ml of water as an etching solution,
While maintaining the etching liquid at a temperature of 80 ° C., the SOI substrate 60
Then, anisotropic etching is performed for 30 seconds. This edge
The etching solution etches silicon,
The pitching speed differs depending on the plane orientation, and <111
> Direction is very slow compared to other plane orientations. Therefore,
Thin silicon layer after immersion in the etching solution for 30 seconds
63B is a lower portion of the silicon oxide films 65A, 65C and the like.
Only the first quantum wire 63a, the second quantum wire
(Reference numeral 63b shown in FIG. 7) and the third quantum wire 63c
Each is formed. Each quantum wire 63a, 63b, 63
The side surfaces of c are <111> surfaces. here
The upper surface of each quantum wire 63a, 63b, 63c is made of silicon.
Etchin because it is protected by oxide film 65A etc.
Not be logged. Next, as shown in FIG.
The third with respect to the first branch portion 81 in the fine wire 63a
A conductive probe is provided in a first region opposite to the quantum wire 63c.
With the needle 90 approaching, the conductive probe needle 90 is
+15 V applied to the ground potential and to the first quantum wire 63a
Of the conductive probe needle 90 while applying a bias voltage of
Is approximately 0.25 per second perpendicular to the first quantum wire 63a.
Moves along the surface of the first quantum wire 63a at a speed of μm
Let it. This allows electric field assisted oxidation by the applied electric field
The first region has a line width and a film thickness of about 10 nm.
A barrier oxide film as a first tunnel barrier (reference numeral shown in FIG. 7)
No. 66A). Similarly, the first quantum wire 63a
Of the third quantum wire 63 for the first branch portion 81 in FIG.
By bringing the conductive probe needle 90 close to the second region on the c side
By performing the electric field assisted oxidation, an electric field is applied to the second region.
Barrier acid as second tunnel barrier comprising assisted oxide
An oxide film 66B is formed. Subsequently, the second quantum fine
First branch to second branch 82 at line 63b
Approach the conductive probe needle 90 to the third area on the part 81 side.
To perform the electric field assisted oxidation,
Obstacle as Third Tunnel Barrier Made of Field-Assisted Oxide Film
While forming a wall oxide film (66C shown in FIG. 7),
The third quantum wire 63c on the second branch 82 side
Electric field assist by bringing conductive probe needle 90 close to area 4
By performing oxidation, an electric field assisted oxidation is applied to the fourth region.
Barrier oxide film as a fourth tunnel barrier made of
No. 66D) shown in FIG. Next, for example, as shown in FIG.
A normal pressure CVD method is used to cover the entire surface of the SOI substrate 60.
Silicon as a 100-nm-thick interlayer insulating film
After depositing the oxide film 67, the silicon
500 nm thick over the entire surface of the oxide film 67
Deposit an aluminum thin film. After that, photolithography
The aluminum thin film selectively using
Is performed, and the first branch 81
The gate electrode (reference numeral 68A shown in FIG. 7) and the first quantum
Third quantum wire 6 of barrier oxide film 66B at line 63a
2c above the 3c side and above the third quantum wire 63c.
A gate electrode (reference numeral 68B shown in FIG. 7) and a second branch portion
A third gate electrode 68C is formed above 82.
I do. As described above, according to the present embodiment, the second
The binary decision diagram circuit shown in the first modification of the embodiment
A single device using quantum wires with the same configuration as the semiconductor device to be realized.
Reliable semiconductor devices composed of electronic transistors
Can be manufactured. Further, a scanning probe microscope was used for pattern drawing.
Because it is used for images, fine processing on the order of several nanometers is easy.
And conductivity in the field assisted oxidation process
By properly selecting the probe needle bias conditions,
Tunnel barrier capacitance greatly related to element characteristics and operating temperature
Value and resistance can be optimized. Further, the electric field assisted oxidation process is performed on silicon.
Crystal anisotropic etching process that only modifies the atomic surface
Is also a wet process, so process damage free
Interface interface, which can cause malfunction of a single electronic device.
To minimize offset charges such as
Can be. Further, crystal anisotropic etching is used.
