JP2003347440A - Semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element

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JP2003347440A
JP2003347440A JP2003147307A JP2003147307A JP2003347440A JP 2003347440 A JP2003347440 A JP 2003347440A JP 2003147307 A JP2003147307 A JP 2003147307A JP 2003147307 A JP2003147307 A JP 2003147307A JP 2003347440 A JP2003347440 A JP 2003347440A
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fine particles
silicon
film
sio
semiconductor device
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JP2003147307A
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Japanese (ja)
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Shigeo Yoshii
重雄 吉井
Tadashi Morimoto
廉 森本
Kiyoyuki Morita
清之 森田
Haruyuki Sorada
晴之 空田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable and easy-to-manufacture semiconductor element. <P>SOLUTION: The ratio of Ge in the composition of SiGe fine particles 1124 increases continuously from a position contiguous to a p-type silicon substrate 1121 toward a position contiguous to an SiO<SB>2</SB>film 1126. The band gap decreases in the order of silicon fine particles A, silicon fine particles B, silicon fine particles C, and silicon fine particles D. At the same time, electron affinity increases and the sum of the electron affinity and the band gap decreases. Consequently, the barrier height between respective particles in the charge retaining area decreases as the distance to the semiconductor substrate decreases. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、微粒子等に電荷を
保持させてメモリとして利用できるようにした半導体素
子に関わる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device in which electric charges are retained in fine particles or the like so that the semiconductor device can be used as a memory.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在のULSIは、多数のMOSトラン
ジスタからなるメモリ素子を集積したメモリ部を有して
いる。近年、このメモリ素子における動作の高速化、消
費電力の低減、長時間の記録保持の要請が高まってい
る。そこで、これらの要請を満たすようなMOSトラン
ジスタの開発が進められている。
2. Description of the Related Art A current ULSI has a memory section in which memory elements composed of a large number of MOS transistors are integrated. In recent years, there has been an increasing demand for faster operation, lower power consumption, and longer-time record retention in this memory element. Therefore, development of a MOS transistor that satisfies these requirements is being promoted.

【0003】これまでに提案され、既に試作されたメモ
リ素子においては、メモリの書き込み、若しくは、消去
の際に、半導体等の微粒子中に、非常に少数の電荷を注
入し保持することが行われている。このような従来の技
術の一例として、S.Tiwariらによる複数のシリコンの微
粒子(ドット)を用いたメモリの研究を挙げることがで
きる(非特許文献1)。
In a memory element proposed so far and already manufactured as a trial, a very small number of electric charges are injected and held in fine particles such as a semiconductor when writing or erasing a memory. ing. As an example of such a conventional technique, there is a study of a memory using a plurality of silicon fine particles (dots) by S. Tiwari et al. (Non-Patent Document 1).

【0004】図57は、この従来の複数のシリコンの微
粒子を用いたメモリとして機能する半導体メモリ素子を
示す断面図である。この半導体メモリ素子においては、
p型シリコン基板6201上にSiO2 膜からなるトン
ネル酸化膜6202、SiO 2 膜6204が下から順に
堆積されており、さらにその上にはn型多結晶シリコン
電極6205が設けられている。トンネル酸化膜620
2とSiO2 膜6204との間には、シリコン微粒子6
203が埋め込まれている。また、下地となるp型シリ
コン基板6201中のn型多結晶シリコン電極6205
の両側方に位置する領域には、ソース・ドレイン領域6
206が設けられている。
[0004] FIG. 57 is a view showing the fineness of the conventional plurality of silicon.
A semiconductor memory device that functions as a memory using particles
FIG. In this semiconductor memory device,
SiO on a p-type silicon substrate 6201Two Tons of membrane
Flannel oxide film 6202, SiO Two The film 6204 is in order from the bottom
Deposited on top of n-type polysilicon
An electrode 6205 is provided. Tunnel oxide film 620
2 and SiOTwo Between the film 6204 and the silicon fine particles 6
203 is embedded. Also, a p-type silicon
N-type polycrystalline silicon electrode 6205 in control substrate 6201
The source / drain regions 6 are located on both sides of the
206 is provided.

【0005】この半導体メモリ素子において、n型多結
晶シリコン電極6205に正の電圧を印加することによ
り、トンネル酸化膜6202を経て、シリコン微粒子6
203に電子を注入することができる。また、n型多結
晶シリコン電極6205に負の電圧を印加することによ
り、シリコン微粒子6203中の電子を引き抜くことが
できる。シリコン微粒子6203におけるこの電子の有
無によって、メモリ素子のしきい値電圧を変化させるこ
とができる。このしきい値電圧の高低を情報H(ハイ)
と情報L(ロー)とに対応させることにより、情報の書
き込み・読み出しを行う。
In this semiconductor memory device, by applying a positive voltage to n-type polycrystalline silicon electrode 6205, silicon fine particles 6 pass through tunnel oxide film 6202.
Electrons can be injected into 203. When a negative voltage is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 6205, electrons in the silicon fine particles 6203 can be extracted. The threshold voltage of the memory element can be changed depending on the presence or absence of the electrons in the silicon microparticles 6203. The level of this threshold voltage is expressed as information H (high).
The information is written and read by associating with the information L (low).

【0006】なお、トンネル酸化膜6202の厚さは極
めて薄い(1.5nm〜4nm程度)ため、この電子の
注入過程は、FNトンネルによるのではなく、直接トン
ネルによることになる。
Since the thickness of the tunnel oxide film 6202 is extremely small (about 1.5 to 4 nm), the electron injection process is not performed by the FN tunnel but by the direct tunnel.

【0007】[0007]

【非特許文献1】Appl.Phys.Lett.68(1996)1377[Non-Patent Document 1] Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 1377

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者らの
研究によれば、この従来の半導体素子において、実際に
実用的な性能を有する半導体素子を実現しようとする
と、非常に高度で微細な製造技術が必要である。
However, according to the study of the present inventors, in order to realize a semiconductor device having practically practical performance in this conventional semiconductor device, a very sophisticated and fine structure is required. Manufacturing technology is required.

【0009】たとえば、トンネル酸化膜6202の厚さ
が厚すぎる場合には、トンネル過程による電荷注入が困
難となるため、低電圧の動作、及び、高速な動作が困難
となる。一方、トンネル酸化膜6202の厚さが薄すぎ
る場合には、電荷保持時の電荷閉込めが不十分となるた
め、長期間の電荷保持、つまり、長期間の情報記録が困
難となる。
For example, when the thickness of the tunnel oxide film 6202 is too large, it is difficult to inject charges by a tunnel process, so that low-voltage operation and high-speed operation are difficult. On the other hand, if the thickness of the tunnel oxide film 6202 is too small, the charge confinement during the charge holding becomes insufficient, and it becomes difficult to hold the charge for a long time, that is, to record information for a long time.

【0010】また、この従来の半導体素子において、実
用的な特性を得るには、シリコン微粒子6203の粒径
及びその分散をも高度に制御できる製造技術が必要であ
る。つまり、シリコン微粒子6203の粒径が小さくな
りすぎたり、逆に大きくなりすぎてシリコン微粒子62
03の面内密度が十分でなかったりする場合には、電荷
の保持期間が短すぎたり、保持できる電荷量が少なすぎ
たりしてしまうため、半導体素子の信頼性も低くなる。
Further, in order to obtain practical characteristics in this conventional semiconductor device, a manufacturing technique capable of controlling the particle diameter of the silicon fine particles 6203 and its dispersion to a high degree is required. In other words, the particle size of the silicon fine particles 6203 becomes too small or too large,
If the in-plane density of 03 is not sufficient, the charge holding period is too short or the amount of charge that can be held is too small, so that the reliability of the semiconductor element is also lowered.

【0011】さらに、温度上昇により熱エネルギーが増
加する等の場合には、シリコン微粒子6203からp型
シリコン基板6201へのトンネル過程により、シリコ
ン微粒子6203中に蓄積された電荷が自然放出してし
まう。
Further, in the case where the thermal energy increases due to a rise in temperature or the like, the charges accumulated in the silicon fine particles 6203 are spontaneously released by a tunneling process from the silicon fine particles 6203 to the p-type silicon substrate 6201.

【0012】すなわち、この従来の半導体素子におい
て、実用的な素子特性を得るには、トンネル酸化膜62
02の膜質および厚さを、非常に高精度かつ均一に制御
する必要があり、さらに、シリコン微粒子6203の粒
径を一定に保ちつつ、高い面内密度で、しかも、均一な
分散状態でシリコン微粒子6203を作成しなければな
らない。しかし、p型シリコン基板6201上の全面に
おいてこのような制御を行うには非常に高度な製造技術
が要求される。よって、この従来の半導体素子を製造し
ても、その製造工程において、実用的な特性を有する素
子を得られる可能性は低い。また、製造された従来の半
導体素子の信頼性は低いものとなる。つまり、本発明者
らの研究によれば、この従来の半導体素子において、高
速の電荷注入・引き抜きを行い、しかも、長期間の電荷
保持を行うことは困難である。
That is, in order to obtain practical device characteristics in this conventional semiconductor device, the tunnel oxide film 62
It is necessary to control the film quality and thickness of the silicon microparticles 02 with extremely high precision and uniformity. Further, while maintaining the particle diameter of the silicon microparticles 6203 constant, the silicon microparticles have a high in-plane density and a uniform dispersion state. 6203 must be created. However, to perform such control over the entire surface of the p-type silicon substrate 6201, a very advanced manufacturing technique is required. Therefore, even if this conventional semiconductor element is manufactured, it is unlikely that an element having practical characteristics can be obtained in the manufacturing process. Further, the reliability of the manufactured conventional semiconductor device is low. That is, according to the study of the present inventors, it is difficult to perform high-speed charge injection / extraction and hold charge for a long time in this conventional semiconductor device.

【0013】そこで、本発明は、作製が容易で、かつ、
信頼性の高い半導体素子を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention is easy to manufacture, and
An object is to provide a highly reliable semiconductor element.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子は、
導体層を有する基板と、上記導体層の上に設けられ、電
荷の移動に対して障壁として機能する障壁層と、上記障
壁層内に分散して配置され、上記導体層との間の距離が
互いに異なる複数の粒子体とからなる電荷保持領域とを
備え、上記電荷保持領域における各粒子体間の障壁高さ
が、上記導体層との距離が小さいものほど小さい。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A substrate having a conductor layer, a barrier layer provided on the conductor layer and functioning as a barrier to the movement of electric charges, and the barrier layer is dispersedly arranged in the barrier layer; A charge holding region including a plurality of particles different from each other, and a barrier height between the particles in the charge holding region is smaller as a distance from the conductor layer is smaller.

【0015】これにより、障壁高さが小さいほど電荷移
動が容易となることから、導体層から遠い粒子体に電荷
を保持させ、あるいは電圧の印加によって電荷を放出さ
せることが容易になり、この電荷保持状態を情報として
利用することが可能となる。
[0015] As a result, the smaller the barrier height is, the easier the charge transfer becomes. Therefore, it is easy to hold the charge in the particles far from the conductor layer or to discharge the charge by applying a voltage. The holding state can be used as information.

【0016】上記粒子体は、上記導体層との距離が小さ
いものほど小さい電子親和力を有しているか、大きい電
子親和力と禁制帯幅の和とを有しているかのいずれであ
ることにより、各粒子体間の障壁高さの差を容易に実現
することができる。
Each of the particles has a smaller electron affinity as the distance from the conductor layer is smaller, or has a larger electron affinity and a sum of the forbidden band width, and thus each particle has The difference in barrier height between the particles can be easily realized.

【0017】上記障壁層は、上記導体層との距離が小さ
いものほど大きい電子親和力を有しているか、小さい電
子親和力と禁制帯幅の和とを有しているかのいずれであ
ることによっても、各粒子体間の障壁高さの差を容易に
実現することができる。
The barrier layer may have a higher electron affinity as the distance from the conductor layer becomes smaller, or may have a smaller electron affinity and the sum of the forbidden band width. The difference in the barrier height between the particles can be easily realized.

【0018】上記複数の粒子体は、上記導体層との距離
が共通である複数の粒子体からなる複数の粒子体群に群
別されていることが好ましい。
It is preferable that the plurality of particles are grouped into a plurality of particle groups including a plurality of particles having a common distance from the conductor layer.

【0019】上記障壁層の上に設けられた絶縁体層と、
上記絶縁体層の上に形成されたゲート電極と、上記基板
における上記ゲート電極の両側方に位置する領域に不純
物を導入して形成されたソース・ドレイン領域とをさら
に備えていることにより、MIS型トランジスタとして
機能する半導体素子が得られる。
An insulator layer provided on the barrier layer;
The MIS further includes a gate electrode formed on the insulator layer and source / drain regions formed by introducing impurities into regions on both sides of the gate electrode on the substrate. A semiconductor element functioning as a type transistor is obtained.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態) ―第1の実施形態に係る半導体素子の構造― 図1は、第1の実施形態に係る半導体素子の断面図であ
る。この半導体素子において、p型シリコン基板101
1上には、いくつかの微粒子分散領域1012aからな
る電荷保持領域1012(厚さ20nm程度)、絶縁膜
として機能するSiO2 膜1015(厚さ20nm)、
及び上部電極として機能するn型多結晶シリコン電極1
016が下から順に設けられている。また、各微粒子分
散領域1012aでは、シリコン微粒子1013(粒径
5nm)が、絶縁体であるSiO 2 1014中に分散さ
れている。微粒子分散領域1012aの微粒子を除いた
部分(マトリクス)は、微粒子より大きなバンドギャッ
プを有する半導体でもよい。なお、SiO2 膜1015
の厚さを5〜20nm、シリコン微粒子1013の粒径
を2〜10nm程度、シリコン微粒子1013の分散密
度を1×1017cm -3〜1×1020cm-3程度とするの
が好ましい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) -Structure of the semiconductor device according to the first embodiment- FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment.
You. In this semiconductor device, a p-type silicon substrate 101
1 includes several fine particle dispersion areas 1012a.
Charge holding region 1012 (about 20 nm thick), insulating film
SiO functioning asTwo Film 1015 (thickness 20 nm),
And n-type polycrystalline silicon electrode 1 functioning as upper electrode
016 are provided in order from the bottom. Also, for each fine particle
In the scattering region 1012a, silicon fine particles 1013 (particle size
5 nm) is the insulator SiO Two Dispersed in 1014
Have been. The fine particles in the fine particle dispersion region 1012a have been removed.
The part (matrix) has a band gap larger than the fine particles.
A semiconductor having a pump may be used. Note that SiOTwo Membrane 1015
Thickness of 5-20 nm, particle size of silicon microparticles 1013
About 2 to 10 nm, the dispersion density of the silicon fine particles 1013
Degree 1 × 1017cm -3~ 1 × 1020cm-3About
Is preferred.

【0021】―第1の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 図13(a)、(b)、(c)は、第1の実施形態に係
る半導体素子の製造工程を示す断面図である。
-Manufacturing Process of Semiconductor Device According to First Embodiment-FIGS. 13A, 13B, and 13C are cross-sectional views showing manufacturing processes of the semiconductor device according to the first embodiment. .

【0022】まず、図13(a)に示す工程で、p型シ
リコン基板1011を設置したスパッタ装置内におい
て、SiO2 上にシリコンのタブレットを並べ、そこ
に、加速したイオンを衝突させる。この際の衝撃によっ
てはじき出された原子、分子1017をp型シリコン基
板1011上に堆積する。
First, in the step shown in FIG. 13A, silicon tablets are arranged on SiO 2 in a sputtering apparatus provided with a p-type silicon substrate 1011 and accelerated ions collide therewith. At this time, the atoms and molecules 1017 repelled by the impact are deposited on the p-type silicon substrate 1011.

【0023】その後、図13(b)に示す工程で、基板
の熱処理を行う。これらの工程によって、p型シリコン
基板1011上において、SiO2 1014中でシリコ
ン微粒子1013が析出した膜、つまり、いくつかの微
粒子分散領域1012aからなる電荷保持領域1012
を形成する。
Thereafter, a heat treatment is performed on the substrate in the step shown in FIG. By these steps, on the p-type silicon substrate 1011, a film in which silicon fine particles 1013 are deposited in SiO 2 1014, that is, a charge holding region 1012 composed of several fine particle dispersed regions 1012 a
To form

【0024】次に、図13(c)に示す工程で、CVD
装置のチャンバー内のサセプター上に基板を設置し、S
iO2 膜1015を微粒子分散領域1012a上に堆積
した後、同一のチャンバー内で、n型多結晶シリコン電
極1016をSiO2 膜1015上に堆積する。
Next, in the step shown in FIG.
Place the substrate on the susceptor in the chamber of the device,
After depositing the iO 2 film 1015 on the fine particle dispersion region 1012a, an n-type polycrystalline silicon electrode 1016 is deposited on the SiO 2 film 1015 in the same chamber.

【0025】―従来の半導体素子の電子注入・保持・引
き抜き機構― 上述のように、従来の半導体素子には、図57に示すよ
うに、p型シリコン基板6201上にSiO2 膜からな
るトンネル酸化膜6202、SiO2 膜6204が下か
ら順に堆積されており、さらにその上にはn型多結晶シ
リコン電極6205が設けられている。トンネル酸化膜
6202とSiO2 膜6204との間には、シリコン微
粒子6203が埋め込まれている。
—Electron Injection / Hold / Extraction Mechanism of Conventional Semiconductor Element— As described above, the conventional semiconductor element has a tunnel oxide formed of a SiO 2 film on a p-type silicon substrate 6201 as shown in FIG. A film 6202 and a SiO 2 film 6204 are sequentially deposited from the bottom, and an n-type polycrystalline silicon electrode 6205 is further provided thereon. Silicon fine particles 6203 are embedded between the tunnel oxide film 6202 and the SiO 2 film 6204.

【0026】図2は、図57に示す従来の半導体素子に
おけるSiO2 膜6204、シリコン微粒子6203、
トンネル酸化膜6202及びp型シリコン基板6201
のエネルギーバンド構造を示すバンド図である。シリコ
ン微粒子6203内では、シリコン微粒子6203の粒
径が極めて小さいため、シリコン微粒子中の電子がとり
うるエネルギー状態(エネルギー準位)が量子化されて
いる。この従来の半導体素子においては、シリコン微粒
子6203への電子注入・電子引き抜きは、p型シリコ
ン基板6201−シリコン微粒子6203間のトンネル
過程によって起こる。
[0026] Figure 2, SiO 2 film 6204 of the conventional semiconductor device shown in FIG. 57, the silicon microparticles 6203,
Tunnel oxide film 6202 and p-type silicon substrate 6201
FIG. 3 is a band diagram showing the energy band structure of FIG. In the silicon fine particles 6203, since the particle diameter of the silicon fine particles 6203 is extremely small, the energy state (energy level) that electrons in the silicon fine particles can take is quantized. In this conventional semiconductor device, electron injection / extraction to the silicon fine particles 6203 occurs by a tunnel process between the p-type silicon substrate 6201 and the silicon fine particles 6203.

【0027】図3(a)、(b)は、この従来の半導体
素子における電子注入・電子保持を行う際のエネルギー
バンド状態をそれぞれ示す部分バンド図である。なお、
図3(a)、(b)においては、理解を容易にするた
め、荷電子帯の図示は省略されている。
FIGS. 3A and 3B are partial band diagrams respectively showing an energy band state when performing electron injection and electron holding in this conventional semiconductor device. In addition,
In FIGS. 3A and 3B, illustration of the valence band is omitted for easy understanding.

【0028】図3(a)に示すように、この従来の素子
では、一定値以上の正の電圧をn型多結晶シリコン電極
6205に印加すると、外部電界が生じ、シリコン微粒
子6203の電位は、p型シリコン基板6201の電位
に比べ、上昇することになる。このとき、電子が、トン
ネル現象によって、p型シリコン基板6201における
伝導帯からトンネル酸化膜6202を経て、シリコン微
粒子6203へと注入される。
As shown in FIG. 3A, in this conventional device, when a positive voltage equal to or more than a certain value is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 6205, an external electric field is generated, and the potential of the silicon fine particles 6203 becomes The potential is higher than the potential of the p-type silicon substrate 6201. At this time, electrons are injected from the conduction band in the p-type silicon substrate 6201 to the silicon fine particles 6203 via the tunnel oxide film 6202 by a tunnel phenomenon.

【0029】一方、図3(b)に示すように、n型多結
晶シリコン電極6205への正の電圧の印加をやめる
と、シリコン微粒子6203に蓄積された電子によっ
て、シリコン微粒子6203自身のポテンシャルが上昇
する。このため、電子注入時とは逆に、トンネル過程に
よって、電子をシリコン微粒子6203から、トンネル
酸化膜6202を経て、p型シリコン基板6201へと
自然放出しようとする力が生ずる。このポテンシャル上
昇が十分小さければ電子はシリコン微粒子6203に保
持される。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the application of the positive voltage to the n-type polycrystalline silicon electrode 6205 is stopped, the potential of the silicon fine particles 6203 itself is reduced by the electrons accumulated in the silicon fine particles 6203. To rise. Therefore, contrary to the time of electron injection, a force for spontaneously emitting electrons from the silicon fine particles 6203 to the p-type silicon substrate 6201 through the tunnel oxide film 6202 is generated by a tunneling process. If this potential rise is sufficiently small, electrons are held by the silicon fine particles 6203.

【0030】また、負の電圧をn型多結晶シリコン電極
6205に印加すると、シリコン微粒子6203から、
トンネル酸化膜6202を経て、p型シリコン基板62
01における伝導帯へと引き抜かれる。
When a negative voltage is applied to n-type polycrystalline silicon electrode 6205, silicon fine particles 6203
Through the tunnel oxide film 6202, the p-type silicon substrate 62
It is pulled into the conduction band at 01.

【0031】なお、半導体基板内のエネルギー準位─微
粒子のエネルギー準位間のトンネル過程の詳細なメカニ
ズムとその遷移確率とについては明らかにされていな
い。しかし、電圧を印加することにより微粒子内の電子
の注入が起こること、電圧の印加をやめたときにも微粒
子中に電子が保持されること、及び、室温において微粒
子から電子が徐々に自然放出されることが観測されてい
るため、上述のようなトンネル過程の存在は明確であ
る。
The detailed mechanism of the tunnel process between the energy level in the semiconductor substrate and the energy level of the fine particles and the transition probability thereof have not been clarified. However, application of a voltage causes injection of electrons in the fine particles, retention of the electrons in the fine particles even when the application of the voltage is stopped, and gradual spontaneous emission of electrons from the fine particles at room temperature. It is clear that the existence of the tunnel process described above is clear.

【0032】―第1の実施形態に係る半導体素子の電子
注入・保持・引き抜き機構― 次に、第1の実施形態に係る半導体素子における電子注
入・保持・引き抜きの機構について、図1を参照しなが
ら説明する。
—Electron Injection / Holding / Extraction Mechanism of Semiconductor Device According to First Embodiment— Next, an electron injection / holding / extraction mechanism of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. I will explain it.

【0033】ある一定の正の電圧をn型多結晶シリコン
電極1016に印加すると、従来の半導体素子と同様に
トンネル過程によって、SiO2 1014を介してp型
シリコン基板1011からp型シリコン基板1011に
隣接するシリコン微粒子1013へと電子が注入され
る。しかし、第1の実施形態に係る半導体素子は、従来
の半導体素子と異なりシリコン微粒子1013が厚さ方
向にも分散した電荷保持領域領域1012を有している
ので、電子はp型シリコン基板1011に隣接した位置
のシリコン微粒子1013から、さらにn型多結晶シリ
コン電極1016側(図1において上方)のシリコン微
粒子1013に移動しようとする。
When a certain positive voltage is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016, a tunnel process is performed from the p-type silicon substrate 1011 to the p-type silicon substrate 1011 through the SiO 2 1014 as in the conventional semiconductor device. Electrons are injected into adjacent silicon microparticles 1013. However, unlike the conventional semiconductor device, the semiconductor device according to the first embodiment has the charge holding region 1012 in which the silicon fine particles 1013 are dispersed also in the thickness direction, so that the electrons are transferred to the p-type silicon substrate 1011. An attempt is made to move from the silicon particle 1013 at an adjacent position to the silicon particle 1013 on the n-type polycrystalline silicon electrode 1016 side (upper in FIG. 1).

【0034】ここで、各シリコン微粒子1013間は、
SiO2 1014により隔てられている。このSiO2
1014によって、周囲のシリコン微粒子1013と遠
く離れて孤立しているシリコン微粒子1013には、周
囲のシリコン微粒子1013から電子が注入されにくい
が、逆に、周囲のシリコン微粒子1013に近接してい
るシリコン微粒子1013には、周囲のシリコン微粒子
1013から電子が注入され易い。
Here, the space between the silicon particles 1013 is
Separated by SiO 2 1014. This SiO 2
Due to 1014, electrons are difficult to be injected from the surrounding silicon microparticles 1013 into the silicon microparticles 1013 far away from and isolated from the surrounding silicon microparticles 1013. Electrons are easily injected into the 1013 from the surrounding silicon microparticles 1013.

【0035】また、p型シリコン基板1011に隣接す
るシリコン微粒子1013の静電容量は、p型シリコン
基板1011から離れたシリコン微粒子1013の静電
容量よりも大きい。静電容量が大きなシリコン微粒子1
013では電荷注入による電位の上昇が小さいので電子
移動が容易であり、静電容量が小さなシリコン微粒子1
013では電荷注入による電位上昇が大きいので電荷注
入による電子移動が起こりにくくなる。すなわち、シリ
コン微粒子1013への電荷移動は、p型シリコン基板
1011との距離が小さいものほど容易である。
The capacitance of the silicon fine particles 1013 adjacent to the p-type silicon substrate 1011 is larger than the capacitance of the silicon fine particles 1013 distant from the p-type silicon substrate 1011. Silicon fine particles 1 with large capacitance
In No. 013, since the potential rise due to the charge injection is small, the electron transfer is easy, and the silicon fine particles 1 having a small capacitance are used.
In 013, since the potential rise due to the charge injection is large, electron transfer due to the charge injection hardly occurs. That is, charge transfer to the silicon microparticles 1013 is easier as the distance from the p-type silicon substrate 1011 is smaller.

【0036】したがって、p型シリコン基板1011に
隣接するシリコン微粒子1013では、電子移動は容易
となり、多くの電子はp型シリコン基板1011と隣接
する位置からさらにn型多結晶シリコン電極1016側
に移動する。このようにして、電子はp型シリコン基板
1011側から、電子移動が容易な経路を選択しなが
ら、n型多結晶シリコン電極1016側に移動してい
き、最後には、それ以上の電子移動が困難な比較的孤立
したシリコン微粒子1013に蓄積される。
Accordingly, electrons easily move in the silicon fine particles 1013 adjacent to the p-type silicon substrate 1011, and many electrons move further from the position adjacent to the p-type silicon substrate 1011 toward the n-type polycrystalline silicon electrode 1016. . In this way, electrons move from the p-type silicon substrate 1011 side to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016 side while selecting a path through which electron movement is easy, and finally, further electron movement occurs. It is accumulated in difficult relatively isolated silicon fine particles 1013.

【0037】なお、最終的に電子がたどり着く位置は、
n型多結晶シリコン電極1016層に印加する電圧に依
存する。より大きな電圧をn型多結晶シリコン電極10
16層に印加することによって、より多くの経路を経
て、より多くの電子が、電子注入がより困難なシリコン
微粒子1013、つまり、n型多結晶シリコン電極10
16層により近い位置にあるシリコン微粒子1013に
蓄積されることになる。
The position where the electrons finally reach is
It depends on the voltage applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016 layer. A larger voltage is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 10.
By applying the voltage to the 16 layers, more electrons pass through more paths, and more electrons are injected into the silicon fine particles 1013, which are more difficult to inject electrons, that is, the n-type polycrystalline silicon electrode 1013.
The particles are accumulated in the silicon microparticles 1013 closer to the 16 layers.

【0038】次に、バンド図によって、第1の実施形態
に係る半導体素子における電子注入・保持・引き抜きの
機構について説明する。
Next, the mechanism of electron injection / holding / extraction in the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to a band diagram.

【0039】図4は、第1の実施形態に係る半導体素子
におけるバンド図である。電荷保持領域1012では、
実際には多くのシリコン微粒子1013が存在するが、
図4においては、p型シリコン基板1011に隣接する
シリコン微粒子Aの各エネルギー準位と、p型シリコン
基板1011には隣接していないがSiO2 膜1015
とは隣接しており、電荷保持を行うシリコン微粒子Bの
各エネルギー準位の2つのみを、説明を簡単にするため
示す。
FIG. 4 is a band diagram of the semiconductor device according to the first embodiment. In the charge holding region 1012,
Actually, there are many silicon fine particles 1013,
In FIG. 4, the respective energy levels of the silicon fine particles A adjacent to the p-type silicon substrate 1011 and the SiO 2 film 1015 not adjacent to the p-type silicon substrate 1011
Are adjacent to each other, and only two of the energy levels of the silicon microparticles B that hold electric charge are shown for simplicity of explanation.

【0040】なお、ここでは説明を簡単にするため、シ
リコン微粒子A─シリコン微粒子B間のトンネル過程を
取り上げて説明するが、さらに多数のシリコン微粒子を
経る電荷移動でも同じ原理により電荷保持が行われる。
Here, for the sake of simplicity, a tunnel process between the silicon microparticles A and the silicon microparticles B will be described. However, the electric charge is retained by the same principle in the charge transfer through a larger number of silicon microparticles. .

【0041】シリコン微粒子1013内では、シリコン
微粒子1013の粒径が極めて小さいため、シリコン微
粒子中の電子がとりうるエネルギー状態(エネルギー準
位)が量子化されている。よって、図4に示すように、
シリコン微粒子A及びシリコン微粒子B双方において
は、エネルギー準位が量子化されている。
In the silicon microparticles 1013, since the particle diameter of the silicon microparticles 1013 is extremely small, the energy state (energy level) that electrons in the silicon microparticles can take is quantized. Therefore, as shown in FIG.
The energy levels of both the silicon microparticles A and the silicon microparticles B are quantized.

【0042】また、シリコン微粒子1013の各エネル
ギー準位間の間隔(以下では、「離散エネルギー幅」と
いう。)は、エネルギー準位が低次の場合には大きく、
エネルギー準位が高次の場合には小さい。
The distance between the energy levels of the silicon fine particles 1013 (hereinafter referred to as “discrete energy width”) is large when the energy level is low.
It is small when the energy level is higher.

【0043】通常のトンネル過程では、通過する障壁層
の両側のエネルギー準位のポテンシャルが同一である必
要がある。よって、シリコン微粒子B―シリコン微粒子
A間では、電圧の印加されていない状態では、第2のト
ンネル障壁膜1014の両側でいずれも量子化されてい
るシリコン微粒子Bのエネルギー準位の1つとシリコン
微粒子Aのエネルギー準位の1つとのポテンシャルが互
いに一致したときのみトンネリングが生じるため、トン
ネリングが生じる確率は非常に低いものになる。したが
って、シリコン微粒子B―シリコン微粒子A間では、両
者の間で量子化されているエネルギー準位同士のポテン
シャルが等しくなるような電圧を加えた場合のみ、共鳴
トンネル過程によって電子移動が効率よく行われる一
方、それ以外の場合の電子移動は抑制される。つまり、
シリコン微粒子B―シリコン微粒子A間の電子移動は外
部から加える電圧によって制御でき、かつ、シリコン微
粒子Bに一旦注入された電子は長期間保持されることに
なる。
In a normal tunneling process, it is necessary that the potentials of the energy levels on both sides of the passing barrier layer are the same. Therefore, between the silicon microparticles B and the silicon microparticles A, when no voltage is applied, one of the energy levels of the silicon microparticles B both quantized on both sides of the second tunnel barrier film 1014 and the silicon microparticles Since tunneling occurs only when the potential of one of the energy levels of A matches each other, the probability of the occurrence of tunneling is very low. Therefore, between the silicon fine particle B and the silicon fine particle A, the electron transfer is efficiently performed by the resonance tunneling process only when a voltage is applied so that the potentials of the energy levels quantized between the silicon fine particle B and the silicon fine particle A become equal. On the other hand, in other cases, electron transfer is suppressed. That is,
The electron transfer between the silicon microparticles B and the silicon microparticles A can be controlled by an externally applied voltage, and the electrons once injected into the silicon microparticles B are held for a long time.

【0044】一方、p型シリコン基板1011の伝導帯
においては、電子がとり得るエネルギー状態であるエネ
ルギー準位は、ほぼ連続的に存在しており、その状態密
度は高い。よって、シリコン微粒子Aの量子化されてい
るエネルギー準位のいずれに対しても、同じポテンシャ
ルを有するエネルギー準位がp型シリコン基板1011
に存在すると考えられるので、シリコン微粒子A―p型
シリコン基板1011間のトンネル過程は、少なくとも
エネルギー的には禁止されることはない。また、シリコ
ン微粒子Aの面積は十分大きいので、SiO2 1014
を挟むシリコン微粒子Aとp型シリコン基板1011と
の準位間では、状態関数の空間的重なりが大きい。した
がって、n型多結晶シリコン電極1016に印加する電
圧をどのように変化させても、シリコン微粒子A―p型
シリコン基板1011間では迅速なトンネル過程が生ず
るため、シリコン微粒子Aはp型シリコン基板1011
と等電位となる。つまり、シリコン微粒子A―p型シリ
コン基板1011間の電子移動は容易である。
On the other hand, in the conduction band of the p-type silicon substrate 1011, energy levels, which are energy states that electrons can take, exist almost continuously, and the state density is high. Therefore, the energy level having the same potential is applied to the p-type silicon substrate 1011 for any of the quantized energy levels of the silicon microparticles A.
Therefore, the tunneling process between the silicon fine particle Ap-type silicon substrate 1011 is not prohibited at least in terms of energy. Further, since the area of the silicon fine particles A is sufficiently large, SiO 2 1014
The state function has a large spatial overlap between the levels of the silicon fine particles A and the p-type silicon substrate 1011 sandwiching the. Therefore, no matter how the voltage applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016 is changed, a rapid tunneling process occurs between the silicon fine particle Ap and the p-type silicon substrate 1011.
And equipotential. That is, electron transfer between the silicon fine particle Ap-type silicon substrate 1011 is easy.

【0045】図5(a)、(b)、(c)は、第1の実
施形態の半導体素子における電子注入・電子保持を行う
際のエネルギーバンド状態をそれぞれ示す部分バンド図
である。なお、図5(a)、(b)、(c)において
は、理解を容易にするため、荷電子帯のエネルギーバン
ド状態の図示は省略する。
FIGS. 5 (a), 5 (b) and 5 (c) are partial band diagrams respectively showing the energy band states when performing electron injection and electron holding in the semiconductor device of the first embodiment. In FIGS. 5A, 5B and 5C, illustration of the energy band state of the valence band is omitted for easy understanding.

【0046】図5(a)に示すように、n型多結晶シリ
コン電極1016に電圧を印加する前には、p型シリコ
ン基板1011と、シリコン微粒子Aあるいはシリコン
微粒子Bとの間での電子移動は起こらない。
As shown in FIG. 5A, before the voltage is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016, the electron transfer between the p-type silicon substrate 1011 and the silicon fine particle A or the silicon fine particle B is performed. Does not happen.

【0047】しかし、図5(b)に示すように、ある一
定の正の電圧をn型多結晶シリコン電極1016に印加
すると、上述のようにp型シリコン基板1011からシ
リコン微粒子Aの空のエネルギー準位への電子移動と、
シリコン微粒子Aのエネルギー準位からシリコン微粒子
B中の空のエネルギー準位への電子移動とが容易に起こ
る。ここで、通常、複数のシリコン微粒子Bの粒径は、
ばらついているため、シリコン微粒子Bの量子化されて
いるエネルギー準位のポテンシャルもばらつく。よっ
て、特に厳密に電圧の制御を行わなくても、加えられた
一定の電圧によりシリコン微粒子Aの電子のエネルギー
準位のいくつかと、いくつかのシリコン微粒子Bの各エ
ネルギー準位とが、同じポテンシャルとなる。よって、
n型多結晶シリコン電極1016に正の電圧を加える
と、p型シリコン基板1011からシリコン微粒子Aを
経て複数のシリコン微粒子Bへの電子注入を行うことが
できることとなる。
However, as shown in FIG. 5B, when a certain positive voltage is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016, the empty energy of the silicon microparticles A from the p-type silicon substrate 1011 is increased as described above. Electron transfer to the level,
Electron transfer from the energy level of the silicon fine particle A to the empty energy level in the silicon fine particle B easily occurs. Here, the particle diameter of the plurality of silicon fine particles B is usually
Due to the variation, the potential of the quantized energy level of the silicon microparticles B also varies. Therefore, even if the voltage is not strictly controlled, some of the energy levels of the electrons of the silicon microparticles A and each of the energy levels of some of the silicon microparticles B become the same potential by the applied constant voltage. Becomes Therefore,
When a positive voltage is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016, electrons can be injected from the p-type silicon substrate 1011 to the plurality of silicon fine particles B via the silicon fine particles A.

【0048】また、量子化されたエネルギー準位間の間
隔(離散エネルギー幅)は、ポテンシャルが大きくなる
ほど小さくなるので、より高い電圧を加えることで、シ
リコン微粒子B及びシリコン微粒子Aの量子化されたエ
ネルギー準位群の高次の密な部分同士が同じポテンシャ
ルを持つようになり、状態密度も増大するので、より多
くの高次のシリコン微粒子Bへの電子注入が起こる。さ
らに、印加電圧をある一定範囲で掃引したり、高周波を
重畳することでより多くのシリコン微粒子Bへの電子注
入が可能となる。
Since the interval (discrete energy width) between the quantized energy levels becomes smaller as the potential increases, the higher the voltage applied, the more the silicon fine particles B and silicon fine particles A are quantized. Higher-order dense portions of the energy level group have the same potential, and the density of states increases, so that more high-order silicon fine particles B are injected with electrons. Further, it is possible to inject more electrons into the silicon microparticles B by sweeping the applied voltage within a certain range or superimposing a high frequency.

【0049】図5(c)に示すように、複数のシリコン
微粒子Bへの電子注入の後、n型多結晶シリコン電極1
016への電圧の印加をなくすと、シリコン微粒子Bの
ポテンシャルは上昇し、p型シリコン基板1011の伝
導帯のポテンシャルは低下する。つまり、電圧の印加を
なくすることにより、シリコン微粒子Aの各エネルギー
準位、シリコン微粒子Bの各エネルギー準位、p型シリ
コン基板の伝導帯の相対的なポテンシャルの上下関係が
変化する。なお、複数のシリコン微粒子Bへの電子注入
の後では、シリコン微粒子Bのポテンシャルが、電子注
入前(図5(a))と比べ、上昇している。
As shown in FIG. 5C, after electron injection into the plurality of silicon fine particles B, the n-type polycrystalline silicon electrode 1 is formed.
When the application of the voltage to 016 is stopped, the potential of the silicon fine particles B increases, and the potential of the conduction band of the p-type silicon substrate 1011 decreases. In other words, by eliminating the application of the voltage, the energy levels of the silicon microparticles A, the energy levels of the silicon microparticles B, and the relative potential of the conduction band of the p-type silicon substrate change. After the electron injection into the plurality of silicon microparticles B, the potential of the silicon microparticles B is higher than before the electron injection (FIG. 5A).

【0050】このとき、印加電圧が除かれた際の電位に
おいて、一部のシリコン微粒子Bのエネルギー準位のポ
テンシャルは、シリコン微粒子Aのエネルギー準位のポ
テンシャルと偶然、一致することによりトンネル過程が
許容されてしまうため、シリコン微粒子Bに注入された
電子が失われることもある。この点において、従来の半
導体素子と同様である。しかし、第1の実施形態に係る
半導体素子においては、従来の半導体素子と異なり、電
子が注入された多くのシリコン微粒子Bのエネルギー準
位のポテンシャルは、シリコン微粒子Bのエネルギー準
位のポテンシャルとは、一致しないため、シリコン微粒
子B―シリコン微粒子A間のトンネル過程による電子移
動が禁止される。したがって、大多数のシリコン微粒子
B中に電子が安定に保持されるので、第1の実施形態に
係る半導体素子においては、長期の電子保持が可能とな
る。
At this time, at the potential when the applied voltage is removed, the potential of the energy level of some of the silicon microparticles B coincides with the potential of the energy level of the silicon microparticles A, whereby the tunneling process occurs. Since it is allowed, the electrons injected into the silicon microparticles B may be lost. In this respect, it is similar to the conventional semiconductor device. However, in the semiconductor device according to the first embodiment, unlike the conventional semiconductor device, the potential of the energy level of many silicon fine particles B into which electrons are injected is different from the potential of the energy level of the silicon fine particles B. Therefore, the electron transfer due to the tunnel process between the silicon microparticles B and the silicon microparticles A is prohibited. Therefore, electrons are stably held in the majority of the silicon microparticles B, so that the semiconductor element according to the first embodiment can hold electrons for a long time.

【0051】上記とは逆に負の電圧をn型多結晶シリコ
ン電極1016に印加することによって、電荷の消去を
行うことができる。つまり、n型多結晶シリコン電極1
016に十分大きい負の電圧を加えると、シリコン微粒
子Bのエネルギー準位のポテンシャルとシリコン微粒子
Aのエネルギー準位のポテンシャルとが一致したとき、
シリコン微粒子Bからシリコン微粒子Aへと電子が引き
抜かれる。シリコン微粒子Bへの電子注入時と同様に、
印加する負の電圧を比較的大きくすること、印加電圧を
掃引しること、あるいは、高周波を重畳することによっ
て、より効率よく電荷消去ができるようになる。
Conversely, by applying a negative voltage to the n-type polycrystalline silicon electrode 1016, the charge can be erased. That is, the n-type polycrystalline silicon electrode 1
When a sufficiently large negative voltage is applied to 016, when the potential of the energy level of the silicon microparticles B matches the potential of the energy level of the silicon microparticles A,
Electrons are extracted from the silicon microparticles B to the silicon microparticles A. As at the time of injecting electrons into silicon fine particles B,
By relatively increasing the applied negative voltage, sweeping the applied voltage, or superimposing a high frequency, the charge can be erased more efficiently.

【0052】第1の実施形態に係る半導体素子において
は、静電容量が小さいシリコン微粒子1013とp型シ
リコン基板1011との間に、静電容が大きいシリコン
微粒子1013が存在しているので、静電容量が小さい
シリコン微粒子1013とp型シリコン基板1011と
の間の電荷の移動は、この静電容量が大きいシリコン微
粒子1013を介して容易に行なわれる。したがって、
n型多結晶シリコン電極1016とp型シリコン基板1
011との間に電荷注入用電圧を印加すれば、静電容量
の小さい上方のシリコン微粒子1013への電荷の注入
が容易に行なわれる。
In the semiconductor device according to the first embodiment, since the silicon microparticles 1013 having a large capacitance exist between the silicon microparticles 1013 having a small capacitance and the p-type silicon substrate 1011, the electrostatic capacitance is large. The transfer of electric charge between the silicon particles 1013 having a small capacitance and the p-type silicon substrate 1011 is easily performed via the silicon particles 1013 having a large capacitance. Therefore,
n-type polycrystalline silicon electrode 1016 and p-type silicon substrate 1
When a charge injection voltage is applied between the silicon fine particle 1013 and the gate electrode 011, the charge is easily injected into the upper silicon fine particles 1013 having a small capacitance.

【0053】特に、第1の実施形態に係る半導体素子に
おいては、従来の複数のシリコンの微粒子を用いた半導
体素子と異なり、電荷保持領域1012中において離散
エネルギー幅が大きい量子化された多くのシリコン微粒
子1013を設けることによって、蓄積された電子の自
然放出を効果的に抑制し、シリコン微粒子B中に、長期
間、電子を保持することが可能となる。また、シリコン
微粒子1013が量子化されていることによって、電荷
の注入・放出を、電圧により、制御することが容易にな
る。
In particular, in the semiconductor device according to the first embodiment, unlike the conventional semiconductor device using a plurality of silicon fine particles, a large number of quantized silicon having a large discrete energy width in the charge holding region 1012. By providing the fine particles 1013, spontaneous emission of accumulated electrons can be effectively suppressed, and electrons can be held in the silicon fine particles B for a long time. In addition, since the silicon microparticles 1013 are quantized, it becomes easy to control the injection and release of electric charges by voltage.

【0054】したがって、第1の実施形態に係る半導体
素子は、蓄積された電荷の自然放出を効果的に抑制する
ことによって、電荷保持領域1012に電荷を長時間保
持できるため、信頼性の高いものとなる。つまり、第1
の実施形態に係る半導体素子は、従来の半導体素子に比
べ、長時間の記録保持の要請に応える信頼性の高いもの
であるといえる。
Accordingly, the semiconductor device according to the first embodiment can hold charges in the charge holding region 1012 for a long time by effectively suppressing spontaneous emission of the stored charges, and thus has high reliability. Becomes That is, the first
It can be said that the semiconductor device according to the embodiment is more reliable than the conventional semiconductor device in responding to a long-time recording and holding request.