Therefore, the side surface of the quantum wire is flat at the atomic level,
Excellent in width uniformity and linearity in the longitudinal direction.
Expected to improve electron mobility due to quantum mechanical effects
As a result, high-speed operation is possible. Note that silicon was used as the material of the quantum wires.
However, any material may be used as long as it has conductivity. The barrier oxide film completely oxidizes each quantum wire.
Quantum due to oxidation at the periphery of quantum wires
Barrier formed by fine wire constriction structure
However, if the line width of each quantum wire can be further reduced,
The fine wire may be completely oxidized. In this way, the device
Leakage current is suppressed and the cooling temperature of the
It can be relatively hot. Note that each barrier oxide film is
It acts as an energy barrier and can pass tunnel current.
Any material can be used as long as the material can be used. For example,
Quantum thinning due to peripheral oxidation of thin silicon oxide films and quantum wires
A line concentration structure or the like may be used. The material of the gate electrode is silicon
Aluminum for compatibility with multi-layer wiring process
Was used, but if the potential could be transmitted, the material was
It goes without saying that it does not matter. The material of the conductive probe needle is generally
In addition, gold-coated silicon is used.
Tungsten and silicon with impurity diffusion
May be used. Further, ethylene diamine is used for anisotropic etching.
Used a mixed aqueous solution of
The etching speed differs depending on the plane orientation.
Etching speed is much slower than other
If available, use potassium hydroxide (KOH) or tetramethylan
Other solutions such as monium hydroxide (TMAH)
May be used. In this case, the plane orientation of the main surface is
Needless to say, it needs to be changed by anisotropy.
No. According to the quantum effect device according to the first aspect of the present invention,
Is made of silicon and sandwiched between a pair of tunnel barriers.
A quantum wire having an island formed by
And a gate electrode provided via a gate insulating film.
Therefore, one end of the quantum wire is used as the source electrode,
Is the drain electrode, bit information is described by several electrons
Single electronic device for use in a possible pseudo CMOS single electronic circuit
Can be reliably realized. Furthermore, the gate electrode on the island
Connect another gate electrode to the opposite side via an insulating film
In this way, a four-terminal single electronic device can be easily and reliably realized.
Can be This enables extremely low power consumption devices
Can be realized, and in principle even if islands are included,
Ultra-high integration is possible because the side can be accommodated in an element area of several tens of nanometers.
It becomes possible.
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の第1の実施形態に係る量子効
果素子を示す模式斜視図である。(b)はソース・ドレ
イン方向の断面図である。(c)はソース・ドレイン方
向の断面のエネルギー準位を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る量子効果素子の
製造方法を示す工程順斜視図及び断面図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る量子効果素子の
製造方法を示す工程順斜視図である。
【図4】(a)は本発明の第2の実施形態に係る半導体
装置を示す部分平面図である。(b)は本発明の第2の
実施形態の第1変形例に係る半導体装置を示す部分平面
図である。
【図5】本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る半
導体装置の等価回路図である。
【図6】本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る半
導体装置における各制御電圧を示すタイミングチャート
である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置を示
す部分平面図である。
【図8】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示し、図7のIII−III線における工程順断面図
である。
【図9】(a)は従来の疑似CMOS単一電子回路に用
いる4端子単一電子素子を示す概略回路図である。
(b)は従来の4端子単一電子素子の動作のシミュレー
ション結果を表わすグラフである。
【符号の説明】
11 量子細線
11a シリコン島部
12 トンネル障壁部
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 絶縁膜
16 制御電極
17 シリコン酸化膜
18 導電性プローブ針
20 SOI基板
21 シリコン基板
22 埋め込み酸化膜
23 薄膜シリコン層
23a 第1の量子細線
23b 第2の量子細線
23c 交差部
24A 第1の直線パターン
24B 第2の直線パターン
24C 交差部
25a トンネル障壁
25b 絶縁膜
30 キャリア転送部
30A 第1のキャリア転送部
31 第1の量子細線
32 第2の量子細線
33 第3の量子細線
33A 第2のキャリア転送部
41 第1のトンネル障壁
42 第2のトンネル障壁
43 第3のトンネル障壁
44 第4のトンネル障壁
51 第1のゲート電極
52 第2のゲート電極
53 第3のゲート電極
60 SOI基板