【0055】また、従来の半導体素子において、容易な
電子注入を実現するためには、図57に示すシリコン微
粒子6203の粒径を微小とし、かつ、シリコン微粒子
6203の粒径を高精度に揃え、また、トンネル酸化膜
6202の厚さをも高精度で、かつ、均一に制御する必
要があった。一方、第1の実施形態に係る半導体素子に
おいては、種々の粒径を有するシリコン微粒子13がラ
ンダムにSiO2 1014中に拡散されているため、電
圧印加時には電子の注入が容易なシリコン微粒子101
3から、自動的かつ選択的に、電子が注入され、また、
最も電子が保持され易いシリコン微粒子1013で電子
保持が行われる。よって、第1の実施形態に係る半導体
素子においては、トンネル酸化膜の厚さ及びシリコン微
粒子1013の粒径を制御する必要がないので、従来の
半導体素子の製造工程よりも第1の実施形態に係る半導
体素子の製造工程のほうが容易となる。
In a conventional semiconductor device, in order to realize easy electron injection, the particle size of the silicon fine particles 6203 shown in FIG. In addition, it is necessary to control the thickness of the tunnel oxide film 6202 with high accuracy and uniformly. On the other hand, in the semiconductor device according to the first embodiment, since the silicon fine particles 13 having various particle diameters are randomly diffused in the SiO 2 1014, the silicon fine particles 101 which can easily inject electrons when a voltage is applied are applied.
3 automatically and selectively inject electrons, and
Electrons are held by the silicon microparticles 1013 which hold electrons most easily. Therefore, in the semiconductor device according to the first embodiment, it is not necessary to control the thickness of the tunnel oxide film and the particle size of the silicon microparticles 1013. The manufacturing process of such a semiconductor element is easier.

【0056】さらに、第1の実施形態に係る半導体素子
においては、電荷保持領域1012中に、様々な静電容
量のシリコン微粒子1013が存在しているため、ある
電子保持期間(記録時間)を実現するのに必要最小限の
電圧によって電子注入を行うことも可能となる。また、
同じ大きさの必要最小限の電圧によって電荷消去を行う
こともできる。
Further, in the semiconductor device according to the first embodiment, a certain electron holding period (recording time) is realized because silicon fine particles 1013 having various capacitances exist in the charge holding region 1012. It is also possible to perform electron injection with a minimum voltage required to perform electron injection. Also,
The charge erasing can also be performed with the minimum necessary voltage having the same magnitude.

【0057】また、従来の半導体素子においては、図5
7に示すp型シリコン基板6201─シリコン微粒子6
203間のみのトンネル過程を利用するので、単一の面
上にシリコン微粒子6203を配置する必要があった。
よって、半導体素子において保持できる電子量が単一の
面上に作製できるシリコン微粒子6203の数により制
限されていた。一方、第1の実施形態に係る半導体素子
においては、図1に示すp型シリコン基板1011─シ
リコン微粒子1013間のトンネル過程だけでなく、各
シリコン微粒子1013間のトンネル過程をも利用する
ため、シリコン微粒子1013を厚み方向にも配置でき
る。したがって、第1の実施形態に係る半導体素子にお
いては、従来の半導体素子よりも多くの電子量を保持す
ることができるという利点もある。
In a conventional semiconductor device, FIG.
P-type silicon substrate 6201 shown in FIG.
Since the tunnel process only between the 203 is used, it is necessary to arrange the silicon fine particles 6203 on a single surface.
Therefore, the amount of electrons that can be held in the semiconductor element is limited by the number of silicon fine particles 6203 that can be manufactured on a single surface. On the other hand, in the semiconductor device according to the first embodiment, not only the tunnel process between the p-type silicon substrate 1011 and the silicon fine particles 1013 shown in FIG. The fine particles 1013 can also be arranged in the thickness direction. Therefore, the semiconductor device according to the first embodiment has an advantage that it can hold a larger amount of electrons than the conventional semiconductor device.

【0058】上述のように、第1の実施形態に係る新規
な構造を有する半導体素子および第1の実施形態に係る
半導体素子の製造方法によって、従来になく、作製プロ
セスが容易で、かつ、微粒子への電荷注入・保持・消去
の信頼性の高い半導体素子が提供される。
As described above, the semiconductor device having the novel structure according to the first embodiment and the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment have a simpler manufacturing process and a finer particle size than ever before. A semiconductor element having high reliability of charge injection / holding / erasing to a semiconductor device is provided.

【0059】なお、第1の実施形態に係る半導体素子
は、微小な電荷の移動・蓄積を制御する種々の半導体素
子に応用できるものであることはいうまでもない。
It is needless to say that the semiconductor device according to the first embodiment can be applied to various semiconductor devices for controlling movement and accumulation of minute electric charges.

【0060】(第2の実施形態) ―第2の実施形態に係る半導体素子の構造― 図6は、第2の実施形態に係る半導体素子を示す断面図
である。図6に示すように、第2の実施形態に係る半導
体素子は、MIS型トランジスタ構造を有している。こ
の半導体素子において、p型シリコン基板1071上に
は、いくつかの微粒子分散領域1073aからなる電荷
保持領域1073、SiO2 膜からなるゲート絶縁膜1
076及びゲート電極として機能するn型多結晶シリコ
ン電極1078が下から順次積み上げられている。ま
た、各微粒子分散領域1073aでは、シリコン微粒子
1074が、絶縁体であるSiO2 1075中に分散さ
れている。また、下地となるp型シリコン基板1071
中のn型多結晶シリコン電極1077の両側方に位置す
る領域にはn型拡散領域(ソース・ドレイン領域)10
72が設けられている。さらに、n型拡散領域1072
上には、ソース・ドレイン電極として機能する金属電極
1078が設けられている。電荷保持領域1073の微
粒子を除いた部分(マトリクス)は、微粒子より大きな
バンドギャップを有する半導体でもよい。
Second Embodiment Structure of Semiconductor Device According to Second Embodiment FIG. 6 is a sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment. As shown in FIG. 6, the semiconductor device according to the second embodiment has a MIS transistor structure. In this semiconductor device, on a p-type silicon substrate 1071, a charge holding region 1073 composed of several fine particle dispersion regions 1073a and a gate insulating film 1 composed of an SiO 2 film are provided.
076 and an n-type polycrystalline silicon electrode 1078 functioning as a gate electrode are sequentially stacked from the bottom. In each fine particle dispersion region 1073a, silicon fine particles 1074 are dispersed in SiO 2 1075 which is an insulator. Also, a p-type silicon substrate 1071 serving as a base
The n-type diffusion region (source / drain region) 10
72 are provided. Further, the n-type diffusion region 1072
On top, a metal electrode 1078 functioning as a source / drain electrode is provided. A portion (matrix) of the charge holding region 1073 other than the fine particles may be a semiconductor having a larger band gap than the fine particles.

【0061】―第2の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、第2の実施形態に係る半導体素子の製造工程につ
いて説明する。第1の実施形態と同様の半導体基板を形
成した後、各膜の形成とフォトリソグラフィー及びエッ
チングによってp型シリコン基板1071上に、電荷保
持領域1073、ゲート絶縁膜1076及びn型多結晶
シリコン電極1077を形成する。次に、イオン注入に
よって、n型拡散領域1072を形成した後、スパッタ
法及びエッチングによって、金属電極1079を形成す
る。これにより、第2の実施形態に係る半導体素子を製
造することができる。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Second Embodiment— Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment will be described. After a semiconductor substrate similar to that of the first embodiment is formed, a charge holding region 1073, a gate insulating film 1076, and an n-type polycrystalline silicon electrode 1077 are formed on a p-type silicon substrate 1071 by forming respective films, photolithography, and etching. To form Next, after the n-type diffusion region 1072 is formed by ion implantation, a metal electrode 1079 is formed by sputtering and etching. Thereby, the semiconductor device according to the second embodiment can be manufactured.

【0062】─第2の実施形態に係る半導体素子の特性
─ 第2の実施形態においても、シリコン微粒子1074の
静電容量は、p型シリコン基板1071との距離が小さ
いものほど大きい。よって、第1の実施形態と同様の原
理により、シリコン微粒子1074への電子の注入・シ
リコン微粒子1074内での電子の保持・シリコン微粒
子1074からの電子の引き抜きを行うことができる。
また、上述のように、第2の実施形態に係る半導体素子
は、MIS型トランジスタ構造を有している。さらに、
第2の実施形態では、電子を保持するためのシリコン微
粒子1074がp型シリコン基板1071とn型多結晶
シリコン電極1077との間のSiO2 1075中に設
けられている。よって、シリコン微粒子1074におけ
る電子の有無によって、素子のしきい値電圧は高低変化
する。このしきい値電圧の高低を情報H(ハイ)と情報
L(ロー)とに対応させることにより、情報の書き込み
・読み出しを行うことができる。
<< Characteristics of Semiconductor Device According to Second Embodiment >> Also in the second embodiment, the capacitance of the silicon fine particles 1074 increases as the distance from the p-type silicon substrate 1071 decreases. Therefore, according to the same principle as in the first embodiment, it is possible to inject electrons into the silicon microparticles 1074, retain electrons in the silicon microparticles 1074, and extract electrons from the silicon microparticles 1074.
Further, as described above, the semiconductor device according to the second embodiment has an MIS transistor structure. further,
In the second embodiment, silicon fine particles 1074 for holding electrons are provided in SiO 2 1075 between a p-type silicon substrate 1071 and an n-type polycrystalline silicon electrode 1077. Therefore, the threshold voltage of the element changes depending on the presence or absence of electrons in the silicon microparticles 1074. By making the level of the threshold voltage correspond to the information H (high) and the information L (low), writing and reading of information can be performed.

【0063】第2の実施形態に係る半導体素子において
は、静電容量が小さいシリコン微粒子1074とp型シ
リコン基板1071との間に、静電容量が大きいシリコ
ン微粒子1074が存在しているので、静電容量の小さ
いシリコン微粒子1074とp型シリコン基板1071
との間の電荷の移動は、この静電容量の大きいシリコン
微粒子1074を介して容易に行なわれる。
In the semiconductor device according to the second embodiment, since the silicon microparticles 1074 having a large capacitance exist between the silicon microparticles 1074 having a small capacitance and the p-type silicon substrate 1071, the static electricity can be reduced. Silicon fine particles 1074 with small capacitance and p-type silicon substrate 1071
The transfer of the electric charge between the substrate and the substrate is easily performed through the silicon microparticles 1074 having a large capacitance.

【0064】特に、第2の実施形態においても、電荷保
持領域1073中において離散エネルギー幅が大きい量
子化された多くのシリコン微粒子1074を設けること
によって、蓄積された電子の自然放出を効果的に抑制
し、シリコン微粒子B中に、長期間、電子を保持するこ
とが可能となる。また、シリコン微粒子1074が量子
化されていることによって、電荷の注入・放出を、電圧
により、制御することが容易になる。
In particular, also in the second embodiment, by providing a large number of quantized silicon fine particles 1074 having a large discrete energy width in the charge holding region 1073, spontaneous emission of accumulated electrons is effectively suppressed. In addition, electrons can be held in the silicon microparticles B for a long time. In addition, since the silicon microparticles 1074 are quantized, it is easy to control the injection and release of electric charges by voltage.

【0065】したがって、第2の実施形態に係る半導体
素子は、蓄積された電荷の自然放出を効果的に抑制する
ことによって、電荷保持領域1073に電荷を長時間保
持できるため、信頼性の高いものとなる。よって、第2
の実施形態に係る半導体素子は、素子における動作の高
速化、動作消費電力の低減の要請を満たしつつ、長時間
の記録保持の要請に応える信頼性の高いものとなり得
る。さらに、第2の実施形態においては、単一素子によ
り基本的なメモリ動作が実現されるので、高密度の集積
化が可能となる。
Accordingly, the semiconductor device according to the second embodiment can hold charges in the charge holding region 1073 for a long period of time by effectively suppressing spontaneous emission of accumulated charges, and thus has high reliability. Becomes Therefore, the second
The semiconductor device according to the embodiment can satisfy the demands for high-speed operation and low power consumption in the device, and can be highly reliable in response to the demand for long-term record keeping. Further, in the second embodiment, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0066】また、第2の実施形態に係る半導体素子に
おいては、第1の実施形態に係る半導体素子と同様に、
トンネル酸化膜の厚さを制御する必要がないので、従来
の半導体素子の製造工程よりも、第2の実施形態に係る
半導体素子の製造工程のほうが容易となる。
In the semiconductor device according to the second embodiment, like the semiconductor device according to the first embodiment,
Since it is not necessary to control the thickness of the tunnel oxide film, the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment is easier than the conventional semiconductor device manufacturing process.

【0067】なお、第2の実施形態においては、n型拡
散領域1072のうち少なくとも一方の上あるいは上方
には、シリコン微粒子1074が存在しない領域を設け
ることが好ましい。これにより、n型拡散領域1072
に電圧を印加した際にシリコン微粒子1074を経て短
絡した電流が、n型拡散領域1072間に流れることを
防止することができる。
In the second embodiment, it is preferable to provide a region on which at least one of the n-type diffusion regions 1072 has no silicon fine particles 1074. Thereby, the n-type diffusion region 1072
Can be prevented from flowing between the n-type diffusion regions 1072 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1072.

【0068】また、第2の実施形態においては、シリコ
ン微粒子1074からなる層をいくつかの部分に図6に
示す断面に対し垂直な方向に分割することもできる。こ
れによっても、n型拡散領域1072に電圧を印加した
際にシリコン微粒子1074を経て短絡した電流が、n
型拡散領域1072間に流れることを防止することがで
きる。
In the second embodiment, the layer made of silicon fine particles 1074 can be divided into several parts in a direction perpendicular to the cross section shown in FIG. With this, the current short-circuited through the silicon microparticles 1074 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1072 becomes n
Flow between the mold diffusion regions 1072 can be prevented.

【0069】(第3の実施形態) ―第3の実施形態に係る半導体素子の構造― 図7は、第3の実施形態に係る半導体素子の断面図であ
る。この半導体素子において、p型シリコン基板108
1上には、いくつかの微粒子分散領域1082aからな
る電荷保持領域1082(厚さ20nm程度)、絶縁膜
として機能するSiO2 膜1086(厚さ20nm)、
及び上部電極として機能するn型多結晶シリコン電極1
087が下から順に設けられている。また、各微粒子分
散領域1082aでは、シリコン微粒子1084(粒径
5nm程度)が、絶縁体であるSiO2 1085中に分
散されている。電荷保持領域1082の微粒子を除いた
部分(マトリクス)は、微粒子より大きなバンドギャッ
プを有する半導体でもよい。なお、SiO2 膜1086
の厚さを5〜20nm、シリコン微粒子1084の粒径
を2〜10nm程度とするのが好ましい。
Third Embodiment —Structure of Semiconductor Device According to Third Embodiment— FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment. In this semiconductor device, the p-type silicon substrate 108
1, a charge retention region 1082 (about 20 nm thick) composed of several fine particle dispersion areas 1082a, a SiO 2 film 1086 (20 nm thick) functioning as an insulating film,
And n-type polycrystalline silicon electrode 1 functioning as upper electrode
087 are provided in order from the bottom. In each fine particle dispersion region 1082a, silicon fine particles 1084 (with a particle size of about 5 nm) are dispersed in SiO 2 1085, which is an insulator. A portion (matrix) of the charge holding region 1082 other than the fine particles may be a semiconductor having a band gap larger than the fine particles. The SiO 2 film 1086
Is preferably 5 to 20 nm, and the particle size of the silicon fine particles 1084 is preferably about 2 to 10 nm.

【0070】図7に示すように、第1の実施形態と異な
り、第3の実施形態においては、シリコン微粒子108
4の分散密度は、p型シリコン基板1081に隣接する
箇所からSiO2 膜1086に隣接する箇所に向かっ
て、連続して減少している。なお、電荷保持領域108
2においては、p型シリコン基板1081に隣接する箇
所では、シリコン微粒子1084の分散密度は1×10
20cm-3である一方、SiO2 膜1086に隣接する箇
所では、シリコン微粒子1084の分散密度は1×10
15cm-3である。また、電荷保持領域1082において
は、界面はない。
As shown in FIG. 7, unlike the first embodiment, in the third embodiment, the silicon fine particles 108 are used.
The dispersion density of No. 4 continuously decreases from the portion adjacent to the p-type silicon substrate 1081 to the portion adjacent to the SiO 2 film 1086. Note that the charge holding region 108
2, the dispersion density of the silicon fine particles 1084 is 1 × 10
While it is 20 cm -3, in a portion adjacent to the SiO 2 film 1086, the dispersion density of 1 × 10 silicon microparticles 1084
15 cm -3 . In the charge holding region 1082, there is no interface.

【0071】―第3の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、第3の実施形態に係る半導体素子の製造工程につ
いて説明する。まず、p型シリコン基板1081を設置
したスパッタ装置内において、SiO2 上にシリコンの
タブレットを並べ、そこに、加速したイオンを衝突させ
る。この際の衝撃によってはじき出された原子、分子を
p型シリコン基板1081上に堆積する。ただし、Si
2 上に並べるシリコンのタブレットの量を徐々に減少
させながら、このスパッタを繰り返す。その後、基板の
熱処理を行う。これらの工程によって、p型シリコン基
板1081上において、SiO2 1085中でシリコン
微粒子1084の分散密度が、p型シリコン基板108
1に隣接する箇所からSiO2膜1086に隣接する箇
所に向かって、連続して減少した膜、つまり、いくつか
の微粒子分散領域1082aからなる電荷保持領域10
82を形成する。次に、CVD装置のチャンバー内のサ
セプター上に基板を設置し、SiO2 膜1086を電荷
保持領域1082上に堆積した後、同一のチャンバー内
で、n型多結晶シリコン電極1087をSiO2 膜10
86上に堆積する。
—Process for Manufacturing Semiconductor Device According to Third Embodiment— Next, a process for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment will be described. First, in a sputtering apparatus provided with a p-type silicon substrate 1081, silicon tablets are arranged on SiO 2 , and accelerated ions collide therewith. The atoms and molecules repelled by the impact at this time are deposited on the p-type silicon substrate 1081. Where Si
This sputtering is repeated while gradually reducing the amount of silicon tablets arranged on O 2 . After that, heat treatment of the substrate is performed. By these steps, on the p-type silicon substrate 1081, the dispersion density of the silicon fine particles 1084 in the SiO 2 1085 is reduced.
1 continuously decreases from the portion adjacent to the SiO2 film 1086 to the portion adjacent to the SiO2 film 1086, that is, the charge holding region 10 including several fine particle dispersion regions 1082a.
82 is formed. Next, a substrate is placed on a susceptor in a chamber of the CVD apparatus, and an SiO 2 film 1086 is deposited on the charge holding region 1082. Then, in the same chamber, the n-type polycrystalline silicon electrode 1087 is placed on the SiO 2 film 10
86.

【0072】なお、ここで、電荷保持領域1082のう
ちn型多結晶シリコン電極1087に近い箇所の微粒子
の分散密度を1×1017cm-3以下という十分小さなも
のにすることによって、電荷保持領域1082のうちn
型多結晶シリコン電極1087に近い箇所に、絶縁膜と
しての機能をも兼ね備えさせることができる。この場合
には、第3の実施形態において、SiO2 膜1086の
一部を形成しないこと、すなわち、SiO2 膜1086
の一部の厚さを実質的に0とすることも可能である。
Here, by setting the dispersion density of the fine particles near the n-type polysilicon electrode 1087 in the charge holding region 1082 to a sufficiently small value of 1 × 10 17 cm −3 or less, the charge holding region N out of 1082
A portion near the type polycrystalline silicon electrode 1087 can also have a function as an insulating film. In this case, in the third embodiment, it does not form part of the SiO 2 film 1086, i.e., SiO 2 film 1086
Can be made substantially zero.

【0073】―第3の実施形態に係る半導体素子の電子
注入・保持・引き抜き機構― 第3の実施形態においては、シリコン微粒子1084の
分散密度が、微粒子分散領域1082の上部になればな
るほど減少するため、各シリコン微粒子1084間の平
均的な距離が増大する。よって、電荷保持領域1082
の上部になればなるほどシリコン微粒子1084の静電
容量は減少する。すなわち、シリコン微粒子1084の
静電容量は、p型シリコン基板1081との距離が小さ
いものほど大きい。また、トンネル障壁が厚くなるた
め、n型多結晶シリコン電極1087に近いシリコン微
粒子1084ほど電子注入が起こりにくくなる。
—Electron Injection / Holding / Pull-Out Mechanism of Semiconductor Device According to Third Embodiment— In the third embodiment, the dispersion density of silicon fine particles 1084 decreases as the position increases above fine particle dispersion region 1082. Therefore, the average distance between the silicon microparticles 1084 increases. Therefore, the charge holding region 1082
, The capacitance of the silicon microparticles 1084 decreases. That is, the capacitance of the silicon microparticles 1084 increases as the distance from the p-type silicon substrate 1081 decreases. In addition, since the tunnel barrier is thicker, electron injection is less likely to occur in the silicon fine particles 1084 closer to the n-type polycrystalline silicon electrode 1087.

【0074】また、第3の実施形態に係る半導体素子に
おいては、従来の複数のシリコンの微粒子を用いた半導
体素子と異なり、電荷保持領域1082中において離散
エネルギー幅が大きい量子化された多くのシリコン微粒
子1084を設けることによって、蓄積された電子の自
然放出を効果的に抑制し、シリコン微粒子1084中
に、長期間、電子を保持することが可能となる。また、
シリコン微粒子1084が量子化されていることによっ
て、電荷の注入・放出を、電圧により、制御することが
容易になる。
In the semiconductor device according to the third embodiment, unlike the conventional semiconductor device using a plurality of silicon fine particles, a large number of quantized silicon having a large discrete energy width in the charge holding region 1082. By providing the fine particles 1084, spontaneous emission of accumulated electrons can be effectively suppressed, and electrons can be held in the silicon fine particles 1084 for a long time. Also,
Since the silicon microparticles 1084 are quantized, it is easy to control the injection and release of electric charge by voltage.

【0075】したがって、第3の実施形態に係る半導体
素子は、従来の半導体素子に比べ、長時間の記録保持の
要請に応える信頼性の高いものである。
Therefore, the semiconductor device according to the third embodiment is more reliable than the conventional semiconductor device in responding to a long-time recording and holding request.

【0076】また、第3の実施形態に係る半導体素子に
おいては、第1の実施形態に係る半導体素子と同様に、
種々の粒径を有するシリコン微粒子1084がSiO2
1085中に拡散されているため、電圧印加時には注入
が容易なシリコン微粒子1084から、自動的かつ選択
的に、電子が注入され、また、最も電子が保持され易い
シリコン微粒子1084で電子保持が行われる。よっ
て、第3の実施形態に係る半導体素子においては、第1
の実施形態に係る半導体素子と同様に、トンネル酸化膜
の厚さ及びシリコン微粒子1084の粒径を制御する必
要がないので、従来の半導体素子の製造工程よりも第3
の実施形態に係る半導体素子の製造工程のほうが容易と
なる。
In the semiconductor device according to the third embodiment, like the semiconductor device according to the first embodiment,
Silicon fine particles 1084 having various particle sizes are made of SiO 2
Since it is diffused in 1085, electrons are automatically and selectively injected from silicon fine particles 1084 which are easy to inject when applying voltage, and electrons are held by silicon fine particles 1084 in which electrons are most easily held. . Therefore, in the semiconductor device according to the third embodiment, the first
Since the thickness of the tunnel oxide film and the particle size of the silicon microparticles 1084 do not need to be controlled similarly to the semiconductor device according to the first embodiment, the third embodiment is more complicated than the conventional semiconductor device manufacturing process.
The manufacturing process of the semiconductor device according to the embodiment is easier.

【0077】さらに、第3の実施形態に係る半導体素子
においては、第1の実施形態に係る半導体素子と同様
に、電荷保持領域1082中に、様々な静電容量のシリ
コン微粒子1084が存在しているため、ある電子保持
期間(記録時間)を実現するのに必要最小限の電圧によ
って電子注入を行うことも可能となる。また、同じ大き
さの必要最小限の電圧によって電荷消去を行うこともで
きる。
Further, in the semiconductor device according to the third embodiment, similarly to the semiconductor device according to the first embodiment, silicon fine particles 1084 having various capacitances exist in the charge holding region 1082. Therefore, electron injection can be performed with a minimum voltage necessary to realize a certain electron holding period (recording time). In addition, charge erasing can be performed with a minimum necessary voltage having the same magnitude.

【0078】なお、第3の実施形態においては、シリコ
ン微粒子1084の分散密度は、p型シリコン基板10
81に隣接する箇所からSiO2 膜1086に隣接する
箇所に向かって、連続して減少している。また、電荷保
持領域1082においては、界面はない。しかし、電荷
保持領域1082中においてシリコン微粒子1084の
分散密度が連続的に変化しないような箇所を設けること
も可能である。また、電荷保持領域1082中におい
て、その上下で電荷保持領域1082の微粒子を除いた
部分の組成が変化する面、その上下でシリコン微粒子1
084の分散密度あるいは組成が変化する面、その他の
界面を設けることも可能である。なお、界面は複数であ
ってもよい。また、シリコン微粒子1084は、p型シ
リコン基板1081との距離が共通であるシリコン微粒
子1084からなる複数の微粒子体群に群別されていて
もよい。これらの場合においても、各シリコン微粒子1
084間の静電容量は一定でないため、実質的に第3の
実施形態と同様の効果が得られる。
In the third embodiment, the dispersion density of the silicon fine particles 1084 depends on the p-type silicon substrate 10.
It decreases continuously from the portion adjacent to 81 to the portion adjacent to the SiO 2 film 1086. In the charge holding region 1082, there is no interface. However, it is also possible to provide a portion in the charge holding region 1082 such that the dispersion density of the silicon fine particles 1084 does not change continuously. Also, in the charge holding region 1082, the surface where the composition of the portion excluding the fine particles of the charge holding region 1082 changes above and below the surface, and the silicon fine particles 1
It is also possible to provide a surface where the dispersion density or the composition of 084 changes or another interface. Note that there may be a plurality of interfaces. Further, the silicon fine particles 1084 may be divided into a plurality of fine particle groups including silicon fine particles 1084 having a common distance from the p-type silicon substrate 1081. Also in these cases, each silicon fine particle 1
Since the capacitance between the capacitors 084 is not constant, substantially the same effects as in the third embodiment can be obtained.

【0079】(第4の実施形態) ―第4の実施形態に係る半導体素子の構造― 図8は、第4の実施形態に係る半導体素子を示す断面図
である。図8に示すように、第4の実施形態に係る半導
体素子は、MIS型トランジスタ構造を有している。こ
の半導体素子において、p型シリコン基板1091上に
は、いくつかの微粒子分散領域1093aからなる電荷
保持領域1093、SiO2 膜からなるゲート絶縁膜1
097及びゲート電極として機能するn型多結晶シリコ
ン電極1098が下から順次積み上げられている。ま
た、各微粒子分散領域1093aでは、シリコン微粒子
1095が、絶縁体であるSiO2 1096中に分散さ
れている。第4の実施形態においては、シリコン微粒子
1095の分散密度は、p型シリコン基板1091に隣
接する箇所からゲート絶縁膜1097に隣接する箇所に
向かって、連続して減少している点で、第2の実施形態
と異なる。また、下地となるp型シリコン基板1091
中のn型多結晶シリコン電極1098の両側方に位置す
る領域にはn型拡散領域1092が設けられている。さ
らに、n型拡散領域1092上には、ソース・ドレイン
電極として機能する金属電極1099が設けられてい
る。電荷保持領域1093の微粒子を除いた部分(マト
リクス)、微粒子より大きなバンドギャップを有する半
導体でもよい。
(Fourth Embodiment) —Structure of Semiconductor Device According to Fourth Embodiment— FIG. 8 is a sectional view showing a semiconductor device according to a fourth embodiment. As shown in FIG. 8, the semiconductor device according to the fourth embodiment has a MIS transistor structure. In this semiconductor device, on a p-type silicon substrate 1091, a charge holding region 1093 composed of several fine particle dispersion regions 1093a, and a gate insulating film 1 composed of an SiO 2 film.
097 and an n-type polycrystalline silicon electrode 1098 functioning as a gate electrode are sequentially stacked from the bottom. In each fine particle dispersion region 1093a, silicon fine particles 1095 are dispersed in SiO 2 1096 which is an insulator. The fourth embodiment is different from the second embodiment in that the dispersion density of the silicon microparticles 1095 decreases continuously from the portion adjacent to the p-type silicon substrate 1091 to the portion adjacent to the gate insulating film 1097. Is different from the embodiment. Also, a p-type silicon substrate 1091 serving as a base
In regions located on both sides of n-type polycrystalline silicon electrode 1098, n-type diffusion regions 1092 are provided. Further, a metal electrode 1099 functioning as a source / drain electrode is provided on the n-type diffusion region 1092. A portion (matrix) of the charge holding region 1093 excluding the fine particles may be a semiconductor having a band gap larger than the fine particles.

【0080】―第4の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、第4の実施形態に係る半導体素子の製造工程につ
いて説明する。第3の実施形態と同様の半導体基板を形
成した後、各膜の形成とフォトリソグラフィー及びエッ
チングによってp型シリコン基板1091上に、電荷保
持領域1093、ゲート絶縁膜1097及びn型多結晶
シリコン電極1098を形成する。次に、イオン注入に
よって、n型拡散領域1092を形成した後、スパッタ
法及びエッチングによって、金属電極1099を形成す
る。これにより、第4の実施形態に係る半導体素子を製
造することができる。
—Process of Manufacturing Semiconductor Device According to Fourth Embodiment— Next, a process of manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. After a semiconductor substrate similar to that of the third embodiment is formed, a charge holding region 1093, a gate insulating film 1097, and an n-type polycrystalline silicon electrode 1098 are formed on a p-type silicon substrate 1091 by forming respective films, photolithography, and etching. To form Next, after an n-type diffusion region 1092 is formed by ion implantation, a metal electrode 1099 is formed by sputtering and etching. Thus, the semiconductor device according to the fourth embodiment can be manufactured.

【0081】─第4の実施形態に係る半導体素子の特性
─ 第4の実施形態においても、シリコン微粒子1095の
静電容量は、p型シリコン基板1091との距離が小さ
いものほど大きい。よって、第3の実施形態と同様の原
理により、シリコン微粒子1095への電子の注入・シ
リコン微粒子1095内での電子の保持・シリコン微粒
子1095からの電子の引き抜きを行うことができる。
また、上述のように、第4の実施形態に係る半導体素子
は、MIS型トランジスタ構造を有している。さらに、
第4の実施形態では、電子を保持するためのシリコン微
粒子1095がp型シリコン基板1091とn型多結晶
シリコン電極1098との間のSiO2 1096中に設
けられている。よって、シリコン微粒子1095におけ
る電子の有無によって、素子のしきい値電圧は高低変化
する。このしきい値電圧の高低を情報H(ハイ)と情報
L(ロー)とに対応させることにより、情報の書き込み
・読み出しを行うことができる。
<< Characteristics of Semiconductor Device According to Fourth Embodiment >> Also in the fourth embodiment, the capacitance of the silicon fine particles 1095 increases as the distance from the p-type silicon substrate 1091 decreases. Therefore, according to the same principle as that of the third embodiment, it is possible to inject electrons into the silicon microparticles 1095, retain electrons in the silicon microparticles 1095, and extract electrons from the silicon microparticles 1095.
As described above, the semiconductor device according to the fourth embodiment has a MIS transistor structure. further,
In the fourth embodiment, silicon microparticles 1095 for holding electrons are provided in SiO 2 1096 between a p-type silicon substrate 1091 and an n-type polycrystalline silicon electrode 1098. Therefore, the threshold voltage of the element changes depending on the presence or absence of electrons in the silicon microparticles 1095. By making the level of the threshold voltage correspond to the information H (high) and the information L (low), writing and reading of information can be performed.

【0082】第4の実施形態に係る半導体素子において
は、静電容量が小さいシリコン微粒子1095とp型シ
リコン基板1091との間に、静電容量が大きいシリコ
ン微粒子1095が存在しているので、静電容量の小さ
いシリコン微粒子1095とp型シリコン基板1091
との間の電荷の移動は、この静電容量が大きいシリコン
微粒子1095を介して容易に行なわれる。
In the semiconductor device according to the fourth embodiment, since the silicon microparticles 1095 having a large capacitance exist between the silicon microparticles 1095 having a small capacitance and the p-type silicon substrate 1091, the static electricity is reduced. Silicon fine particles 1095 with small capacitance and p-type silicon substrate 1091
The transfer of the electric charge between the silicon fine particles and the silicon oxide particles is easily performed via the silicon microparticles 1095 having a large capacitance.

【0083】特に、第4の実施形態においても、電荷保
持領域1093中において離散エネルギー幅が大きい量
子化された多くのシリコン微粒子1095を設けること
によって、蓄積された電子の自然放出を効果的に抑制
し、シリコン微粒子B中に、長期間、電子を保持するこ
とが可能となる。また、シリコン微粒子1095が量子
化されていることによって、電荷の注入・放出を、電圧
により、制御することが容易になる。
In particular, also in the fourth embodiment, by providing a large number of quantized silicon fine particles 1095 having a large discrete energy width in the charge holding region 1093, spontaneous emission of accumulated electrons is effectively suppressed. In addition, electrons can be held in the silicon microparticles B for a long time. In addition, since the silicon microparticles 1095 are quantized, it is easy to control the injection and release of electric charge by voltage.

【0084】したがって、第4の実施形態に係る半導体
素子は、蓄積された電荷の自然放出を効果的に抑制する
ことによって、電荷保持領域1093に電荷を長時間保
持できるため、信頼性の高いものとなる。よって、第4
の実施形態に係る半導体素子は、素子における動作の高
速化、動作消費電力の低減の要請を満たしつつ、長時間
の記録保持の要請に応える信頼性の高いものとなり得
る。さらに、第4の実施形態においては、単一素子によ
り基本的なメモリ動作が実現されるので、高密度の集積
化が可能となる。
Therefore, the semiconductor device according to the fourth embodiment can hold charges in the charge holding region 1093 for a long time by effectively suppressing spontaneous emission of the stored charges, so that the semiconductor device has high reliability. Becomes Therefore, the fourth
The semiconductor device according to the embodiment can satisfy the demands for high-speed operation and low power consumption in the device, and can be highly reliable in response to the demand for long-term record keeping. Furthermore, in the fourth embodiment, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration becomes possible.

【0085】また、第4の実施形態に係る半導体素子に
おいては、第3の実施形態に係る半導体素子と同様に、
トンネル酸化膜の厚さを制御する必要がないので、従来
の半導体素子の製造工程よりも、第4の実施形態に係る
半導体素子の製造工程のほうが容易となる。
In the semiconductor device according to the fourth embodiment, like the semiconductor device according to the third embodiment,
Since it is not necessary to control the thickness of the tunnel oxide film, the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment is easier than the conventional semiconductor device manufacturing process.

【0086】なお、第4の実施形態においては、n型拡
散領域1092のうち少なくとも一方の上あるいは上方
には、シリコン微粒子1095が存在しない領域を設け
ることもできる。これにより、n型拡散領域1092に
電圧を印加した際にシリコン微粒子1095を経て短絡
した電流が、n型拡散領域1092間に流れることを防
止することができる。
In the fourth embodiment, a region where the silicon fine particles 1095 do not exist may be provided on or above at least one of the n-type diffusion regions 1092. This can prevent a current short-circuited through the silicon fine particles 1095 from flowing between the n-type diffusion regions 1092 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1092.

【0087】また、第4の実施形態においては、シリコ
ン微粒子1095からなる層をいくつかの部分に図8に
示す断面に対し垂直な方向に分割することもできる。こ
れによっても、n型拡散領域1092に電圧を印加した
際にシリコン微粒子1095を経て短絡した電流が、n
型拡散領域1092間に流れることを防止することがで
きる。
In the fourth embodiment, the layer made of silicon fine particles 1095 can be divided into several parts in a direction perpendicular to the cross section shown in FIG. With this, the current short-circuited through the silicon microparticles 1095 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1092 becomes n
Flow between the mold diffusion regions 1092 can be prevented.

【0088】(第5の実施形態) ―第5の実施形態に係る半導体素子の構造― 図9は、第5の実施形態に係る半導体素子の断面図であ
る。この半導体素子において、p型シリコン基板110
1上には、いくつかの微粒子分散領域1102aからな
る電荷保持領域1102(厚さ30nm程度)、絶縁膜
として機能するSiO2膜1106(厚さ20nm)、
及び上部電極として機能するn型多結晶シリコン電極1
107が下から順に設けられている。また、各微粒子分
散領域1102aでは、シリコン微粒子1104が、絶
縁体であるSiO2 1105中に分散されている。電荷
保持領域1102の微粒子を除いた部分(マトリクス)
は、微粒子より大きなバンドギャップを有する半導体で
もよい。なお、SiO2 膜1106の厚さを5〜20n
m、シリコン微粒子1104の分散密度を1×10 15
-3〜1×1020cm-3程度とするのが好ましい。
(Fifth Embodiment) -Structure of the semiconductor device according to the fifth embodiment- FIG. 9 is a sectional view of a semiconductor device according to the fifth embodiment.
You. In this semiconductor device, a p-type silicon substrate 110
1 includes several fine particle dispersion areas 1102a.
Charge holding region 1102 (about 30 nm thick), insulating film
SiO2 film 1106 (20 nm thick) functioning as
And n-type polycrystalline silicon electrode 1 functioning as upper electrode
107 are provided in order from the bottom. Also, for each fine particle
In the scattering region 1102a, silicon fine particles 1104 are
SiO as an edgeTwo 1105. charge
Portion (matrix) of the holding region 1102 excluding fine particles
Is a semiconductor with a larger band gap than fine particles
Is also good. Note that SiOTwo The thickness of the film 1106 is 5 to 20 n.
m, the dispersion density of the silicon fine particles 1104 is 1 × 10 Fifteenc
m-3~ 1 × 1020cm-3It is preferable to set the degree.

【0089】図9に示すように、第1の実施形態と異な
り、第5の実施形態においては、シリコン微粒子110
4の粒径は、p型シリコン基板1101に隣接する箇所
からSiO2 膜1106に隣接する箇所に向かって、連
続して減少している。なお、電荷保持領域1102にお
いては、p型シリコン基板1101に隣接する箇所で
は、シリコン微粒子1104の粒径は20nm程度であ
る一方、SiO2 膜1106に隣接する箇所では、シリ
コン微粒子1104の粒径は1nm程度とするのが好ま
しい。また、電荷保持領域1102においては、界面は
ない。
As shown in FIG. 9, unlike the first embodiment, in the fifth embodiment, silicon fine particles 110
The grain size of No. 4 continuously decreases from a portion adjacent to the p-type silicon substrate 1101 to a portion adjacent to the SiO 2 film 1106. In the charge holding region 1102, the particle size of the silicon fine particles 1104 is about 20 nm at a position adjacent to the p-type silicon substrate 1101, while the particle size of the silicon fine particles 1104 is at a position adjacent to the SiO 2 film 1106. Preferably, the thickness is about 1 nm. In the charge holding region 1102, there is no interface.

【0090】―第5の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、第5の実施形態に係る半導体素子の製造工程につ
いて説明する。まず、p型シリコン基板1101を設置
したスパッタ装置内において、SiO2 上にシリコンの
タブレットを並べ、そこに、加速したイオンを衝突させ
る。この際の衝撃によってはじき出された原子、分子を
p型シリコン基板1101上に堆積する。その後、基板
の熱処理を行う。次に、SiO2 上のシリコンのタブレ
ットの量を減らし、スパッタを行った後、先程の熱処理
の際の基板温度よりも低い温度で基板の熱処理を行う。
その後、同様にして、スパッタによる堆積と熱処理によ
るシリコン微粒子1104の成長とを繰り返す。これら
の工程によって、p型シリコン基板1101上におい
て、SiO2 1105中でシリコン微粒子1104の粒
径が、p型シリコン基板1101に隣接する箇所からS
iO2 膜1106に隣接する箇所に向かって、連続して
減少した膜、つまり、いくつかの微粒子分散領域110
2aからなる電荷保持領域1102を形成する。次に、
CVD装置のチャンバー内のサセプター上に基板を設置
し、SiO2 膜1106を電荷保持領域1102上に堆
積した後、同一のチャンバー内で、n型多結晶シリコン
電極1107をSiO2 膜1106上に堆積する。
—Process for Manufacturing Semiconductor Device According to Fifth Embodiment— Next, a process for manufacturing a semiconductor device according to the fifth embodiment will be described. First, in a sputtering apparatus provided with a p-type silicon substrate 1101, silicon tablets are arranged on SiO 2 , and accelerated ions collide with the tablets. The atoms and molecules repelled by the impact at this time are deposited on the p-type silicon substrate 1101. After that, heat treatment of the substrate is performed. Next, after the amount of the silicon tablet on SiO 2 is reduced and sputtering is performed, the substrate is heat-treated at a temperature lower than the substrate temperature in the previous heat treatment.
Thereafter, in the same manner, deposition by sputtering and growth of silicon fine particles 1104 by heat treatment are repeated. By these steps, the particle size of the silicon fine particles 1104 in the SiO 2 1105 on the p-type silicon substrate 1101 is reduced from the position adjacent to the p-type silicon substrate 1101 by S
The film continuously reduced toward a portion adjacent to the iO 2 film 1106, that is, several fine particle dispersion regions 110.
A charge holding region 1102 made of 2a is formed. next,
After setting the substrate on the susceptor in the chamber of the CVD apparatus and depositing the SiO 2 film 1106 on the charge holding region 1102, the n-type polycrystalline silicon electrode 1107 is deposited on the SiO 2 film 1106 in the same chamber. I do.

【0091】なお、電荷保持領域1102を1回のCV
D法によって形成しても、電荷保持領域1102を、S
iO2 1105中でシリコン微粒子1104の粒径が、
p型シリコン基板1101に隣接する箇所からSiO2
膜1106に隣接する箇所に向かって、連続して減少し
ている膜とすることが可能である。
Note that the charge holding region 1102 is not
Even if the charge holding region 1102 is formed by the D method,
The particle size of the silicon fine particles 1104 in the iO 2 1105 is
SiO 2 from a portion adjacent to the p-type silicon substrate 1101
A film that continuously decreases toward a portion adjacent to the film 1106 can be used.

【0092】また、電荷保持領域1102のうちn型多
結晶シリコン電極1107に近い箇所の微粒子粒径を3
nm以下という十分小さなものにすることによって、電
荷保持領域1102のうちn型多結晶シリコン電極11
07に近い箇所に、絶縁膜としての機能をも兼ね備えさ
せることができる。この場合には、第3の実施形態にお
いて、SiO2 膜1106の一部を形成しないこと、す
なわち、SiO2 膜1106の一部の厚さを実質的に0
とすることも可能である。
The particle diameter of the portion of the charge holding region 1102 close to the n-type polycrystalline silicon electrode 1107 is set to 3
nm or less so that the n-type polycrystalline silicon electrode 11
A portion near 07 can also have a function as an insulating film. In this case, in the third embodiment, it does not form part of the SiO 2 film 1106, i.e., a portion of the thickness of the SiO 2 film 1106 substantially 0
It is also possible to use

【0093】―第5の実施形態に係る半導体素子の電子
注入・保持・引き抜き機構― 第5の実施形態においては、シリコン微粒子1104の
粒径が、微粒子分散領域1102の上部になればなるほ
ど減少するため、各シリコン微粒子1104間の平均的
な距離が増大する。よって、電荷保持領域1102の上
部になればなるほどシリコン微粒子1104の静電容量
は減少する。すなわち、シリコン微粒子1104の静電
容量は、p型シリコン基板1101との距離が小さいも
のほど大きい。したがって、トンネル障壁が厚くなるた
め、n型多結晶シリコン電極1107に近いシリコン微
粒子1104ほど電子注入が起こりにくくなる。
—Electron Injection / Holding / Pull-Out Mechanism of Semiconductor Device According to Fifth Embodiment— In the fifth embodiment, the particle size of silicon fine particles 1104 decreases as the position increases above fine particle dispersion region 1102. Therefore, the average distance between the silicon fine particles 1104 increases. Therefore, the capacitance of the silicon fine particles 1104 decreases as the position increases above the charge holding region 1102. That is, the smaller the distance from the p-type silicon substrate 1101, the greater the capacitance of the silicon fine particles 1104. Therefore, since the tunnel barrier is thicker, electron injection is less likely to occur in the silicon fine particles 1104 closer to the n-type polycrystalline silicon electrode 1107.

【0094】特に、第5の実施形態に係る半導体素子に
おいては、従来の複数のシリコンの微粒子を用いた半導
体素子と異なり、電荷保持領域1102中において離散
エネルギー幅が大きい量子化された多くのシリコン微粒
子1104を設けることによって、蓄積された電子の自
然放出を効果的に抑制し、シリコン微粒子1104中
に、長期間、電子を保持することが可能となる。また、
シリコン微粒子1104が量子化されていることによっ
て、電荷の注入・放出を、電圧により、制御することが
容易になる。
In particular, in the semiconductor device according to the fifth embodiment, unlike the conventional semiconductor device using a plurality of silicon fine particles, a large number of quantized silicon having a large discrete energy width in the charge holding region 1102. By providing the particles 1104, spontaneous emission of accumulated electrons can be effectively suppressed, and electrons can be held in the silicon particles 1104 for a long time. Also,
Since the silicon microparticles 1104 are quantized, it is easy to control the injection and release of electric charge by voltage.

【0095】したがって、第5の実施形態に係る半導体
素子は、従来の半導体素子及び第1の実施形態に係る半
導体素子に比べ、長時間の記録保持の要請に応える信頼
性の高いものである。
Therefore, the semiconductor device according to the fifth embodiment is more reliable than the conventional semiconductor device and the semiconductor device according to the first embodiment in responding to a demand for long-term record keeping.

【0096】また、第5の実施形態に係る半導体素子に
おいては、第1の実施形態に係る半導体素子と同様に、
種々の粒径を有するシリコン微粒子1104がSiO2
1105中に拡散されているため、電圧印加時には注入
が容易なシリコン微粒子1104から、自動的かつ選択
的に、電子が注入され、また、最も電子が保持され易い
シリコン微粒子1104で電子保持が行われる。よっ
て、第5の実施形態に係る半導体素子においては、第1
の実施形態に係る半導体素子と同様に、トンネル酸化膜
の厚さ及びシリコン微粒子1104の粒径を制御する必
要がないので、従来の半導体素子の製造工程よりも第5
の実施形態に係る半導体素子の製造工程のほうが容易と
なる。
In the semiconductor device according to the fifth embodiment, like the semiconductor device according to the first embodiment,
Silicon fine particles 1104 having various particle sizes are made of SiO 2
Since it is diffused in 1105, electrons are automatically and selectively injected from silicon fine particles 1104 which are easy to inject when applying a voltage, and electrons are held by silicon fine particles 1104 in which electrons are most easily held. . Therefore, in the semiconductor device according to the fifth embodiment, the first
Since it is not necessary to control the thickness of the tunnel oxide film and the particle size of the silicon fine particles 1104 as in the semiconductor device according to the first embodiment, the fifth embodiment is more effective than the conventional semiconductor device manufacturing process.
The manufacturing process of the semiconductor device according to the embodiment is easier.

【0097】さらに、第5の実施形態に係る半導体素子
においては、第1の実施形態に係る半導体素子と同様
に、電荷保持領域1102中に、様々な静電容量のシリ
コン微粒子1104が存在しているため、ある電子保持
期間(記録時間)を実現するのに必要最小限の電圧によ
って電子注入を行うことも可能となる。また、同じ大き
さの必要最小限の電圧によって電荷消去を行うこともで
きる。
Further, in the semiconductor device according to the fifth embodiment, similarly to the semiconductor device according to the first embodiment, silicon fine particles 1104 having various capacitances exist in the charge holding region 1102. Therefore, electron injection can be performed with a minimum voltage necessary to realize a certain electron holding period (recording time). In addition, charge erasing can be performed with a minimum necessary voltage having the same magnitude.

【0098】なお、第5の実施形態においては、シリコ
ン微粒子1104の粒径は、p型シリコン基板1101
に隣接する箇所からSiO2 膜1106に隣接する箇所
に向かって、連続して減少している。また、電荷保持領
域1102においては、界面はない。しかし、電荷保持
領域1102中においてシリコン微粒子1104の粒径
が連続的に変化しないような箇所を設けることも可能で
ある。また、電荷保持領域1102中において、その上
下で電荷保持領域1102の微粒子を除いた部分の組成
が変化する面、その上下でシリコン微粒子1104の粒
径、分散密度、あるいは組成が変化する面、その他の界
面を設けることも可能である。なお、界面は複数であっ
てもよい。また、シリコン微粒子1104は、p型シリ
コン基板1101との距離が共通であるシリコン微粒子
1104からなる複数の微粒子体群に群別されていても
よい。これらの場合においても、各シリコン微粒子11
04間の静電容量は一定でないため、実質的に第5の実
施形態と同様の効果が得られる。
In the fifth embodiment, the particle size of the silicon fine particles 1104 is different from that of the p-type silicon substrate 1101.
From the portion adjacent to the SiO 2 film 1106 to the portion adjacent to the SiO 2 film 1106. In the charge holding region 1102, there is no interface. However, it is also possible to provide a portion in the charge holding region 1102 such that the particle size of the silicon fine particles 1104 does not change continuously. Further, in the charge holding region 1102, the surface where the composition of the portion excluding the fine particles of the charge holding region 1102 changes above and below the surface, the surface where the particle size, dispersion density, or composition of the silicon fine particles 1104 changes above and below the surface, etc. Can be provided. Note that there may be a plurality of interfaces. Further, the silicon fine particles 1104 may be divided into a plurality of fine particle groups each including the silicon fine particles 1104 having a common distance from the p-type silicon substrate 1101. Also in these cases, each silicon fine particle 11
Since the capacitance between the electrodes 04 is not constant, substantially the same effects as in the fifth embodiment can be obtained.

【0099】(第6の実施形態) ―第6の実施形態に係る半導体素子の構造― 図10は、第6の実施形態に係る半導体素子を示す断面
図である。図10に示すように、第6の実施形態に係る
半導体素子は、MIS型トランジスタ構造を有してい
る。この半導体素子において、p型シリコン基板111
1上には、いくつかの微粒子分散領域1113aからな
る電荷保持領域1113、SiO2 膜からなるゲート絶
縁膜1117及びゲート電極として機能するn型多結晶
シリコン電極1118が下から順次積み上げられてい
る。また、各微粒子分散領域1113aでは、シリコン
微粒子1115が、絶縁体であるSiO2 1116中に
分散されている。第6の実施形態においては、シリコン
微粒子1115の粒径は、p型シリコン基板1111に
隣接する箇所からゲート絶縁膜1117に隣接する箇所
に向かって、連続して減少している点で、第2の実施形
態と異なる。また、下地となるp型シリコン基板111
1中のn型多結晶シリコン電極1118の両側方に位置
する領域にはn型拡散領域1112が設けられている。
さらに、n型拡散領域1112上には、ソース・ドレイ
ン電極として機能する金属電極1119が設けられてい
る。電荷保持領域1113の微粒子を除いた部分(マト
リクス)は、微粒子より大きなバンドギャップを有する
半導体でもよい。
Sixth Embodiment -Structure of Semiconductor Device According to Sixth Embodiment- FIG. 10 is a sectional view showing a semiconductor device according to a sixth embodiment. As shown in FIG. 10, the semiconductor device according to the sixth embodiment has a MIS transistor structure. In this semiconductor device, a p-type silicon substrate 111
1, a charge retention region 1113 composed of several fine particle dispersion regions 1113a, a gate insulating film 1117 composed of a SiO 2 film, and an n-type polycrystalline silicon electrode 1118 functioning as a gate electrode are sequentially stacked from below. In each fine particle dispersion region 1113a, silicon fine particles 1115 are dispersed in SiO 2 1116 which is an insulator. In the sixth embodiment, the second embodiment is different from the sixth embodiment in that the particle size of the silicon fine particles 1115 continuously decreases from a portion adjacent to the p-type silicon substrate 1111 to a portion adjacent to the gate insulating film 1117. Is different from the embodiment. Also, a p-type silicon substrate 111 serving as a base
An n-type diffusion region 1112 is provided in a region located on both sides of the n-type polycrystalline silicon electrode 1118 in 1.
Further, on n-type diffusion region 1112, a metal electrode 1119 functioning as a source / drain electrode is provided. A portion (matrix) of the charge holding region 1113 excluding the fine particles may be a semiconductor having a larger band gap than the fine particles.

【0100】―第6の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、第6の実施形態に係る半導体素子の製造工程につ
いて説明する。第5の実施形態と同様の半導体基板を形
成した後、各膜の形成とフォトリソグラフィー及びエッ
チングによってp型シリコン基板1111上に、電荷保
持領域1113、ゲート絶縁膜1117及びn型多結晶
シリコン電極1118を形成する。次に、イオン注入に
よって、n型拡散領域1112を形成した後、スパッタ
法及びエッチングによって、金属電極1119を形成す
る。これにより、第6の実施形態に係る半導体素子を製
造することができる。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Sixth Embodiment— Next, a manufacturing process of a semiconductor device according to the sixth embodiment will be described. After a semiconductor substrate similar to that of the fifth embodiment is formed, a charge holding region 1113, a gate insulating film 1117, and an n-type polycrystalline silicon electrode 1118 are formed on a p-type silicon substrate 1111 by formation of respective films, photolithography, and etching. To form Next, after forming an n-type diffusion region 1112 by ion implantation, a metal electrode 1119 is formed by sputtering and etching. Thereby, the semiconductor device according to the sixth embodiment can be manufactured.

【0101】─第6の実施形態に係る半導体素子の特性
─ 第6の実施形態においても、シリコン微粒子1115の
静電容量は、p型シリコン基板1111との距離が小さ
いものほど小さい。よって、第5の実施形態と同様の原
理により、シリコン微粒子1115への電子の注入・シ
リコン微粒子1115内での電子の保持・シリコン微粒
子1115からの電子の引き抜きを行うことができる。
また、上述のように、第6の実施形態に係る半導体素子
は、MIS型トランジスタ構造を有している。さらに、
第6の実施形態では、電子を保持するためのシリコン微
粒子1115がp型シリコン基板1111とn型多結晶
シリコン電極1118との間のSiO2 1116中に設
けられている。よって、シリコン微粒子1115におけ
る電子の有無によって、素子のしきい値電圧は高低変化
する。このしきい値電圧の高低を情報H(ハイ)と情報
L(ロー)とに対応させることにより、情報の書き込み
・読み出しを行うことができる。
<< Characteristics of Semiconductor Device According to Sixth Embodiment >> Also in the sixth embodiment, the capacitance of the silicon fine particles 1115 decreases as the distance from the p-type silicon substrate 1111 decreases. Therefore, according to the same principle as that of the fifth embodiment, it is possible to inject electrons into the silicon fine particles 1115, hold electrons in the silicon fine particles 1115, and extract electrons from the silicon fine particles 1115.
As described above, the semiconductor device according to the sixth embodiment has a MIS transistor structure. further,
In the sixth embodiment, silicon fine particles 1115 for holding electrons are provided in SiO 2 1116 between a p-type silicon substrate 1111 and an n-type polycrystalline silicon electrode 1118. Therefore, the threshold voltage of the element changes depending on the presence or absence of electrons in the silicon fine particles 1115. By making the level of the threshold voltage correspond to the information H (high) and the information L (low), writing and reading of information can be performed.

【0102】特に、第6の実施形態においても、電荷保
持領域1113中において離散エネルギー幅が大きい量
子化された多くのシリコン微粒子1115を設けること
によって、蓄積された電子の自然放出を効果的に抑制
し、シリコン微粒子B中に、長期間、電子を保持するこ
とが可能となる。また、シリコン微粒子1115が量子
化されていることによって、電荷の注入・放出を、電圧
により、制御することが容易になる。
In particular, also in the sixth embodiment, by providing a large number of quantized silicon fine particles 1115 having a large discrete energy width in the charge holding region 1113, spontaneous emission of accumulated electrons is effectively suppressed. In addition, electrons can be held in the silicon microparticles B for a long time. In addition, since the silicon microparticles 1115 are quantized, it is easy to control the injection and release of electric charges by voltage.

【0103】したがって、第6の実施形態に係る半導体
素子は、蓄積された電荷の自然放出を効果的に抑制する
ことによって、電荷保持領域113に電荷を長時間保持
できるため、信頼性の高いものとなる。よって、第6の
実施形態に係る半導体素子は、素子における動作の高速
化、動作消費電力の低減の要請を満たしつつ、長時間の
記録保持の要請に応える信頼性の高いものとなり得る。
さらに、第6の実施形態においては、単一素子により基
本的なメモリ動作が実現されるので、高密度の集積化が
可能となる。
Therefore, the semiconductor device according to the sixth embodiment can hold charges in the charge holding region 113 for a long time by effectively suppressing spontaneous emission of the stored charges, thereby providing a highly reliable semiconductor device. Becomes Therefore, the semiconductor device according to the sixth embodiment can be highly reliable in meeting the demand for long-term record keeping while satisfying the demands for high-speed operation and reduced power consumption in the device.
Further, in the sixth embodiment, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0104】また、第6の実施形態に係る半導体素子に
おいては、第5の実施形態に係る半導体素子と同様に、
トンネル酸化膜の厚さを制御する必要がないので、従来
の半導体素子の製造工程よりも、第6の実施形態に係る
半導体素子の製造工程のほうが容易となる。
In the semiconductor device according to the sixth embodiment, like the semiconductor device according to the fifth embodiment,
Since it is not necessary to control the thickness of the tunnel oxide film, the manufacturing process of the semiconductor device according to the sixth embodiment is easier than the conventional semiconductor device manufacturing process.

【0105】なお、第6の実施形態においては、n型拡
散領域1112のうち少なくとも一方の上あるいは上方
には、シリコン微粒子1115が存在しない領域を設け
ることもできる。これにより、n型拡散領域1112に
電圧を印加した際にシリコン微粒子1115を経て短絡
した電流が、n型拡散領域1112間に流れることを防
止することができる。
In the sixth embodiment, a region where the silicon fine particles 1115 do not exist may be provided on or above at least one of the n-type diffusion regions 1112. This can prevent a current short-circuited through the silicon fine particles 1115 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1112 from flowing between the n-type diffusion regions 1112.

【0106】また、第6の実施形態においては、シリコ
ン微粒子1115からなる層をいくつかの部分に図10
に示す断面に対し垂直な方向に分割することもできる。
これによっても、n型拡散領域1112に電圧を印加し
た際にシリコン微粒子1115を経て短絡した電流が、
n型拡散領域1112間に流れることを防止することが
できる。
In the sixth embodiment, a layer made of silicon fine particles 1115 is added to some portions in FIG.
Can be divided in a direction perpendicular to the section shown in FIG.
With this, the current that has been short-circuited through the silicon fine particles 1115 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1112,
Flow between the n-type diffusion regions 1112 can be prevented.

【0107】(第7の実施形態) ―第7の実施形態に係る半導体素子の構造― 図11は、第7の実施形態に係る半導体素子の断面図で
ある。この半導体素子において、p型シリコン基板11
21上には、いくつかの微粒子分散領域1122aから
なる電荷保持領域1122(厚さ30nm程度)、絶縁
膜として機能するSiO2 膜1126(厚さ20n
m)、及び上部電極として機能するn型多結晶シリコン
電極1127が下から順に設けられている。電荷保持領
域1122の微粒子を除いた部分(マトリクス)は、微
粒子より大きなバンドギャップを有する半導体でもよ
い。なお、SiO2 膜1126の厚さを5〜20nmと
するのが好ましい。
Seventh Embodiment -Structure of Semiconductor Device According to Seventh Embodiment- FIG. 11 is a sectional view of a semiconductor device according to a seventh embodiment. In this semiconductor device, the p-type silicon substrate 11
21, a charge retention region 1122 (about 30 nm thick) composed of several fine particle dispersion regions 1122 a, a SiO 2 film 1126 (20 nm thick) functioning as an insulating film
m) and an n-type polycrystalline silicon electrode 1127 functioning as an upper electrode are provided in order from the bottom. A portion (matrix) of the charge holding region 1122 other than the fine particles may be a semiconductor having a larger band gap than the fine particles. Note that the thickness of the SiO 2 film 1126 is preferably 5 to 20 nm.

【0108】図11に示すように、第1、3、5の実施
形態と異なり、第7の実施形態においては、電荷保持領
域1122では、SiGe微粒子1124(粒径1〜2
0nm程度、分散密度1×1015cm-3〜1×1020
-3程度)が、絶縁体であるSiO2 1125中に分散
されている。また、SiGe微粒子1124の組成にお
けるGeの占める割合は、p型シリコン基板1121に
隣接する箇所からSiO2 膜1126に隣接する箇所に
向かって、連続して増加している。なお、電荷保持領域
1122においては、p型シリコン基板1121に隣接
する箇所では、SiGe微粒子1124の組成における
Geの占める割合はほぼ0%である一方、SiGe微粒
子1124の組成におけるGeの占める割合はほぼ10
0%である。また、電荷保持領域1122においては、
界面はない。
As shown in FIG. 11, unlike the first, third, and fifth embodiments, in the seventh embodiment, the SiGe fine particles 1124 (particle diameters 1 to 2)
About 0 nm, dispersion density 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 20 c
m −3 ) is dispersed in SiO 2 1125 which is an insulator. The proportion of Ge in the composition of the SiGe fine particles 1124 continuously increases from the portion adjacent to the p-type silicon substrate 1121 to the portion adjacent to the SiO 2 film 1126. In the charge holding region 1122, at a portion adjacent to the p-type silicon substrate 1121, the proportion of Ge in the composition of the SiGe fine particles 1124 is almost 0%, while the proportion of Ge in the composition of the SiGe fine particles 1124 is almost zero. 10
0%. In the charge holding region 1122,
There is no interface.

【0109】―第7の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、第7の実施形態に係る半導体素子の製造工程につ
いて説明する。まず、p型シリコン基板1121を設置
したスパッタ装置内において、SiO2 、Si、及びG
eのそれぞれに、加速したイオンを衝突させる。ただ
し、SiO2 、Si、及びGeの堆積量の比は、スパッ
タ装置内において、SiO2 、Si、及びGeそれぞれ
に対して設けられたシャッタの開閉によって調節する。
これらのシャッタを用いて、Siに対するGeの堆積量
の比を増加させつつ、この際の衝撃によってはじき出さ
れた原子、分子をp型シリコン基板1121上に堆積す
る。その後、基板の熱処理を行う。これらの工程によっ
て、p型シリコン基板1121上において、SiGe微
粒子1124の組成におけるGeの占める割合が、p型
シリコン基板1121に隣接する箇所からSiO2 膜1
126に隣接する箇所に向かって、連続して増加するよ
うに、いくつかの微粒子分散領域1122aからなる電
荷保持領域1122を形成する。次に、CVD装置のチ
ャンバー内のサセプター上に基板を設置し、SiO2
1126を電荷保持領域1122上に堆積した後、同一
のチャンバー内で、n型多結晶シリコン電極1127を
SiO2膜1126上に堆積する。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Seventh Embodiment— Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the seventh embodiment will be described. First, in a sputtering apparatus provided with a p-type silicon substrate 1121, SiO 2 , Si, and G
Accelerated ions collide with each of e. However, the ratio of the amount of deposited SiO 2, Si, and Ge, in the sputtering apparatus is adjusted by opening and closing of the shutter provided for the SiO 2, Si, and Ge, respectively.
Using these shutters, while increasing the ratio of the amount of Ge deposited to Si, the atoms and molecules repelled by the impact at this time are deposited on the p-type silicon substrate 1121. After that, heat treatment of the substrate is performed. These steps, on p-type silicon substrate 1121, the proportion of Ge in the composition of the SiGe microparticles 1124, SiO 2 film from the point adjacent to the p-type silicon substrate 1121 1
A charge holding region 1122 composed of several fine particle dispersion regions 1122a is formed so as to increase continuously toward a portion adjacent to 126. Next, a substrate is placed on a susceptor in a chamber of the CVD apparatus, and an SiO 2 film 1126 is deposited on the charge holding region 1122. Then, in the same chamber, the n-type polycrystalline silicon electrode 1127 is deposited on the SiO 2 film 1126. Deposit on top.

【0110】―第7の実施形態に係る半導体素子の電子
注入・保持・引き抜き機構― 第7の実施形態に係る半導体素子においては、SiGe
微粒子1124の組成におけるGeの占める割合(Ge
含有率)は、p型シリコン基板1121との距離が小さ
いものほど小さく、また、その電子親和力は小さく、電
子親和力とバンドギャップとの和は大きい。これによ
り、電子及び正孔に対する周囲のSiO21125の障
壁高さはシリコン基板との距離が小さいほど小さくな
る。この関係については、後述する実施形態において説
明する。よって、Ge含有率が大きなSiGe微粒子1
124とp型シリコン基板1121との間に、Ge含有
率が小さなSiGe微粒子1124が存在しているの
で、Ge含有率の大きなSiGe微粒子1124とp型
シリコン基板1121との間の電荷の移動は、Ge含有
率が小さなSiGe微粒子1124を介して容易に行な
われる。
—Electron Injection / Hold / Extraction Mechanism for Semiconductor Device According to Seventh Embodiment— In the semiconductor device according to the seventh embodiment, SiGe
Ratio of Ge in composition of fine particles 1124 (Ge
The content) decreases as the distance from the p-type silicon substrate 1121 decreases, and its electron affinity is small, and the sum of the electron affinity and the band gap is large. Thereby, the barrier height of the surrounding SiO 2 1125 for electrons and holes decreases as the distance from the silicon substrate decreases. This relationship will be described in an embodiment described later. Therefore, SiGe fine particles 1 having a large Ge content
Since the SiGe fine particles 1124 having a small Ge content exist between the SiGe fine particles 1124 and the p-type silicon substrate 1121, the charge transfer between the SiGe fine particles 1124 having a large Ge content and the p-type silicon substrate 1121 is as follows. This is easily performed via the SiGe fine particles 1124 having a small Ge content.

【0111】特に、第7の実施形態に係る半導体素子に
おいては、従来の複数のシリコンの微粒子を用いた半導
体素子と異なり、電荷保持領域1122中において離散
エネルギー幅が大きい量子化された多くのSiGe微粒
子1124を設けることによって、蓄積された電子の自
然放出を効果的に抑制し、SiGe微粒子1124中
に、長期間、電子を保持することが可能となる。また、
SiGe微粒子1124が量子化されていることによっ
て、電荷の注入・放出を、電圧により、制御することが
容易になる。
In particular, in the semiconductor device according to the seventh embodiment, unlike the conventional semiconductor device using a plurality of silicon fine particles, many quantized SiGe having a large discrete energy width in the charge holding region 1122. By providing the fine particles 1124, spontaneous emission of accumulated electrons can be effectively suppressed, and electrons can be retained in the SiGe fine particles 1124 for a long time. Also,
Since the SiGe fine particles 1124 are quantized, it is easy to control the injection and release of electric charges by voltage.

【0112】よって、第7の実施形態に係る半導体素子
においても、第1の実施形態と同様に、蓄積された電子
の自然放出を効果的に抑制し、SiGe微粒子1124
中に、長期間、電子を保持することができる。
Therefore, also in the semiconductor device according to the seventh embodiment, as in the first embodiment, the spontaneous emission of the accumulated electrons is effectively suppressed, and the SiGe fine particles 1124 are prevented.
Inside, electrons can be held for a long time.

【0113】図14は、第7の実施形態に係る半導体素
子におけるバンド図である。ここで、微粒子分散領域1
125においては、実際には多くのSiGe微粒子11
24が存在するが、説明を簡単にするため、SiGe微
粒子1124をp型シリコン基板1121に隣接する箇
所からSiO2 膜1126に隣接する箇所に向かって、
順に、シリコン微粒子A、シリコン微粒子B、シリコン
微粒子C、シリコン微粒子Dとする。そこで、図14に
おいては、シリコン微粒子A、B、C、Dの領域、Si
2 1125の領域におけるバンド構造を示すこととす
る。
FIG. 14 is a band diagram of a semiconductor device according to the seventh embodiment. Here, the fine particle dispersion region 1
In 125, actually, many SiGe fine particles 11
24, but for the sake of simplicity, the SiGe fine particles 1124 are moved from a portion adjacent to the p-type silicon substrate 1121 to a portion adjacent to the SiO 2 film 1126.
In this order, silicon microparticles A, silicon microparticles B, silicon microparticles C, and silicon microparticles D are used. Therefore, in FIG. 14, the regions of silicon fine particles A, B, C, and D, Si
The band structure in the region of O 2 1125 is shown.

【0114】一般に、SiGeにおいては、SiGeの
組成におけるGeの占める割合が増加すればするほど
に、荷電子帯と伝導帯の間の禁制帯幅であるバンドギャ
ップは、小さくなる。ここで、上述のように、SiGe
微粒子1124の組成におけるGeの占める割合は、p
型シリコン基板1121に隣接する箇所からSiO2
1126に隣接する箇所に向かって、連続して増加して
いる。よって、図14に示すように、シリコン微粒子
A、シリコン微粒子B、シリコン微粒子C、シリコン微
粒子Dの順に、バンドギャップは小さくなる。また、同
時に、電子親和力は大きくなり、電子親和力とバンドギ
ャップとの和は小さくなる。このため、この順に、電子
及び正孔に対するトンネル障壁(障壁高さ)は大きくな
る。ゆえに、この順に、トンネル過程によって、電子を
注入するのは困難になる反面、電子を保持する能力は高
くなる。
In general, in SiGe, as the proportion of Ge in the SiGe composition increases, the band gap, which is the forbidden band between the valence band and the conduction band, becomes smaller. Here, as described above, SiGe
The proportion of Ge in the composition of the fine particles 1124 is p
It continuously increases from the portion adjacent to the mold silicon substrate 1121 to the portion adjacent to the SiO 2 film 1126. Therefore, as shown in FIG. 14, the band gap becomes smaller in the order of silicon fine particles A, silicon fine particles B, silicon fine particles C, and silicon fine particles D. At the same time, the electron affinity increases, and the sum of the electron affinity and the band gap decreases. Therefore, the tunnel barrier (barrier height) for electrons and holes increases in this order. Therefore, in this order, it becomes difficult to inject electrons due to the tunnel process, but the ability to retain electrons increases.

【0115】したがって、第7の実施形態に係る半導体
素子は、従来の半導体素子及び第1の実施形態に係る半
導体素子に比べ、長時間の記録保持の要請に応える信頼
性の高いものである。
Therefore, the semiconductor device according to the seventh embodiment is more reliable than the conventional semiconductor device and the semiconductor device according to the first embodiment in responding to a demand for long-term record keeping.

【0116】また、第7の実施形態に係る半導体素子に
おいては、第1の実施形態に係る半導体素子と同様に、
種々の粒径を有するSiGe微粒子1124がSiO2
1125中に拡散されているため、電圧印加時には注入
が容易なSiGe微粒子1124から、自動的かつ選択
的に、電子が注入され、また、最も電子が保持され易い
SiGe微粒子1124で電子保持が行われる。よっ
て、第7の実施形態に係る半導体素子においては、第1
の実施形態に係る半導体素子と同様に、トンネル酸化膜
の厚さ及びSiGe微粒子1124の粒径を制御する必
要がないので、従来の半導体素子の製造工程よりも第7
の実施形態に係る半導体素子の製造工程のほうが容易と
なる。
In the semiconductor device according to the seventh embodiment, like the semiconductor device according to the first embodiment,
SiGe fine particles 1124 having various particle sizes are made of SiO 2
Electrons are automatically and selectively injected from SiGe fine particles 1124 which are easy to inject when voltage is applied because they are diffused in 1125, and electrons are held by SiGe fine particles 1124 which are most likely to hold electrons. . Therefore, in the semiconductor device according to the seventh embodiment, the first
Since the thickness of the tunnel oxide film and the particle size of the SiGe fine particles 1124 do not need to be controlled similarly to the semiconductor device according to the first embodiment, the seventh embodiment is more effective than the conventional semiconductor device manufacturing process.
The manufacturing process of the semiconductor device according to the embodiment is easier.

【0117】さらに、第7の実施形態に係る半導体素子
においては、第1の実施形態に係る半導体素子と同様
に、電荷保持領域1122中に、様々な静電容量のSi
Ge微粒子1124が存在しているため、ある電子保持
期間(記録時間)を実現するのに必要最小限の電圧によ
って電子注入を行うことも可能となる。また、同じ大き
さの必要最小限の電圧によって電荷消去を行うこともで
きる。
Further, in the semiconductor device according to the seventh embodiment, similarly to the semiconductor device according to the first embodiment, various capacitances of Si
The presence of the Ge microparticles 1124 makes it possible to perform electron injection with a minimum voltage required to realize a certain electron holding period (recording time). In addition, charge erasing can be performed with a minimum necessary voltage having the same magnitude.

【0118】微粒子のエネルギー準位を変えることによ
って、トンネル障壁の高さを制御するには、SiGe微
粒子を用いてGe組成を変化させるほか、ZnCdSや
ZnSTe等の混晶を用いてCd組成やTe組成を変化
させる等、他の材料系を用いることもできる。
In order to control the height of the tunnel barrier by changing the energy level of the fine particles, the Ge composition is changed by using SiGe fine particles, and the Cd composition or Te is changed by using a mixed crystal such as ZnCdS or ZnSTe. Other material systems can be used, such as changing the composition.

【0119】また、SiO2 1125に代えてSix
yz (4x=2y+3z)を用いてN組成を変化させ
る等、微粒子周辺の材質の電子親和力あるいは導伝帯エ
ネルギーを変化させることで障壁高さを制御することも
可能である。つまり、Sixyz におけるyの値を
大きくすることによって、バンドギャップが大きくな
り、電子親和力は小さく、また、電子親和力とバンドギ
ャップとの和は大きくなるため、障壁高さは大きくな
る。これによって、上述と同様の効果が得られる。
[0119] In addition, in place of the SiO 2 1125 Si x O
y N z or the like to vary the N composition with (4x = 2y + 3z), it is also possible to control the barrier height by altering the electron affinity or-conduction band energy of the material of the surrounding particles. That is, by increasing the value of y in Si x O y N z, the greater the band gap, electron affinity smaller, also because the sum increases the electron affinity and band gap, the greater the barrier height . Thereby, the same effect as described above can be obtained.

【0120】また、電荷保持領域1122のうちn型多
結晶シリコン電極1127に近い箇所の微粒子の分散密
度を1×1017cm-3以下という十分小さなものにする
ことによって、又は、それらの微粒子粒径を3nm以下
という十分小さなものにすることによって、電荷保持領
域1122のうちn型多結晶シリコン電極1127に近
い箇所に、絶縁膜としての機能をも兼ね備えさせること
ができる。この場合には、第3の実施形態において、S
iO2 膜1126の一部を形成しないこと、すなわち、
SiO2 膜1126の一部の厚さを実質的に0とするこ
とも可能である。
Further, the dispersion density of the fine particles near the n-type polycrystalline silicon electrode 1127 in the charge holding region 1122 is made sufficiently small as 1 × 10 17 cm −3 or less, or By making the diameter sufficiently small, that is, 3 nm or less, a portion near the n-type polycrystalline silicon electrode 1127 in the charge holding region 1122 can also have a function as an insulating film. In this case, in the third embodiment, S
not forming a part of the iO 2 film 1126, that is,
It is also possible to make the thickness of a part of the SiO 2 film 1126 substantially zero.

【0121】なお、電荷保持領域1122においては、
界面はない。しかし、電荷保持領域1122中において
バンドギャップが連続的に変化しないような箇所を設け
ることも可能である。また、電荷保持領域1122中に
おいて、その上下で電荷保持領域1122の微粒子を除
いた部分の組成が変化する面、その上下で微粒子112
4の粒径、分散密度、あるいは組成が変化する面、微粒
子分散領域のバンドギャップが変化する面その他の界面
を設けることも可能である。なお、界面は複数であって
もよい。また、シリコン微粒子1124は、p型シリコ
ン基板1121との距離が共通であるシリコン微粒子1
124からなる複数の微粒子体群に群別されていてもよ
い。これらの場合においても、各微粒子1124間の静
電容量は一定でないため、実質的に第7の実施形態と同
様の効果が得られる。
Note that, in the charge holding region 1122,
There is no interface. However, it is also possible to provide a portion in the charge holding region 1122 where the band gap does not change continuously. Further, in the charge holding region 1122, the surface where the composition of the portion excluding the fine particles of the charge holding region 1122 changes above and below the surface, and the fine particles 112
It is also possible to provide a surface where the particle diameter, dispersion density, or composition of No. 4 changes, a surface where the band gap of the fine particle dispersion region changes, and other interfaces. Note that there may be a plurality of interfaces. The silicon fine particles 1124 having the same distance from the p-type silicon substrate 1121
It may be grouped into a plurality of fine particle groups consisting of 124. Also in these cases, since the capacitance between the fine particles 1124 is not constant, substantially the same effects as in the seventh embodiment can be obtained.

【0122】界面を有する半導体素子の一例として、図
15に、複数のSiGe微粒子1124を有し、基板の
下方から順に、電荷保持領域1122内に、配置された
複数の微粒子群1128を備える半導体素子の断面図を
示す。この半導体素子においては、基板の下方から順
に、微粒子群1128ごとに、SiGeの組成における
Geの占める割合が増加しているため、この順で、トン
ネル障壁(障壁高さ)は大きくなることになる。
As an example of a semiconductor device having an interface, FIG. 15 shows a semiconductor device having a plurality of SiGe fine particles 1124 and a plurality of fine particle groups 1128 arranged in the charge holding region 1122 in order from below the substrate. FIG. In this semiconductor element, the proportion of Ge in the SiGe composition is increasing for each fine particle group 1128 in order from the bottom of the substrate, so that the tunnel barrier (barrier height) is increased in this order. .

【0123】(第8の実施形態) ―第8の実施形態に係る半導体素子の構造― 図12は、第8の実施形態に係る半導体素子を示す断面
図である。図12に示すように、第8の実施形態に係る
半導体素子は、MIS型トランジスタ構造を有してい
る。この半導体素子において、p型シリコン基板113
1上には、いくつかの微粒子分散領域1133aからな
る電荷保持領域1133、SiO2 膜からなるゲート絶
縁膜1137及びゲート電極として機能するn型多結晶
シリコン電極1138が下から順次積み上げられてい
る。第2、4、6の実施形態と異なり、第8の実施形態
においては、各微粒子分散領域1133aでは、SiG
e微粒子1135が、絶縁体であるSiO2 1136中
に分散されている。また、SiGe微粒子1135の組
成におけるGeの占める割合は、p型シリコン基板11
31に隣接する箇所からSiO2 膜1137に隣接する
箇所に向かって、連続して増加している。また、下地と
なるp型シリコン基板1131中のn型多結晶シリコン
電極1138の両側方に位置する領域にはn型拡散領域
1132が設けられている。さらに、n型拡散領域11
32上には、ソース・ドレイン電極として機能する金属
電極1139が設けられている。電荷保持領域1133
の微粒子を除いた部分(マトリクス)は、微粒子より大
きなバンドギャップを有する半導体でもよい。
(Eighth Embodiment)-Structure of Semiconductor Device According to Eighth Embodiment-FIG. 12 is a sectional view showing a semiconductor device according to an eighth embodiment. As shown in FIG. 12, the semiconductor device according to the eighth embodiment has a MIS transistor structure. In this semiconductor device, the p-type silicon substrate 113
1, a charge retaining region 1133 composed of several fine particle dispersion regions 1133a, a gate insulating film 1137 composed of a SiO 2 film, and an n-type polycrystalline silicon electrode 1138 functioning as a gate electrode are sequentially stacked from below. Unlike the second, fourth, and sixth embodiments, in the eighth embodiment, each of the fine particle dispersion regions 1133a uses SiG
e fine particles 1135 are dispersed in SiO 2 1136 which is an insulator. The proportion of Ge in the composition of the SiGe fine particles 1135 is determined by the p-type silicon substrate 11.
The number increases continuously from a portion adjacent to 31 to a portion adjacent to the SiO 2 film 1137. An n-type diffusion region 1132 is provided in a region located on both sides of n-type polycrystalline silicon electrode 1138 in p-type silicon substrate 1131 serving as a base. Further, the n-type diffusion region 11
On 32, a metal electrode 1139 functioning as a source / drain electrode is provided. Charge holding region 1133
The portion (matrix) excluding the fine particles may be a semiconductor having a band gap larger than the fine particles.

【0124】―第8の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、第8の実施形態に係る半導体素子の製造工程につ
いて説明する。第7の実施形態と同様の半導体基板を形
成した後、各膜の形成とフォトリソグラフィー及びエッ
チングによってp型シリコン基板1131上に、電荷保
持領域1133、ゲート絶縁膜1137及びn型多結晶
シリコン電極1138を形成する。次に、イオン注入に
よって、n型拡散領域1132を形成した後、スパッタ
法及びエッチングによって、金属電極1139を形成す
る。これにより、第8の実施形態に係る半導体素子を製
造することができる。
—Process of Manufacturing Semiconductor Device According to Eighth Embodiment— Next, a process of manufacturing a semiconductor device according to the eighth embodiment will be described. After the same semiconductor substrate as that of the seventh embodiment is formed, the charge holding region 1133, the gate insulating film 1137, and the n-type polycrystalline silicon electrode 1138 are formed on the p-type silicon substrate 1131 by forming each film, photolithography, and etching. To form Next, after an n-type diffusion region 1132 is formed by ion implantation, a metal electrode 1139 is formed by sputtering and etching. Thus, the semiconductor device according to the eighth embodiment can be manufactured.

【0125】─第8の実施形態に係る半導体素子の特性
─ 第8の実施形態においても、SiGe微粒子1135の
Ge含有率は、p型シリコン基板131との距離が小さ
いものほど小さい。よって、第7の実施形態と同様の原
理により、SiGe微粒子1135への電子の注入・S
iGe微粒子1135内での電子の保持・SiGe微粒
子1135からの電子の引き抜きを行うことができる。
また、上述のように、第8の実施形態に係る半導体素子
は、MIS型トランジスタ構造を有している。さらに、
第8の実施形態では、電子を保持するSiGe微粒子1
135がp型シリコン基板1131とn型多結晶シリコ
ン電極1127との間のSiO2 1136中に設けられ
ている。よって、SiGe微粒子1135における電子
の有無によって、素子のしきい値電圧は高低変化する。
このしきい値電圧の高低を情報H(ハイ)と情報L(ロ
ー)とに対応させることにより、情報の書き込み・読み
出しを行うことができる。
<< Characteristics of Semiconductor Element According to Eighth Embodiment >> In the eighth embodiment, too, the Ge content of SiGe fine particles 1135 decreases as the distance from p-type silicon substrate 131 decreases. Therefore, according to the same principle as in the seventh embodiment, injection of electrons into the SiGe fine particles 1135
The retention of electrons in the iGe fine particles 1135 and the extraction of electrons from the SiGe fine particles 1135 can be performed.
As described above, the semiconductor device according to the eighth embodiment has a MIS transistor structure. further,
In the eighth embodiment, SiGe fine particles 1 holding electrons
135 is provided in the SiO 2 1136 between the p-type silicon substrate 1131 and the n-type polycrystalline silicon electrode 1127. Therefore, the threshold voltage of the element changes depending on the presence or absence of electrons in the SiGe fine particles 1135.
By making the level of the threshold voltage correspond to the information H (high) and the information L (low), writing and reading of information can be performed.

【0126】特に、第8の実施形態においても、電荷保
持領域1133中において離散エネルギー幅が大きい量
子化された多くのSiGe微粒子1135を設けること
によって、蓄積された電子の自然放出を効果的に抑制
し、シリコン微粒子B中に、長期間、電子を保持するこ
とが可能となる。また、SiGe微粒子1135が量子
化されていることによって、電荷の注入・放出を、電圧
により、制御することが容易になる。
In particular, also in the eighth embodiment, by providing a large number of quantized SiGe fine particles 1135 having a large discrete energy width in the charge holding region 1133, spontaneous emission of accumulated electrons is effectively suppressed. In addition, electrons can be held in the silicon microparticles B for a long time. In addition, since the SiGe fine particles 1135 are quantized, it is easy to control the injection and release of electric charges by voltage.

【0127】したがって、第8の実施形態に係る半導体
素子は、蓄積された電荷の自然放出を効果的に抑制する
ことによって、電荷保持領域1133に電荷を長時間保
持できるため、信頼性の高いものとなる。よって、第8
の実施形態に係る半導体素子は、素子における動作の高
速化、動作消費電力の低減の要請を満たしつつ、長時間
の記録保持の要請に応える信頼性の高いものとなり得
る。さらに、第8の実施形態においては、単一素子によ
り基本的なメモリ動作が実現されるので、高密度の集積
化が可能となる。
Therefore, the semiconductor device according to the eighth embodiment can hold the charge in the charge holding region 1133 for a long time by effectively suppressing the spontaneous emission of the stored charge. Becomes Therefore, the eighth
The semiconductor device according to the embodiment can satisfy the demands for high-speed operation and low power consumption in the device, and can be highly reliable in response to the demand for long-term record keeping. Further, in the eighth embodiment, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0128】また、第8の実施形態に係る半導体素子に
おいては、第7の実施形態に係る半導体素子と同様に、
トンネル酸化膜の厚さを制御する必要がないので、従来
の半導体素子の製造工程よりも、第8の実施形態に係る
半導体素子の製造工程のほうが容易となる。
In the semiconductor device according to the eighth embodiment, like the semiconductor device according to the seventh embodiment,
Since it is not necessary to control the thickness of the tunnel oxide film, the manufacturing process of the semiconductor device according to the eighth embodiment is easier than the conventional semiconductor device manufacturing process.

【0129】なお、第8の実施形態においては、n型拡
散領域1132のうち少なくとも一方の上あるいは上方
には、SiGe微粒子1135が存在しない領域を設け
ることもできる。これにより、n型拡散領域1132に
電圧を印加した際にSiGe微粒子1135を経て短絡
した電流が、n型拡散領域1132間に流れることを防
止することができる。
In the eighth embodiment, a region in which the SiGe fine particles 1135 do not exist may be provided on or above at least one of the n-type diffusion regions 1132. This can prevent a current short-circuited through the SiGe fine particles 1135 from flowing between the n-type diffusion regions 1132 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1132.

【0130】また、第8の実施形態においては、SiG
e微粒子1135からなる層をいくつかの部分に図12
に示す断面に対し垂直な方向に分割することもできる。
これによっても、n型拡散領域1132に電圧を印加し
た際にSiGe微粒子1135を経て短絡した電流が、
n型拡散領域1132間に流れることを防止することが
できる。
Further, in the eighth embodiment, the SiG
The layer composed of e-particles 1135 is
Can be divided in a direction perpendicular to the section shown in FIG.
With this, the current that has been short-circuited through the SiGe fine particles 1135 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 1132,
Flow between the n-type diffusion regions 1132 can be prevented.

【0131】(第1〜第8の実施形態の変形例)上記第
1〜第8の実施形態においては、シリコン微粒子中に注
入・蓄積される電荷として電子を例に挙げて説明した
が、同様にして正孔を注入・蓄積することも可能であ
る。
(Modifications of First to Eighth Embodiments) In the first to eighth embodiments, electrons have been described as an example of charges injected and accumulated in silicon fine particles. Then, holes can be injected and accumulated.

【0132】また、上記第1〜第8の実施形態におい
て、微細なMISFETにおいて一般的に採用されてい
るいわゆるLDD構造を利用して、ゲート電極及びゲー
ト絶縁膜の側方に絶縁体サイドウォール(例えばシリコ
ン酸化膜)を形成してから、ソース・ドレイン領域を形
成することにより、ソース・ドレイン領域と微粒子体と
の間隔を広く確保することにより、希望しないときに微
粒子体からソース・ドレイン領域に電荷がリークするの
を確実に防止することができる。
Further, in the first to eighth embodiments, the insulator sidewalls are formed on the sides of the gate electrode and the gate insulating film by utilizing the so-called LDD structure generally employed in the fine MISFET. For example, by forming a source / drain region after forming a silicon oxide film) to secure a wide space between the source / drain region and the fine particles, it is possible to change from the fine particles to the source / drain regions when not desired. Leakage of charges can be reliably prevented.

【0133】―基板― 上述の実施形態においては、基板としてp型シリコン基
板を用いているが、この他にn型シリコン基板、GaA
s基板その他の半導体材料を用いた基板を用いることも
できる。
—Substrate— In the above-described embodiment, the p-type silicon substrate is used as the substrate.
A substrate using an s substrate or another semiconductor material can also be used.

【0134】また、上述の実施形態においては基板とし
てp型シリコン基板を用いているため、高精度のシリコ
ン系プロセス技術が利用でき、また、半導体素子の高密
度の集積化が可能となる。
In the above-described embodiments, since a p-type silicon substrate is used as the substrate, a high-precision silicon-based process technology can be used, and high-density integration of semiconductor elements can be achieved.