61 シリコン基板
62 埋め込み酸化膜
63A 上部シリコン層
63B 薄膜シリコン層
63a 第1の量子細線
63b 第2の量子細線
63c 第3の量子細線
65A シリコン酸化膜(第1の直線パターン)
65C シリコン酸化膜(第2の直線パターン)
66A 障壁酸化膜(第1のトンネル障壁)
66B 障壁酸化膜(第2のトンネル障壁)
66C 障壁酸化膜(第3のトンネル障壁)
66D 障壁酸化膜(第4のトンネル障壁)
67 シリコン酸化膜(層間絶縁膜)
68A 第1のゲート電極
68B 第2のゲート電極
68C 第3のゲート電極
81 第1の分岐部(第1のキャリア転送部)
82 第2の分岐部(第2のキャリア転送部)
90 プローブ針BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a schematic perspective view showing a quantum effect device according to a first embodiment of the present invention. (B) is a sectional view in the source / drain direction. (C) is a diagram showing an energy level of a cross section in the source / drain direction. 2A and 2B are a perspective view and a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing the quantum effect device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. FIG. 3 is a perspective view illustrating a method of manufacturing the quantum effect element according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. FIG. 4A is a partial plan view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. (B) is a partial plan view showing a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a timing chart showing control voltages in a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a partial plan view showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 8 is a sectional view illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, in the order of steps along line III-III in FIG. 7; FIG. 9A is a schematic circuit diagram showing a four-terminal single-electron element used in a conventional pseudo CMOS single-electronic circuit.
(B) is a graph showing a simulation result of the operation of the conventional four-terminal single-electron element. DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Quantum wire 11 a Silicon island part 12 Tunnel barrier part 13 Gate insulating film 14 Gate electrode 15 Insulating film 16 Control electrode 17 Silicon oxide film 18 Conductive probe needle 20 SOI substrate 21 Silicon substrate 22 Embedded oxide film 23 Thin film Silicon layer 23a First quantum wire 23b Second quantum wire 23c Intersection 24A First linear pattern 24B Second linear pattern 24C Intersection 25a Tunnel barrier 25b Insulating film 30 Carrier transfer unit 30A First carrier transfer unit 31 First quantum wire 32 Second quantum wire 33 Third quantum wire 33A Second carrier transfer section 41 First tunnel barrier 42 Second tunnel barrier 43 Third tunnel barrier 44 Fourth tunnel barrier 51 1st gate electrode 52 2nd gate electrode 53 3rd gate electrode 60 SOI Plate 61 Silicon substrate 62 Embedded oxide film 63A Upper silicon layer 63B Thin film silicon layer 63a First quantum wire 63b Second quantum wire 63c Third quantum wire 65A Silicon oxide film (first linear pattern) 65C Silicon oxide film (first linear pattern) 66A Barrier oxide film (first tunnel barrier) 66B Barrier oxide film (second tunnel barrier) 66C Barrier oxide film (third tunnel barrier) 66D Barrier oxide film (fourth tunnel barrier) 67 silicon oxide film (interlayer insulating film) 68A first gate electrode 68B second gate electrode 68C third gate electrode 81 first branch portion (first carrier transfer portion) 82 second branch portion (second Carrier transfer section) 90 Probe needle
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月11日(2002.12.
11)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】 シリコンよりなる量子細線と、
前記量子細線に、該量子細線が延びる方向に互いに間隔
をおいて形成された一対のトンネル障壁部と、
前記量子細線における前記一対のトンネル障壁部により
挟まれてなる島部に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の前記量子細線に対する反対側の面に
形成されたゲート電極とを備え、
前記量子細線と前記ゲート電極とは同一面内に存在する
ことを特徴とする量子効果素子。
【請求項2】 シリコンよりなる量子細線と、
前記量子細線に、該量子細線が延びる方向に互いに間隔
をおいて形成された一対のトンネル障壁部と、
前記量子細線における前記一対のトンネル障壁部により
挟まれてなる島部に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の前記量子細線に対する反対側の面に
形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極との間に前記量子細線を挟むように、絶
縁膜を介して形成された制御電極とを備えていることを
特徴とする量子効果素子。
【請求項3】 前記制御電極に電源電位が印加されると
nチャンネルトランジスタとして機能し、一方、前記制
御電極に接地電位が印加されるとpチャンネルトランジ
スタとして機能することを特徴とする請求項2に記載の
量子効果素子。────────────────────────────────────────────────── ───
[Procedure amendment] [Date of submission] December 11, 2002 (2002.12.