【0135】また、基板の上に、シリコン酸化膜、シリ
コン窒化膜及びシリコン酸窒化膜のうち少なくともいず
れか1つを設けてもよい。これらの膜は、トンネル膜と
して、機能することとなる。
Further, at least one of a silicon oxide film, a silicon nitride film and a silicon oxynitride film may be provided on the substrate. These films function as tunnel films.

【0136】─微粒子の周辺の部材(マトリクス)やゲ
ート絶縁膜─ 上述の実施形態においては、微粒子の周辺の部材(マト
リクス)やゲート絶縁膜としては、SiO2 を用いてい
るが、基板─微粒子間および複数の微粒子間においてト
ンネル障壁として機能する材料であればSiO2 に代え
て用いることができる。トンネル障壁として機能するこ
の部材は、熱拡散電流を遮るがトンネル電流を透過する
性質を有し、また、半導体基板および微粒子に比較して
少なくとも100meV以上の障壁高さを有する半導体
もしくは絶縁体の薄膜であることが好ましい。
{Particles around the Particles (Matrix) and Gate Insulating Film} In the above-described embodiment, SiO 2 is used as the members around the particles (matrix) and the gate insulating film. Any material that functions as a tunnel barrier between and between a plurality of fine particles can be used instead of SiO 2 . This member functioning as a tunnel barrier has a property of blocking a thermal diffusion current but transmitting a tunnel current, and has a barrier height of at least 100 meV or more as compared with a semiconductor substrate and fine particles. It is preferred that

【0137】ここで、絶縁体材料としてはSiO2 、S
34 、Al23 、CeO2 等が特に適している。
また、これらの絶縁体膜を組み合わせたものや混合した
組成を有する膜、例えば、Sixyz (4x=2y
+3z)等の組成を有する膜も利用できる。また、半導
体材料としては、C(ダイヤモンド)、AlN、Ga
N、AlP、GaP、ZnO、ZnS、MgO、MgS
等及びこれらの混晶が適している。
Here, the insulator material is SiO 2 , S
i 3 N 4 , Al 2 O 3 , CeO 2 and the like are particularly suitable.
Further, a film having a composition and that mixed a combination of these insulating films, for example, Si x O y N z ( 4x = 2y
+ 3z) can also be used. As a semiconductor material, C (diamond), AlN, Ga
N, AlP, GaP, ZnO, ZnS, MgO, MgS
And mixed crystals thereof are suitable.

【0138】なお、微粒子の周辺の部材(マトリクス)
やゲート絶縁膜の材料は均一でなく、位置によって異な
っていてもよい。
Note that members (matrix) around the fine particles
The material of the gate insulating film is not uniform, and may differ depending on the position.

【0139】―微粒子― 上述の第1〜第8の実施形態においては微粒子としてシ
リコン微粒子や、SiGe微粒子を用いているが、シリ
コン微結晶、SiGe微結晶、アモルファスシリコンや
単結晶シリコン、その他の材料の半導体や金属を微粒子
として用いることもできる。
Fine Particles In the first to eighth embodiments, silicon fine particles and SiGe fine particles are used as fine particles. However, silicon microcrystals, SiGe microcrystals, amorphous silicon, single crystal silicon, and other materials are used. The semiconductor or metal can be used as fine particles.

【0140】微粒子としてシリコンの粒子を用いた場合
は、製造過程において高温としてもシリコンの粒子は、
安定で、かつ、汚染されがたいため、高精度であるシリ
コンプロセス技術を容易に適用できる。また、微粒子と
して金属の粒子を用いた場合は、粒径の揃った高品質の
微粒子を、容易に高い面内密度で均一に形成できる。
When silicon particles are used as the fine particles, the silicon particles can be used at a high temperature during the manufacturing process.
Since it is stable and hard to be contaminated, a highly accurate silicon process technology can be easily applied. When metal particles are used as fine particles, high-quality fine particles having a uniform particle size can be easily and uniformly formed with a high in-plane density.

【0141】微粒子として金属の粒子を用いた場合は、
上述のような、量子化は起こらないが、静電容量に応じ
た電位上昇や、障壁高さに応じた電荷移動,電荷保持特
性の変化は、生じるため、上述の実施形態と同様の効果
が得られる。
In the case where metal particles are used as fine particles,
Although the quantization does not occur as described above, the potential rise according to the capacitance, the charge transfer and the change in the charge holding characteristic according to the barrier height occur, and the same effects as in the above-described embodiment are obtained. can get.

【0142】また、複数の微粒子が2.0eV以上のバ
ンドギャップを有する半導体である場合には、微粒子の
エネルギー準位間の差が大きくなることにより、電荷閉
じ込めの効果が増大する。さらに、微粒子の周辺の部材
としてSiO2 等の絶縁体を用いる場合で、複数の微粒
子が2.0eV以上のバンドギャップを有する半導体で
あるときは、トンネル障壁の高さが低くなる。よって、
このときには、トンネル電流を確保しつつ各微粒子間の
間隔を増大することができる。したがって、電荷を保持
する微粒子の容量が低下する。
When a plurality of fine particles are a semiconductor having a band gap of 2.0 eV or more, the effect of confining charges is increased by increasing the difference between the energy levels of the fine particles. Furthermore, when an insulator such as SiO 2 is used as a member around the fine particles, and the plurality of fine particles are a semiconductor having a band gap of 2.0 eV or more, the height of the tunnel barrier is reduced. Therefore,
At this time, the interval between the fine particles can be increased while securing the tunnel current. Therefore, the capacity of the fine particles holding the electric charge is reduced.

【0143】ここで、2.0eV以上のバンドギャップ
を有する半導体としては、GaN、GaP、GaAs、
AlAs、ZnO、ZnS、ZnSe、CdS、ZnT
e、SiC等及びこれら半導体の混晶を挙げることがで
きる。
Here, semiconductors having a band gap of 2.0 eV or more include GaN, GaP, GaAs,
AlAs, ZnO, ZnS, ZnSe, CdS, ZnT
e, SiC and the like and mixed crystals of these semiconductors.

【0144】上述の実施形態において、微粒子の分散密
度が1×1015cm-3から1×10 20cm-3の間である
ことによって、効果的に微粒子内に電荷を保持でき、ま
た、電荷の有無の検出も容易となるため、好ましい。
In the above embodiment, the dispersion density of fine particles
Degree 1 × 10Fifteencm-3From 1 × 10 20cm-3Is between
In this way, the charge can be effectively held in the fine particles,
Further, detection of the presence or absence of electric charge is also easy, which is preferable.

【0145】また、上述の実施形態では、微粒子の形状
を、偏平な形状としてもよい。特に、スパッタリングだ
けでなくCVDによって、微粒子を形成する場合には、
素子の作製工程を容易にすることができる。また、微粒
子の形状を、偏平な形状とした場合には、微粒子体の静
電容量を増加させることができる。この場合には、電荷
を保持するための微粒子とp型シリコン基板とを結ぶ直
線付近に、微粒子が存在するようになることがより多く
なるため、p型シリコン基板―電荷を保持するための微
粒子間の微粒子体を経た電荷移動がより起こりやすくな
ることとなる。
In the above embodiment, the shape of the fine particles may be flat. In particular, when forming fine particles not only by sputtering but also by CVD,
The element manufacturing process can be facilitated. Further, when the shape of the fine particles is flat, the capacitance of the fine particles can be increased. In this case, the fine particles are more likely to be present near a straight line connecting the fine particles for holding the charge and the p-type silicon substrate. Charge transfer via the intervening fine particles is more likely to occur.

【0146】さらに、微粒子は、重なり合って複数の層
を形成していてもよい。
Further, the fine particles may overlap to form a plurality of layers.

【0147】―第1〜第8の実施形態に係る半導体素子
の応用― なお、上述の第1〜第8の実施形態に係る半導体素子を
微小な電荷の移動・蓄積を制御するために種々応用でき
る。例えば、走査型プローブ顕微鏡(SPM)、特に、
原子間力顕微鏡(AFM)の原理を用いて、第1〜6の
実施形態に係る各半導体素子における電荷の分布図を作
成することによって、この分布図をメモリとして使用す
ることが考えられる。この場合には、半導体素子におい
てn型多結晶シリコン電極はなくてもよい。また、上述
の実施形態の中から、複数の実施形態の特徴を併せ持つ
構成を有するような半導体素子であってもよい。
-Applications of Semiconductor Device According to First to Eighth Embodiments- The semiconductor device according to the first to eighth embodiments is variously applied to control movement and accumulation of minute electric charges. it can. For example, a scanning probe microscope (SPM), in particular,
It is conceivable to use the distribution map as a memory by creating a distribution map of charges in each semiconductor element according to the first to sixth embodiments using the principle of an atomic force microscope (AFM). In this case, the semiconductor element may not have the n-type polycrystalline silicon electrode. Further, from among the above-described embodiments, a semiconductor element having a configuration having features of a plurality of embodiments may be used.

【0148】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
において種々の変形が可能である。
In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

【0149】(第9の実施形態) ―第9の実施形態に係る半導体素子の構造― 図16は、第9の実施形態に係る半導体素子の断面図で
ある。この半導体素子において、p型シリコン基板20
11上には、シリコン酸窒化膜からなる第1のトンネル
障壁膜2012(厚さ2nm)、多結晶シリコン膜から
なる半導体膜2013(厚さ5nm)、SiO2 膜か
らなる第2のトンネル障壁膜2014(厚さ2nm)、
SiO2 膜からなる絶縁膜2016(厚さ20nm)
及び上部電極として機能するn型多結晶シリコン電極2
017が下から順に設けられている。この半導体膜20
13は量子化されている。また、第2のトンネル障壁膜
2014と絶縁膜2016との間には、量子化されたシ
リコン微粒子2015(粒径5nm)が複数埋め込まれ
ている。なお、シリコン酸窒化膜からなる第1のトンネ
ル障壁膜2012の厚さを2〜3nm、多結晶シリコン
膜からなる半導体膜2013の厚さを2〜8nm、Si
2 膜からなる第2のトンネル障壁膜2014の厚さを
2〜3nm、SiO2 膜からなる絶縁膜2016の厚さ
を5〜20nm、シリコン微粒子2015の粒径を2〜
8nm、シリコン微粒子2015の面内密度を1×10
12cm-2から3×1012cm-2程度とするのが好まし
い。
Ninth Embodiment -Structure of Semiconductor Device According to Ninth Embodiment- FIG. 16 is a sectional view of a semiconductor device according to a ninth embodiment. In this semiconductor device, the p-type silicon substrate 20
11, a first tunnel barrier film 2012 (2 nm thick) made of a silicon oxynitride film, a semiconductor film 2013 (5 nm thick) made of a polycrystalline silicon film, and a second tunnel barrier film made of a SiO 2 film 2014 (2 nm thick)
Insulating film 2016 made of SiO 2 film (thickness: 20 nm)
And n-type polycrystalline silicon electrode 2 functioning as an upper electrode
017 are provided in order from the bottom. This semiconductor film 20
13 is quantized. A plurality of quantized silicon microparticles 2015 (particle diameter: 5 nm) are embedded between the second tunnel barrier film 2014 and the insulating film 2016. The thickness of the first tunnel barrier film 2012 made of a silicon oxynitride film is 2 to 3 nm, the thickness of the semiconductor film 2013 made of a polycrystalline silicon film is 2 to 8 nm,
The thickness of the second tunnel barrier film 2014 made of an O 2 film is 2 to 3 nm, the thickness of the insulating film 2016 made of a SiO 2 film is 5 to 20 nm, and the particle size of the silicon fine particles 2015 is 2 to 3 nm.
8 nm, the in-plane density of the silicon fine particles 2015 is 1 × 10
It is preferable that the thickness be about 12 cm −2 to 3 × 10 12 cm −2 .

【0150】―第9の実施形態に係る半導体素子の製造
工程― 次に、本実施形態に係る半導体素子の製造工程について
説明する。まず、窒素化合物の存在下においてp型シリ
コン基板2011を酸窒化(基板温度800℃)するこ
とにより、p型シリコン基板2011上にシリコン酸窒
化膜からなる第1のトンネル障壁膜2012を形成す
る。次に、CVD装置のチャンバー内のサセプター上に
基板を設置し、多結晶シリコン膜からなる半導体膜20
13を第1のトンネル障壁膜2012上に堆積した後、
同一のチャンバー内で、連続してSiO2 膜からなる第
2のトンネル障壁膜2014を半導体膜2013上に堆
積する。次に、同一のチャンバー内で同じサセプタ上に
基板(基板温度580℃)をおいた状態で、材料ガスと
してSiH4 をCVD装置内のチャンバーに短時間、導
入する。これにより、第2のトンネル障壁膜2014上
に、複数のシリコン微粒子2015を形成する。その
後、p型シリコン基板2011を酸素あるいは水蒸気の
存在下に短時間暴露して各シリコン微粒子2015の表
面部を1nm程度の厚み分だけ酸化することにより、各
シリコン微粒子2015間をSiO2 によって絶縁す
る。次に、同一のチャンバー内で、SiO2 膜である絶
縁膜2016を第2のトンネル障壁膜2014及びシリ
コン微粒子2015上に堆積した後、さらに絶縁膜20
16の上に、n型多結晶シリコン電極2017を堆積す
る。なお、CVD法による第1のシリコン微粒子201
5の形成、その後のシリコン微粒子2015の表面の酸
化を繰り返すことにより、シリコン微粒子2015の面
内密度を適切な値となるように増加させることができ
る。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Ninth Embodiment— Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment will be described. First, a first tunnel barrier film 2012 made of a silicon oxynitride film is formed on the p-type silicon substrate 2011 by oxynitriding the p-type silicon substrate 2011 (at a substrate temperature of 800 ° C.) in the presence of a nitrogen compound. Next, a substrate is set on a susceptor in a chamber of a CVD apparatus, and a semiconductor film 20 made of a polycrystalline silicon film is formed.
13 is deposited on the first tunnel barrier film 2012,
In the same chamber, a second tunnel barrier film 2014 made of a SiO 2 film is successively deposited on the semiconductor film 2013. Next, with the substrate (substrate temperature: 580 ° C.) placed on the same susceptor in the same chamber, SiH 4 as a material gas is introduced into the chamber in the CVD apparatus for a short time. Thus, a plurality of silicon microparticles 2015 are formed on the second tunnel barrier film 2014. Thereafter, the p-type silicon substrate 2011 is exposed to oxygen or water vapor for a short time to oxidize the surface of each silicon microparticle 2015 by a thickness of about 1 nm, thereby insulating each silicon microparticle 2015 with SiO 2 . . Next, in the same chamber, an insulating film 2016, which is a SiO 2 film, is deposited on the second tunnel barrier film 2014 and the silicon fine particles 2015.
An n-type polycrystalline silicon electrode 2017 is deposited on the substrate 16. The first silicon fine particles 201 formed by the CVD method are used.
By repeating the formation of 5 and the subsequent oxidation of the surface of the silicon microparticles 2015, the in-plane density of the silicon microparticles 2015 can be increased to an appropriate value.

【0151】次に、本実施形態の半導体素子と、図57
に示す従来の半導体素子における電子注入・保持・引き
抜きの機構の相違について説明する。
Next, the semiconductor device of the present embodiment and FIG.
The differences in the electron injection / holding / pulling-out mechanism in the conventional semiconductor device shown in FIG.

【0152】―第9の実施形態に係る半導体素子の電子
注入・保持・引き抜き機構― 従来の半導体素子の構造,電子注入・保持・引き抜き機
構については、第1の実施形態で説明したとおりであ
る。
—Electron Injection / Hold / Extract Mechanism of Semiconductor Device According to Ninth Embodiment— The structure of a conventional semiconductor device and the electron injection / hold / extract mechanism of the semiconductor device are as described in the first embodiment. .

【0153】そこで、本実施形態に係る半導体素子にお
ける電子注入・電子保持の機構について、従来の半導体
素子との相違について説明する。
Therefore, the mechanism of electron injection and electron retention in the semiconductor device according to the present embodiment will be described in terms of differences from the conventional semiconductor device.

【0154】図17は、第9の実施形態に係る半導体素
子におけるバンド図である。シリコン微粒子2015内
では、シリコン微粒子2015の粒径が極めて小さいた
め、シリコン微粒子中の電子がとりうるエネルギー状態
(エネルギー準位)が量子化されている。また、半導体
膜2013では、その厚さが極めて小さいため、半導体
膜13のエネルギー準位は量子化されて離散的になって
いる。よって、図17に示すように、シリコン微粒子2
015及び半導体膜2013双方においては、エネルギ
ー準位が量子化されている。
FIG. 17 is a band diagram of the semiconductor device according to the ninth embodiment. In the silicon microparticles 2015, since the particle diameter of the silicon microparticles 2015 is extremely small, an energy state (energy level) that electrons in the silicon microparticles can take is quantized. Further, since the thickness of the semiconductor film 2013 is extremely small, the energy level of the semiconductor film 13 is quantized and discrete. Therefore, as shown in FIG.
In both 015 and the semiconductor film 2013, the energy level is quantized.

【0155】また、シリコン微粒子2015の状態密度
は高エネルギーになるほど増大するので、各エネルギー
準位間の間隔(以下では、「離散エネルギー幅」とい
う。)は、一般に、エネルギー準位が低次の場合には大
きく、エネルギー準位が高次の場合には小さい。また、
状態密度が高いことにより電子の遷移確率も高い。一
方、半導体膜2013の離散エネルギー幅も、また、エ
ネルギー準位が低次の場合には大きく、エネルギー準位
が高次の場合には小さい。しかし、半導体膜2013の
離散エネルギー幅は、シリコン微粒子2015の離散エ
ネルギー幅よりも小さい。よって、半導体膜2013の
離散エネルギー幅が密である部分のポテンシャルは、シ
リコン微粒子2015の離散エネルギー幅が密である部
分のポテンシャルよりも小さい。
Since the density of states of the silicon microparticles 2015 increases as the energy becomes higher, the interval between the energy levels (hereinafter referred to as “discrete energy width”) is generally lower than the energy level. Large in the case, and small when the energy level is higher. Also,
Due to the high state density, the electron transition probability is also high. On the other hand, the discrete energy width of the semiconductor film 2013 is also large when the energy level is low, and is small when the energy level is high. However, the discrete energy width of the semiconductor film 2013 is smaller than the discrete energy width of the silicon microparticles 2015. Therefore, the potential of the portion where the discrete energy width of the semiconductor film 2013 is dense is smaller than the potential of the portion where the discrete energy width of the silicon microparticle 2015 is dense.

【0156】通常のトンネル過程では、通過する障壁層
の両側のエネルギー準位のポテンシャルが同一である必
要がある。よって、シリコン微粒子2015―半導体膜
2013間では、電圧の印加されていない状態では、第
2のトンネル障壁膜2014の両側でいずれも量子化さ
れているシリコン微粒子2015のエネルギー準位の1
つと半導体膜2013のエネルギー準位の1つとのポテ
ンシャルが互いに一致したときのみトンネリングが生じ
るため、トンネリングが生じる確率は非常に低いものに
なる。また、シリコン微粒子2015の静電容量が十分
小さい場合、シリコン微粒子2015―半導体膜201
3間では、両者の間で量子化されているエネルギー準位
同士のポテンシャルが等しくなるような電圧を加えた場
合のみ、共鳴トンネル過程によって電子移動が効率よく
行われる一方、それ以外の場合の電子移動は抑制され
る。つまり、シリコン微粒子2015―半導体膜201
3間の電子移動は外部から加える電圧によって制御で
き、かつ、シリコン微粒子2015に一旦注入された電
子は長期間保持されることになる。
In a normal tunneling process, it is necessary that the potentials of the energy levels on both sides of the passing barrier layer are the same. Therefore, between the silicon fine particle 2015 and the semiconductor film 2013, when no voltage is applied, the energy level of the silicon fine particle 2015, which is quantized on both sides of the second tunnel barrier film 2014, is one.
Since tunneling occurs only when the potential of one of the semiconductor layers 2013 and one of the energy levels of the semiconductor film 2013 coincide with each other, the probability of the occurrence of tunneling is extremely low. When the capacitance of the silicon fine particles 2015 is sufficiently small, the silicon fine particles 2015-the semiconductor film 201
Only when a voltage is applied such that the potentials of the energy levels quantized between the two become equal, the electron transfer is efficiently performed by the resonance tunneling process, while the electrons in the other cases are not efficiently performed. Movement is suppressed. That is, the silicon fine particles 2015-the semiconductor film 201
The electron transfer between the three can be controlled by an externally applied voltage, and the electrons once injected into the silicon microparticles 2015 are held for a long time.

【0157】一方、p型シリコン基板2011の伝導帯
においては、電子がとり得るエネルギー状態であるエネ
ルギー準位は、ほぼ連続的に存在しており、その状態密
度は高い。よって、半導体膜2013の量子化されてい
るエネルギー準位のいずれに対しても、同じポテンシャ
ルを有するエネルギー準位がp型シリコン基板2011
に存在すると考えられるので、半導体膜2013―p型
シリコン基板2011間のトンネル過程は、少なくとも
エネルギー的には禁止されることはない。また、半導体
膜2013の面積は十分大きいので、第1のトンネル障
壁膜2012を挟む半導体膜2013とp型シリコン基
板2011との準位間では状態関数の空間的重なりが大
きい。したがって、n型多結晶シリコン電極2017に
印加する電圧をどのように変化させても、半導体膜20
13―p型シリコン基板2011間では迅速なトンネル
過程が生ずるため、半導体膜2013はp型シリコン基
板2011と等電位となる。つまり、半導体膜2013
―p型シリコン基板2011間の電子移動は容易であ
る。
On the other hand, in the conduction band of the p-type silicon substrate 2011, the energy level, which is an energy state that electrons can take, exists almost continuously, and the state density is high. Therefore, an energy level having the same potential is applied to the p-type silicon substrate 2011 for any of the quantized energy levels of the semiconductor film 2013.
Therefore, the tunnel process between the semiconductor film 2013 and the p-type silicon substrate 2011 is not prohibited at least in terms of energy. Further, since the area of the semiconductor film 2013 is sufficiently large, the spatial overlap of the state functions is large between the levels of the semiconductor film 2013 and the p-type silicon substrate 2011 with the first tunnel barrier film 2012 interposed therebetween. Therefore, no matter how the voltage applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 2017 is changed,
Since a rapid tunneling process occurs between the 13-p-type silicon substrate 2011, the semiconductor film 2013 has the same potential as the p-type silicon substrate 2011. That is, the semiconductor film 2013
-Electron transfer between the p-type silicon substrates 2011 is easy.

【0158】図18(a)、(b)、(c)は、第9の
実施形態の半導体素子における電子注入・電子保持を行
う際のエネルギーバンド状態をそれぞれ示す部分バンド
図である。なお、図18(a)、(b)、(c)におい
ては、理解を容易にするため、荷電子帯のエネルギーバ
ンド状態の図示は省略する。
FIGS. 18A, 18B, and 18C are partial band diagrams respectively showing the energy band states when performing electron injection and electron holding in the semiconductor device of the ninth embodiment. In FIGS. 18A, 18B and 18C, illustration of the energy band state of the valence band is omitted for easy understanding.

【0159】図18(a)に示すように、n型多結晶シ
リコン電極2017に電圧を印加する前には、p型シリ
コン基板2011と、半導体膜2013あるいはシリコ
ン微粒子2015との間での電子移動は起こらない。
As shown in FIG. 18A, before applying a voltage to the n-type polycrystalline silicon electrode 2017, electron transfer between the p-type silicon substrate 2011 and the semiconductor film 2013 or the silicon fine particles 2015 is performed. Does not happen.

【0160】しかし、図18(b)に示すように、ある
一定の正の電圧をn型多結晶シリコン電極2017に印
加すると、上述のようにp型シリコン基板2011から
半導体膜2013の空のエネルギー準位への電子移動
と、半導体膜2013のエネルギー準位からシリコン微
粒子2015中の空のエネルギー準位への電子移動とが
容易に起こる。ここで、通常、複数のシリコン微粒子2
015の粒径はばらついているため、シリコン微粒子2
015の量子化されているエネルギー準位のポテンシャ
ルもばらつく。よって、特に厳密に電圧の制御を行わな
くても、加えられた一定の電圧により半導体膜2013
の電子のエネルギー準位のいくつかと、いくつかのシリ
コン微粒子2015の各エネルギー準位とが、同じポテ
ンシャルとなる。よって、n型多結晶シリコン電極20
17に正の電圧を加えると、p型シリコン基板2011
から半導体膜2013を経て複数のシリコン微粒子20
15への電子注入を行うことができることとなる。
However, as shown in FIG. 18B, when a certain positive voltage is applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 2017, the empty energy of the semiconductor film 2013 from the p-type silicon substrate 2011 is reduced as described above. Electron transfer to a level and electron transfer from the energy level of the semiconductor film 2013 to the empty energy level in the silicon microparticles 2015 easily occur. Here, usually, a plurality of silicon fine particles 2
Since the particle size of 015 varies, silicon fine particles 2
The potential of the quantized energy level of 015 also varies. Therefore, the semiconductor film 2013 can be controlled by the applied constant voltage without strictly controlling the voltage.
Some of the energy levels of the electrons and the respective energy levels of some silicon microparticles 2015 have the same potential. Therefore, the n-type polycrystalline silicon electrode 20
17, a positive voltage is applied to the p-type silicon substrate 2011.
Through the semiconductor film 2013 to form a plurality of silicon fine particles 20
15 can be injected.

【0161】また、量子化されたエネルギー準位間の間
隔(離散エネルギー幅)は、ポテンシャルが大きくなる
ほど小さくなるので、より高い電圧を加えることで、シ
リコン微粒子2015及び半導体膜2013の量子化さ
れたエネルギー準位群の高次の密な部分同士が同じポテ
ンシャルを持つようになり、また、状態密度も増加する
ので、より多くの高次の準位を有するシリコン微粒子2
015への電子注入が起こる。さらに、印加電圧をある
一定範囲で掃引したり、高周波を重畳することでより多
くのシリコン微粒子2015への電子注入が可能とな
る。
Since the interval between the quantized energy levels (discrete energy width) decreases as the potential increases, a higher voltage is applied to quantize the silicon fine particles 2015 and the semiconductor film 2013. Since the high-order dense portions of the energy level group have the same potential and the state density also increases, the silicon fine particles 2 having more higher-order levels can be obtained.
Electron injection to 015 occurs. Further, by sweeping the applied voltage in a certain range or superimposing a high frequency, more electrons can be injected into the silicon microparticles 2015.

【0162】図18(c)に示すように、複数のシリコ
ン微粒子2015への電子注入の後、n型多結晶シリコ
ン電極2017への電圧の印加をなくすと、シリコン微
粒子2015のポテンシャルは上昇し、p型シリコン基
板2011の伝導帯のポテンシャルは低下する。つま
り、電圧の印加をなくすることにより、シリコン微粒子
の各エネルギー準位、半導体膜の各エネルギー準位、p
型シリコン基板の伝導帯の相対的なポテンシャルの上下
関係が変化する。なお、複数のシリコン微粒子2015
への電子注入の後では、シリコン微粒子2015のポテ
ンシャルが、電子注入前(図18(a))と比べ、上昇
している。
As shown in FIG. 18C, when the application of the voltage to the n-type polycrystalline silicon electrode 2017 is stopped after the electron injection into the plurality of silicon fine particles 2015, the potential of the silicon fine particles 2015 rises. The potential of the conduction band of the p-type silicon substrate 2011 decreases. That is, by eliminating the application of the voltage, each energy level of the silicon fine particles, each energy level of the semiconductor film, p
The upper and lower relationship of the relative potential of the conduction band of the silicon substrate changes. Note that a plurality of silicon microparticles 2015
After the electron injection into the semiconductor device 2015, the potential of the silicon microparticles 2015 is higher than that before the electron injection (FIG. 18A).

【0163】このとき、印加電圧が除かれた際の電位に
おいて、一部のシリコン微粒子2015のエネルギー準
位のポテンシャルは、半導体膜2013のエネルギー準
位のポテンシャルと偶然、一致することによりトンネル
過程が許容されてしまうため、シリコン微粒子2015
に注入された電子が失われることもある。この点におい
て、従来の半導体素子と同様である。しかし、本実施形
態に係る半導体素子においては、従来の半導体素子と異
なり、電子が注入された多くのシリコン微粒子2015
のエネルギー準位のポテンシャルは、半導体膜のエネル
ギー準位のポテンシャルとは、一致しないため、シリコ
ン微粒子2015―半導体膜2013間のトンネル過程
による電子移動が禁止される。したがって、大多数のシ
リコン微粒子2015中に電子が安定に保持されるの
で、本実施形態に係る半導体素子においては、長期の電
子保持が可能となる。
At this time, at the potential when the applied voltage is removed, the potential of the energy level of some of the silicon fine particles 2015 happens to coincide with the potential of the energy level of the semiconductor film 2013, so that the tunnel process is performed. Silicon particles 2015
In some cases, the electrons injected into the semiconductor may be lost. In this respect, it is similar to the conventional semiconductor device. However, in the semiconductor device according to the present embodiment, unlike the conventional semiconductor device, many silicon fine particles 2015 into which electrons are injected.
Does not match the potential of the energy level of the semiconductor film, the electron transfer by the tunnel process between the silicon microparticles 2015 and the semiconductor film 2013 is prohibited. Therefore, electrons are stably held in the majority of the silicon microparticles 2015, so that the semiconductor device according to the present embodiment can hold electrons for a long time.

【0164】上記とは逆に負の電圧をn型多結晶シリコ
ン電極2017に印加することによって、電荷の消去を
行うことができる。つまり、n型多結晶シリコン電極2
017側が負となる十分大きい電圧を加えると、シリコ
ン微粒子2015のエネルギー準位のポテンシャルと半
導体膜2013のエネルギー準位のポテンシャルとが一
致したとき、シリコン微粒子2015から半導体膜20
13へと電子が引き抜かれる。シリコン微粒子2015
への電子注入時と同様に、印加する負の電圧を比較的大
きくすること、印加電圧を掃引すること、あるいは、高
周波を重畳することによって、より効率よく電荷消去が
できるようになる。
Contrary to the above, by applying a negative voltage to the n-type polycrystalline silicon electrode 2017, the charge can be erased. That is, the n-type polycrystalline silicon electrode 2
When a sufficiently large voltage at which the potential on the 017 side is negative is applied, when the potential of the energy level of the silicon fine particles 2015 matches the potential of the energy level of the semiconductor film 2013, the semiconductor fine particles 2015
Electrons are extracted to 13. Silicon fine particles 2015
As in the case of electron injection into the semiconductor device, the charge can be erased more efficiently by increasing the applied negative voltage relatively, sweeping the applied voltage, or superimposing a high frequency.

【0165】すなわち、本実施形態に係る半導体素子に
おいては、従来の複数のシリコンの微粒子を用いた半導
体素子と異なり、トンネル障壁膜中にエネルギー準位が
量子化された半導体膜2013を設けることによって、
シリコン微粒子2015─p型シリコン基板2011間
の電子移動を制御することができる。したがって、本実
施形態に係る半導体素子においては、第2のトンネル障
壁膜2014の厚さを薄くしても、従来の複数のシリコ
ンの微粒子を用いた半導体素子と異なり、蓄積された電
子の自然放出を効果的に抑制し、シリコン微粒子201
5中に、長期間、電子を保持することが可能となる。そ
して、上述のような効果を利用して微粒子への電子の注
入・保持・引き抜きを確実に制御できるため、本実施形
態に係る半導体素子は、素子における動作の高速化、消
費電力の低減の要請を満たしつつ、長時間の記録保持の
要請に応える信頼性の高いものであるといえる。
That is, in the semiconductor device according to this embodiment, unlike the conventional semiconductor device using a plurality of silicon fine particles, the semiconductor film 2013 in which the energy level is quantized is provided in the tunnel barrier film. ,
Electron transfer between the silicon microparticles 2015 and the p-type silicon substrate 2011 can be controlled. Therefore, in the semiconductor device according to the present embodiment, even when the thickness of the second tunnel barrier film 2014 is reduced, unlike the conventional semiconductor device using a plurality of silicon fine particles, spontaneous emission of accumulated electrons is performed. To effectively suppress silicon fine particles 201
5, the electrons can be held for a long time. In addition, since the injection, holding, and extraction of electrons into the fine particles can be reliably controlled by utilizing the above-described effects, the semiconductor device according to the present embodiment requires a high-speed operation of the device and a reduction in power consumption. It can be said that it is a highly reliable one that satisfies the requirement for long-term record keeping while satisfying the conditions.

【0166】(第10の実施形態) ―第10の実施形態に係る半導体素子の構造― 図19は、第10の実施形態に係る半導体素子を示す断
面図である。図19に示すように、第10の実施形態に
係る半導体素子は、第9の実施形態に係る半導体素子を
利用したMIS型トランジスタ構造を有している。この
半導体素子において、p型シリコン基板2071上に
は、シリコン酸窒化膜である第1のトンネル障壁膜20
73、多結晶シリコン膜からなる半導体膜2074、S
iO2 膜からなる第2のトンネル障壁膜2075、Si
2 膜からなるゲート絶縁膜2077及びゲート電極と
して機能するn型多結晶シリコン電極2078が下から
順次積み上げられている。半導体膜2074は量子化さ
れている。また、下地となるp型シリコン基板2071
中のn型多結晶シリコン電極2078の両側方に位置す
る領域にはn型拡散領域(ソース・ドレイン領域)20
72が設けられている。さらに、n型拡散領域2072
上には、ソース・ドレイン電極として機能する金属電極
2079が設けられている。また、第2のトンネル障壁
膜2075とゲート絶縁膜2077との間には、量子化
されたシリコン微粒子2076が複数埋め込まれてい
る。
Tenth Embodiment -Structure of Semiconductor Device According to Tenth Embodiment- FIG. 19 is a sectional view showing a semiconductor device according to a tenth embodiment. As shown in FIG. 19, the semiconductor device according to the tenth embodiment has a MIS transistor structure using the semiconductor device according to the ninth embodiment. In this semiconductor device, the first tunnel barrier film 20 which is a silicon oxynitride film is formed on the p-type silicon substrate 2071.
73, a semiconductor film 2074 made of a polycrystalline silicon film, S
a second tunnel barrier film 2075 made of an SiO 2 film, Si
A gate insulating film 2077 made of an O 2 film and an n-type polycrystalline silicon electrode 2078 functioning as a gate electrode are sequentially stacked from below. The semiconductor film 2074 is quantized. Also, a p-type silicon substrate 2071 serving as a base
In regions located on both sides of the n-type polycrystalline silicon electrode 2078, n-type diffusion regions (source / drain regions) 20 are provided.
72 are provided. Further, the n-type diffusion region 2072
On top, a metal electrode 2079 functioning as a source / drain electrode is provided. Further, a plurality of quantized silicon fine particles 2076 are embedded between the second tunnel barrier film 2075 and the gate insulating film 2077.

【0167】―第10の実施形態に係る半導体素子の製
造工程― 次に、第10の実施形態に係る半導体素子の製造工程に
ついて説明する。第9の実施形態と同様の半導体基板を
形成した後、各膜の形成とフォトリソグラフィー及びエ
ッチングによってp型シリコン基板2071上に、第1
のトンネル障壁膜2073、半導体膜2074、第2の
トンネル障壁膜2075、シリコン微粒子2076、ゲ
ート絶縁膜2077及びn型多結晶シリコン電極207
8を形成する。次に、イオン注入によって、n型拡散領
域2072を形成した後、スパッタ法及びエッチングに
よって、金属電極2079を形成する。これにより、第
10の実施形態に係る半導体素子を製造することができ
る。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Tenth Embodiment— Next, a manufacturing process of a semiconductor device according to the tenth embodiment will be described. After forming the same semiconductor substrate as in the ninth embodiment, the first film is formed on the p-type silicon substrate 2071 by forming each film, photolithography and etching.
Tunnel barrier film 2073, semiconductor film 2074, second tunnel barrier film 2075, silicon fine particles 2076, gate insulating film 2077, and n-type polycrystalline silicon electrode 207
8 is formed. Next, after an n-type diffusion region 2072 is formed by ion implantation, a metal electrode 2079 is formed by sputtering and etching. Thus, the semiconductor device according to the tenth embodiment can be manufactured.

【0168】─第10の実施形態に係る半導体素子の特
性─ 本実施形態においても、第9の実施形態と同様の原理に
より、印加電圧によって、シリコン微粒子2076への
電子の注入・シリコン微粒子2076内での電子の保持
・シリコン微粒子2076からの電子の引き抜きの制御
を行うことができる。また、上述のように、第10の実
施形態に係る半導体素子は、MIS型トランジスタ構造
を有している。さらに、本実施形態では、電子を保持す
るためのシリコン微粒子2076が第2のトンネル障壁
膜2075とゲート絶縁膜2077との間に設けられて
いる。よって、シリコン微粒子2076における電子の
有無によって、素子のしきい値電圧は高低変化する。こ
のしきい値電圧の高低を情報H(ハイ)と情報L(ロー)
とに対応させることにより、情報の書き込み・読み出し
を行うことができる。
<< Characteristics of Semiconductor Device According to Tenth Embodiment >> In this embodiment, the same principle as that of the ninth embodiment is used to inject electrons into the silicon fine particles 2076 and apply the same to the inside of the silicon fine particles 2076 by the applied voltage. , And control of extraction of electrons from the silicon microparticles 2076 can be performed. As described above, the semiconductor device according to the tenth embodiment has a MIS transistor structure. Further, in this embodiment, silicon fine particles 2076 for retaining electrons are provided between the second tunnel barrier film 2075 and the gate insulating film 2077. Therefore, the threshold voltage of the element changes depending on the presence or absence of electrons in the silicon microparticles 2076. Information H (high) and information L (low)
In this case, writing and reading of information can be performed.

【0169】また、本実施形態においても、第9の実施
形態と同様に、第2のトンネル障壁膜7205の厚さを
薄くしても、シリコン微粒子2076中に、長期間、電
子を保持することが可能となる。したがって、本実施形
態に係る半導体素子は、素子における動作の高速化、消
費電力の低減の要請を満たしつつ、長時間の記録保持の
要請に応える信頼性の高いものであるといえる。さら
に、本実施形態においては、単一素子により基本的なメ
モリ動作が実現されるので、高密度の集積化が可能とな
る。
Also, in this embodiment, as in the ninth embodiment, even if the thickness of the second tunnel barrier film 7205 is reduced, electrons can be retained in the silicon fine particles 2076 for a long time. Becomes possible. Therefore, it can be said that the semiconductor element according to the present embodiment has high reliability in responding to the demand for long-time record keeping while satisfying the demand for high-speed operation and reduction in power consumption in the element. Furthermore, in the present embodiment, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0170】なお、本実施形態においては、n型拡散領
域2072のうち少なくとも一方の上あるいは上方に
は、半導体膜2074が存在しない領域を設けることも
できる。これにより、n型拡散領域2072に電圧を印
加した際に半導体膜2074を経て短絡した電流が、n
型拡散領域2072間に流れることを防止することがで
きる。
In this embodiment, a region where the semiconductor film 2074 does not exist may be provided on or above at least one of the n-type diffusion regions 2072. As a result, when a voltage is applied to the n-type diffusion region 2072, the current short-circuited through the semiconductor film 2074 becomes n
Flow between the mold diffusion regions 2072 can be prevented.

【0171】また、本実施形態においては、半導体膜2
074をいくつかの部分に図19に示す断面に対し垂直
な方向に分割することもできる。これによっても、n型
拡散領域2072に電圧を印加した際に半導体膜207
4を経て短絡した電流が、n型拡散領域2072間に流
れることを防止することができる。
In this embodiment, the semiconductor film 2
074 may be divided into several parts in a direction perpendicular to the cross section shown in FIG. In this way, when a voltage is applied to the n-type diffusion region 2072,
4 can be prevented from flowing between the n-type diffusion regions 2072.

【0172】(第11の実施形態) ―第11の実施形態に係る半導体素子の構造― 図20は、第11の実施形態に係る半導体素子の断面図
である。この半導体素子において、p型シリコン基板8
201上には、SiO2 膜からなる第1のトンネル障壁
膜2082(厚さ1.5nm)、SiO2 膜からなる第
2のトンネル障壁膜2084(厚さ2nm)、SiO2
からなる絶縁膜2086(厚さ20nm)及び上部電極
として機能するn型多結晶シリコン電極2087が下か
ら順に設けられている。また、第1のトンネル障壁膜2
082と第2のトンネル障壁膜2084との間には、互
いに接触する多数のシリコン微粒子からなる微粒子体群
2083(粒径5nm)が埋め込まれている。この微粒
子体群2083の各微粒子は量子化されている。さら
に、第2のトンネル障壁膜2084と絶縁膜2086と
の間には、量子化されたシリコン微粒子2085(粒径
5nm)が複数埋め込まれている。また、各シリコン微
粒子2083の間は、第1、第2のトンネル障壁膜20
82、2084と同一の材料からなるSiO2 により隔
てられている。なお、SiO2 膜からなる第1のトンネ
ル障壁膜2082の厚さを1〜2nm、SiO2 膜から
なる第2のトンネル障壁膜2084の厚さを2〜3n
m、SiO 2 膜からなる絶縁膜2086の厚さを5〜2
0nm、微粒子体群2083のシリコン微粒子の粒径を
3〜10nm、微粒子体群2083のシリコン微粒子の
面内密度を1×1013cm-2から1×1014cm-2
度、シリコン微粒子2085の粒径を2〜5nm、シリ
コン微粒子2085の面内密度を1×1012cm-2から
1×1013cm-2程度とするのが好ましい。
(Eleventh Embodiment) -Structure of the semiconductor device according to the eleventh embodiment- FIG. 20 is a sectional view of the semiconductor device according to the eleventh embodiment.
It is. In this semiconductor device, the p-type silicon substrate 8
On top of 201Two First tunnel barrier made of film
Film 2082 (1.5 nm thick), SiOTwo The first consisting of a membrane
2 tunnel barrier film 2084 (2 nm thick), SiOTwo 
Film 2086 (thickness 20 nm) made of and upper electrode
N-type polycrystalline silicon electrode 2087 functioning as
Are provided in order. Also, the first tunnel barrier film 2
082 and the second tunnel barrier film 2084.
Particles consisting of a large number of silicon particles in contact
2083 (particle size: 5 nm) is embedded. This fine grain
Each fine particle of the child group 2083 is quantized. Further
Then, the second tunnel barrier film 2084, the insulating film 2086,
In between, the quantized silicon fine particles 2085 (particle size
5 nm). In addition, each silicon fine
Between the particles 2083, the first and second tunnel barrier films 20
SiO made of the same material as 82, 2084Two Separated by
Have been. Note that SiOTwo First tunnel consisting of a membrane
The thickness of the barrier film 2082 is 1-2 nm,Two From the membrane
The thickness of the second tunnel barrier film 2084 is
m, SiO Two The thickness of the insulating film 2086 is set to 5 to 2
0 nm, the particle size of the silicon fine particles in the fine particle group 2083
3 to 10 nm, the size of silicon microparticles in microparticle group 2083
1 × 10 in-plane density13cm-2From 1 × 1014cm-2About
The particle size of the silicon fine particles 2085 is 2 to 5 nm,
The in-plane density of the cone fine particles 2085 is 1 × 1012cm-2From
1 × 1013cm-2It is preferable to set the degree.

【0173】―第11の実施形態に係る半導体素子の製
造工程― 次に、第11の実施形態に係る半導体素子の製造工程に
ついて説明する。まず、p型シリコン基板2081を熱
酸化(基板温度800℃)によって、p型シリコン基板
2081上にSiO2 膜からなる第1のトンネル障壁膜
2082を形成する。次に、材料ガスとしてSiH4
基板温度580℃としたCVD装置内のチャンバーに短
時間、導入する。これにより、第1のトンネル障壁膜2
082上で、微粒子体群2083を形成する。その後、
p型シリコン基板2081を酸素あるいは水蒸気の存在
下に短時間暴露して各シリコン微粒子2083の表面部
を1nm程度の厚み分だけ酸化することにより、各シリ
コン微粒子2083間をSiO2 によって絶縁する。次
に、同一のチャンバー内で、連続してSiO2 膜からな
る第2のトンネル障壁膜2084を微粒子体群2083
及び第1のトンネル障壁膜2082上に堆積する。次
に、同一チャンバー内で同じサセプタ上に基板(基板温
度580℃)をおいた状態で、材料ガスとしてSiH4
をCVD装置内のチャンバーに短時間、導入する。これ
により、第2のトンネル障壁膜2084上で、複数のシ
リコン微粒子2085を形成する。その後、p型シリコ
ン基板2081を酸素あるいは水蒸気の存在下に短時間
暴露して各シリコン微粒子2085の表面部を1nm程
度の厚み分だけ酸化することにより、各シリコン微粒子
2085間をSiO2 によって絶縁する。次に、同一の
チャンバー内で、SiO2膜からなる絶縁膜2086を
第2のトンネル障壁膜2084及びシリコン微粒子20
85上に堆積した後、同一のチャンバー内で、n型多結
晶シリコン電極2087を堆積する。なお、CVD法に
よる微粒子体群2083の形成、その後の微粒子体群2
083の表面の酸化を繰り返すことにより、微粒子体群
2083の面内密度を適切な値となるように増加させる
ことができる。また、シリコン微粒子2085の面内密
度についても同様である。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Eleventh Embodiment— Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the eleventh embodiment will be described. First, a first tunnel barrier film 2082 made of a SiO 2 film is formed on the p-type silicon substrate 2081 by thermal oxidation (at a substrate temperature of 800 ° C.). Next, SiH 4 as a material gas is introduced into a chamber in the CVD apparatus at a substrate temperature of 580 ° C. for a short time. Thereby, the first tunnel barrier film 2
082, a fine particle group 2083 is formed. afterwards,
By exposing the p-type silicon substrate 2081 for a short time in the presence of oxygen or water vapor to oxidize the surface of each silicon microparticle 2083 by a thickness of about 1 nm, the silicon microparticles 2083 are insulated from each other by SiO 2 . Next, in the same chamber, a second tunnel barrier film 2084 made of a SiO 2 film is continuously formed with the fine particle group 2083.
And deposited on the first tunnel barrier film 2082. Next, with a substrate (substrate temperature: 580 ° C.) placed on the same susceptor in the same chamber, SiH 4 was used as a material gas.
Is introduced into the chamber in the CVD apparatus for a short time. Thereby, a plurality of silicon fine particles 2085 are formed on the second tunnel barrier film 2084. Thereafter, the p-type silicon substrate 2081 is exposed to oxygen or water vapor for a short time to oxidize the surface of each silicon microparticle 2085 by a thickness of about 1 nm, thereby insulating the silicon microparticles 2085 from each other with SiO 2 . . Next, in the same chamber, the insulating film 2086 made of the SiO 2 film is formed into the second tunnel barrier film 2084 and the silicon fine particles 20.
After the deposition on 85, an n-type polycrystalline silicon electrode 2087 is deposited in the same chamber. The formation of the fine particle group 2083 by the CVD method, and the subsequent fine particle group 2
By repeating the oxidation of the surface of No. 083, the in-plane density of the fine particle group 2083 can be increased to an appropriate value. The same applies to the in-plane density of the silicon microparticles 2085.

【0174】―第11の実施形態に係る半導体素子の電
子注入・保持・引き抜き機構― 第11の実施形態においても、第1の実施形態と同様の
原理により、シリコン微粒子2085への電子の注入・
シリコン微粒子2085内での電子の保持・シリコン微
粒子2085からの電子の引き抜きを行うことができ
る。本実施形態では、微粒子体群2083が第1の実施
形態における半導体膜2013とはぼ同様の役割を果た
すからである。したがって、本実施形態に係る半導体素
子もまた、第9の実施形態に係る半導体素子素子と同様
に、動作の高速化、消費電力の低減の要請を満たしつ
つ、長時間の記録保持の要請に応える信頼性の高いもの
であるといえる。
—Electron Injection / Hold / Extraction Mechanism of Semiconductor Element According to Eleventh Embodiment— In the eleventh embodiment, the same principle as that of the first embodiment is used to inject / inject electrons into the silicon microparticles 2085.
Retention of electrons in the silicon fine particles 2085 and extraction of electrons from the silicon fine particles 2085 can be performed. This is because, in the present embodiment, the fine particle group 2083 plays a role almost similar to that of the semiconductor film 2013 in the first embodiment. Therefore, the semiconductor device according to the present embodiment also satisfies the demands for high-speed operation and reduced power consumption, as well as the demands for long-term record keeping, similarly to the semiconductor device device according to the ninth embodiment. It can be said that it is highly reliable.

【0175】本実施形態では、シリコン微粒子2085
と微粒子体群2083のシリコン微粒子とが同一の材料
により構成されている。また、それらの粒径は、ほぼ等
しい。よって、電子を保持するためのシリコン微粒子2
085の各エネルギー準位と、微粒子体群2083のシ
リコン微粒子の各エネルギー準位とが、同様の条件下に
おいて量子箱形状で量子化されるため、両者のバンド構
造は類似している。したがって、本実施形態では、シリ
コン微粒子2085―微粒子体群2083間のトンネル
過程による電子の注入・電子の引き抜きが起こりやすく
なるため、第9の実施形態に比べ、電子の注入・電子の
引き抜きの制御が容易となる。一方、シリコン微粒子2
085への電子注入の後では、シリコン微粒子2085
のポテンシャルが、電子注入前と比べ、上昇している。
よって、仮に、微粒子体群2083のシリコン微粒子と
シリコン微粒子2085とが全く同じものであっても、
それらのエネルギー準位のポテンシャルが異なるように
なるため、シリコン微粒子2085からの電子の自然放
出は抑制される。ただし、微粒子体群2083の微粒子
の構成と微粒子2085の構成とは異なるものとしても
よい。例えば、微粒子体群2083の微粒子がアモルフ
ァスシリコンにより構成され、微粒子2085が単結晶
シリコンにより構成されていてもよい。
In this embodiment, silicon fine particles 2085
The silicon fine particles of the fine particle group 2083 are made of the same material. Also, their particle sizes are approximately equal. Therefore, the silicon fine particles 2 for retaining electrons
Since the energy levels of 085 and the energy levels of the silicon microparticles in the microparticle group 2083 are quantized in a quantum box shape under the same conditions, their band structures are similar. Therefore, in the present embodiment, electron injection and electron extraction are more likely to occur due to the tunnel process between the silicon fine particles 2085 and the fine particle group 2083. Therefore, compared to the ninth embodiment, control of electron injection and electron extraction is performed. Becomes easier. On the other hand, silicon fine particles 2
After the electron injection into 085, silicon microparticles 2085
Is higher than before electron injection.
Therefore, even if the silicon microparticles and the silicon microparticles 2085 in the microparticle group 2083 are exactly the same,
Since the potentials of the energy levels are different, spontaneous emission of electrons from the silicon microparticles 2085 is suppressed. However, the configuration of the fine particles of the fine particle group 2083 may be different from the configuration of the fine particles 2085. For example, the fine particles of the fine particle group 2083 may be made of amorphous silicon, and the fine particles 2085 may be made of single crystal silicon.

【0176】なお、シリコン微粒子2085の各エネル
ギー準位と、微粒子体群2083のシリコン微粒子の各
エネルギー準位とを、変化させることによって、電子の
注入・電子の保持・電子の引き抜きが起きる条件を調節
するため、シリコン微粒子2085の粒径を微粒子体群
2083のシリコン微粒子の粒径と異なるようにするこ
とも可能である。
By changing the energy levels of the silicon microparticles 2085 and the energy levels of the silicon microparticles of the microparticle group 2083, the conditions for injecting electrons, retaining electrons, and extracting electrons are determined. For adjustment, the particle size of the silicon fine particles 2085 can be made different from the particle size of the silicon fine particles of the fine particle group 2083.

【0177】さらに、本実施形態では第9の実施形態に
比べ、素子作製における微細形状の制御が容易であると
いう利点がある。すなわち、第9の実施形態における半
導体膜2013による量子井戸に比べ、本実施形態にお
ける微粒子体群2083による量子箱では、各エネルギ
ー準位の離散化の程度が大きい。よって、本実施形態で
は、微粒子体群2083のシリコン微粒子のサイズが比
較的大きくても量子化の効果が大きくなるため、長期
間、電子を保持することが可能となる。ゆえに、本実施
形態では第9の実施形態に比べ、素子作製において、高
い精度は必要とはされない。
Furthermore, this embodiment has an advantage over the ninth embodiment in that it is easy to control the fine shape in element fabrication. That is, compared to the quantum well formed by the semiconductor film 2013 in the ninth embodiment, the degree of discretization of each energy level is larger in the quantum box formed by the particle group 2083 in the present embodiment. Therefore, in the present embodiment, even if the size of the silicon fine particles in the fine particle body group 2083 is relatively large, the effect of the quantization is large, so that electrons can be held for a long time. Therefore, in the present embodiment, higher precision is not required in element fabrication than in the ninth embodiment.

【0178】なお、半導体素子の製造工程においては、
第9の実施形態における半導体膜2013の厚さのばら
つきの方が、本実施形態における微粒子体群2083の
シリコン微粒子の粒径のばらつきよりも、抑制しやす
い。よって、第9の実施形態に係る半導体素子は、特性
の均一性において、本実施形態に係る半導体素子より
も、有利である。
In the process of manufacturing a semiconductor device,
The variation in the thickness of the semiconductor film 2013 in the ninth embodiment is easier to suppress than the variation in the particle size of the silicon fine particles in the fine particle group 2083 in the present embodiment. Therefore, the semiconductor device according to the ninth embodiment is more advantageous than the semiconductor device according to the present embodiment in uniformity of characteristics.

【0179】なお、本実施形態では、微粒子体群208
3の各シリコン微粒子が互いに接触しているので、微粒
子群2083内の各微粒子とシリコン微粒子2085及
びp型シリコン基板2081との間における迅速な電子
移動が妨げられることはない。
In the present embodiment, the fine particle group 208
Since the silicon fine particles of No. 3 are in contact with each other, rapid electron transfer between each fine particle in the fine particle group 2083 and the silicon fine particles 2085 and the p-type silicon substrate 2081 is not hindered.

【0180】また、本実施形態では、第1のトンネル障
壁膜2082の厚さが第2のトンネル障壁膜2084の
厚さに比べて小さいことにより、微粒子体群2083と
p型シリコン基板2081との間の電子の移動がさらに
容易となる。
In the present embodiment, the thickness of the first tunnel barrier film 2082 is smaller than the thickness of the second tunnel barrier film 2084, so that the fine particle group 2083 and the p-type silicon substrate 2081 are separated. Transfer of electrons between them becomes easier.

【0181】また、本実施形態では、微粒子体群208
3のシリコン微粒子の粒径を、シリコン微粒子2085
の粒径より大きくしてもよい。この場合には、シリコン
微粒子2085とp型シリコン基板2081とを結ぶ直
線付近に、微粒子体群2083のシリコン微粒子が存在
するようになることがより多くなるため、p型シリコン
基板2081―シリコン微粒子2085間の微粒子体群
2083を経た電子移動がより起こりやすくなることと
なる。
In the present embodiment, the fine particle group 208
The silicon fine particles 2085
May be larger than the particle size. In this case, since the silicon fine particles of the fine particle group 2083 are more likely to be present near the straight line connecting the silicon fine particles 2085 and the p-type silicon substrate 2081, the p-type silicon substrate 2081 -the silicon fine particles 2085 Electron transfer via the fine particle body group 2083 between them is more likely to occur.

【0182】また、本実施形態では、微粒子体群208
3のシリコン微粒子の面内密度を、第2のシリコン微粒
子2085の面内密度より大きくすることによって、微
粒子体群2083の各シリコン微粒子間の距離が低下す
る。この場合にも、シリコン微粒子2085とp型シリ
コン基板2081とを結ぶ直線付近に、微粒子体群20
83のシリコン微粒子が存在するようになることがより
多くなるため、p型シリコン基板2081―シリコン微
粒子2085間の微粒子体群2083を経た電子移動が
より起こりやすくなることとなる。
In the present embodiment, the fine particle group 208
By making the in-plane density of the silicon fine particles 3 larger than the in-plane density of the second silicon fine particles 2085, the distance between the silicon fine particles in the fine particle group 2083 is reduced. Also in this case, the fine particle group 20 is located near a straight line connecting the silicon fine particles 2085 and the p-type silicon substrate 2081.
Since 83 silicon fine particles are more likely to be present, electron transfer between the p-type silicon substrate 2081 and the silicon fine particles 2085 via the fine particle group 2083 is more likely to occur.

【0183】(第12の実施形態) ―第12の実施形態に係る半導体素子の構造― 図21は、第12の実施形態に係る半導体素子を示す断
面図である。図21に示すように、本実施形態に係る半
導体素子は、MIS型トランジスタ構造を有している。
この半導体素子において、p型シリコン基板2091上
には、SiO2膜からなる第1,第2のトンネル障壁膜
2093,2095、SiO2 膜からなるゲート絶縁膜
2097及びゲート電極として機能するn型多結晶シリ
コン電極2098が下から順次積み上げられている。ま
た、下地となるp型シリコン基板2091中のn型多結
晶シリコン電極2098の両側方に位置する領域にはn
型拡散領域2092が設けられている。さらに、n型拡
散領域2092上には、ソース・ドレイン電極として機
能する金属電極2099が設けられている。また、第1
のトンネル障壁膜2093と第2のトンネル障壁膜20
95との間には、互いに接触する多数のシリコン微粒子
からなる微粒子体群2094が埋め込まれている。この
微粒子体群2094の各微粒子は量子化されている。さ
らに、第2のトンネル障壁膜2095とゲート絶縁膜2
097との間には、量子化されたシリコン微粒子209
6が複数埋め込まれている。なお、微粒子体群2094
のシリコン微粒子は、図21に示すように重なり合って
複数の層を形成していてもよい。また、微粒子体群20
94の各シリコン微粒子の間は、第1、第2のトンネル
障壁膜2093、2095と同一の材料からなるSiO
2 膜により隔てられている。
Twelfth Embodiment -Structure of Semiconductor Device According to Twelfth Embodiment- FIG. 21 is a sectional view showing a semiconductor device according to a twelfth embodiment. As shown in FIG. 21, the semiconductor device according to the present embodiment has an MIS transistor structure.
In this semiconductor device, on a p-type silicon substrate 2091, a first consisting of SiO 2 film, a second tunnel barrier film 2093,2095, n-type functions as a gate insulating film 2097 and a gate electrode made of SiO 2 film multi Crystal silicon electrodes 2098 are sequentially stacked from below. Also, n-type polycrystalline silicon electrodes 2098 in the p-type silicon substrate 2091 serving as an underlayer have n
A mold diffusion region 2092 is provided. Further, a metal electrode 2099 functioning as a source / drain electrode is provided on the n-type diffusion region 2092. Also, the first
Tunnel barrier film 2093 and second tunnel barrier film 20
A fine particle group 2094 composed of a large number of silicon fine particles that are in contact with each other is embedded between the fine particle body 95 and the silicon fine particles 95. Each fine particle in the fine particle group 2094 is quantized. Further, the second tunnel barrier film 2095 and the gate insulating film 2
097, the quantized silicon fine particles 209
6 are embedded. The fine particle group 2094
The silicon fine particles may overlap to form a plurality of layers as shown in FIG. In addition, the fine particle group 20
Between the silicon fine particles 94, SiO 2 made of the same material as the first and second tunnel barrier films 2093 and 2095 is used.
Separated by two membranes.

【0184】なお、微粒子体群2094の微粒子の構成
と微粒子2096の構成とは異なるものとしてもよい。
例えば、微粒子体群2094の微粒子がアモルファスシ
リコンにより構成され、微粒子2096が単結晶シリコ
ンにより構成されていてもよい。
The structure of the fine particles of the fine particle group 2094 may be different from the structure of the fine particles 2096.
For example, the fine particles of the fine particle group 2094 may be formed of amorphous silicon, and the fine particles 2096 may be formed of single crystal silicon.

【0185】―第12の実施形態に係る半導体素子の製
造工程― 次に、本実施形態に係る半導体素子の製造工程について
説明する。第11の実施形態と同様の半導体基板を形成
した後、各膜の形成とフォトリソグラフィー及びエッチ
ングによってp型シリコン基板2091上に、第1のト
ンネル障壁膜2093、微粒子体群2094、第2のト
ンネル障壁膜2095、シリコン微粒子2096、ゲー
ト絶縁膜2097及びn型多結晶シリコン電極2098
を形成する。次に、イオン注入によって、n型拡散領域
2092を形成した後、スパッタ法及びエッチングによ
って、金属電極2099を形成する。これにより、本実
施形態に係る半導体素子を製造することができる。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Twelfth Embodiment— Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment will be described. After a semiconductor substrate similar to that of the eleventh embodiment is formed, a first tunnel barrier film 2093, a fine particle group 2094, a second tunnel Barrier film 2095, silicon fine particles 2096, gate insulating film 2097, and n-type polycrystalline silicon electrode 2098
To form Next, after forming an n-type diffusion region 2092 by ion implantation, a metal electrode 2099 is formed by sputtering and etching. Thereby, the semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured.

【0186】─第12の実施形態に係る半導体素子の特
性─ 本実施形態においても、第11の実施形態と同様の原理
により、シリコン微粒子2096への電子の注入・シリ
コン微粒子2096内での電子の保持・シリコン微粒子
2096からの電子の引き抜きを行うことができる。ま
た、上述のように、本実施形態に係る半導体素子は、M
IS型トランジスタ構造を有している。さらに、本実施
形態では、電子を保持するためのシリコン微粒子209
6が、第1、第2のトンネル障壁膜2093、2095
とゲート絶縁膜2097との間に設けられている。よっ
て、シリコン微粒子2096における電子の有無によっ
て、素子のしきい値電圧は高低変化する。このしきい値
電圧の高低を情報H(ハイ)と情報L(ロー)とに対応
させることにより、情報の書き込み・読み出しを行うこ
とができる。
{Characteristics of Semiconductor Device According to Twelfth Embodiment} In this embodiment, the same principle as that of the eleventh embodiment is used to inject electrons into silicon microparticles 2096 and to generate electrons in silicon microparticles 2096. Electrons can be extracted from the holding / silicon fine particles 2096. In addition, as described above, the semiconductor device according to the present embodiment has M
It has an IS type transistor structure. Further, in this embodiment, the silicon fine particles 209 for holding electrons are used.
6 is the first and second tunnel barrier films 2093, 2095
And the gate insulating film 2097. Therefore, the threshold voltage of the element changes depending on the presence or absence of electrons in the silicon microparticles 2096. By making the level of the threshold voltage correspond to the information H (high) and the information L (low), writing and reading of information can be performed.

【0187】また、本実施形態に係る半導体素子は、素
子における動作の高速化、消費電力の低減の要請を満た
しつつ、長時間の記録保持の要請に応える信頼性の高い
ものである。さらに、第4の実施形態においては、単一
素子により基本的なメモリ動作が実現されるので、高密
度の集積化が可能となる。
Further, the semiconductor device according to the present embodiment has a high reliability that meets the demand for long-term record keeping while satisfying the demands for high-speed operation and low power consumption in the device. Furthermore, in the fourth embodiment, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration becomes possible.

【0188】なお、本実施形態においては、n型拡散領
域2092のうち少なくとも一方の上あるいは上方に
は、微粒子体群2094が存在しない領域を設けること
もできる。これにより、n型拡散領域2092に電圧を
印加した際に微粒子体群2094を経て短絡した電流
が、n型拡散領域2092間に流れることを防止するこ
とができる。
In this embodiment, a region in which the fine particle group 2094 does not exist may be provided on or above at least one of the n-type diffusion regions 2092. This can prevent a current short-circuited through the fine particle group 2094 from flowing between the n-type diffusion regions 2092 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 2092.

【0189】また、本実施形態においては、微粒子体群
2094からなる層をいくつかの部分に図21に示す断
面に対し垂直な方向に分割することもできる。これによ
っても、n型拡散領域2092に電圧を印加した際に微
粒子体群2094からなる層を経て短絡した電流が、n
型拡散領域2092間に流れることを防止することがで
きる。
In this embodiment, the layer composed of the fine particle group 2094 can be divided into several parts in a direction perpendicular to the cross section shown in FIG. This also allows the current that has been short-circuited through the layer composed of the fine particle group 2094 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 2092 to be n
Flow between the mold diffusion regions 2092 can be prevented.

【0190】(第13の実施形態) ―第13の実施形態に係る半導体素子の構造― 図22は、第13の実施形態に係る半導体素子の断面図
である。この半導体素子において、p型シリコン基板2
101上には、SiO2 膜からなる第1のトンネル障壁
膜2102(厚さ1.5nm)、SiO2 膜からなる第
2のトンネル障壁膜2104(厚さ2nm)、SiO2
膜からなる絶縁膜2106(厚さ20nm)及び上部電
極として機能するn型多結晶シリコン電極2107が下
から順に設けられている。また、第1のトンネル障壁膜
2102と第2のトンネル障壁膜2104との間には、
多結晶シリコンからなる細線2103(高さ5nm、幅
10nm、長さ100nm)が複数埋め込まれている。
この細線2103は量子化されている。さらに、第2の
トンネル障壁膜2104と絶縁膜2106との間には、
量子化されたシリコン微粒子2105(粒径5nm)が
複数埋め込まれている。また、各細線2103の間は、
第1、第2のトンネル障壁膜2102、2104と同一
の材料からなるSiO2 膜により隔てられている。な
お、SiO2 からなる第1のトンネル障壁膜2102の
厚さを1〜2nm、SiO2 からなる第2のトンネル障
壁膜2104の厚さを2〜3nm、SiO2 からなる絶
縁膜2106の厚さを5〜20nm、シリコン微粒子2
105の粒径を2〜8nm、シリコン微粒子2105の
面内密度を2×1012cm-2から6×1012cm-2程度
とするのが好ましい。
(Thirteenth Embodiment) —Structure of Semiconductor Device According to Thirteenth Embodiment— FIG. 22 is a sectional view of a semiconductor device according to a thirteenth embodiment. In this semiconductor device, the p-type silicon substrate 2
On 101, a first tunnel barrier film 2102 made of SiO 2 film (thickness: 1.5 nm), a second tunnel barrier film 2104 made of SiO 2 film (thickness: 2 nm), SiO 2
An insulating film 2106 (thickness: 20 nm) made of a film and an n-type polycrystalline silicon electrode 2107 functioning as an upper electrode are provided in this order from the bottom. Further, between the first tunnel barrier film 2102 and the second tunnel barrier film 2104,
A plurality of fine wires 2103 (5 nm in height, 10 nm in width, and 100 nm in length) made of polycrystalline silicon are embedded.
This thin line 2103 is quantized. Further, between the second tunnel barrier film 2104 and the insulating film 2106,
A plurality of quantized silicon fine particles 2105 (particle diameter 5 nm) are embedded. Also, between each thin line 2103,
The first and second tunnel barrier films 2102 and 2104 are separated by an SiO 2 film made of the same material. The thickness of the insulating film 2106 made 1~2nm the thickness of the first tunnel barrier film 2102 made of SiO 2, the thickness of the second tunnel barrier film 2104 made of SiO 2 2 to 3 nm, of SiO 2 5-20 nm, silicon fine particles 2
Preferably, the particle diameter of the particles 105 is 2 to 8 nm, and the in-plane density of the silicon fine particles 2105 is about 2 × 10 12 cm −2 to 6 × 10 12 cm −2 .

【0191】―第13の実施形態に係る半導体素子の製
造工程― 次に、本実施形態に係る半導体素子の製造工程について
説明する。まず、熱酸化(基板温度800℃)によっ
て、p型シリコン基板2101上にSiO2 からなる第
1のトンネル障壁膜2102を形成する。次に、CVD
装置のチャンバー内のサセプター上に基板を設置し、厚
さ5nmの多結晶シリコン膜を堆積した後、電子ビーム
リソグラフィーとドライエッチングによって、第1のト
ンネル障壁膜2102上で、多結晶シリコンからなる複
数の細線2103を形成する。次に、同一のチャンバー
内で、SiO2 らなる第2のトンネル障壁膜2104を
細線2103及び第1のトンネル障壁膜2102上に堆
積する。次に、同一チャンバー内で同じサセプタ上に基
板(基板温度580℃)をおいた状態で、材料ガスとし
てSiH4 をCVD装置内のチャンバーに短時間、導入
する。これにより、第2のトンネル障壁膜2104上
で、複数のシリコン微粒子2105を形成する。その
後、p型シリコン基板2101を酸素あるいは水蒸気の
存在下に短時間暴露して各シリコン微粒子2105の表
面部を1nm程度の厚み分だけ酸化することにより、各
シリコン微粒子2105間をSiO2 膜によって絶縁す
る。次に、同一のチャンバー内で、SiO2 膜からなる
絶縁膜2106を第2のトンネル障壁膜2104及びシ
リコン微粒子2105上に堆積した後、同一のチャンバ
ー内で、n型多結晶シリコン電極2107を堆積する。
なお、CVD法によるシリコン微粒子2105の形成、
その後のシリコン微粒子2105の表面の酸化を繰り返
すことにより、シリコン微粒子2105の面内密度を適
切な値となるように増加させることができる。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Thirteenth Embodiment— Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment will be described. First, a first tunnel barrier film 2102 made of SiO 2 is formed on a p-type silicon substrate 2101 by thermal oxidation (a substrate temperature of 800 ° C.). Next, CVD
After setting a substrate on a susceptor in a chamber of the apparatus and depositing a polycrystalline silicon film having a thickness of 5 nm, a plurality of polycrystalline silicon films are formed on the first tunnel barrier film 2102 by electron beam lithography and dry etching. Is formed. Next, a second tunnel barrier film 2104 made of SiO 2 is deposited on the thin wire 2103 and the first tunnel barrier film 2102 in the same chamber. Next, with the substrate (substrate temperature: 580 ° C.) placed on the same susceptor in the same chamber, SiH 4 as a material gas is introduced into the chamber in the CVD apparatus for a short time. Thus, a plurality of silicon fine particles 2105 are formed on the second tunnel barrier film 2104. Thereafter, the p-type silicon substrate 2101 is exposed for a short time in the presence of oxygen or water vapor to oxidize the surface of each silicon fine particle 2105 by a thickness of about 1 nm, thereby insulating the silicon fine particles 2105 from each other with a SiO 2 film. I do. Next, after an insulating film 2106 made of a SiO 2 film is deposited on the second tunnel barrier film 2104 and the silicon fine particles 2105 in the same chamber, an n-type polycrystalline silicon electrode 2107 is deposited in the same chamber. I do.
The formation of the silicon fine particles 2105 by the CVD method,
By repeating the subsequent oxidation of the surface of the silicon fine particles 2105, the in-plane density of the silicon fine particles 2105 can be increased to an appropriate value.

【0192】―第13の実施形態に係る半導体素子の電
子注入・保持・引き抜き機構― 本実施形態においても、第9の実施形態と同様の原理に
より、シリコン微粒子2105への電子の注入・シリコ
ン微粒子2105内での電子の保持・シリコン微粒子2
105からの電子の引き抜きを行うことができる。本実
施形態では、細線2103が第9の実施形態における半
導体膜2013とはぼ同様の役割を果たすからである。
したがって、本実施形態に係る半導体素子もまた、第9
の実施形態に係る半導体素子素子と同様に、動作の高速
化、消費電力の低減の要請を満たしつつ、長時間の記録
保持の要請に応える信頼性の高いものであるといえる。
—Electron Injection / Holding / Pull-Out Mechanism of Semiconductor Device According to Thirteenth Embodiment— In this embodiment, the same principle as that of the ninth embodiment is used to inject electrons into the silicon microparticles 2105 and the silicon microparticles. Retention of electrons in 2105-Silicon fine particles 2
Electrons can be extracted from 105. This is because, in the present embodiment, the fine wire 2103 plays a role similar to that of the semiconductor film 2013 in the ninth embodiment.
Therefore, the semiconductor device according to the present embodiment also includes the ninth semiconductor device.
Like the semiconductor device according to the embodiment, it can be said that the semiconductor device has high reliability in responding to a request for long-time record keeping while satisfying a request for high-speed operation and a reduction in power consumption.

【0193】さらに、本実施形態では第9の実施形態に
比べ、素子作製における微細形状の制御が容易であると
いう利点がある。すなわち、第9の実施形態における半
導体膜2013による量子井戸に比べ、本実施形態にお
ける細線2103による量子細線では、各エネルギー準
位の離散化の程度が大きい。よって、本実施形態では、
細線2103のサイズが比較的大きくても量子化の効果
が大きくなるため、長期間、電子を保持することが可能
となる。ゆえに、本実施形態では第9の実施形態に比
べ、素子作製において、高い精度は必要とはされない。
Further, the present embodiment has an advantage that the control of the fine shape in element fabrication is easier than the ninth embodiment. That is, compared to the quantum well formed by the semiconductor film 2013 in the ninth embodiment, in the quantum wire formed by the thin wire 2103 in the present embodiment, the degree of discretization of each energy level is larger. Therefore, in this embodiment,
Even if the size of the thin wire 2103 is relatively large, the effect of quantization is increased, so that electrons can be held for a long time. Therefore, in the present embodiment, higher precision is not required in element fabrication than in the ninth embodiment.

【0194】(第14の実施形態) ―第14の実施形態に係る半導体素子の構造― 図23は、第14の実施形態に係る半導体素子を示す断
面図である。図23に示すように、本実施形態に係る半
導体素子は、MIS型トランジスタ構造を有している。
この半導体素子において、p型シリコン基板2111上
には、SiO2からなる第1、第2のトンネル障壁膜2
113、2115、SiO2 からなるゲート絶縁膜21
17及びゲート電極として機能するn型多結晶シリコン
電極2118が下から順次積み上げられている。また、
下地となるp型シリコン基板2111におけるn型多結
晶シリコン電極2118の両側方に位置する領域にはn
型拡散領域2112が設けられている。さらに、n型拡
散領域2112上には、ソース・ドレイン電極として機
能する金属電極2119が設けられている。また、第1
のトンネル障壁膜2113と第2のトンネル障壁膜21
15との間には、多結晶シリコンからなる細線2114
が複数埋め込まれている。この細線2114は量子化さ
れているが。さらに、第2のトンネル障壁膜2115と
ゲート絶縁膜2117との間には、量子化されたシリコ
ン微粒子2116が複数埋め込まれている。また、各細
線2114の間は、第1、第2のトンネル障壁膜211
3、2115と同一の材料からなるSiO2 膜により隔
てられている。なお、細線2114は、重なり合って複
数の層を形成していてもよい。また、各細線2114の
方向は、同一でなくてもよく、さらに、任意でもよい。
(Fourteenth Embodiment) —Structure of Semiconductor Element According to Fourteenth Embodiment— FIG. 23 is a sectional view showing a semiconductor element according to a fourteenth embodiment. As shown in FIG. 23, the semiconductor device according to the present embodiment has a MIS transistor structure.
In this semiconductor device, the first and second tunnel barrier films 2 made of SiO 2 are formed on a p-type silicon substrate 2111.
113, 2115, gate insulating film 21 made of SiO 2
17 and an n-type polycrystalline silicon electrode 2118 functioning as a gate electrode are sequentially stacked from the bottom. Also,
In regions located on both sides of n-type polycrystalline silicon electrode 2118 in p-type silicon substrate 2111 serving as a base, n
A mold diffusion region 2112 is provided. Further, a metal electrode 2119 functioning as a source / drain electrode is provided on the n-type diffusion region 2112. Also, the first
Tunnel barrier film 2113 and second tunnel barrier film 21
15, a thin wire 2114 made of polycrystalline silicon
Are embedded multiple times. Although this thin line 2114 is quantized. Further, a plurality of quantized silicon fine particles 2116 are embedded between the second tunnel barrier film 2115 and the gate insulating film 2117. The first and second tunnel barrier films 211 are located between the thin wires 2114.
3, 2115 are separated by an SiO 2 film made of the same material. Note that the thin wires 2114 may overlap to form a plurality of layers. The direction of each thin line 2114 may not be the same, and may be arbitrary.

【0195】―第14の実施形態に係る半導体素子の製
造工程― 次に、第14の実施形態に係る半導体素子の製造工程に
ついて説明する。第13の実施形態と同様の半導体基板
を形成した後、各膜の形成とフォトリソグラフィー及び
エッチングによってp型シリコン基板2111上に、第
1のトンネル障壁膜2113、細線2114、第2のト
ンネル障壁膜2115、シリコン微粒子2116、ゲー
ト絶縁膜2117及びn型多結晶シリコン電極2118
を形成する。次に、イオン注入によって、n型拡散領域
2112を形成した後、スパッタ法及びエッチングによ
って、金属電極21119を形成する。これにより、本
実施形態に係る半導体素子を製造することができる。
—Manufacturing Process of Semiconductor Device According to Fourteenth Embodiment— Next, a manufacturing process of a semiconductor device according to the fourteenth embodiment will be described. After a semiconductor substrate similar to that of the thirteenth embodiment is formed, a first tunnel barrier film 2113, a thin wire 2114, and a second tunnel barrier film are formed on a p-type silicon substrate 2111 by formation of respective films, photolithography, and etching. 2115, silicon fine particles 2116, gate insulating film 2117, and n-type polycrystalline silicon electrode 2118
To form Next, after an n-type diffusion region 2112 is formed by ion implantation, a metal electrode 21119 is formed by sputtering and etching. Thereby, the semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured.

【0196】─第14の実施形態に係る半導体素子の特
性─ 本実施形態においても、第13の実施形態と同様の原理
により、シリコン微粒子2116への電子の注入・シリ
コン微粒子2116内での電子の保持・シリコン微粒子
2116からの電子の引き抜きを行うことができる。ま
た、上述のように、第14の実施形態に係る半導体素子
は、MIS型トランジスタ構造を有している。さらに、
第14の実施形態では、電子を保持するためのシリコン
微粒子2116が、第1、第2のトンネル障壁膜211
3、2115とゲート絶縁膜2117との間に設けられ
ている。よって、シリコン微粒子2116における電子
の有無によって、素子のしきい値電圧は高低変化する。
このしきい値電圧の高低を情報H(ハイ)と情報L(ロ
ー)とに対応させることにより、情報の書き込み・読み
出しを行うことができる。
{Characteristics of Semiconductor Device According to Fourteenth Embodiment} In the present embodiment, the same principle as that of the thirteenth embodiment is used to inject electrons into silicon fine particles 2116 and to transfer electrons inside silicon fine particles 2116. Electrons can be extracted from the holding / silicon fine particles 2116. Further, as described above, the semiconductor device according to the fourteenth embodiment has an MIS transistor structure. further,
In the fourteenth embodiment, the silicon fine particles 2116 for holding electrons are formed by the first and second tunnel barrier films 211.
3, 2115 and the gate insulating film 2117. Therefore, the threshold voltage of the element changes depending on the presence or absence of electrons in the silicon fine particles 2116.
By making the level of the threshold voltage correspond to the information H (high) and the information L (low), writing and reading of information can be performed.

【0197】また、本実施形態に係る半導体素子は、素
子における動作の高速化、消費電力の低減の要請を満た
しつつ、長時間の記録保持の要請に応える信頼性の高い
ものである。さらに、本実施形態においては、単一素子
により基本的なメモリ動作が実現されるので、高密度の
集積化が可能となる。
Further, the semiconductor device according to the present embodiment has high reliability which meets the demand for long-time recording and holding while satisfying the demands for high-speed operation and low power consumption in the device. Furthermore, in the present embodiment, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0198】なお、本実施形態においては、n型拡散領
域2112のうち少なくとも一方の上あるいは上方に
は、細線2114が存在しない領域を設けることもでき
る。これにより、n型拡散領域2112に電圧を印加し
た際に細線2114を経て短絡した電流が、n型拡散領
域2112間に流れることを防止することができる。
In the present embodiment, a region where no fine line 2114 exists may be provided on or above at least one of the n-type diffusion regions 2112. This can prevent a current short-circuited through the fine wire 2114 from flowing between the n-type diffusion regions 2112 when a voltage is applied to the n-type diffusion region 2112.

【0199】また、本実施形態においては、細線211
4からなる層をいくつかの部分に図23に示す断面に対
し垂直な方向に分割することもできる。これによって
も、n型拡散領域2112に電圧を印加した際に細線2
114からなる層からなる層を経て短絡した電流が、n
型拡散領域2112間に流れることを防止することがで
きる。
In this embodiment, the thin line 211
The layer 4 can be divided into several parts in a direction perpendicular to the cross section shown in FIG. In this way, when a voltage is applied to the n-type diffusion
The current short-circuited through the layer consisting of 114 consists of n
Flow between the mold diffusion regions 2112 can be prevented.

【0200】(第15の実施形態) ―第15の実施形態に係る半導体素子の構造― 図24は、第15の実施形態に係る半導体素子の断面図
である。この半導体素子において、p型シリコン基板2
131上には、シリコン酸窒化膜からなる第1のトンネ
ル障壁膜2132(厚さ2nm)、多結晶シリコン膜か
らなる半導体膜2133(厚さ5nm)、SiO2 から
なる第2のトンネル障壁膜2134(厚さ2nm)、S
iO2 からなる絶縁膜2136(厚さ20nm)及び上
部電極として機能するn型多結晶シリコン電極2137
が下から順に設けられている。半導体膜2133は量子
化されている。また、第2のトンネル障壁膜2134と
絶縁膜2136との間には、多結晶シリコンからなる量
子化された細線2135(高さ5nm、幅10nm、長
さ100nm)が複数埋め込まれている。なお、酸窒化
シリコンからなる第1のトンネル障壁膜2132の厚さ
を2〜3nm、多結晶シリコンからなる半導体膜213
3の厚さを2〜8nm、SiO2 からなる第2のトンネ
ル障壁膜2134の厚さを2〜3nm、SiO2 からな
る絶縁膜2136の厚さを5〜20nmとするのが好ま
しい。
(Fifteenth Embodiment) —Structure of Semiconductor Device According to Fifteenth Embodiment— FIG. 24 is a sectional view of a semiconductor device according to a fifteenth embodiment. In this semiconductor device, the p-type silicon substrate 2
A first tunnel barrier film 2132 (thickness 2 nm) made of a silicon oxynitride film, a semiconductor film 2133 (thickness 5 nm) made of a polycrystalline silicon film, and a second tunnel barrier film 2134 made of SiO 2 (2 nm thick), S
an insulating film 2136 (thickness: 20 nm) made of iO 2 and an n-type polycrystalline silicon electrode 2137 functioning as an upper electrode
Are provided in order from the bottom. The semiconductor film 2133 is quantized. Further, a plurality of quantized fine wires 2135 (5 nm in height, 10 nm in width, and 100 nm in length) made of polycrystalline silicon are embedded between the second tunnel barrier film 2134 and the insulating film 2136. The thickness of the first tunnel barrier film 2132 made of silicon oxynitride is set to 2 to 3 nm, and the thickness of the semiconductor film 213 made of polycrystalline silicon is increased.
3 is preferably 2 to 8 nm, the thickness of the second tunnel barrier film 2134 made of SiO 2 is 2 to 3 nm, and the thickness of the insulating film 2136 made of SiO 2 is preferably 5 to 20 nm.

【0201】―第15の実施形態に係る半導体素子の製
造工程― 次に、本実施形態に係る半導体素子の製造工程について
説明する。まず、窒素化合物の存在下においてp型シリ
コン基板2131を酸窒化(基板温度800℃)するこ
とにより、p型シリコン基板2131上に酸窒化シリコ
ンからなる第1のトンネル障壁膜2132を形成する。
次に、CVD装置のチャンバー内のサセプター上に基板
を設置し、多結晶シリコンからなる半導体膜2133を
第1のトンネル障壁膜2132上に堆積した後、同一の
チャンバー内で、連続してSiO 2 からなる第2のトン
ネル障壁膜2134を半導体膜2133上に堆積する。
次に、同一チャンバー内で、厚さ5nmの多結晶シリコ
ン膜を堆積した後、電子ビームリソグラフィーとドライ
エッチングによって、第1のトンネル障壁膜2102上
で、多結晶シリコンからなる複数の細線2103を形成
する。次に、同一のチャンバー内で、SiO2 からなる
絶縁膜2136を第2のトンネル障壁膜2134及び細
線2135上に堆積した後、さらに絶縁膜2136の上
に、n型多結晶シリコン電極2137を堆積する。
Manufacturing of the semiconductor device according to the fifteenth embodiment
Manufacturing process Next, the manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment
explain. First, in the presence of a nitrogen compound, a p-type silicon
Oxynitriding (substrate temperature 800 ° C.)
, Silicon oxynitride on the p-type silicon substrate 2131
A first tunnel barrier film 2132 made of silicon is formed.
Next, the substrate is placed on the susceptor in the chamber of the CVD device.
And a semiconductor film 2133 made of polycrystalline silicon is formed.
After being deposited on the first tunnel barrier film 2132, the same
In the chamber, continuously SiO Two The second ton consisting of
A tunnel barrier film 2134 is deposited on the semiconductor film 2133.
Next, in the same chamber, a polycrystalline silicon having a thickness of 5 nm is used.
Electron beam lithography and dry
On the first tunnel barrier film 2102 by etching
To form a plurality of fine wires 2103 made of polycrystalline silicon
I do. Next, in the same chamber, the SiO 2Two Consists of
The insulating film 2136 is formed with the second tunnel barrier film 2134 and the thin film.
After being deposited on the line 2135, the insulating film 2136
Then, an n-type polycrystalline silicon electrode 2137 is deposited.

【0202】―第15の実施形態に係る半導体素子の特
性― 本実施形態においても、上述の実施形態と同様に、多結
晶シリコン膜からなる半導体膜2133、及び、多結晶
シリコンからなる細線2135は、量子化されている。
よって、細線2135─p型シリコン基板2131間の
電子移動を制御することができる。すなわち、細線21
35のエネルギー準位のポテンシャルと半導体膜213
3のエネルギー準位のポテンシャルとが一致した場合に
のみ電子移動が起こるため、細線2135中に蓄積され
た電子の自然放出を効果的に抑制でき、細線2135中
に、長期間、電子を保持することが可能となる。よっ
て、適当な電界の存在下で、p型シリコン基板2131
から細線2135へ電子を容易に注入でき、また、細線
2135からp型シリコン基板2131へと電子を容易
に引き抜くことができる。したがって、上述のような効
果を利用して細線2135への電子の注入・保持・引き
抜きを確実に制御できるため、本実施形態に係る半導体
素子は、素子における動作の高速化、消費電力の低減の
要請を満たしつつ、長時間の記録保持の要請に応える信
頼性の高いものであるといえる。
—Characteristics of Semiconductor Device According to Fifteenth Embodiment— In this embodiment, as in the above-described embodiment, the semiconductor film 2133 made of a polycrystalline silicon film and the fine wire 2135 made of a polycrystalline silicon are , Has been quantized.
Therefore, electron transfer between the fine wire 2135 @ p-type silicon substrate 2131 can be controlled. That is, the thin wire 21
35 Energy Level Potential and Semiconductor Film 213
Since the electron transfer occurs only when the potential of the energy level 3 matches, the spontaneous emission of the electrons accumulated in the fine wire 2135 can be effectively suppressed, and the electrons are retained in the fine wire 2135 for a long time. It becomes possible. Therefore, in the presence of an appropriate electric field, the p-type silicon substrate 2131
Electrons can be easily injected from the thin wire 2135 to the p-type silicon substrate 2131. Therefore, the injection, holding, and extraction of electrons into and from the fine wire 2135 can be reliably controlled by utilizing the above-described effects. Therefore, the semiconductor element according to the present embodiment can operate at high speed and reduce power consumption. This can be said to be a highly reliable one that satisfies the request for long-term record keeping while satisfying the request.

【0203】(第9〜第15の実施形態の変形例)第9
〜第15の実施形態では、シリコン微粒子中に注入・蓄
積される電荷として電子を例に挙げて説明したが、同様
にして正孔を注入・蓄積することも可能である。
(Modification of Ninth to Fifteenth Embodiments) Ninth
In the fifteenth to fifteenth embodiments, electrons have been described as an example of charges injected and stored in silicon fine particles. However, holes can be injected and stored in the same manner.

【0204】―基板― 第9〜第15の実施形態においては、基板としてp型シ
リコン基板を用いているが、この他にn型シリコン基
板、GaAs基板その他の半導体材料を用いた基板を用
いることもできる。
—Substrate— In the ninth to fifteenth embodiments, a p-type silicon substrate is used as a substrate. In addition, an n-type silicon substrate, a GaAs substrate, or a substrate using another semiconductor material is used. Can also.

【0205】第1〜7の実施形態においては基板として
p型シリコン基板を用いているため、高精度のシリコン
系プロセス技術が利用可能であり、また、半導体素子の
高密度の集積化が可能となる。
In the first to seventh embodiments, since a p-type silicon substrate is used as a substrate, a high-precision silicon-based process technology can be used, and high-density integration of semiconductor elements is possible. Become.

【0206】―トンネル障壁膜― また、第9〜第15の実施形態においては、トンネル障
壁膜の材料、及び絶縁膜の材料としてはSiO2 等を用
いているが、Si34 、Sixyz (4x=2y
+3z)、CeO2 、ZnS、ZnO、Al23 その
他の絶縁体の材料を用いることもできる。
[0206] - a tunnel barrier film - In the ninth to fifteenth embodiments, the material of the tunnel barrier film, and as the material of the insulating film SiO 2 is used, etc., Si 3 N 4, Si x O y N z (4x = 2y
+ 3z), CeO 2 , ZnS, ZnO, Al 2 O 3, and other insulator materials can also be used.