11) [Procedure amendment 1] [Document name to be amended] Description [Item name to be amended] Claims [Correction method] Change [Contents of amendment] [Claims] 1. Quantum wire made of silicon A pair of tunnel barrier portions formed on the quantum wire at a distance from each other in a direction in which the quantum wire extends; and an island portion sandwiched between the pair of tunnel barrier portions in the quantum wire. A quantum effect, comprising: a gate insulating film; and a gate electrode formed on a surface of the gate insulating film opposite to the quantum wires, wherein the quantum wires and the gate electrode are present in the same plane. element. 2. A quantum wire made of silicon, a pair of tunnel barriers formed on the quantum wire at intervals in a direction in which the quantum wire extends, and a pair of tunnel barriers in the quantum wire. A gate insulating film formed on an island portion sandwiched between the gate insulating film, a gate electrode formed on a surface of the gate insulating film opposite to the quantum wire, and the quantum wire sandwiched between the gate electrodes. And a control electrode formed with an insulating film interposed therebetween. 3. The transistor functions as an n-channel transistor when a power supply potential is applied to the control electrode, and functions as a p-channel transistor when a ground potential is applied to the control electrode. The quantum effect device according to 1.
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 H01L 29/78 622 29/786 (72)発明者 荒木 聖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 平井 義彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 幸 康一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F048 AA01 AC03 AC10 BA01 BA16 BB01 BD01 5F110 AA01 AA06 AA09 BB13 CC10 DD05 DD13 EE03 EE08 EE09 EE30 EE44 FF02 FF09 FF22 FF29 GG02 GG12 GG17 GG24 GG28 GG29 HM12 QQ01 QQ04 5F140 AA01 AA24 AA39 AB03 AC13 AC14 AC20 AC36 BA01 BA20 BB19 BC12 BC15 BC19 BD05 BE07 BF01 BF05 BF45 BG37 BH09 BH10 BK09 CC03 CE00Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification FI FI Theme Court II (Reference) H01L 29/78 H01L 29/78 622 29/786 (72) Inventor Seiji Araki 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Inside (72) Inventor Yoshihiko Hirai 1006 Kadoma, Kazuma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Inside (72) Koichiro Sachi 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Pref. Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F-term (reference) 5F048 AA01 AC03 AC10 BA01 BA16 BB01 BD01 5F110 AA01 AA06 AA09 BB13 CC10 DD05 DD13 EE03 EE08 EE09 EE30 EE44 FF02 FF09 FF22 FF29 GG02 GG12 GG17 GG24 GG28 GG29 HM12 QQ01 BA13A13 AC14 A13A14 BC BE07 BF01 BF05 BF45 BG37 BH09 BH10 BK09 CC03 CE00
Claims (1)
細線に、該量子細線が延びる方向に互いに間隔をおいて
形成された一対のトンネル障壁部と、 前記量子細線における前記一対のトンネル障壁部により
挟まれてなる島部に形成されたゲート絶縁膜と、 前記ゲート絶縁膜の前記量子細線に対する反対側の面に
形成されたゲート電極とを備えていることを特徴とする
量子効果素子。Claims: 1. A quantum wire made of silicon, a pair of tunnel barrier portions formed on the quantum wire at a distance from each other in a direction in which the quantum wire extends, and A gate insulating film formed on an island portion sandwiched between a pair of tunnel barrier portions, and a gate electrode formed on a surface of the gate insulating film opposite to the quantum wires. Quantum effect device.
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JP8617696 | 1996-04-09 | ||
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20061018 |