【0207】ここで、第9〜第15の実施形態における
トンネル障壁膜とは、熱拡散電流を遮るがトンネル電流
を透過する性質を有する障壁膜をいう。
Here, the tunnel barrier film according to the ninth to fifteenth embodiments refers to a barrier film having a property of blocking a thermal diffusion current but transmitting a tunnel current.

【0208】また、第1、第2のトンネル障壁膜は、通
常、トンネル障壁膜をはさむ上下の膜に比べ、少なくと
も1eV以上の障壁高さを有し、また、厚さは50nm
以下であることが望ましい。さらに、第1、第2のトン
ネル障壁膜の厚さが1nm以上6nm以下であり、か
つ、それらの材料は、絶縁体材料であること、あるい
は、第1、第2のトンネル障壁膜の厚さが3nm以上5
0nm以下であり、かつ、それらの材料は、半導体基
板、複数の微粒子、半導体膜あるいは細線のバンドギャ
ップに比べて大きなバンドギャップを有する半導体材料
であることが望ましい。良好なトンネル障壁膜として機
能させるためである。
The first and second tunnel barrier films usually have a barrier height of at least 1 eV or more and a thickness of 50 nm as compared with the upper and lower films sandwiching the tunnel barrier film.
It is desirable that: Further, the thickness of the first and second tunnel barrier films is 1 nm or more and 6 nm or less, and those materials are insulator materials, or the thickness of the first and second tunnel barrier films is Is 3 nm or more 5
It is preferable that the semiconductor material has a band gap of 0 nm or less and has a band gap larger than that of a semiconductor substrate, a plurality of fine particles, a semiconductor film, or a fine wire. This is to make it function as a good tunnel barrier film.

【0209】ここで、絶縁体材料としてはSiO2 、S
34 、Al23 、CeO2 等が特に適している。
また、これらの絶縁体膜を組み合わせたものや混合した
組成を有する膜、例えば、Sixyz (4x=2y
+3z)等の組成を有する膜も利用できる。非晶質のS
iO2 を用いる場合には、その厚さは1nmから3nm
の間であれば、特に良好なトンネル特性を得られる。S
34 を用いる場合には、厚さは2nmから6nmの
間であれば、特に良好なトンネル特性を得られる。ま
た、半導体材料としては、C(ダイヤモンド)、Al
N、GaN、AlP、GaP、ZnO、ZnS、Mg
O、MgS等及びこれらの混晶が適している。
Here, as the insulator material, SiO 2 , S
i 3 N 4 , Al 2 O 3 , CeO 2 and the like are particularly suitable.
Further, a film having a composition and that mixed a combination of these insulating films, for example, Si x O y N z ( 4x = 2y
+ 3z) can also be used. Amorphous S
When using iO 2 , its thickness is 1 nm to 3 nm.
In particular, good tunnel characteristics can be obtained. S
In the case of using i 3 N 4 , particularly good tunnel characteristics can be obtained if the thickness is between 2 nm and 6 nm. As a semiconductor material, C (diamond), Al
N, GaN, AlP, GaP, ZnO, ZnS, Mg
O, MgS and the like and mixed crystals thereof are suitable.

【0210】その際、第1のトンネル障壁膜は電荷閉じ
込めとは直接関与しない。よって、第1のトンネル障壁
膜の材料として、Si34 、Sixyz 、CeO
2 などの絶縁体や半導体材料等、SiO2 に比べ高い誘
電率を有する材料を用いることが好ましい。また、同じ
理由により、第1のトンネル障壁膜の厚さは第2のトン
ネル障壁膜の厚さに比べ薄くてもよい。第1のトンネル
障壁膜の材料を絶縁体とする場合には、その厚さは1n
m以上4nm以下、あるいは、第1のトンネル障壁膜の
材料を半導体とする場合には、その厚さは3nm以上2
0nm以下とするのが特に適している。
At this time, the first tunnel barrier film does not directly participate in charge confinement. Therefore, as the material of the first tunnel barrier film, Si 3 N 4, Si x O y N z, CeO
It is preferable to use a material having a higher dielectric constant than SiO 2 , such as an insulator such as 2 or a semiconductor material. For the same reason, the thickness of the first tunnel barrier film may be smaller than the thickness of the second tunnel barrier film. When the material of the first tunnel barrier film is an insulator, its thickness is 1 n
When the material of the first tunnel barrier film is a semiconductor, the thickness is 3 nm to 2 nm.
It is particularly suitable that the thickness be 0 nm or less.

【0211】一方、第2のトンネル障壁膜は電荷閉じ込
めに寄与するので、第2のトンネル障壁膜の材料として
は、SiO2 、C(ダイヤモンド)等の比較的低い誘電
率を有する材料が特に好ましい。また、同じ理由によ
り、第2のトンネル障壁膜の厚さは第1のトンネル障壁
膜の厚さに比べ厚いことが好ましい。第2のトンネル障
壁膜の材料を絶縁体とする場合には、その厚さは1.5
nm以上6nm以下、あるいは、第2のトンネル障壁膜
の材料を半導体とする場合には、その厚さは4nm以上
40nm以下とするのが特に適している。
On the other hand, since the second tunnel barrier film contributes to charge confinement, a material having a relatively low dielectric constant, such as SiO 2 or C (diamond), is particularly preferable as the material of the second tunnel barrier film. . For the same reason, it is preferable that the thickness of the second tunnel barrier film is larger than the thickness of the first tunnel barrier film. When the material of the second tunnel barrier film is an insulator, its thickness is 1.5
When the material of the second tunnel barrier film is a semiconductor from nm to 6 nm or less, the thickness is particularly suitable from 4 nm to 40 nm.

【0212】なお、第11〜第14の実施形態では、第
1のトンネル障壁膜の一部分の厚さを実質的に0、すな
わち、第1のトンネル障壁膜の一部分を設けることなし
に半導体素子を設けることもできる。これにより、半導
体素子の作製プロセスを簡素化し、また、微粒子体群の
シリコン微粒子、細線の静電容量、又は、細線の静電容
量をさらに増加させることもできる。このときには、半
導体素子における電荷移動が促進されることになる。
In the first to fourteenth embodiments, the thickness of a part of the first tunnel barrier film is substantially zero, that is, the semiconductor element can be formed without providing a part of the first tunnel barrier film. It can also be provided. This simplifies the manufacturing process of the semiconductor element, and can further increase the capacitance of the fine silicon particles, the fine line capacitance, or the fine line capacitance. At this time, charge transfer in the semiconductor element is promoted.

【0213】―微粒子― 第9〜第14の実施形態においては微粒子としては、シ
リコン微結晶、アモルファスシリコンや単結晶シリコ
ン、その他の材料の半導体を用いることもできる。ま
た、それらのうちいずれか1つにより構成されていても
よい。
—Particles— In the ninth to fourteenth embodiments, as the particles, silicon microcrystals, amorphous silicon, single crystal silicon, and semiconductors of other materials can be used. Further, it may be constituted by any one of them.

【0214】微粒子としてシリコンの粒子を用いた場合
は、製造過程において高温としてもシリコンの粒子は、
安定で、かつ、汚染されがたいため、高精度であるシリ
コンプロセス技術を容易に適用できる。また、微粒子と
して金属の粒子を用いた場合は、粒径の揃った高品質の
微粒子を、容易に高い面内密度で均一に形成できる。
When silicon particles are used as the fine particles, the silicon particles can be used at a high temperature during the manufacturing process.
Since it is stable and hard to be contaminated, a highly accurate silicon process technology can be easily applied. When metal particles are used as fine particles, high-quality fine particles having a uniform particle size can be easily and uniformly formed with a high in-plane density.

【0215】また、複数の微粒子の材質が2.0eV以
上のバンドギャップを有する半導体である場合には、微
粒子のエネルギー準位間の差が大きくなることにより、
電荷閉じ込めの効果が増大する。さらに、トンネル障壁
膜としてSiO2 等の絶縁体を用いる場合で、複数の微
粒子の材質が2.0eV以上のバンドギャップを有する
半導体であるときは、トンネル障壁の高さが低くなる。
よって、このときには、トンネル電流を確保しつつ第2
のトンネル障壁膜の厚さを厚くすることができる。した
がって、電荷を保持する微粒子の容量が低下する。
Further, when the material of the plurality of fine particles is a semiconductor having a band gap of 2.0 eV or more, the difference between the energy levels of the fine particles is increased.
The effect of charge confinement increases. Further, when an insulator such as SiO 2 is used as the tunnel barrier film, and the material of the plurality of fine particles is a semiconductor having a band gap of 2.0 eV or more, the height of the tunnel barrier is reduced.
Therefore, at this time, the second
The thickness of the tunnel barrier film can be increased. Therefore, the capacity of the fine particles holding the electric charge is reduced.

【0216】また、第9〜第14の実施形態では、シリ
コン微粒子の形状を、偏平な形状としてもよい。特に、
スパッタリングによって、シリコン微粒子を形成する場
合には、素子の作製工程を容易にすることができる。特
に、第11、第12の実施形態において、微粒子体群の
シリコン微粒子の形状を、偏平な形状とした場合には、
微粒子体群の静電容量を増加させることができる。この
場合には、電荷を保持するためのシリコン微粒子とp型
シリコン基板とを結ぶ直線付近に、微粒子体群のシリコ
ン微粒子が存在するようになることがより多くなるた
め、p型シリコン基板―電荷を保持するためのシリコン
微粒子間の微粒子体群を経た電荷移動がより起こりやす
くなることとなる。
In the ninth to fourteenth embodiments, the shape of the silicon fine particles may be flat. In particular,
When silicon microparticles are formed by sputtering, the process for manufacturing the element can be facilitated. In particular, in the eleventh and twelfth embodiments, when the shape of the silicon fine particles in the fine particle group is a flat shape,
The capacitance of the fine particle group can be increased. In this case, the silicon fine particles in the group of fine particles are more likely to be present in the vicinity of a straight line connecting the silicon fine particles for holding electric charge and the p-type silicon substrate. Is more likely to occur between the silicon microparticles for retaining the charge through the microparticle group.

【0217】さらに、第9〜第14の実施形態では、シ
リコン微粒子は、重なり合って複数の層を形成していて
もよい。
Furthermore, in the ninth to fourteenth embodiments, the silicon fine particles may overlap to form a plurality of layers.

【0218】―半導体膜― また、第9、第10、第15の実施形態においては半導
体膜として多結晶シリコン膜を用いているが、アモルフ
ァスシリコンや単結晶シリコン、その他の材料の半導体
を半導体膜として用いることもできる。また、それらの
うちいずれか1つにより構成されていてもよい。半導体
膜がアモルファスシリコン膜もしくは多結晶シリコン膜
により構成される場合には、製造過程において高温とし
てもシリコンの半導体膜は、安定で、かつ、汚染されが
たいため、高精度であるシリコンプロセス技術を容易に
適用できる。
—Semiconductor Film— In the ninth, tenth, and fifteenth embodiments, a polycrystalline silicon film is used as a semiconductor film. However, a semiconductor of amorphous silicon, single crystal silicon, or another material may be used as a semiconductor film. Can also be used. Further, it may be constituted by any one of them. When the semiconductor film is made of an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film, the silicon semiconductor film is stable and hardly contaminated even at a high temperature in the manufacturing process. Easy to apply.

【0219】また、半導体膜の材質が2.0eV以上の
バンドギャップを有する半導体膜である場合には、微粒
子のエネルギー準位間の差が大きくなることにより、電
荷閉じ込めの効果が増大する。さらに、トンネル障壁膜
としてSiO2 等の絶縁体を用いる場合で、半導体膜の
材質が2.0eV以上のバンドギャップを有する半導体
膜であるときは、トンネル障壁の高さが低くなる。よっ
て、このときには、トンネル電流を確保しつつ第2のト
ンネル障壁膜の厚さを厚くすることができ、製造が容易
となる。
When the material of the semiconductor film is a semiconductor film having a band gap of 2.0 eV or more, the effect of confining charges is increased by increasing the difference between the energy levels of the fine particles. Further, when an insulator such as SiO 2 is used as the tunnel barrier film, and the material of the semiconductor film is a semiconductor film having a band gap of 2.0 eV or more, the height of the tunnel barrier is reduced. Therefore, at this time, the thickness of the second tunnel barrier film can be increased while securing the tunnel current, and the manufacturing becomes easy.

【0220】―細線― 第13、第14の実施形態においては細線として多結晶
シリコンを用いているが、アモルファスシリコンや単結
晶シリコン、カーボンナノチューブその他の材料の半導
体を細線として用いることもできる。また、それらのう
ちいずれか1つにより構成されていてもよい。細線がア
モルファスシリコンもしくは多結晶シリコンにより構成
される場合には、製造過程において高温としてもシリコ
ンの細線は、安定で、かつ、汚染されがたいため、高精
度であるシリコンプロセス技術を容易に適用できる。
—Thin Wires— In the thirteenth and fourteenth embodiments, polycrystalline silicon is used as the thin wires. However, amorphous silicon, single crystal silicon, carbon nanotube, or other semiconductor materials can be used as the thin wires. Further, it may be constituted by any one of them. When the fine wire is made of amorphous silicon or polycrystalline silicon, the silicon fine wire is stable and hard to be contaminated even at a high temperature in the manufacturing process, so that a high-precision silicon process technology can be easily applied. .

【0221】また、細線の材質が2.0eV以上のバン
ドギャップを有する半導体である場合には、微粒子のエ
ネルギー準位間の差が大きくなることにより、電荷閉じ
込めの効果が増大する。さらに、トンネル障壁膜として
SiO2 等の絶縁体を用いる場合で、半導体膜の材質が
2.0eV以上のバンドギャップを有する半導体である
ときは、トンネル障壁の高さが低くなる。よって、この
ときには、トンネル電流を確保しつつ第2のトンネル障
壁膜の厚さを厚くすることができる。したがって、電荷
を保持する微粒子の容量が低下する。
When the material of the fine wire is a semiconductor having a band gap of 2.0 eV or more, the effect of confining charges is increased by increasing the difference between the energy levels of the fine particles. Furthermore, when an insulator such as SiO 2 is used as the tunnel barrier film, and the material of the semiconductor film is a semiconductor having a band gap of 2.0 eV or more, the height of the tunnel barrier is reduced. Therefore, at this time, the thickness of the second tunnel barrier film can be increased while securing the tunnel current. Therefore, the capacity of the fine particles holding the electric charge is reduced.

【0222】また、第13、第14の実施形態におい
て、細線は、重なり合って複数の層を形成していてもよ
い。また、各細線の方向は、同一でなくてもよく、さら
に、任意でもよい。
In the thirteenth and fourteenth embodiments, the thin wires may overlap to form a plurality of layers. Further, the direction of each thin line may not be the same, and may be arbitrary.

【0223】ここで、2.0eV以上のバンドギャップ
を有する半導体としては、GaN、GaP、GaAs、
AlAs、ZnO、ZnS、ZnSe、CdS、ZnT
e、SiC等及びこれら半導体の混晶を挙げることがで
きる。
Here, semiconductors having a band gap of 2.0 eV or more include GaN, GaP, GaAs,
AlAs, ZnO, ZnS, ZnSe, CdS, ZnT
e, SiC and the like and mixed crystals of these semiconductors.

【0224】―微粒子の面内密度― 第9〜第14の実施形態において、微粒子の面内密度
は、1×1011cm-2から1×1013cm-2の間である
のがよい。効果的に電荷を保持でき、また、電荷の有無
の検出も容易となるためである。
—In-Plane Density of Fine Particles— In the ninth to fourteenth embodiments, the in-plane density of fine particles is preferably between 1 × 10 11 cm −2 and 1 × 10 13 cm −2 . This is because charges can be held effectively, and the presence or absence of charges can be easily detected.

【0225】また、第11、第12の実施形態において
は、第1のトンネル障壁膜と第2のトンネル障壁膜との
間に埋め込まれた第1の微粒子の面内密度は1×1012
cm -2以上であり、かつ、第2のトンネル障壁膜と(ゲ
ート)絶縁膜との間に埋め込まれた第2の微粒子の面内
密度以上であるのがより好ましい。第2の微粒子―第1
の微粒子間の電荷移動がより容易となるためである。
In the eleventh and twelfth embodiments,
Is the difference between the first tunnel barrier film and the second tunnel barrier film.
The in-plane density of the first fine particles embedded between them is 1 × 1012
cm -2And the second tunnel barrier film and
Port) In-plane of second fine particles embedded between insulating film
More preferably, the density is higher than the density. 2nd particle-1st
This is because charge transfer between the fine particles becomes easier.

【0226】―第9〜第15の実施形態に係る半導体素
子の応用― なお、第9〜第15の実施形態に係る半導体素子を微小
な電荷の移動・蓄積を制御するために種々応用できる。
例えば、走査型プローブ顕微鏡(SPM)、特に、原子
間力顕微鏡(AFM)の原理を用いて、第1〜7の実施
形態に係る各半導体素子における電荷の分布図を作成す
ることによって、この分布図をメモリとして使用するこ
とが考えられる。この場合には、半導体素子においてn
型多結晶シリコン電極はなくてもよい。また、上述の実
施形態の中から、複数の実施形態の特徴を併せ持つ構成
を有するような半導体素子であってもよい。
-Applications of Semiconductor Devices According to Ninth to Fifteenth Embodiments- The semiconductor devices according to the ninth to fifteenth embodiments can be variously applied to control movement and accumulation of minute electric charges.
For example, by using a principle of a scanning probe microscope (SPM), in particular, an atomic force microscope (AFM), a distribution diagram of electric charges in each of the semiconductor elements according to the first to seventh embodiments is created, thereby obtaining this distribution. It is conceivable to use the figure as a memory. In this case, n
The type polycrystalline silicon electrode may not be provided. Further, from among the above-described embodiments, a semiconductor element having a configuration having features of a plurality of embodiments may be used.

【0227】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内
において種々の変形が可能である。
In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

【0228】(第16の実施形態)図25は、本発明の
第16の実施形態における半導体素子の断面図である。
同図に示すように、半導体基板としてのp型シリコン基
板3011上に、まず電荷の移動に対して障壁として機
能する第1の障壁層である厚さ2nm程度の熱酸化Si
2 膜3012が設けられている。また上記第1の障壁
層である熱酸化SiO2 膜3012上に、第1の微粒子
体として直径2nmのシリコン微粒子3013が設けら
れている。また上記第1の微粒子体であるシリコン微粒
子3013の上に、電荷の移動に対して障壁として機能
する第2の障壁層である厚さ2nm程度のSiO2 膜3
014が設けられている。また上記第2の障壁層である
SiO 2 膜3014の上に、第2の微粒子体である直径
5〜8nmの金微粒子3015が設けられている。また
上記第2の微粒子体である金微粒子3015の上に絶縁
体層として厚さ10nmのSiO2 膜3016が設けら
れており、最上部には電極層であるn型多結晶シリコン
電極3017が設けられている。
(Sixteenth Embodiment) FIG.
It is sectional drawing of the semiconductor element in 16th Embodiment.
As shown in the figure, a p-type silicon base as a semiconductor substrate
On the plate 3011, first act as a barrier against the movement of charges.
Thermally oxidized Si having a thickness of about 2 nm, which is a functional first barrier layer
OTwo A membrane 3012 is provided. Also, the first barrier
Thermally oxidized SiO layerTwo A first fine particle on the film 3012
Silicon fine particles 3013 having a diameter of 2 nm are provided as a body.
Have been. Silicon fine particles as the first fine particles
Acts as a barrier against charge transfer, on top of child 3013
SiO 2 having a thickness of about 2 nm as a second barrier layerTwo Membrane 3
014 are provided. Further, the second barrier layer is provided.
SiO Two On the membrane 3014, the diameter of the second fine particle
Gold fine particles 3015 of 5 to 8 nm are provided. Also
Insulation is performed on the gold fine particles 3015 as the second fine particles.
10 nm thick SiO as body layerTwo Provided with a film 3016
N-type polycrystalline silicon at the top is the electrode layer
An electrode 3017 is provided.

【0229】ここで、上記第2の微粒子体である金微粒
子3015の直径は上記第1の微粒子体であるシリコン
微粒子3013の直径の2.5倍以上となっており、そ
の静電容量は第1の微粒子体に比べて大きい。また、第
2の微粒子体の電子親和力は第1の微粒子体より大き
く、電子親和力と禁制帯幅の和は第1の微粒子体より小
さい。
Here, the diameter of the gold fine particle 3015 as the second fine particle is at least 2.5 times the diameter of the silicon fine particle 3013 as the first fine particle, and the capacitance thereof is the same as the diameter of the silicon fine particle 3013. Larger than the fine particles of No. 1. The electron affinity of the second fine particles is larger than that of the first fine particles, and the sum of the electron affinity and the forbidden band width is smaller than that of the first fine particles.

【0230】シリコン微粒子13は、化学的気相合成
(CVD)法により、1×1011cm -2〜1×1013
-2程度の面内密度で形成され、金微粒子3015は、
金コロイド溶液へのウエハ浸漬により1×1010cm-2
〜1×1012cm-2程度の面内密度で固定されている。
The silicon fine particles 13 are produced by chemical vapor synthesis.
1 × 10 by (CVD) method11cm -2~ 1 × 1013c
m-2Gold particles 3015 are formed with an in-plane density of about
1 × 10 by wafer immersion in gold colloid solutionTencm-2
~ 1 × 1012cm-2The in-plane density is fixed.

【0231】ここで、図57に示す従来の半導体素子に
おいては、書込時、消去時、電荷保持時はそれぞれ微粒
子体(シリコン微粒子6203)の電荷数と、微粒子体
の半導体基板(p型シリコン基板6201)に対する電
位とが異なるだけで、いずれも同じ微粒子体(シリコン
微粒子6203)/トンネル障壁膜(トンネル酸化膜6
202)/半導体基板(p型シリコン基板6201)の
系でのトンネル現象を利用している。したがって、この
系のトンネル電流を、上部電極(n型多結晶シリコン電
極6205)への低い外部電圧(上部電極電圧)で大き
く変えることは容易ではない。例えばリーク電流を抑制
しようとしてトンネル障壁の高さや厚さを大きくする
と、書込・消去電流も減少して書込・消去速度が低下し
てしまう。リーク電流の大きさは各微粒子体内に保持さ
れる電荷数にも依存するが、電子(あるいは正孔)1個
のとき最もリーク電流が少ないと考えられ、改善の余地
は少ない。
In the conventional semiconductor device shown in FIG. 57, the number of charges of the fine particles (silicon fine particles 6203) and the fine semiconductor substrate (p-type silicon The same fine particles (silicon fine particles 6203) / tunnel barrier film (tunnel oxide film 6) are the same except for the potential with respect to the substrate 6201).
202) / semiconductor substrate (p-type silicon substrate 6201). Therefore, it is not easy to greatly change the tunnel current of this system by a low external voltage (upper electrode voltage) to the upper electrode (n-type polycrystalline silicon electrode 6205). For example, if the height or thickness of the tunnel barrier is increased in order to suppress the leak current, the write / erase current also decreases, and the write / erase speed decreases. Although the magnitude of the leak current also depends on the number of charges held in each microparticle, it is considered that the leak current is the smallest when one electron (or hole) is used, and there is little room for improvement.

【0232】また、書込み時(あるいは消去時)の微粒
子体体の電位はデバイス構造と微粒子体の位置関係によ
り決まる。ここで、微粒子体(シリコン微粒子620
3)を上部電極(n型多結晶シリコン電極6205)の
間の距離を小さくすると、書込み時の微粒子体の電位上
昇が大きくなるので、原理的には書込電流を増大でき
る。しかし、微粒子体を上部電極側にあまり近付けると
デバイス読み取り時のゲート電圧シフトが小さくなり感
度が下がりすぎる問題が発生する。
The potential of the fine particles at the time of writing (or at the time of erasing) is determined by the positional relationship between the device structure and the fine particles. Here, the fine particles (silicon fine particles 620)
In the case of 3), when the distance between the upper electrode (n-type polycrystalline silicon electrode 6205) is reduced, the potential rise of the fine particles at the time of writing increases, so that the writing current can be increased in principle. However, if the fine particles are brought too close to the upper electrode, the gate voltage shift at the time of reading the device becomes small, and the sensitivity is lowered too much.

【0233】また、微粒子体の静電容量を大きくすれば
電荷保持時の微粒子体の電位上昇を抑制できるので、リ
ーク電流を抑制する効果がある。しかし、実際には微粒
子体の静電容量を大きくするため微粒子体の粒径を大き
くしたり、微粒子体と半導体間の距離を小さくすると微
粒子体/半導体基板間のトンネル確率が増大し、逆にリ
ーク電流が増大してしまう結果となる。原理的には、微
粒子体の粒径を大きくし、同時にトンネル障壁膜の厚さ
を大きくするとリーク電流のみをある程度抑制できる可
能性があるが、あまり微粒子サイズを大きくすると微粒
子体の面内密度が低下し、デバイスの感度を支えるのに
必要量の電荷が保持できなくなる。さらに障壁厚さが大
きすぎるとフラッシュEEPROMに近い構成となり、
障壁膜に大きな電圧が印可されるので電荷移動による膜
質劣化が起こる問題が発生する。また作製工程において
も長寿命の素子を得るには微粒子サイズや微粒子の分布
状態、障壁厚さの制御に高い精度が要求される。
If the electrostatic capacity of the fine particles is increased, the rise in the potential of the fine particles at the time of holding the electric charge can be suppressed, so that there is an effect of suppressing the leak current. However, in practice, if the particle size of the fine particles is increased in order to increase the capacitance of the fine particles, or if the distance between the fine particles and the semiconductor is reduced, the tunnel probability between the fine particles and the semiconductor substrate is increased. As a result, the leakage current increases. In principle, increasing the particle size of the microparticles and increasing the thickness of the tunnel barrier film at the same time may reduce only the leakage current to some extent, but if the size of the microparticles is too large, the in-plane density of the microparticles will decrease. And can no longer hold the required amount of charge to support the sensitivity of the device. Further, if the barrier thickness is too large, the structure becomes close to a flash EEPROM,
Since a large voltage is applied to the barrier film, a problem occurs in that film quality is degraded due to charge transfer. Also, in the manufacturing process, high precision is required for controlling the particle size, the distribution state of the particles, and the barrier thickness in order to obtain a device having a long life.

【0234】上述のように、図57に示す従来の半導体
素子により、高速な書込・消去動作が可能で長寿命の記
録が可能な素子を実現することは困難である。これに対
して、本実施形態の半導体素子の構成によれば下記のよ
うにして書込・消去の速度を低下することなく電荷保持
時のリーク電流を大幅に低減できる。
As described above, with the conventional semiconductor device shown in FIG. 57, it is difficult to realize a device capable of high-speed writing / erasing operation and capable of long-life recording. On the other hand, according to the configuration of the semiconductor device of the present embodiment, the leak current at the time of retaining charges can be significantly reduced without lowering the writing / erasing speed as described below.

【0235】本実施形態においては、第1の障壁層(熱
酸化SiO2 膜3012)を介した半導体基板と第1の
微粒子体(シリコン微粒子3013)との間の電荷移動
と、第2の障壁層(SiO2 膜3014)を介した第1
の微粒子体(シリコン微粒子3013)と第2の微粒子
体(金微粒子3015)の間の電荷移動が存在する。第
1の障壁層を介した電荷の移動確率は、半導体基板の電
子が占める状態の波動関数と、微粒子体の空の状態の波
動関数の密度および空間的重なりにより決まる。半導体
基板と第1の微粒子体では第1の微粒子体の方が状態密
度がはるかに小さく、波動関数の広がりも少ないので、
電荷移動はほぼ第1の微粒子体が支配することになる。
また、第1の微粒子体は第2の微粒子体よりも粒径が小
さいため状態密度および波動関数の広がりが少なく、第
1の微粒子体と第2の微粒子体の間の電荷移動も第1の
微粒子体が支配することとなる。この結果、第1の微粒
子体を介した半導体基板と第2の微粒子体の電荷移動は
主に第1の微粒子体の状態により支配され、たとえば第
2の微粒子体の粒径が大きくても第1の微粒子体の粒径
が小さければ、そのトンネル確率は抑制されて低いもの
になる。
In this embodiment, the charge transfer between the semiconductor substrate and the first fine particles (silicon fine particles 3013) via the first barrier layer (thermally oxidized SiO 2 film 3012) and the second barrier First through a layer (SiO 2 film 3014)
There is a charge transfer between the microparticle (silicon microparticle 3013) and the second microparticle (gold microparticle 3015). The charge transfer probability through the first barrier layer is determined by the wave function of the state occupied by the electrons of the semiconductor substrate and the density and spatial overlap of the wave function of the empty state of the fine particles. In the semiconductor substrate and the first fine particles, the first fine particles have a much lower density of states and a smaller spread of the wave function.
The charge transfer is substantially controlled by the first fine particles.
Further, since the first fine particles have a smaller particle diameter than the second fine particles, the state density and the spread of the wave function are small, and the charge transfer between the first fine particles and the second fine particles is also the first fine particles. The particulate matter will dominate. As a result, the charge transfer between the semiconductor substrate and the second fine particle via the first fine particle is mainly governed by the state of the first fine particle. If the particle size of the fine particle 1 is small, the tunnel probability is suppressed and becomes low.

【0236】本発明の素子の具体的な電荷注入と電荷保
持な動作を以下に説明する。電荷注入時の書込み過程で
は、上部電極3017に外部から書込電圧を印可するこ
とにより、まず第1の障壁層(熱酸化SiO2 膜301
2)を介したトンネリングにより半導体基板3011か
ら電荷が引抜かれて第1の微粒子体(シリコン微粒子3
013)に移動する。この過程における第1の微粒子体
の電位や第1の微粒子体と半導体表面の関係は、ほぼ従
来技術の書き込み過程と同一であるので、従来技術によ
る素子とほぼ同じ速度で第1の微粒子体(シリコン微粒
子3013)への電荷移動が可能である。
The specific charge injection and charge holding operation of the device of the present invention will be described below. In the writing process at the time of charge injection, a writing voltage is applied to the upper electrode 3017 from the outside, so that the first barrier layer (the thermally oxidized SiO 2 film 301) is first applied.
The charge is extracted from the semiconductor substrate 3011 by tunneling through 2), and the first fine particles (silicon fine particles 3) are removed.
013). In this process, the potential of the first fine particles and the relationship between the first fine particles and the semiconductor surface are almost the same as those in the writing process of the prior art, so that the first fine particles ( Charge transfer to the silicon fine particles 3013) is possible.

【0237】本発明では、第1の微粒子体(シリコン微
粒子3013)上の電荷はさらに第2の障壁層(SiO
2 膜3014)を介して隣接する第2の微粒子体(金微
粒子3015)に移動することとなる。ここで、第2の
微粒子体の粒径が大きい場合、第1の微粒子体と第2の
微粒子体の間のトンネル遷移は、第1の微粒子体と半導
体基板の表面の間のトンネル遷移とほぼ同等の条件下に
ある。従って電位差が同じ場合には、半導体基板の表面
から第1の微粒子体(シリコン微粒子3013)への電
荷移動速度と第1の微粒子体から第2の微粒子体(金微
粒子3015)への電荷移動速度はぼぼ同じ程度とな
る。しかし、本実施形態では、既に電荷を有する第1の
微粒子体と電荷を持たない第2の微粒子体の間には、外
部からの書込電圧に加えて電荷による第1の微粒子体の
電位上昇(ΔV1 =Δq/Cdot1)(Δqは電荷量、C
dot1は第1の微粒子体の静電容量)に起因する電界が発
生している。静電容量が小さい第1の微粒子体(シリコ
ン微粒子3013)の電荷による電位上昇の効果は大き
く、第1の微粒子体から第2の微粒子体(金微粒子30
15)への電荷移動はさらに加速されることとなる。本
発明の書込み過程では2回のトンネル過程を経る必要が
あるが、第1の微粒子体(シリコン微粒子3013)か
ら第2の微粒子体(金微粒子3015)への電荷移動が
半導体基板から第1の微粒子体への電荷移動と同等以上
の速度で行われるので、全体の電荷移動速度は従来技術
による素子と同等の書込み速度を実現できる。なお、こ
こでは書込過程について記述したが、上部電極3017
に書込電圧と逆の電圧を印加して微粒子体から蓄積電荷
を放出させる消去過程においても同様である。
In the present invention, the charge on the first fine particles (silicon fine particles 3013) is further transferred to the second barrier layer (SiO 2
The second fine particles (gold fine particles 3015) move through the second film 3014). Here, when the particle diameter of the second fine particle is large, the tunnel transition between the first fine particle and the second fine particle is almost equal to the tunnel transition between the first fine particle and the surface of the semiconductor substrate. Under equivalent conditions. Therefore, when the potential difference is the same, the charge transfer speed from the surface of the semiconductor substrate to the first fine particles (silicon fine particles 3013) and the charge transfer speed from the first fine particles to the second fine particles (gold fine particles 3015) Is almost the same. However, in the present embodiment, the potential rise of the first fine particle due to the electric charge is applied between the first fine particle having the electric charge and the second fine particle having no electric charge in addition to the external writing voltage. (ΔV1 = Δq / Cdot1) (Δq is the charge amount, C
In dot1, an electric field is generated due to the capacitance of the first fine particles. The effect of increasing the potential due to the electric charge of the first fine particles (silicon fine particles 3013) having a small capacitance is large, and the first fine particles (the gold fine particles 3013) move from the first fine particles to the second fine particles (the gold fine particles 3013).
The charge transfer to 15) will be further accelerated. In the writing process of the present invention, it is necessary to go through two tunnel processes, but the charge transfer from the first fine particles (silicon fine particles 3013) to the second fine particles (gold fine particles 3015) is performed from the semiconductor substrate to the first Since the transfer is performed at a speed equal to or higher than the charge transfer to the fine particles, the entire charge transfer speed can realize a writing speed equivalent to that of the device according to the prior art. Although the writing process has been described here, the upper electrode 3017
The same applies to the erasing process in which a voltage opposite to the writing voltage is applied to the microparticles to release the accumulated charges from the microparticles.

【0238】書込みを終了して上部からの書込電圧を除
去すると、第1の微粒子体(シリコン微粒子3013)
と第2の微粒子体(金微粒子3015)はそれぞれの電
荷と静電容量に対応する電位になる。一部の第1の微粒
子体には余剰電荷を有するものもあるが、第1の微粒子
体は半導体基板に隣接しており、また静電容量が小さく
て電荷あたりの電位上昇も大きいので余剰電荷は速やか
に半導体基板に戻る。一方、第2の微粒子体ではその静
電容量Cdot2が大きいため、その電位上昇(ΔV2 =Δ
q/Cdot2)が低く抑制される。一方、第2の微粒子体
自身は粒径が大きく状態密度も大きいが、隣接する第1
の微粒子体の状態密度が低いため、電位上昇の低い第2
の微粒子体から第1の微粒子体への電荷移動確率は低く
抑制され、結果として第2の微粒子体に蓄積された電荷
は長期間保持されることとなる。
When the writing voltage is removed from above after the writing is completed, the first fine particles (silicon fine particles 3013)
And the second fine particles (gold fine particles 3015) have potentials corresponding to the respective charges and capacitances. Some of the first fine particles have surplus charges, but the first fine particles are adjacent to the semiconductor substrate and have a small capacitance and a large potential rise per charge. Quickly returns to the semiconductor substrate. On the other hand, the second fine particles have a large electrostatic capacitance Cdot2, and therefore have a potential rise (ΔV2 = ΔV2).
q / Cdot2) is suppressed low. On the other hand, the second fine particle itself has a large particle diameter and a large
The low state density of the fine particles of
The probability of charge transfer from the fine particles to the first fine particles is suppressed low, and as a result, the charges accumulated in the second fine particles are held for a long time.

【0239】なお、微粒子体が複数層に渡って設けられ
ていても、第1の微粒子体に対する第2の微粒子体の粒
径が同等である場合は、第2の微粒子体のほうが半導体
基板から離れているため半導体基板に対する静電容量が
減少し、上述のような効果は得られない。
Even if the fine particles are provided in a plurality of layers, if the particle diameter of the second fine particles is the same as that of the first fine particles, the second fine particles are more easily removed from the semiconductor substrate. Since they are separated, the capacitance with respect to the semiconductor substrate decreases, and the above-described effects cannot be obtained.

【0240】上記では本発明による素子の書込・消去速
度を従来の半導体素子と同等と述べたが、リーク電流が
抑制されて電荷保持が安定化される効果を利用して、さ
らに障壁層の厚さを薄くすることにより書込・消去速度
の高速化や書込・消去電圧の低電圧化を実現することも
できる。
In the above description, the writing / erasing speed of the device according to the present invention is equivalent to that of the conventional semiconductor device. By reducing the thickness, it is possible to realize a high writing / erasing speed and a low writing / erasing voltage.

【0241】第1の微粒子体の状態が量子化され、量子
準位のエネルギー間隔が室温の熱エネルギーおよび第2
の微粒子体の電位上昇に比べて大きい場合は、次に示す
ようにさらなる電荷保持の安定化が可能である。図26
(a)〜(c)は、注入電荷として電子を用いる場合の
伝導帯付近のバンド構造の概略図を示す。図26(a)
に示すように、微粒子体に電荷が無い状態で、第1の微
粒子体(シリコン微粒子3013)が量子化され、その
基底準位3031は電子が占め、第1励起準位3032
は空で両者のエネルギー間隔が熱エネルギーより十分大
きいとする。外部より書込みのため電界を加えると、図
26(b)のように半導体基板から第1励起準位303
2を介したトンネル過程3033により電子が第2の微
粒子体(金微粒子3015)に注入される。この後、外
部電界を除くと第2の微粒子体の粒径が大きい場合、図
26(c)のように第2の微粒子体のフェルミレベル3
034は第1励起準位3032より低くなる。両者の差
が熱エネルギーよりも大きい場合は電荷の放出が困難と
なり、第2の微粒子体内の電荷が安定に保持されること
となる。ここでは電子が注入電荷として用いられる場合
について述べたが、正孔を用いる場合も同様の効果があ
る。
The state of the first fine particles is quantized, and the energy interval between the quantum levels is equal to the thermal energy at room temperature and the second energy level.
When the potential is larger than the potential rise of the fine particles, the charge retention can be further stabilized as described below. FIG.
(A)-(c) are schematic diagrams of a band structure near a conduction band when electrons are used as injected charges. FIG. 26 (a)
As shown in (1), the first fine particle (silicon fine particle 3013) is quantized in a state where the fine particle has no electric charge, and its ground level 3031 is occupied by electrons, and the first excitation level 3032
Is empty and the energy interval between them is sufficiently larger than the heat energy. When an electric field is applied for writing from the outside, the first excitation level 303 is removed from the semiconductor substrate as shown in FIG.
Electrons are injected into the second fine particles (gold fine particles 3015) by a tunneling process 3033 through 2. Thereafter, when the particle diameter of the second fine particles is large when the external electric field is removed, the Fermi level of the second fine particles is 3 as shown in FIG.
034 is lower than the first excitation level 3032. If the difference between the two is larger than the heat energy, it becomes difficult to release the charges, and the charges in the second fine particles are stably held. Here, the case where electrons are used as injected charges has been described, but the same effect can be obtained when holes are used.

【0242】−微粒子体のバンド構造と電荷の移動・保
持との関係− 図27(a)〜(c)は、電荷として電子を用いる場合
における半導体基板(又は基板上の半導体層)−第2の
微粒子体間の電圧の高低と電荷の移動特性とのより好ま
しい関係を説明するための半導体基板,第1の障壁層,
第1の微粒子体,第2の障壁層及び第2の微粒子体の伝
導帯端のみを示すバンド図である。図27(a)は、電
圧が印加されていないときの状態を示す図である。同図
に示すように、この例においては、第1の微粒子体の電
子親和力χe1よりも第2の微粒子体の電子親和力χe2の
方が大きい。その結果、図27(b)に示すように、第
2の微粒子体と半導体基板その間で第2の微粒子体の方
が高電位となるように電界を印加した場合、半導体基板
から第1の微粒子体を経て第2の微粒子体に容易に電子
が流れる。一方、図27(c)に示すように、第2の微
粒子体に電荷が蓄積され、その結果、第2の微粒子体の
方が低電位となる弱い電界が発生した場合、第1の微粒
子体から第2の微粒子体への電子の移動が困難となる。
つまり、半導体基板側に所定の高い電界を印加しない
と、第1の微粒子体から第2の微粒子体を経て半導体基
板側に電子が移動するのが困難となる。言い換えると、
第2の微粒子体における電荷の保持が容易となる。ま
た、第2の微粒子体の電子親和力χe2の大きさが半導体
基板の電子親和力χsmに比べて大きいことにより、第2
の微粒子体の伝導帯端のポテンシャルが半導体基板の伝
導帯端のポテンシャルよりも高くなるのを抑制でき、電
荷保持力がより向上する。特に、第1の微粒子体が半導
体材料により構成され、第2の微粒子体が金属材料によ
り構成されていることにより、第2の微粒子体の伝導帯
端のポテンシャルの上昇抑制効果が大きい。
-Relationship Between Band Structure of Fine Particles and Transfer / Hold of Electric Charge- FIGS. 27A to 27C show a semiconductor substrate (or a semiconductor layer on the substrate) in the case where electrons are used as electric charges. A semiconductor substrate, a first barrier layer, and the like for explaining a more preferable relationship between a voltage level between fine particles and charge transfer characteristics.
FIG. 4 is a band diagram showing only conduction band edges of a first fine particle, a second barrier layer, and a second fine particle. FIG. 27A is a diagram showing a state when no voltage is applied. As shown in the figure, in this example, the electron affinity χe2 of the second fine particle is larger than the electron affinity χe1 of the first fine particle. As a result, as shown in FIG. 27B, when an electric field is applied between the second fine particle and the semiconductor substrate so that the second fine particle has a higher potential, the first fine particle is removed from the semiconductor substrate. Electrons easily flow through the body to the second particulate body. On the other hand, as shown in FIG. 27 (c), when charges are accumulated in the second fine particles, and as a result, a weak electric field is generated in which the second fine particles have a lower potential, the first fine particles It is difficult to transfer electrons from the particles to the second fine particles.
That is, unless a predetermined high electric field is applied to the semiconductor substrate, it becomes difficult for electrons to move from the first fine particles to the semiconductor substrate via the second fine particles. In other words,
It is easy to hold the electric charge in the second fine particles. Further, since the magnitude of the electron affinity χe2 of the second fine particles is larger than the electron affinity χsm of the semiconductor substrate, the second
It can be suppressed that the potential at the conduction band edge of the fine particles becomes higher than the potential at the conduction band edge of the semiconductor substrate, and the charge retention power is further improved. In particular, since the first fine particles are made of a semiconductor material and the second fine particles are made of a metal material, the effect of suppressing the increase in the potential at the conduction band edge of the second fine particles is large.

【0243】一方、電荷が正孔の場合には、図27
(a)〜(c)から容易に類推できるように、第2の微
粒子体の電子親和力χe2と禁制帯幅gy2との和(χe2+
gy2)が、第1の微粒子体の電子親和力χe1と禁制帯幅
gy1との和(χe1+gy1)よりも小さいことにより、第
2の微粒子体の価電子帯端のポテンシャルの上昇を抑制
できるので電荷保持が容易となる。また、第2の微粒子
体の電子親和力χe2と禁制帯幅gy2との和(χe2+gy
2)が、半導体基板の電子親和力χsmと禁制帯幅gsmと
の和(χsm+gsm)に比べて小さいことにより、第2の
微粒子体の価電子帯端のポテンシャルの上昇抑制効果が
大きい。
On the other hand, when the charges are holes,
As can be easily analogized from (a) to (c), the sum (χe2 +
gy2) is smaller than the sum (χe1 + gy1) of the electron affinity χe1 of the first fine particle and the forbidden band width gy1. Therefore, it is possible to suppress an increase in the potential at the valence band edge of the second fine particle, so that the electric charge is retained. Becomes easier. Also, the sum of the electron affinity χe2 of the second fine particle and the forbidden band width gy2 (χe2 + gy
2) is smaller than the sum of the electron affinity χsm of the semiconductor substrate and the forbidden band width gsm (χsm + gsm), so that the effect of suppressing the potential increase at the valence band edge of the second fine particles is large.

【0244】−第1の微粒子体の粒径及び粒径比と電荷
の移動・保持との関係− 次に、第1の微粒子体の粒径と、第1,第2の微粒子体
の粒径比とが電荷の保持特性に与える影響について説明
する。
-Relationship between Particle Size and Ratio of First Fine Particle and Transfer / Hold of Electric Charge- Next, the particle size of the first fine particle and the particle size of the first and second fine particles The effect of the ratio on the charge retention characteristics will be described.

【0245】図28に示すように、上部電極と基板上導
電層(半導体基板)との間の距離をtg 、互いに接する
第1の微粒子体と第2の微粒子体の距離をd、第1の微
粒子体の半径をr1 、第2の微粒子体の半径をr2 、絶
縁体および障壁層の誘電率をε、単位電荷をeとする。
As shown in FIG. 28, the distance between the upper electrode and the conductive layer on the substrate (semiconductor substrate) is tg, the distance between the first and second fine particles in contact with each other is d, Let r1 be the radius of the fine particle, r2 be the radius of the second fine particle, ε be the dielectric constant of the insulator and the barrier layer, and e be the unit charge.

【0246】ここで、半導体基板の導電層の電位を0V
に固定しておいて、電荷保持時には、上部電極の電位V
gを0Vとし、電荷の注入および放出はVgを制御する
ことによって行うものとする。
Here, the potential of the conductive layer of the semiconductor substrate is set to 0 V
At the time of charge retention, the potential V of the upper electrode
g is set to 0 V, and charge injection and release are performed by controlling Vg.

【0247】まず、微粒子体に電荷が無い状態でVg=
0として電荷の無い状態の保持を行う際には、半導体基
板側から微粒子体へ電荷が拡散により自然に注入してし
まわないことが必要である。
First, Vg =
In order to maintain the state without charge as 0, it is necessary that the charge is not naturally injected from the semiconductor substrate side to the fine particles by diffusion.

【0248】基板上の導電層から、基板に隣接する第1
の微粒子体に電荷を注入する過程で、第1の微粒子体の
充電エネルギーΔE1 は、下記式 ΔE1 =(e2 /8πε)・(1/r1 ) のように表される。
From the conductive layer on the substrate, the first
Of the particulate matter in the process of injecting the charge, charge energy .DELTA.E1 the first particulate matter is represented by the following formula ΔE1 = (e 2 / 8πε) · (1 / r1).

【0249】ここで、Vg=0のときには、第2の微粒
子体に電荷が無い状態に比較して、第2の微粒子体に電
荷が注入された状態はエネルギー的に高いので、第1の
微粒子体に移動した電荷のうち多くは基板に戻り、第2
の微粒子体にまで移動する確率は高くない。しかし、半
導体基板は量子化されていないのでその状態密度は高
く、半導体基板と半導体基板に隣接する第1の微粒子体
間の電荷移動は比較的起こりやすい。
Here, when Vg = 0, the state in which electric charge is injected into the second fine particle is higher in energy than the state in which no electric charge is present in the second fine particle. Most of the charge transferred to the body returns to the substrate,
The probability of moving to the fine particles is not high. However, since the semiconductor substrate is not quantized, its state density is high, and charge transfer between the semiconductor substrate and the first fine particles adjacent to the semiconductor substrate is relatively easy to occur.

【0250】そこで、上述の充電エネルギーΔE1 を熱
エネルギーkT(k:ボルツマン定数、T:絶対温度)
よりも高くすることにより(ΔE1>kT)、熱的に励
起された電荷の注入を抑制することができる。その場
合、第1の微粒子体の粒径が5nm以下であれば、充電
エネルギーΔE1 が熱エネルギーkTに比較して十分大
きくなり、電荷の自然注入を防ぐことができる。また、
さらに長期の電荷の保持が要求される場合には、第1の
微粒子体の粒径が2nm以下であれば、充電エネルギー
ΔE1 が熱エネルギーkTの7倍以上となる。このとき
には、電子の励起確率が通常の1/1000以下となる
ので、素子の情報保持状態をより安定化できる点で好ま
しいといえる。
Therefore, the above-mentioned charging energy ΔE1 is converted into thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature)
By setting it higher (ΔE1> kT), injection of thermally excited charges can be suppressed. In this case, if the particle diameter of the first fine particles is 5 nm or less, the charging energy ΔE1 becomes sufficiently larger than the thermal energy kT, and the spontaneous injection of electric charges can be prevented. Also,
In the case where long-term charge retention is required, if the particle diameter of the first fine particles is 2 nm or less, the charging energy ΔE1 becomes 7 times or more the thermal energy kT. At this time, the excitation probability of electrons is 1/1000 or less of the normal value, which is preferable in that the information holding state of the element can be further stabilized.

【0251】次に、メモリ素子における情報の書き込み
時等には、上部電極に正の電圧Vg(charge)の電圧を
印加して電界を与え、基板側から第2の微粒子体に電荷
を注入する。このときは、上記充電エネルギーΔE1 に
抗する電界を印加して第1の微粒子体に電荷を注入し、
第2の微粒子体まで移動させる必要がある。従って、あ
まりに第1の微粒子体の粒径が小さいと充電エネルギー
ΔE1 が過大になり、電荷の注入が阻害される可能性が
有る。しかし、前述のように、半導体基板の状態密度は
高いので半導体基板と第1の微粒子体との間の電荷移動
は比較的起こりやすい。また、さらにVg(charge)の
印加により、第2の微粒子体におけるエネルギー状態
は、電荷が注入される前よりも電荷が注入された状態の
方がポテンシャルが低いので、第1の微粒子体に移動し
た電荷は速やかに第2の微粒子体に注入される。この結
果、実際には、第1の微粒子体の粒径の下限への制限は
緩やかで、粒径が原子サイズオーダーの0.1nm以上
であれば電荷の注入が可能であり、イオン注入により導
入した原子やそれに起因する準位を第1の微粒子体とし
て用いることも可能である。すなわち、第1の微粒子体
の粒径の下限は約0.1nmである。
Next, at the time of writing information in the memory element or the like, a positive voltage Vg (charge) is applied to the upper electrode to apply an electric field, and charges are injected into the second fine particles from the substrate side. . At this time, an electric field is applied to the first microparticles by applying an electric field against the charging energy ΔE1.
It is necessary to move to the second fine particle. Therefore, if the particle diameter of the first fine particles is too small, the charging energy ΔE1 becomes excessive, and there is a possibility that the injection of charges is hindered. However, as described above, since the state density of the semiconductor substrate is high, charge transfer between the semiconductor substrate and the first fine particles is relatively easy to occur. Further, by the application of Vg (charge), the energy state of the second fine particles moves to the first fine particles since the potential is lower in the state where the charges are injected than before the injection of the charges. The charged charges are immediately injected into the second fine particles. As a result, in practice, the lower limit of the particle size of the first fine particles is gradual, and if the particle size is 0.1 nm or more in the order of the atomic size, electric charge can be injected. It is also possible to use the atom and the level resulting therefrom as the first fine particles. That is, the lower limit of the particle size of the first fine particles is about 0.1 nm.

【0252】なお、特に高速動作を必要とする用途にお
いては、第1の微粒子体の粒径を0.5nm以上とする
ことにより、第1の微粒子体の充電エネルギーΔE1 が
過大になるのを抑制でき、迅速な電荷注入が可能となる
ので望ましい。
In particular, in applications requiring high-speed operation, by setting the particle diameter of the first fine particles to 0.5 nm or more, the charging energy ΔE1 of the first fine particles is prevented from becoming excessive. This is desirable because charge injection can be performed quickly.

【0253】次に、第2の微粒子体に単一の電荷を蓄積
した状態でVg=0として電荷保持を行う際には、微粒
子体側から基板側へ自然に電荷が放出してしまわないこ
とが必要である。本発明においては、電荷の放出は第2
の微粒子体からこれに隣接する第1の微粒子体への電荷
移動の過程で決定される。この電荷移動に伴う電子のエ
ネルギー変化(ΔE1 −ΔE2 )は第1の微粒子体と第
2の微粒子体の粒径比(r2 /r1 )をfとすると、下
記式 ΔE1 −ΔE2 ={e2 (f−1)}/8π・f・r1 によって表される。ここで、第1の微粒子体の状態密度
は基板表面に比較して低いので、第2の微粒子から第1
の微粒子への電荷移動あるいはその逆の電荷移動は、第
1の微粒子体−半導体基板表面間の電荷移動に比較して
起こりにくい。しかし、熱励起作用によって第2の微粒
子体のバンドエネルギーが高められると、第1の微粒子
体に電荷がある確率で移動することになる。そして、第
1の微粒子体にいったん電荷が保持されると、上述のよ
うに微粒子体間よりも第1の微粒子−半導体基板間の方
が電界移動が容易であることから、第1の微粒子体の電
荷の多くは半導体基板に移動することになる。従って、
このような遷移をくい止めて安定して電荷を保持するた
めには、エネルギー変化が熱ΔE1 −ΔE2 >kTとす
ることが望ましい。例えば、第1の微粒子体の粒径を5
nm以下とすると、第1の微粒子体と第2の微粒子体の
粒径比fが1.8倍以上であれば、エネルギー変化(Δ
E1 −ΔE2 )が熱エネルギーkTより大きくなるの
で、電荷の自然放出を防ぐことができる。また、さらに
長期の電荷保持が要求される場合、粒径比fが4倍以上
であることにより、電荷の保持をさらに安定化すること
ができる点で好ましい。
Next, when the electric charge is held at Vg = 0 in the state where a single electric charge is accumulated in the second fine particle, the electric charge may not be spontaneously released from the fine particle to the substrate. is necessary. In the present invention, the release of the charge is the second
Is determined in the process of charge transfer from the fine particle of the above to the first fine particle adjacent thereto. If the electron energy changes associated with charge transfer (ΔE1 -ΔE2) is the particle size ratio of the first particulate matter and the second particle body (r2 / r1) is is f, the following formula ΔE1 -ΔE2 = {e 2 ( f-1) It is represented by} / 8π · f · r1. Here, since the state density of the first fine particles is lower than the substrate surface, the second fine particles
The charge transfer to the fine particles or vice versa is less likely to occur than the charge transfer between the first fine particles and the surface of the semiconductor substrate. However, when the band energy of the second fine particles is increased by the thermal excitation, the first fine particles move with a certain probability. Then, once the electric charge is retained in the first fine particles, the electric field moves more easily between the first fine particles and the semiconductor substrate than between the fine particles as described above. Most of the electric charges of the semiconductor substrate move to the semiconductor substrate. Therefore,
In order to suppress such a transition and stably hold the charge, it is desirable that the energy change be heat ΔE1−ΔE2> kT. For example, if the particle size of the first fine particles is 5
When the particle diameter ratio f of the first fine particles to the second fine particles is 1.8 times or more, the energy change (Δ
E1 -.DELTA.E2) is larger than the thermal energy kT, so that spontaneous release of electric charges can be prevented. Further, when charge retention for a longer period is required, it is preferable that the particle size ratio f is 4 times or more, since the charge retention can be further stabilized.

【0254】また、上部電極にVg(discharge )の電
圧を印加して外部より電界を与え、第2の微粒子体に蓄
積された電荷を放出させる際には、第2の微粒子体上の
電荷が迅速に基板側へ移動する必要がある。このときに
は、エネルギー変化(ΔE1−ΔE2 )に抗する電界を
印加して第2の微粒子体から第1の微粒子体に電荷を注
入し、この電荷を半導体基板まで移動させる必要があ
る。ここで、電圧Vg(discharge )の印加により、第
2の微粒子体から電荷が放出される前の状態に比較し
て、第2の微粒子体から半導体基板に電荷が移動した状
態の方をエネルギー的に低くすることができ、その場合
には、第2の微粒子体から第1の微粒子体に電荷が移動
する確率が高まる。また、第1の微粒子体に移動した電
荷は、上述のようにほとんど半導体基板に放出される。
しかし、微粒子体の状態密度は、半導体基板表面に比較
して低いので、微粒子体間の電荷移動は微粒子体−半導
体基板表面間の電荷移動に比較して起こりにくい。
When a voltage of Vg (discharge) is applied to the upper electrode to apply an electric field from the outside and release the charges accumulated in the second fine particles, the charges on the second fine particles are discharged. It is necessary to move quickly to the substrate side. At this time, it is necessary to apply an electric field against the energy change (ΔE1−ΔE2) to inject charges from the second fine particles to the first fine particles, and move the charges to the semiconductor substrate. Here, by the application of the voltage Vg (discharge), the state in which the charge is transferred from the second fine particle to the semiconductor substrate is more energetically compared to the state before the charge is released from the second fine particle. In this case, the probability that charges move from the second fine particles to the first fine particles increases. In addition, most of the charge transferred to the first fine particles is discharged to the semiconductor substrate as described above.
However, since the state density of the fine particles is lower than that of the semiconductor substrate surface, the charge transfer between the fine particles is less likely to occur than the charge transfer between the fine particles and the semiconductor substrate surface.

【0255】そこで、前述の第2の微粒子体から第1の
微粒子体への電荷移動に伴う電子のエネルギー変化(Δ
E1 −ΔE2 )を、外部からの電界による二つの微粒子
体の電位差によるエネルギー変化ΔE’ ΔE’=eVg (discharge )・(d/tg ) に比較して、同等あるいは同等以下とすることにより、
容易に第2の微粒子体上の電荷を放出させることができ
る。ここで、第1の微粒子体の粒径が0.1nm以上で
あることで、容易にエネルギー変化(ΔE1 −ΔE2 )
をΔE’と同等にすることができ、迅速な電荷消去を行
うことができる。
Therefore, the energy change of the electrons (ΔΔ) due to the charge transfer from the second fine particles to the first fine particles described above.
E1−ΔE2) is equal to or less than the energy change ΔE ′ ΔE ′ = eVg (discharge) · (d / tg) due to the potential difference between the two fine particles due to an external electric field.
The charges on the second fine particles can be easily released. Here, when the particle diameter of the first fine particles is 0.1 nm or more, the energy change (ΔE1−ΔE2) can be easily made.
Can be made equal to ΔE ′, and quick charge erasure can be performed.

【0256】また、さらに第1の微粒子体の粒径を0.
5nm以上とすることにより、エネルギー変化(ΔE1
−ΔE2 )をΔE’より十分低くすることができ、高速
動作が可能となるので望ましい。
Further, the particle diameter of the first fine particles is set to 0.1.
By making the thickness 5 nm or more, the energy change (ΔE1
-.DELTA.E2) can be made sufficiently lower than .DELTA.E ', which enables high-speed operation.

【0257】−第2の微粒子体の粒径及び粒径比と電荷
の移動・保持との関係− 次に、第2の微粒子体の粒径と、第1,第2の微粒子体
の粒径比の上限について説明する。
-Relationship between Particle Size and Particle Size Ratio of Second Fine Particle and Transfer / Hold of Charge-Next, the particle size of the second fine particle and the particle size of the first and second fine particles The upper limit of the ratio will be described.

【0258】本発明を利用する典型的な半導体素子とし
て、0.4μm角程度の電荷蓄積領域を有する素子を考
える。これは、例えばMIS型トランジスタ素子のゲー
ト幅およびゲート長が0.4μmであることに対応す
る。ここで、第2の微粒子体が多数分散していることに
より、障壁層の欠陥等に起因するリーク電流への耐性を
向上することができる。そこで、第2の微粒子体の粒径
を30nm以下とすることにより、上記半導体素子にお
いて電荷蓄積領域に平均40個以上と多数の第2の微粒
子体を設けることができる。
As a typical semiconductor device utilizing the present invention, a device having a charge accumulation region of about 0.4 μm square will be considered. This corresponds to, for example, the gate width and gate length of the MIS transistor element being 0.4 μm. Here, since a large number of the second fine particles are dispersed, resistance to a leak current due to a defect or the like of the barrier layer can be improved. Therefore, by setting the particle diameter of the second fine particles to 30 nm or less, it is possible to provide as many as 40 or more second fine particles on average in the charge accumulation region in the semiconductor element.

【0259】また、さらに微細化した素子に対しては、
第2の微粒子体の粒径を10nm以下とすることによ
り、例えば0.13μm角の電荷蓄積領域にも同様に多
数の第2の微粒子体を設けることができる。
For a further miniaturized element,
By setting the particle diameter of the second fine particles to 10 nm or less, a large number of second fine particles can be similarly provided in the charge accumulation region of, for example, 0.13 μm square.

【0260】前述のように、第1の微粒子体の粒径は
0.1nm以上であるから、第2の微粒子体の粒径r2
と第1の微粒子体の粒径r1 との比fは300倍以下で
あることが好ましい。また、特に微細化した素子に対し
ては粒径比を100倍以下にすることが、より好まし
い。
As described above, since the particle size of the first fine particles is 0.1 nm or more, the particle size r2 of the second fine particles is
The ratio f between the particle diameter r1 of the first fine particles and the particle diameter r1 is preferably 300 times or less. Further, it is more preferable to make the particle diameter ratio 100 times or less especially for a miniaturized element.

【0261】一方、第2の微粒子体の粒径をあまり小さ
くすると、下記式 ΔE2 =(e2 /8πε)・(1/r2 ) によって表される電荷を注入した際の電位上昇ΔE2 が
大きくなり、蓄積された電荷が不安定となる。ここで、
第2の微粒子体の粒径を1nm以上とすることにより、
過大な電位上昇を抑制し、電荷保持が容易となる。特
に、第2の微粒子体の粒径を3nm以上とすることによ
り、長期の電荷保持が容易となる。
On the other hand, when the particle diameter of the second fine particles is made too small, the potential rise ΔE2 when the electric charge represented by the following formula ΔE2 = (e 2 / 8πε) · (1 / r2) is injected becomes large. , The accumulated charge becomes unstable. here,
By setting the particle size of the second fine particles to 1 nm or more,
Excessive rise in potential is suppressed, and charge retention is facilitated. In particular, when the particle diameter of the second fine particles is 3 nm or more, long-term charge retention becomes easy.

【0262】以上から、第2の微粒子体の粒径r2 は、
第1の微粒子体の粒径r1 に対して1.8倍以上300
倍以下とすることが好ましい。なお、微細化した半導体
素子において、電荷保持をより安定化させるには、第2
の微粒子体の粒径r2 は、第1の微粒子体の粒径r1 に
対して4倍以上100倍以下であることが、より好まし
い。
From the above, the particle diameter r2 of the second fine particles is:
1.8 times or more 300 times the particle diameter r1 of the first fine particles
It is preferable to set it to twice or less. In order to further stabilize charge retention in a miniaturized semiconductor device, the second
The particle size r2 of the fine particles is more preferably 4 times or more and 100 times or less the particle size r1 of the first fine particles.

【0263】また、第1の微粒子体の粒径r1 は、0.
1nm以上5nm以下であることが好ましい。なお、高
速で動作させ、また電荷保持をより安定化させるには第
1の微粒子体の粒径r1 は0.5nm以上2nm以下で
あることがより好ましい。
Further, the particle diameter r 1 of the first fine particles is 0.1.
The thickness is preferably 1 nm or more and 5 nm or less. In order to operate at a high speed and stabilize the charge retention, the particle diameter r1 of the first fine particles is more preferably 0.5 nm or more and 2 nm or less.

【0264】また、第2の微粒子体の粒径r2 は、1n
m以上30nm以下であることが好ましい。なお、微細
化した半導体素子において、電荷保持をより安定化させ
るには、第2の微粒子体の粒径r2 は、3nm以上10
nm以下とすることがより好ましい。
The particle diameter r 2 of the second fine particles is 1n
It is preferably not less than m and not more than 30 nm. In order to further stabilize charge retention in a miniaturized semiconductor device, the particle size r2 of the second fine particles should be 3 nm or more and 10 nm or more.
It is more preferable to set it to nm or less.

【0265】以上のように、本実施形態の半導体素子で
は、電荷保持を担う微粒子体と電荷移動を制御する微粒
子体を独立に設け、各々の機能を特化させることにより
書込・消去が高速でかつ、従来になく長時間の電荷保持
が可能で信頼性の高い微粒子体への電荷注入、保持、消
去の手段が提供される。
As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the fine particles for holding the charges and the fine particles for controlling the charge transfer are independently provided, and the writing and erasing can be performed at high speed by specializing the respective functions. In addition, there is provided means for injecting, holding, and erasing charge into the fine particles, which can hold charges for a longer time than ever before and has high reliability.

【0266】本実施形態では、微粒子体中に注入・蓄積
される電荷としては、電子と正孔のいずれをも利用可能
である。
In the present embodiment, both electrons and holes can be used as the electric charge injected and accumulated in the fine particles.

【0267】また本実施形態では、半導体基板としてp
型のシリコン基板を用いたが、同様にn型の半導体基板
やその他の材料の半導体基板を用いることもできる。注
入電荷として電子を用いる場合はn型の半導体基板を、
また注入電荷として正孔を用いる場合はp型の半導体基
板を用いることにより、蓄積電荷の放出の抑制が容易と
なり、より好ましい。
In this embodiment, the semiconductor substrate is p
Although a silicon substrate of a type is used, an n-type semiconductor substrate or a semiconductor substrate of another material can be used in the same manner. When using electrons as the injected charges, an n-type semiconductor substrate is used.
In the case where holes are used as the injected charges, the use of a p-type semiconductor substrate makes it easier to suppress the release of accumulated charges, which is more preferable.

【0268】また、本実施形態では、微粒子体としてシ
リコン微粒子と金微粒子を用いたが、同様に金属や他の
半導体材料を用いることもできる。
In this embodiment, silicon fine particles and gold fine particles are used as fine particles, but metals and other semiconductor materials can be used in the same manner.

【0269】また、本実施形態では、第2の微粒子体と
半導体基板の間に第1の障壁層と第2の障壁層にはさま
れた第1の微粒子体を1層のみ設けているが、第1の微
粒子体を複数層設け、各層の間にさらに障壁層をはさん
だ構造によりさらに第2の微粒子体内の電荷保持を安定
化させることもできる。
Further, in this embodiment, only one layer of the first fine particles sandwiched between the first barrier layer and the second barrier layer is provided between the second fine particles and the semiconductor substrate. The structure in which a plurality of first fine particles are provided and a barrier layer is further interposed between the layers can further stabilize the charge retention in the second fine particles.

【0270】(第17の実施形態)図29は、本発明の
第17の実施形態における半導体メモリ素子の断面図で
ある。同図に示すように、半導体メモリ素子は、半導体
基板であるp型シリコン基板3041中に形成されたソ
ース領域あるいはドレイン領域として機能するn型領域
3042と、ソース/ドレイン電極である金属電極30
49と、ゲート絶縁膜である厚さが7nmのSiO2
ート絶縁層3047と、ゲート電極であるn型多結晶シ
リコン電極3048とを備え、MIS型トランジスタ構
造を有している。また、上記MIS型トランジスタ構造
のゲート絶縁膜3047と半導体基板3041の間に、
以下の部材が設けらている。半導体基板上には電荷の移
動に対して障壁として機能する第1の障壁層として、厚
さ1.9nm程度の熱酸化SiO2 膜3043が設けら
れている。また、上記第1の障壁層である熱酸化SiO
2 膜3043の上に、第1の微粒子体として直径2.5
nmのシリコン微粒子3044が設けられている。ま
た、上記第1の微粒子体であるシリコン微粒子3044
の上に、電荷の移動に対して障壁として機能する第2の
障壁層である厚さ1.8nm程度のSiO2 膜3045
が設けられている。また上記第2の障壁層であるSiO
2 膜3045の上に、第2の微粒子体として直径6nm
の金微粒子3046が設けられている。ここで、シリコ
ン微粒子の面内密度は1×1011cm -2〜1×1013
-2、金微粒子の面内密度は1×1010cm-2〜1×1
12cm-2程度である。
(Seventeenth Embodiment) FIG.
FIG. 21 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a seventeenth embodiment.
is there. As shown in FIG.
A source formed in a p-type silicon substrate 3041 as a substrate
N-type region functioning as source region or drain region
3042 and a metal electrode 30 which is a source / drain electrode
49 and SiO having a thickness of 7 nm as a gate insulating film.Two Get
A gate insulating layer 3047 and an n-type polycrystalline silicon
And a recon electrode 3048 and a MIS transistor structure.
It has structure. In addition, the MIS transistor structure
Between the gate insulating film 3047 and the semiconductor substrate 3041
The following members are provided. Charge transfer on the semiconductor substrate
As a first barrier layer that functions as a barrier against movement,
Thermally oxidized SiO of about 1.9 nmTwo Provided with a film 3043
Have been. In addition, the thermally oxidized SiO, which is the first barrier layer,
Two On the film 3043, a first fine particle having a diameter of 2.5
nm silicon fine particles 3044 are provided. Ma
In addition, silicon fine particles 3044 as the first fine particles
On top of a second that acts as a barrier to charge transfer
SiO having a thickness of about 1.8 nm as a barrier layerTwo Membrane 3045
Is provided. Further, the second barrier layer SiO 2
Two On the film 3045, as a second fine particle, a diameter of 6 nm
Gold particles 3046 are provided. Where silico
The in-plane density of the fine particles is 1 × 1011cm -2~ 1 × 1013c
m-2The in-plane density of the gold fine particles is 1 × 10Tencm-2~ 1 × 1
012cm-2It is about.

【0271】本実施形態でも、第16の実施形態と同様
の原理により、微粒子体への電荷の注入・保持・放出を
制御できる構造を実現できる。さらに、本実施形態では
電荷を保持する構造がMIS型トランジスタ構造のゲー
ト領域に形成されていることにより、第2の微粒子体中
に電荷が保持されている状態と電荷が無い状態とではM
IS型トランジスタ特性の閾値電圧が変化する。これに
より、低電圧・高速かつ長期間の記録が可能な不揮発性
の半導体メモリ素子として動作する。さらに単一素子に
より基本的なメモリ動作が実現されるので高密度の集積
化が可能である。
In this embodiment, a structure capable of controlling the injection, holding, and release of electric charge to the fine particles can be realized by the same principle as that of the sixteenth embodiment. Further, in the present embodiment, since the structure for holding the charge is formed in the gate region of the MIS transistor structure, M is different between the state where the charge is held in the second fine particle and the state where the charge is not present.
The threshold voltage of the IS transistor characteristic changes. Thereby, it operates as a non-volatile semiconductor memory element capable of low-voltage, high-speed and long-term recording. Furthermore, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0272】本実施形態においては、図29に示すよう
に、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部およ
び上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領域
の上部および上記ソース領域に接する領域において微粒
子体が存在しない部分が設けられているので、ソース領
域からドレイン領域に電圧を印加した際に上記微粒子体
を介して短絡した電流が流れることを防止することがで
きる。
In this embodiment, as shown in FIG. 29, fine particles are present at least in the gate region above the source region and in contact with the source region, or in the drain region and in contact with the source region. Since the portion not provided is provided, it is possible to prevent a short-circuited current from flowing through the fine particles when a voltage is applied from the source region to the drain region.

【0273】また、本実施形態において、微粒子体の設
けられた領域が少なくともソース−ドレイン間の短絡電
流を妨げる方向で複数の領域に分割された形状を有する
ことにより、ソース領域からドレイン領域に電圧を印加
した際に上記微粒子体を介して短絡した電流が流れるこ
とを防止することもできる。
In this embodiment, since the region provided with the fine particles is divided into a plurality of regions at least in a direction in which a short-circuit current between the source and the drain is prevented, a voltage is applied from the source region to the drain region. When short-circuiting is applied, the short-circuited current can be prevented from flowing through the fine particles.

【0274】(第18の実施形態)図30は、本発明の
第18の実施形態における半導体素子の断面図である。
同図に示すように、半導体基板であるp型シリコン基板
3051上に、電荷の移動に対して障壁として機能する
表面障壁層である厚さ1nm程度の熱酸化SiO2膜3
052aが設けられている。また、表面障壁層である熱
酸化SiO2 膜3052aの上に、電荷の移動に対して
障壁として機能するSiO2 膜が設けられ、このSiO
2 膜に第1の微粒子体であるシリコン微粒子3054が
分散した微粒子分散層であるSiOx 層(1.5<x<
2)からなるシリコン過多酸化膜3053が設けられて
いる。また、微粒子分散層であるシリコン過多酸化膜
(Silicon rich oxide)3053の上に、障壁層として
機能する堆積SiO2 膜3052bが設けられている。
そして、堆積SiO2 膜2052bの上に、第2の微粒
子体である直径2nmの金微粒子3055が設けられて
いる。また、上記第2の微粒子体である金微粒子305
5の上に絶縁体層である厚さ8nmのSiO2 膜305
6が設けられており、最上部に電極層であるn型多結晶
シリコン電極3057が設けられている。金微粒子30
55は、金コロイド溶液へのウエハ浸漬により、直径2
〜5nmの微粒子が1×1010cm-2〜1×1012cm
-2程度の面内密度で固定されたものである。
(Eighteenth Embodiment) FIG. 30 is a sectional view of a semiconductor device according to an eighteenth embodiment of the present invention.
As shown in the figure, a thermally oxidized SiO 2 film 3 having a thickness of about 1 nm, which is a surface barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges, is formed on a p-type silicon substrate 3051 which is a semiconductor substrate.
052a is provided. Further, on the thermal oxide SiO 2 film 3052a is a surface barrier layer, the SiO 2 film is provided serves as a barrier to the movement of charge, the SiO
An SiO x layer (1.5 <x <) as a fine particle dispersion layer in which silicon fine particles 3054 as the first fine particles are dispersed in two films.
The silicon excessive oxide film 3053 of 2) is provided. A deposited SiO 2 film 3052b functioning as a barrier layer is provided on a silicon rich oxide film 3053 which is a fine particle dispersion layer.
Then, gold fine particles 3055 having a diameter of 2 nm, which are second fine particles, are provided on the deposited SiO 2 film 2052b. Further, the gold fine particles 305 as the second fine particles are used.
8, an SiO 2 film 305 having a thickness of 8 nm as an insulator layer
6 is provided, and an n-type polycrystalline silicon electrode 3057 which is an electrode layer is provided on the uppermost portion. Gold particles 30
55 has a diameter of 2 by immersion of the wafer in a gold colloid solution.
Fine particles of up to 5 nm are 1 × 10 10 cm −2 to 1 × 10 12 cm
It is fixed at an in-plane density of about -2 .

【0275】上述の第16の実施形態では、第1の微粒
子体を第1の障壁層の上に微細構造として作製している
ので、第1の微粒子体の粒径分布や面内分散状態等を制
御する必要がある。しかし、本実施形態では、SiOx
層(1.5<x<2)からなるシリコン過多酸化膜30
53(微粒子分散層)を用いることにより、容易に障壁
層であるSiO2 膜中に微小なシリコン微粒子3054
が分散した構造を実現できる。すなわち、SiOx 膜中
の微小なシリコンアイランドが微粒子体として機能する
ので、特に微細構造を制御する必要がない。この結果、
半導体素子の製造が容易となり、素子特性の再現性も高
い。SiOx 層は、CVD法により容易に高品質の膜が
製造できるが、スパッタ法等の他の方法によっても作製
できる。なお、SiOx 層(1.5<x<2)中の酸素
含有比xが1.8<x<2の範囲にあることにより、よ
り微小なシリコンアイランドを形成することができ好ま
しい。SiOx 層(1.5<x<2)の厚さは3〜10
nmの範囲にあることにより、低電圧での素子動作が可
能となる。本実施形態では、厚さ6nmのSiO1. 9
を用いている。ここで、第1の微粒子体として機能する
SiOx 層(1.5<x<2)中のシリコン微粒子30
54の粒径は1nm以下であり、金微粒子3055(第
2の微粒子体)の直径は、このシリコン微粒子3054
の直径の2倍以上である。
In the sixteenth embodiment, since the first fine particles are formed as a fine structure on the first barrier layer, the particle size distribution, the in-plane dispersion state, and the like of the first fine particles are obtained. Need to be controlled. However, in the present embodiment, SiO x
Silicon-rich oxide film 30 composed of layers (1.5 <x <2)
53 (fine particle dispersion layer) can easily cause minute silicon fine particles 3054 in the SiO 2 film as the barrier layer.
Can be realized. That is, since the minute silicon islands in the SiO x film function as fine particles, there is no need to particularly control the fine structure. As a result,
The manufacture of the semiconductor device becomes easy, and the reproducibility of the device characteristics is high. The SiO x layer can easily produce a high-quality film by a CVD method, but can also be produced by another method such as a sputtering method. In addition, when the oxygen content ratio x in the SiO x layer (1.5 <x <2) is in the range of 1.8 <x <2, a finer silicon island can be formed, which is preferable. The thickness of the SiO x layer (1.5 <x <2) is 3 to 10
By being in the range of nm, element operation at a low voltage becomes possible. In the present embodiment uses a SiO 1. 9 thick layer of 6 nm. Here, silicon fine particles 30 in the SiO x layer (1.5 <x <2) functioning as the first fine particles
The diameter of the gold fine particles 3055 (second fine particles) is smaller than the silicon fine particles 3054.
Is at least twice the diameter of

【0276】特に、金微粒子3055(第2の微粒子
体)とシリコン過多酸化膜3053(微粒子分散層)と
の間に障壁層として機能する堆積SiO2 膜3052b
を設けたので、金微粒子3055に保持された電荷が所
望しないときにシリコン過多酸化膜3053中のシリコ
ン微粒子(第1の微粒子体)に移動するのを確実に防止
することができる利点がある。
In particular, a deposited SiO 2 film 3052b functioning as a barrier layer between the gold fine particles 3055 (second fine particles) and the silicon-rich oxide film 3053 (fine particle dispersion layer).
Is provided, there is an advantage that it is possible to reliably prevent the electric charge held in the gold fine particles 3055 from moving to the silicon fine particles (first fine particles) in the silicon-rich oxide film 3053 when it is not desired.

【0277】なお、本実施形態では、作製したSiOx
層を特に熱処理することなくそのまま使用し、SiOx
層中の微小なシリコンアイランドを微粒子体として利用
しているが、SiOx 層を1000℃程度で熱処理する
ことにより、シリコン微粒子を成長させ、その粒径を制
御することもできる。
In the present embodiment, the SiO x
As it is used without particular heat treatment of the layer, SiO x
Although fine silicon islands in the layer are used as fine particles, heat treatment of the SiO x layer at about 1000 ° C. can grow silicon fine particles and control the particle size.

【0278】また、本実施形態では、微粒子分散層とし
てSiOx 層を使用しているが、絶縁体層内に半導体イ
オンあるいは金属イオンを注入することにより、微粒子
分散層を形成することにより、本実施形態の微粒子分散
層と同等の電荷制御機能を有する構造をさらに容易に形
成することもできる。半導体あるいは金属イオンが注入
された絶縁体層は微粒子を分散した構造とは異なるが、
絶縁体中で半導体や金属原子が形成する準位は、本実施
形態における粒径の小さな第1の微粒子体と実質的に同
様の機能を得られるので、本実施形態における微粒子分
散層として使用することができる。かかる半導体イオン
や金属イオンの例としては、SiイオンやWイオン等が
あり、これらのイオンが注入したSiO2 膜などを微粒
子分散層として使用することで、本実施形態の半導体素
子と同様の機能を得ることができる。
Further, in this embodiment, the SiO x layer is used as the fine particle dispersion layer. However, the fine particle dispersion layer is formed by implanting semiconductor ions or metal ions into the insulator layer. A structure having the same charge control function as the fine particle dispersion layer of the embodiment can be formed more easily. Although the insulator layer into which semiconductor or metal ions are implanted is different from the structure in which fine particles are dispersed,
The level formed by a semiconductor or a metal atom in the insulator can achieve substantially the same function as the first fine particle having a small particle diameter in the present embodiment, and is used as a fine particle dispersion layer in the present embodiment. be able to. Examples of such semiconductor ions and metal ions include Si ions and W ions. By using a SiO 2 film or the like into which these ions are implanted as a fine particle dispersion layer, the same function as that of the semiconductor element of the present embodiment is obtained. Can be obtained.

【0279】本実施形態においても、第16の実施形態
と同様の原理により、微粒子体への電荷の注入・保持・
放出を効率よく制御できる。さらに、本実施形態では前
述のように、第1の微粒子体を微細構造として作製する
必要がないため、製造が容易で素子特性の再現性が高い
利点がある。
In the present embodiment, injection, holding, and injection of electric charges into fine particles are performed according to the same principle as in the sixteenth embodiment.
Emissions can be controlled efficiently. Furthermore, in this embodiment, as described above, there is no need to manufacture the first fine particles as a fine structure, so that there is an advantage that the manufacture is easy and the reproducibility of element characteristics is high.

【0280】さらに、本実施形態では第16の実施形態
と異なり、半導体基板と第2の微粒子体の間の電荷移動
は通常、単一の第1の微粒子体だけではなく、複数の第
1の微粒子体を介して行われる。このような複数の微粒
子体を介したトンネル過程では単一の微粒子体を介した
過程に比べてトンネル電流は減少するが、その減少率は
書込み時のような比較的強い電界下に比べて電荷保持時
のような弱い電界下の方が大きい。その結果、書込・消
去時のトンネル電流(書込・消去電流)と、電荷保持時
のトンネル電流(リーク電流)の比がさらに増大され高
速で長寿命の素子を実現できる。
Furthermore, in the present embodiment, unlike the sixteenth embodiment, the charge transfer between the semiconductor substrate and the second fine particles is usually performed not only by a single first fine particle but also by a plurality of first fine particles. It is carried out through fine particles. In such a tunnel process through a plurality of fine particles, the tunnel current is reduced as compared with the process through a single fine particle, but the reduction rate is smaller than that in a relatively strong electric field such as during writing. It is larger under a weak electric field such as during holding. As a result, the ratio of the tunnel current (write / erase current) at the time of writing / erasing to the tunnel current (leakage current) at the time of charge retention is further increased, and a high-speed and long-life element can be realized.

【0281】なお、第2の微粒子体を設けず、単に第1
の微粒子分散層を設けただけの構造では電荷保持が静電
容量の高い第1の微粒子体で行われ、さらに電荷保持時
に第1の微粒子分散層の中でもより静電容量の高い半導
体基板に隣接する微粒子体へと逆流するので長期間の電
荷保持は困難である。また、この場合、第1の微粒子分
散層では横方向に電荷が分散しやすいので一部のリーク
電流により広範囲の蓄積電荷を失う場合があり信頼性の
高い半導体素子の実現が困難である。
It should be noted that the first fine particles were not provided,
In the structure in which only the fine particle dispersion layer is provided, the charge retention is performed by the first fine particles having a high capacitance, and the charge is held adjacent to the semiconductor substrate having the higher capacitance in the first fine particle dispersion layer during the charge retention. Therefore, it is difficult to maintain the charge for a long period of time because the particles flow back to the fine particles. Further, in this case, since the charges are easily dispersed in the first fine particle dispersion layer in the lateral direction, a large amount of accumulated charges may be lost due to a part of leak current, and it is difficult to realize a highly reliable semiconductor element.

【0282】また、後述の第xの実施形態で記載の第2
の微粒子体に代えて、単一の浮遊導電体を設けた構造で
も、一部のリーク電流により全ての電荷を失ってしまう
ことになる。本実施形態では、リーク位置の真上にある
第2の微粒子体のみが電荷を失うだけで、他の第2の微
粒子体には影響が及ばないので高い信頼性を有する。
Also, the second embodiment described in the later-described x-th embodiment will be described.
Even in a structure in which a single floating conductor is provided instead of the fine particles, all the charges are lost due to a part of the leakage current. In the present embodiment, only the second fine particles just above the leak position lose their electric charges, and the other second fine particles are not affected, so that high reliability is provided.

【0283】なお、本実施形態の半導体素子において、
微粒子分散層と第2の微粒子体の間に、第2の障壁層が
設けられていることによりリーク電流をさらに抑制する
こともできる。
Note that, in the semiconductor device of this embodiment,
Since the second barrier layer is provided between the fine particle dispersion layer and the second fine particles, the leak current can be further suppressed.

【0284】また、本実施形態の半導体素子において
は、半導体基板と微粒子分散層の間に表面障壁層を設け
ているが、微粒子分散層の微粒子密度があまり高くない
場合等はこれを省略して半導体基板上に直接微粒子分散
層を設けることもできる。
In the semiconductor device of this embodiment, a surface barrier layer is provided between the semiconductor substrate and the fine particle dispersion layer. However, when the fine particle density of the fine particle dispersion layer is not so high, this is omitted. A fine particle dispersion layer can be provided directly on the semiconductor substrate.

【0285】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第17の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
Using the structure of the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor memory device similar to that of the seventeenth embodiment can be formed.

【0286】図31は、本実施形態の半導体素子を利用
して形成される半導体メモリ素子の断面図である。半導
体基板であるp型シリコン基板3061上に、ソース・
ドレイン領域3062と、表面障壁層である熱酸化Si
2 膜3063aと、障壁層であるSiO2 膜中に第1
の微粒子体であるシリコン微粒子3065が分散したシ
リコン過多酸化膜3064と、障壁層である堆積SiO
2 膜3063bと、第2の微粒子体である金微粒子30
66と、SiO2 膜からなるゲート絶縁膜3067と、
電極層であるn型多結晶シリコン電極3068と、ソー
ス・ドレイン電極3069とが設けられている。つま
り、第17の実施形態と同様のMIS型トランジスタ構
造が形成されており、そのゲート絶縁膜3067と半導
体基板3061の間に、微粒子分散層(SiOx 層)が
介在している。これにより、第2の微粒子体である金微
粒子3066中に電荷が保持されている状態と電荷が無
い状態とではMIS型トランジスタ特性の閾値電圧が変
化し、低電圧・高速かつ長期間の記録が可能な不揮発性
の半導体メモリ素子として動作する。
FIG. 31 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the present embodiment. On a p-type silicon substrate 3061 which is a semiconductor substrate, a source
Drain region 3062 and thermally oxidized Si as a surface barrier layer
The first O 2 film 3063a and the first SiO 2 film
Excessive silicon oxide film 3064 in which silicon fine particles 3065, which are fine particles, are dispersed, and deposited SiO
2 film 3063b and gold fine particles 30 as second fine particles
66, a gate insulating film 3067 made of a SiO 2 film,
An n-type polycrystalline silicon electrode 3068 serving as an electrode layer and a source / drain electrode 3069 are provided. That is, a MIS transistor structure similar to that of the seventeenth embodiment is formed, and a fine particle dispersion layer (SiO x layer) is interposed between the gate insulating film 3067 and the semiconductor substrate 3061. As a result, the threshold voltage of the MIS transistor characteristics changes between the state where the electric charge is held in the gold fine particle 3066 as the second fine particle and the state where there is no electric charge. It operates as a possible non-volatile semiconductor memory device.

【0287】また、本実施形態の半導体メモリ素子にお
いては、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部
および上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン
領域の上部および上記ソース領域に接する領域のいずれ
か一方あるいは両方の領域において、少なくとも微粒子
分散層および微粒子体が存在しない部分が設けられてい
るので、ソース領域からドレイン領域に電圧を印加した
際に上記微粒子体を通って短絡した電流が流れることを
より効果的に防止することができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, at least one of or both of the gate region and the region in contact with the source region and the drain region and the region in contact with the source region. In the region, at least a portion in which the fine particle dispersion layer and the fine particles are not present is provided, so that when a voltage is applied from the source region to the drain region, the short-circuited current flows through the fine particles more effectively. Can be prevented.

【0288】(第19の実施形態)図32は、本発明の
第19の実施形態における半導体素子の断面図である。
半導体基板であるp型シリコン基板3071の上に、電
荷の移動に対して障壁として機能する表面障壁層とし
て、厚さ1.2nm程度の熱酸化SiO2 膜3072a
が設けられている。また、上記表面障壁層である熱酸化
SiO2 膜3072aの上に、電荷の移動に対して障壁
として機能するSiO2 膜中に第1の微粒子体としてシ
リコン微粒子3074が分散した第1の微粒子分散層と
なる厚さ3nm程度の第1のSiOx 層(1.5<x<
2)からなるシリコン過多酸化膜3073が設けられて
いる。また、第1の微粒子分散層であるシリコン過多酸
化膜3073の上に、障壁層として機能する堆積SiO
2 膜3073bと、電荷の移動に対して障壁層として機
能するSiO2 膜中に第2の微粒子体であるシリコン微
粒子3076が分散した第2の微粒子分散層である厚さ
5nm程度の第2のSiO x 層(1.5<x<2)から
なるシリコン過多酸化膜3075とが順次設けられてい
る。また、上記第2の微粒子分散層であるシリコン過多
酸化膜3075の上に絶縁体層である厚さ10nmのS
iO2 膜3077が設けられており、最上部に電極層で
あるn型多結晶シリコン電極3078が設けられてい
る。
(Nineteenth Embodiment) FIG.
It is sectional drawing of the semiconductor element in 19th Embodiment.
An electrode is placed on a p-type silicon substrate 3071 which is a semiconductor substrate.
A surface barrier layer that functions as a barrier to the movement of loads
And a thermally oxidized SiO having a thickness of about 1.2 nmTwo Membrane 3072a
Is provided. In addition, thermal oxidation,
SiOTwo On the film 3072a, a barrier against charge transfer
SiO functioning asTwo The first fine particles in the film
A first fine particle dispersion layer in which recon fine particles 3074 are dispersed;
First SiO having a thickness of about 3 nmx Layer (1.5 <x <
2) a silicon-rich oxide film 3073 comprising
I have. In addition, a silicon-rich acid as the first fine particle dispersion layer
Deposited on the oxide film 3073 to function as a barrier layer
Two The film 3073b serves as a barrier layer against the movement of electric charges.
Working SiOTwo Silicon fine particles, which are second fine particles, are contained in the film.
Thickness of second fine particle dispersion layer in which particles 3076 are dispersed
Second SiO of about 5 nm x From the layer (1.5 <x <2)
And a silicon excessive oxide film 3075 are sequentially provided.
You. In addition, the second fine particle dispersion layer, silicon excess,
On the oxide film 3075, a 10-nm-thick S serving as an insulator layer is formed.
iOTwo A film 3077 is provided, and an uppermost electrode layer
A certain n-type polycrystalline silicon electrode 3078 is provided.
You.

【0289】第1の微粒子体3074と第2の微粒子体
3076はいずれもSiOx 層(1.5<x<2)中に
分散されたシリコン微粒子であるが、SiOx 膜の組成
制御と熱処理により微粒子体の粒径を制御できる。いず
れの層も、CVD装置を用いてSiOx 層(1.5<x
<2)を堆積した後、約1100℃で熱処理することに
よりシリコン微粒子を成長させているが、第2の微粒子
分散層(シリコン過多酸化膜3075)のSi含有比を
第1の微粒子分散層(シリコン過多酸化膜3073)の
Si組成比含有比に比べて高くすることにより、第2の
微粒子分散層に成長するシリコン微粒子の粒径を大きく
することができる。本実施形態では、第1の微粒子分散
層(シリコン過多酸化膜3073)の組成をSiO1.9
とする一方、第2の微粒子分散層(シリコン過多酸化膜
3075)の組成をSiO1.7 としている。ここで、第
2の微粒子体の粒径は1.7nm以上である。また、第
1の微粒子体の粒径は約0.8nm以下である。そし
て、第2の微粒子体の粒径は、第1の微粒子体の粒径の
約1.8倍以上である。その結果、上述のように、第2
の微粒子体における電荷の注入・保持特性を良好に発揮
することができる。
[0289] While the first particulate matter 3074 second microparticles body 3076 is a silicon particles dispersed in both SiO x layer (1.5 <x <2), heat treatment and composition control of SiO x film Thereby, the particle diameter of the fine particles can be controlled. Any of the layers, SiO x layer using a CVD apparatus (1.5 <x
After depositing <2), the silicon fine particles are grown by heat treatment at about 1100 ° C., and the Si content ratio of the second fine particle dispersion layer (silicon-rich oxide film 3075) is adjusted to the first fine particle dispersion layer ( By increasing the Si composition ratio in the silicon-rich oxide film 3073), it is possible to increase the particle size of the silicon fine particles that grow in the second fine particle dispersion layer. In this embodiment, the composition of the first fine particle dispersion layer (silicon-rich oxide film 3073) is SiO 1.9
On the other hand, the composition of the second fine particle dispersion layer (silicon-rich oxide film 3075) is SiO 1.7 . Here, the particle diameter of the second fine particles is 1.7 nm or more. The particle size of the first fine particles is about 0.8 nm or less. The particle diameter of the second fine particles is about 1.8 times or more the particle diameter of the first fine particles. As a result, as described above, the second
The fine particles can exhibit good charge injection / holding characteristics.

【0290】また、本実施形態では、第1,第2の微粒
子分散層としてSiOx 層を使用しているが、絶縁体層
内に半導体イオンあるいは金属イオンを注入することに
より、微粒子分散層層を形成することにより、本実施形
態の第1,第2の微粒子分散層と同等の電荷制御機能を
有する構造をさらに容易に形成することもできる。
In this embodiment, the SiO x layers are used as the first and second fine particle dispersed layers. However, by implanting semiconductor ions or metal ions into the insulator layer, the fine particle dispersed layer is formed. By forming the layer, a structure having a charge control function equivalent to those of the first and second fine particle dispersion layers of the present embodiment can be more easily formed.

【0291】本実施形態でも、第18の実施形態と同様
の原理により微粒子体への電荷の注入・保持・放出を効
率よく制御できる。また、第18の実施形態では第2の
微粒子体を第1の微粒子分散層上に微細構造として作製
する必要があるが、本実施形態では、第2の障壁層中に
第2の微粒子体が分散された構造を用いることにより、
さらに半導体素子の作製が容易となり素子特性の再現性
も高い利点がある。
Also in the present embodiment, the injection, holding and release of electric charges into the fine particles can be efficiently controlled by the same principle as in the eighteenth embodiment. In the eighteenth embodiment, the second fine particles need to be formed as a fine structure on the first fine particle dispersion layer. In the present embodiment, however, the second fine particles are formed in the second barrier layer. By using a decentralized structure,
Further, there is an advantage that the fabrication of the semiconductor device is facilitated and the reproducibility of the device characteristics is high.

【0292】なお、第2の微粒子分散層を設けず、単に
第1の微粒子分散層を設けただけの構造では電荷保持が
静電容量の小さな第1の微粒子体で行われ、さらに電荷
保持時に第1の微粒子分散層の中でもより静電容量の高
い半導体基板に隣接する微粒子体へと逆流するので長期
間の電荷保持は困難である。
In the structure in which the second fine particle dispersion layer is not provided and the first fine particle dispersion layer is simply provided, the charge is retained by the first fine particles having a small capacitance. In the first fine particle dispersion layer, the backflow to the fine particles adjacent to the semiconductor substrate having a higher capacitance is difficult, so that it is difficult to hold the charge for a long time.

【0293】なお、本実施形態の半導体素子において、
第1の微粒子分散層と第2の微粒子分散層の間に、第2
の障壁層が設けられていることによりリーク電流をさら
に抑制することもできる。
In the semiconductor device of this embodiment,
Between the first fine particle dispersion layer and the second fine particle dispersion layer, the second
The leakage current can be further suppressed by the provision of the barrier layer described above.

【0294】また、本実施形態の半導体素子において
は、半導体基板と第1の微粒子分散層の間に表面障壁層
を設けているが、第1の微粒子分散層の微粒子密度があ
まり高くない場合等はこれを省略して半導体基板上に直
接第1の微粒子分散層を設けることもできる。
In the semiconductor device of this embodiment, the surface barrier layer is provided between the semiconductor substrate and the first fine particle dispersion layer. However, when the fine particle density of the first fine particle dispersion layer is not so high, Can be omitted and the first fine particle dispersion layer can be provided directly on the semiconductor substrate.

【0295】本実施形態では、第1の微粒子分散層と第
2の微粒子分散層の間に明確な界面があるが、第1の微
粒子分散層と第2の微粒子分散層が連続的な微粒子密度
分布を有し、両者の間に明確な界面がないような構成に
することも可能である。この場合でも実質的に本実施形
態と同様の効果が得られる。
In this embodiment, there is a clear interface between the first fine particle dispersion layer and the second fine particle dispersion layer, but the first fine particle dispersion layer and the second fine particle dispersion layer have a continuous fine particle density. It is also possible to adopt a configuration having a distribution and no clear interface between them. In this case, substantially the same effects as in the present embodiment can be obtained.

【0296】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第17の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
Using the structure of the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor memory device similar to that of the seventeenth embodiment can be formed.

【0297】図33は、本実施形態の半導体素子を利用
して形成された半導体メモリ素子の断面図である。半導
体基板であるp型シリコン基板3081上に、ソース・
ドレイン領域3082と、表面障壁層である熱酸化Si
2 膜3083aと、障壁層であるSiO2 膜中に第1
の微粒子体であるシリコン微粒子3085が分散した第
1の微粒子分散層であるシリコン過多酸化膜3084
と、障壁層として機能する堆積SiO2 膜3083b
と、障壁層であるSiO2 膜中に第2の微粒子体である
金微粒子3087が分散した第2の微粒子分散層である
シリコン過多酸化膜3086と、SiO2 膜からなるゲ
ート絶縁膜3088と、電極層であるn型多結晶シリコ
ン電極3089と、ソース・ドレイン電極3080とが
設けられている。つまり、第17の実施形態と同様のM
IS型トランジスタ構造が形成されており、そのゲート
絶縁膜3088と半導体基板3081の間に、2つの微
粒子分散層(SiOx 層及び金微粒子がSiO2 中に分
散した層)が介在している。これにより、第2の微粒子
体である金微粒子3087中に電荷が保持されている状
態と電荷が無い状態とではMIS型トランジスタ特性の
閾値電圧が変化し、低電圧・高速かつ長期間の記録が可
能な不揮発性の半導体メモリ素子として動作する。
FIG. 33 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of this embodiment. On a p-type silicon substrate 3081 which is a semiconductor substrate, a source
Drain region 3082 and thermally oxidized Si as a surface barrier layer
The first in the O 2 film 3083a and the SiO 2 film as the barrier layer
Silicon oxide film 3084 which is a first fine particle dispersion layer in which silicon fine particles 3085 which are fine particles of
And a deposited SiO 2 film 3083b functioning as a barrier layer
A silicon-rich oxide film 3086 serving as a second fine particle dispersion layer in which gold fine particles 3087 serving as second fine particles are dispersed in an SiO 2 film serving as a barrier layer, and a gate insulating film 3088 formed of a SiO 2 film. An n-type polycrystalline silicon electrode 3089 serving as an electrode layer and a source / drain electrode 3080 are provided. That is, the same M as in the seventeenth embodiment is used.
An IS type transistor structure is formed, and two fine particle dispersion layers (a layer in which SiO x layers and gold fine particles are dispersed in SiO 2 ) are interposed between the gate insulating film 3088 and the semiconductor substrate 3081. As a result, the threshold voltage of the MIS transistor characteristics changes between the state where the electric charge is held in the gold fine particles 3087 as the second fine particle body and the state where there is no electric charge, and low-voltage, high-speed and long-term recording can be performed. It operates as a possible non-volatile semiconductor memory device.

【0298】なお、本実施形態の半導体メモリ素子にお
いては、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部
および上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン
領域の上部および上記ソース領域に接する領域のいずれ
か一方あるいは両方の領域において、少なくとも微粒子
分散層が存在しない部分が設けられているので、ソース
領域からドレイン領域に電圧を印加した際に上記微粒子
体を通って短絡した電流が流れることを防止することが
できる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, at least one or both of the gate region and the region in contact with the source region and the upper region of the source region and the region in contact with the source region. Since at least a portion where the fine particle dispersion layer does not exist is provided in the region, it is possible to prevent a short-circuit current from flowing through the fine particles when a voltage is applied from the source region to the drain region.

【0299】(第20の実施形態)図34は、本発明の
第20の実施形態における半導体素子の断面図である。
半導体基板であるp型シリコン基板3091上に、電荷
の移動に対して障壁として機能する表面障壁層である厚
さ1.3nm程度の熱酸化SiO2 膜3092が設けら
れている。また、上記表面障壁層上に、電荷の移動に対
して障壁として機能する障壁層であるSiO2 膜中に第
1の微粒子体であるシリコン微粒子3094と第2の微
粒子体であるイオン注入されたタングステン原子309
5とが分散した厚さ5nm程度の微粒子分散層3093
が設けられている。また、上記微粒子分散層3093の
上に絶縁体層として厚さ6nmのSiO2 膜3096が
設けられており、最上部に電極層であるn型多結晶シリ
コン電極3097が設けられている。
(Twentieth Embodiment) FIG. 34 is a sectional view of a semiconductor device according to a twentieth embodiment of the present invention.
On a p-type silicon substrate 3091 which is a semiconductor substrate, a thermally oxidized SiO 2 film 3092 having a thickness of about 1.3 nm which is a surface barrier layer functioning as a barrier against movement of electric charges is provided. Further, on the surface barrier layer, silicon fine particles 3094 as the first fine particles and ions as the second fine particles were ion-implanted into the SiO 2 film as the barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges. Tungsten atom 309
And a fine particle dispersion layer 3093 having a thickness of about 5 nm dispersed therein.
Is provided. Further, a 6 nm thick SiO 2 film 3096 is provided as an insulator layer on the fine particle dispersion layer 3093, and an n-type polycrystalline silicon electrode 3097 as an electrode layer is provided on the uppermost portion.

【0300】ここで第1の微粒子体94と第2の微粒子
体3095はいずれも障壁層であるSiO2 膜中に分散
された微粒子体であるが、第2の微粒子体3095の粒
径は2.6nm以上であり実質的な粒径が約0.5nm
以下の第1の微粒子体3094の1.8倍以上である。
Here, the first fine particles 94 and the second fine particles 3095 are both fine particles dispersed in a SiO 2 film as a barrier layer, and the particle diameter of the second fine particles 3095 is 2 μm. 0.6 nm or more and a substantial particle size of about 0.5 nm
It is 1.8 times or more of the following first fine particle 3094.

【0301】上述のような微粒子分散層はCVD装置を
用いてSiOx (1.5<x<2)膜を堆積した後、約
1100℃で熱処理することによりシリコン微粒子を成
長し、さらにタングステン原子をイオン注入することで
作製できる。本実施形態では、第1の微粒子体である絶
縁体層に注入されたタングステン原子を使用している
が、この他のイオン注入により導入された半導体原子あ
るいは金属原子、あるいはその他の半導体微粒子あるい
は金属微粒子を利用することもできる。
The fine particle dispersion layer as described above is formed by depositing a SiO x (1.5 <x <2) film using a CVD apparatus, and then performing a heat treatment at about 1100 ° C. to grow silicon fine particles, and further to form a tungsten atom. Can be produced by ion implantation. In the present embodiment, tungsten atoms implanted into the insulator layer as the first fine particles are used. However, other semiconductor atoms or metal atoms introduced by ion implantation, or other semiconductor fine particles or metal are introduced. Fine particles can also be used.

【0302】本実施形態でも、第18の実施形態と同様
の原理により、微粒子体への電荷の注入・保持・放出を
効率よく制御できる。また、第18の実施形態では、適
切な素子動作速度と記録保持期間を得るには第1の微粒
子分散層の厚さを制御する必要があるが、本実施形態で
は、許容される厚さ範囲が広く、素子作製が容易であ
る。すなわち、分散された第1の微粒子体と第2の微粒
子体が様々な位置関係にあるが、書込み時に半導体表面
から引抜かれた電荷はより電荷移動の容易な経路を選択
し、比較的注入の容易な第2の微粒子体から注入されて
いく。電荷保持時は、半導体表面に隣接する等の第2の
微粒子体からは速やかに電荷が放出されるが、より電荷
放出の困難な位置では、長期にわたり電荷の保持が行わ
れる。本実施形態では、第18の実施形態に比べて注入
される電荷に対する保持される電荷の割合が少いが、素
子構成がより簡素であるため再現性の高い半導体素子を
容易に作製できる利点を有する。
Also in the present embodiment, the injection, holding and release of electric charges into the fine particles can be efficiently controlled by the same principle as in the eighteenth embodiment. Further, in the eighteenth embodiment, it is necessary to control the thickness of the first fine particle dispersion layer in order to obtain an appropriate element operation speed and a recording retention period. And the device is easy to manufacture. That is, although the dispersed first and second fine particles have various positional relationships, the charge extracted from the semiconductor surface at the time of writing selects a path for easier charge transfer, and the relatively small amount of charge is injected. The second fine particles are easily injected. At the time of holding the charge, the charge is quickly released from the second fine particles adjacent to the semiconductor surface or the like, but the charge is held for a long time at a position where the charge is more difficult to release. In the present embodiment, the ratio of the retained electric charge to the injected electric charge is smaller than that of the eighteenth embodiment. However, since the element configuration is simpler, there is an advantage that a semiconductor element having high reproducibility can be easily manufactured. Have.

【0303】なお、本実施形態では、第1の微粒子体と
第2の微粒子体に明確な区別があるが、同一材料でも十
分広い範囲にわたる様々な粒径を有する微粒子体を作製
することにより連続的な粒径分布を有する微粒子体を設
け、粒径の小さな微粒子体を第1の微粒子体として機能
させ、粒径の大きな微粒子体を第2の微粒子体として機
能させることもできる。この場合、第1の微粒子体と第
2の微粒子体の間に明確な区別を行うことはできない
が、注入された電荷は粒径が大きく静電容量の大きな微
粒子に選択的に保持されるので、電荷によって選択され
た微粒子体が第2の微粒子体として機能することにな
る。半導体表面付近の微粒子体への電荷の逆流を防ぐた
めには微粒子体の粒径分布は少なくとも中間的な粒径を
有する微粒子の0.7倍から1.4倍の範囲より広い範
囲に分布を持つ必要がある。また長期の電荷保持を行う
には少なくとも0.4倍から1.6倍以上の範囲に粒径
分布を持つことが望ましい。
In this embodiment, there is a clear distinction between the first fine particles and the second fine particles. However, even if the same material is used, the fine particles having various particle sizes over a sufficiently wide range can be continuously formed. It is also possible to provide fine particles having a specific particle size distribution so that the fine particles having a small particle diameter function as the first fine particles and the fine particles having a large particle diameter function as the second fine particles. In this case, a clear distinction cannot be made between the first microparticles and the second microparticles, but the injected charge is selectively retained by the microparticles having a large particle diameter and a large capacitance. The fine particles selected by the electric charge function as the second fine particles. In order to prevent the backflow of charges to the fine particles near the semiconductor surface, the particle size distribution of the fine particles has a distribution at least wider than the range of 0.7 to 1.4 times that of the fine particles having an intermediate particle size. There is a need. For long-term charge retention, it is desirable to have a particle size distribution of at least 0.4 times to 1.6 times or more.

【0304】また、微粒子体の粒径分布は、中央に谷を
有し、その両側に2つのピークを有する形状とすること
が好ましい。
[0304] The particle size distribution of the fine particles is preferably a shape having a valley in the center and two peaks on both sides thereof.

【0305】また、本実施形態の半導体素子において
は、半導体基板と微粒子分散層の間に表面障壁層を設け
ているが、微粒子分散層の微粒子密度があまり高くない
場合等はこれを省略して半導体基板上に直接微粒子分散
層を設けることもできる。
In the semiconductor device of this embodiment, the surface barrier layer is provided between the semiconductor substrate and the fine particle dispersion layer. However, when the fine particle density of the fine particle dispersion layer is not so high, this is omitted. A fine particle dispersion layer can be provided directly on the semiconductor substrate.

【0306】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第17の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
By utilizing the structure of the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor memory device similar to that of the seventeenth embodiment can be formed.

【0307】図35は、本実施形態の半導体素子を利用
して形成された半導体メモリ素子の断面図である。半導
体基板であるp型シリコン基板3101の上に、ソース
・ドレイン領域3102と、表面障壁層である熱酸化S
iO2 膜3103と、障壁層であるSiO2 膜中に第1
の微粒子体であるシリコン微粒子3105と第2の微粒
子体であるタングステン微粒子3106とが分散した微
粒子分散層3104と、SiO2 膜からなるゲート絶縁
膜3107と、電極層であるn型多結晶シリコン電極3
108と、ソース・ドレイン電極3109とが設けられ
ている。これにより、第2の微粒子体中に電荷が保持さ
れている状態と電荷が無い状態とではMIS型トランジ
スタ特性の閾値電圧が変化し、低電圧・高速かつ長期間
の記録が可能な不揮発性の半導体メモリ素子として動作
する。
FIG. 35 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of this embodiment. On a p-type silicon substrate 3101 which is a semiconductor substrate, a source / drain region 3102 and thermal oxidation S which is a surface barrier layer are formed.
The first in the SiO 2 film 3103 and the SiO 2 film as the barrier layer
A fine particle dispersion layer 3104 in which silicon fine particles 3105 as a fine particle and tungsten fine particles 3106 as a second fine particle are dispersed, a gate insulating film 3107 made of a SiO 2 film, and an n-type polycrystalline silicon electrode as an electrode layer 3
108 and a source / drain electrode 3109 are provided. As a result, the threshold voltage of the MIS transistor characteristics changes between the state in which the electric charge is held in the second fine particle body and the state in which the electric charge is not present. It operates as a semiconductor memory element.

【0308】本実施形態の半導体メモリ素子において、
ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部および上
記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領域の上
部および上記ソース領域に接する領域のいずれか一方あ
るいは両方の領域において、少なくとも微粒子分散層が
存在しない部分が設けられていることにより、ソース領
域からドレイン領域に電圧を印加した際に上記微粒子体
を介して短絡した電流が流れることを防止することがで
きる。
In the semiconductor memory device of this embodiment,
At least a portion where the fine particle dispersion layer does not exist is provided in at least one of the region above the source region and the source region, or the region above the drain region and the region contacting the source region in the gate region. Accordingly, when a voltage is applied from the source region to the drain region, a short-circuited current can be prevented from flowing through the fine particles.

【0309】(第21の実施形態)図36は、本発明の
第21の実施形態における半導体素子の断面図である。
半導体基板であるp型シリコン基板3111上に、まず
第1のSiO2 層である厚さ1nm程度の熱酸化SiO
2 膜3112が設けられている。また、上記第1のSi
2 層上にSiOxy 層(0≦x<2,0<y≦4/
3)である厚さ1.2nm程度のSi34 層3113
が設けられており、さらに上記SiOxy層上に厚さ
1.8nm程度の第2のSiO2 層3114が設けられ
ている。また上記第2のSiO2 層3114の上に、微
粒子体である直径2nmの金微粒子3115が設けられ
ている。また、上記微粒子体上に絶縁体層である厚さ1
0nmのSiO2 膜3116が設けられており、最上部
に電極層であるn型多結晶シリコン電極3117が設け
られている。金微粒子3115の面内密度は1×1010
cm-2〜1×1012cm-2の範囲である。
(Twenty-First Embodiment) FIG. 36 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-first embodiment of the present invention.
First, on a p-type silicon substrate 3111 which is a semiconductor substrate, a thermally oxidized SiO having a thickness of about 1 nm as a first SiO 2 layer is formed.
Two films 3112 are provided. In addition, the first Si
SiO x on O 2 layer on N y layer (0 ≦ x <2,0 <y ≦ 4 /
3) a Si 3 N 4 layer 3113 having a thickness of about 1.2 nm
Is provided, and a second SiO 2 layer 3114 having a thickness of about 1.8 nm is provided on the SiO x N y layer. On the second SiO 2 layer 3114, fine gold particles 3115 having a diameter of 2 nm are provided. In addition, an insulating layer having a thickness of 1
A 0 nm SiO 2 film 3116 is provided, and an n-type polycrystalline silicon electrode 3117 as an electrode layer is provided on the uppermost portion. The in-plane density of the gold fine particles 3115 is 1 × 10 10
cm −2 to 1 × 10 12 cm −2 .

【0310】本実施形態では、第16の実施形態と異な
り、粒径の異なる2種の微粒子体を設けてはいない。し
かし、本実施形態では、SiOxy 層(0≦x<2,
0<y≦4/3)が第1のSiO2 層と第2のSiO2
層にはさまれた構成となっているので、SiOxy
と第2のSiO2 層の間の界面付近およびSiOx y
層内部に電荷を授受することのできる準位(界面準位)
が発生する。この界面準位における準位間のエネルギー
間隔が大きく、また、電荷を受取った際の界面準位の電
位上昇が大きいので、実効的に粒径の小さな微粒子体と
同様の機能を提供することができる。すなわち、本実施
形態ではSiOxy 層と第2のSiO 2 層の間の界面
準位が第16の実施形態における第1の微粒子体と同等
の機能を有している。その結果、本実施形態における微
粒子体では、第16の実施形態における第2の微粒子体
と同様に蓄積された電荷を安定に保持することができ
る。したがって、本実施形態でも、第16の実施形態と
同様の原理により微粒子体への電荷の注入・保持・放出
を効率よく制御できる。
In this embodiment, a different point from the sixteenth embodiment is shown.
In addition, two types of fine particles having different particle sizes are not provided. I
However, in the present embodiment, SiO 2x Ny Layer (0 ≦ x <2,
0 <y ≦ 4/3) is the first SiOTwo Layer and second SiOTwo 
Since the structure is sandwiched between layers,x Ny layer
And the second SiOTwo Near the interface between the layers and SiOx N y 
Level at which charge can be transferred inside the layer (interface level)
Occurs. Energy between levels at this interface level
The gap is large, and the
Large rise in position, so it is effective
Similar functions can be provided. That is, this implementation
In the form of SiOx NyLayer and second SiO Two Interface between layers
Level is equivalent to that of the first microparticle in the sixteenth embodiment.
Function. As a result, the fine
In the particulate matter, the second particulate matter in the sixteenth embodiment is used.
As well as stably hold the accumulated charge
You. Therefore, also in this embodiment, the sixteenth embodiment and
Injection, retention, and release of charge into microparticles based on the same principle
Can be controlled efficiently.

【0311】また、第16の実施形態では第1の微粒子
体を第1の障壁層上に微細構造として作製する必要があ
るが、本実施形態では、SiOxy 層を利用するの
で、第1の微粒子体の微細構造を特に制御する必要がな
い。この結果、半導体素子の製造が容易となり、素子特
性の再現性も高い利点がある。SiOxy 層はCVD
法により容易に高品質の膜が製造できる。
In the sixteenth embodiment, the first fine particles need to be formed as a fine structure on the first barrier layer. However, in the present embodiment, since the SiO x N y layer is used, the first fine particles are used. There is no need to particularly control the fine structure of the fine particles. As a result, there is an advantage that the manufacture of the semiconductor device becomes easy and the reproducibility of the device characteristics is high. SiO x N y layer is CVD
A high quality film can be easily manufactured by the method.

【0312】本実施形態では、SiOxy 層(0≦x
<2,0<y≦4/3)であるSi 34 層を用いた
が、この他、一般式SiOxy (0<x<2,0<y
<4/3)で表される組成を有するシリコン酸窒化膜を
使用することもできる。
In this embodiment, SiOx Ny Layer (0 ≦ x
<2, 0 <y ≦ 4/3) Si Three NFour Using layers
However, besides this, the general formula SiOx Ny (0 <x <2, 0 <y
A silicon oxynitride film having a composition represented by <4/3)
Can also be used.

【0313】なお、微粒子体を設けず、単にSiOx
y 層が第1のSiO2 層と第2のSiO2 層にはさまれ
ている構造のみでは、電荷保持が静電容量の高い界面準
位で行われるので長期間の電荷保持は困難である。さら
に、電荷保持が行われる界面準位間では横方向の電荷分
散が無視できないので、一部のリーク電流により全ての
蓄積電荷を失う場合があり半導体素子の信頼性が低い。
It should be noted that no fine particles were provided, and only SiO x N
With only the structure in which the y layer is sandwiched between the first SiO 2 layer and the second SiO 2 layer, it is difficult to hold the charge for a long time because the charge is held at the interface state having a high capacitance. . Further, since the horizontal charge dispersion cannot be ignored between the interface states where the charge is held, all the stored charges may be lost due to a part of the leak current, and the reliability of the semiconductor element is low.

【0314】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第17の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
A semiconductor memory device similar to that of the seventeenth embodiment can be formed by utilizing the structure of the semiconductor device of this embodiment.

【0315】図37は、本実施形態の半導体素子を利用
して形成された半導体メモリ素子の断面図である。半導
体基板であるp型シリコン基板3121の上に、ソース
・ドレイン領域3122と、第1のSiO2 層である熱
酸化SiO2 膜3123と、SiOxy 層(0≦x<
2,0<y≦4/3)であるSiO1.53.5 層312
4と、第2のSiO2 層3125と、微粒子体である金
微粒子3126と、SiO2 膜3127と、n型多結晶
シリコン電極3128と、ソース・ドレイン電極312
9とが設けられている。これにより、第2の微粒子体中
に電荷が保持されている状態と電荷が無い状態とではM
IS型トランジスタ特性の閾値電圧が変化し、低電圧・
高速かつ長期間の記録が可能な不揮発性の半導体メモリ
素子として動作する。
FIG. 37 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of this embodiment. On a p-type silicon substrate 3121 which is a semiconductor substrate, a source / drain region 3122, a thermally oxidized SiO 2 film 3123 which is a first SiO 2 layer, and a SiO x N y layer (0 ≦ x <
2,0 <y ≦ 4/3) SiO 1.5 N 3.5 layer 312
4, a second SiO 2 layer 3125, fine gold particles 3126 as fine particles, an SiO 2 film 3127, an n-type polycrystalline silicon electrode 3128, and a source / drain electrode 312.
9 are provided. Thus, the state where the electric charge is held in the second fine particle body and the state where the electric charge is not present are M
The threshold voltage of the characteristics of the IS transistor changes,
It operates as a nonvolatile semiconductor memory element capable of high-speed and long-term recording.

【0316】また、本実施形態の半導体メモリ素子にお
いては、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部
および上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン
領域の上部および上記ソース領域に接する領域のいずれ
か一方あるいは両方の領域において、少なくともSiO
xy 層および微粒子体が存在しない部分が設けられて
いるので、ソース領域からドレイン領域に電圧を印加し
た際に上記微粒子体を介して短絡した電流が流れること
を防止することができる。
In the semiconductor memory device of the present embodiment, at least one of the gate region and the region in contact with the source region and the upper region of the source region and / or the region in contact with the source region and the drain region. At least in the region of
Since the xNy layer and the portion where the fine particles are not present are provided, it is possible to prevent a short-circuited current from flowing through the fine particles when a voltage is applied from the source region to the drain region.

【0317】(第22の実施形態)図38は、本発明の
第22の実施形態における半導体素子の断面図である。
半導体基板としてp型シリコン基板3131上に、第1
のSiO2 層である厚さ1.3nm程度の熱酸化SiO
2 膜3132が設けられている。また、上記第1のSi
2 層上に厚さ1.8nm程度のSiOxy 層(0≦
x<2,0<y≦4/3)であるSiO0.5 N層313
3が設けられており、さらにSiO0.5 N層上に、電荷
の移動に対して障壁として機能する障壁層であるSiO
2 中に微粒子体であるシリコン微粒子3135が分散し
た第1の微粒子分散層であるSiOx層(1.5<x<
2)からなるシリコン過多酸化膜3134が設けられて
いる。また、第1の微粒子分散層上に、絶縁体層である
厚さ10nmのSiO2 膜3136が設けられており、
最上部に電極層であるn型多結晶シリコン電極3137
が設けられている。本実施形態において、SiOx 層の
厚さは約5nm、その組成はSiO1.8 である。
(Twenty-second Embodiment) FIG. 38 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-second embodiment of the present invention.
On a p-type silicon substrate 3131 as a semiconductor substrate, a first
Thermally oxidized SiO 2 layer of about 1.3 nm thick
Two films 3132 are provided. In addition, the first Si
On the O 2 layer, a SiO x N y layer having a thickness of about 1.8 nm (0 ≦
SiO 0.5 N layer 313 where x <2, 0 <y ≦ 4/3)
3 is further provided on the SiO 0.5 N layer, which is a barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges.
SiO x layer silicon microparticles 3135 is particulate material in 2 is the first fine particle dispersion layer dispersed (1.5 <x <
A silicon excessive oxide film 3134 made of 2) is provided. Further, a 10-nm-thick SiO 2 film 3136 which is an insulator layer is provided on the first fine particle dispersion layer,
An n-type polycrystalline silicon electrode 3137 which is an electrode layer at the top
Is provided. In this embodiment, the thickness of the SiO x layer is about 5 nm, and its composition is SiO 1.8 .

【0318】本実施形態においても、第21の実施形態
と同様の原理により微粒子体への電荷の注入・保持・放
出を効率よく制御できる。また、第21の実施形態では
微粒子体を微細構造として粒径分布や面内分散状態等を
制御して作製する必要があるが、本実施形態では、障壁
層中に微粒子体が分散した構造を用いることにより素子
の作製が容易となり再現性が高い利点がある。
In the present embodiment, the injection, holding and release of electric charges into the fine particles can be controlled efficiently according to the same principle as in the twenty-first embodiment. In addition, in the twenty-first embodiment, it is necessary to produce the fine particles as a fine structure by controlling the particle size distribution and the in-plane dispersion state. In the present embodiment, the structure in which the fine particles are dispersed in the barrier layer is used. The use thereof has an advantage that the production of the element is easy and the reproducibility is high.

【0319】本実施形態では、SiOxy 層(0≦x
<2,0<y≦4/3)としてSiO0.5 N層を用いた
が、この他、Si34 層や、他の組成を有するシリコ
ン酸窒化膜を使用することもできる。
In this embodiment, the SiO x N y layer (0 ≦ x
Although the SiO 0.5 N layer is used for <2, 0 <y ≦ 4/3), a Si 3 N 4 layer or a silicon oxynitride film having another composition may be used.

【0320】また、本実施形態において、SiOxy
層(0≦x<2,0<y≦4/3)層と微粒子分散層の
間に、第2のSiO2 層が設けられていることによりリ
ーク電流をさらに抑制することもできる。
In the present embodiment, SiO x N y
Since the second SiO 2 layer is provided between the layer (0 ≦ x <2, 0 <y ≦ 4/3) and the fine particle dispersion layer, the leak current can be further suppressed.

【0321】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第17の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
By using the structure of the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor memory device similar to that of the seventeenth embodiment can be formed.

【0322】図39は、本実施形態の半導体素子を利用
して形成された半導体メモリ素子の断面図である。半導
体基板であるp型シリコン基板3141の上に、ソース
・ドレイン領域3142と、熱酸化SiO2 膜3143
と、Si34 層3144と、微粒子体であるシリコン
微粒子3146と、シリコン過多酸化膜3145と、S
iO2 膜3147と、n型多結晶シリコン電極3148
と、ソース・ドレイン電極3149とが設けられてい
る。これにより、微粒子体中に電荷が保持されている状
態と電荷が無い状態とではMIS型トランジスタ特性の
閾値電圧が変化し、低電圧・高速かつ長期間の記録が可
能な不揮発性の半導体メモリ素子として動作する。
FIG. 39 is a sectional view of a semiconductor memory device formed by using the semiconductor device of this embodiment. A source / drain region 3142 and a thermally oxidized SiO 2 film 3143 are formed on a p-type silicon substrate 3141 which is a semiconductor substrate.
, Si 3 N 4 layer 3144, silicon fine particles 3146 as fine particles, silicon excessive oxide film 3145,
iO 2 film 3147 and n-type polycrystalline silicon electrode 3148
And a source / drain electrode 3149. As a result, the threshold voltage of the MIS transistor characteristics changes between the state in which the electric charge is held in the fine particle and the state in which the electric charge is not present, and the nonvolatile semiconductor memory element capable of performing low-voltage, high-speed, and long-term recording Works as

【0323】本実施形態の半導体メモリ素子において
は、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部およ
び上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領域
の上部および上記ソース領域に接する領域のいずれか一
方あるいは両方の領域において、少なくともSiOx
y 層および微粒子分散層が存在しない部分が設けられて
いるので、ソース領域からドレイン領域に電圧を印加し
た際に上記微粒子体を介して短絡した電流が流れること
を防止することができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, at least one of the gate region and the region in contact with the source region and the drain region and / or the region in contact with the source region. , At least SiO x N
Since a portion where the y layer and the fine particle dispersion layer are not provided is provided, it is possible to prevent a short-circuited current from flowing through the fine particles when a voltage is applied from the source region to the drain region.

【0324】(第23の実施形態)図40は、本発明の
第23の実施形態における半導体素子の断面図である。
同図に示すように、半導体基板としてのp型シリコン基
板3151上に、まず電荷の移動に対して障壁として機
能する第1の障壁層である厚さ2nm程度の熱酸化Si
2 膜3152が設けられている。また上記第1の障壁
層である熱酸化SiO2 膜3152上に、第1の微粒子
体として直径2nmのシリコン微粒子3153が設けら
れている。また上記第1の微粒子体であるシリコン微粒
子3153の上に、電荷の移動に対して障壁として機能
する第2の障壁層である厚さ2nm程度のSiO2 膜3
154が設けられている。また上記第2の障壁層である
SiO 2 膜3154の上に、第2の微粒子体である直径
2nmのSiGe微粒子3155が設けられている。ま
た上記第2の微粒子体であるSiGe微粒子3155の
上に絶縁体層として厚さ10nmのSiO2 膜3156
が設けられており、最上部には電極層であるn型多結晶
シリコン電極3157が設けられている。
(Twenty-third Embodiment) FIG. 40 shows the structure of the present invention.
FIG. 34 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a twenty-third embodiment.
As shown in the figure, a p-type silicon base as a semiconductor substrate
The plate 3151 acts as a barrier against charge transfer.
Thermally oxidized Si having a thickness of about 2 nm, which is a functional first barrier layer
OTwo A membrane 3152 is provided. Also, the first barrier
Thermally oxidized SiO layerTwo A first fine particle on the film 3152
Silicon fine particles 3153 having a diameter of 2 nm are provided as a body.
Have been. Silicon fine particles as the first fine particles
Acts as a barrier to charge transfer
SiO 2 having a thickness of about 2 nm as a second barrier layerTwo Membrane 3
154 are provided. Further, the second barrier layer is provided.
SiO Two On the film 3154, the diameter of the second fine particle
2 nm SiGe fine particles 3155 are provided. Ma
Of the SiGe fine particles 3155 as the second fine particles
SiO 2 having a thickness of 10 nm as an insulator layer thereonTwo Membrane 3156
Is provided, and an n-type polycrystal serving as an electrode layer is provided on the uppermost portion.
A silicon electrode 3157 is provided.

【0325】ここで、上記第2の微粒子体であるSiG
e微粒子3155の直径は上記第1の微粒子体であるシ
リコン微粒子3153の直径と同じとなっているが、両
者の電子親和力が異なる。すなわち、第1の微粒子体で
あるシリコン微粒子3153の電子親和力は、第2の微
粒子体であるSiGe微粒子3155の電子親和力より
も小さい。また、この場合には、第1の微粒子体である
シリコン微粒子3153の電子親和力と禁制帯幅との和
が、第2の微粒子体であるSiGe微粒子3155の電
子親和力と禁制帯幅との和よりも大きい。したがって、
本実施形態の構造は、第2の微粒子体であるSiGe微
粒子3155に、電子,正孔のいずれをも情報媒体であ
る電荷として保持させて使用することができる構造であ
る。
Here, the second fine particles SiG
The diameter of the e microparticles 3155 is the same as the diameter of the silicon microparticles 3153 as the first microparticles, but the electron affinity of both is different. That is, the electron affinity of the silicon microparticles 3153 as the first microparticles is smaller than the electron affinity of the SiGe microparticles 3155 as the second microparticles. Also, in this case, the sum of the electron affinity and the forbidden band width of the silicon fine particles 3153 as the first fine particles is calculated from the sum of the electron affinity and the forbidden band width of the second SiGe fine particles 3155. Is also big. Therefore,
The structure of the present embodiment is a structure in which the SiGe fine particles 3155 as the second fine particles can hold and use both electrons and holes as electric charges as an information medium.

【0326】以上のように、本発明の新規な構造を有す
る半導体素子により、従来になく作製が容易で信頼性の
高く、長期の電荷保持が可能な微粒子体への電荷注入、
保持、消去の手段が提供される。
As described above, the semiconductor device having a novel structure according to the present invention makes it possible to inject electric charge into fine particles which can be easily manufactured, has high reliability, and can retain electric charges for a long time.
Means for retention and erasure are provided.

【0327】図41は、本発明の第23の実施形態にお
ける半導体素子を利用して得られる半導体メモリ素子の
断面図である。同図に示すように、半導体メモリ素子
は、半導体基板であるp型シリコン基板3161中に形
成されたソース領域あるいはドレイン領域として機能す
るn型領域3162と、厚さ1.9nm程度の熱酸化S
iO2 膜3043と、第1の微粒子体であるシリコン微
粒子3164と、第2の障壁層であるSiO2 膜316
5と、第2の微粒子体であるSiGe微粒子3046
と、ゲート絶縁膜であるSiO2 ゲート絶縁層3167
と、ゲート電極であるn型多結晶シリコン電極3168
と、ソース/ドレイン電極である金属電極3169とを
備え、MIS型トランジスタ構造を有している。
FIG. 41 is a sectional view of a semiconductor memory device obtained by using the semiconductor device according to the twenty-third embodiment of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor memory device includes an n-type region 3162 functioning as a source region or a drain region formed in a p-type silicon substrate 3161 which is a semiconductor substrate, and a thermal oxidation S having a thickness of about 1.9 nm.
iO 2 film 3043, silicon fine particles 3164 as first fine particles, and SiO 2 film 316 as second barrier layer
5 and SiGe fine particles 3046 as the second fine particles
And a SiO 2 gate insulating layer 3167 which is a gate insulating film
And an n-type polysilicon electrode 3168 serving as a gate electrode
And a metal electrode 3169 which is a source / drain electrode, and has a MIS transistor structure.

【0328】この構造によっても、第23の実施形態と
同様の原理により、微粒子体への電荷の注入・保持・放
出を制御できる構造を実現できる。さらに、本実施形態
では電荷を保持する構造がMIS型トランジスタ構造の
ゲート領域に形成されていることにより、第2の微粒子
体中に電荷が保持されている状態と電荷が無い状態とで
はMIS型トランジスタ特性の閾値電圧が変化する。こ
れにより、低電圧・高速かつ長期間の記録が可能な不揮
発性の半導体メモリ素子として動作する。さらに単一素
子により基本的なメモリ動作が実現されるので高密度の
集積化が可能である。
With this structure, it is possible to realize a structure capable of controlling the injection, holding, and release of electric charges into the fine particles according to the same principle as that of the twenty-third embodiment. Further, in the present embodiment, since the structure for holding the electric charge is formed in the gate region of the MIS transistor structure, the MIS type in the state where the electric charge is held in the second microparticle and the state where there is no electric charge are provided. The threshold voltage of the transistor characteristics changes. Thereby, it operates as a non-volatile semiconductor memory element capable of low-voltage, high-speed and long-term recording. Furthermore, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0329】本実施形態においては、図40に示すよう
に、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部およ
び上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領域
の上部および上記ソース領域に接する領域において微粒
子体が存在しない部分が設けられているので、ソース領
域からドレイン領域に電圧を印加した際に上記微粒子体
を介して短絡した電流が流れることを防止することがで
きる。
In this embodiment, as shown in FIG. 40, fine particles exist at least in the gate region above the source region and the region in contact with the source region, or in the drain region and the region in contact with the source region. Since the portion not provided is provided, it is possible to prevent a short-circuited current from flowing through the fine particles when a voltage is applied from the source region to the drain region.

【0330】なお、第16〜第23の実施形態において
は、半導体基板としてp型シリコン基板を用いている
が、本発明では、この他にn型シリコン基板、GaAs
基板等他の半導体材料を用いた基板を用いることもでき
る。
In the sixteenth to twenty-third embodiments, a p-type silicon substrate is used as a semiconductor substrate. However, in the present invention, an n-type silicon substrate, GaAs
A substrate using another semiconductor material such as a substrate can also be used.

【0331】また、第16〜第23の実施形態において
は、絶縁層を構成する材料としてSiO2 を用いている
が、前述のように、Si34 、Sixyz (4x
=2y+3z)、CeO2 、ZnS、ZnO、Al2
3 、等他の絶縁体材料を用いることもできる。
[0331] Further, in Embodiment 16 23, but using SiO 2 as the material constituting the insulating layer, as described above, Si 3 N 4, Si x O y N z (4x
= 2y + 3z), CeO 2 , ZnS, ZnO, Al 2 O
Other insulator materials such as 3 can also be used.

【0332】また、第16〜第23の実施形態において
は、微粒子体としてシリコン微粒子や金微粒子、タング
ステン原子、SiGe微粒子等を用いているが、前述の
ように他の半導体材料や金属を用いることもできる。
In the sixteenth to twenty-third embodiments, silicon fine particles, gold fine particles, tungsten atoms, SiGe fine particles, or the like are used as fine particles, but other semiconductor materials or metals may be used as described above. Can also.

【0333】(第24の実施形態)図42は、本発明の
第24の実施形態の半導体素子の断面図である。半導体
基板としてp型シリコン基板4011上に、第1の絶縁
層である厚さ4nmのSiO2 膜4012が設けられ、
第1の絶縁体層の上に第1の微粒子体である金微粒子4
013が設けられている。また、上記第1の微粒子体上
に、電荷の移動に対して障壁として機能する第1の障壁
層である厚さ2nm程度の熱酸化SiO2 膜4014が
設けられている。また上記第1の障壁層上に、第2の微
粒子体である直径約1nmのシリコン微粒子4015が
設けられている。また、第2の微粒子体上に、電荷の移
動に対して障壁として機能する厚さ2nm程度のSiO
2 膜4016(第2の障壁層)が設けられている。ま
た、第2の障壁層上に、第3の微粒子体である金微粒子
4017が設けられている。また、第3の微粒子体上に
第2の絶縁体層である厚さ10nmのSiO2 膜401
8が設けられており、最上部には電極層であるn型多結
晶シリコン電極4019が設けられている。金微粒子は
いずれも高さが約1nm、横方向の直径が5〜8nmで
ある。ここで、第1の微粒子体および第3の微粒子体の
実効的な粒径は、第2の微粒子体の1.8倍以上となっ
ており、その静電容量は第2の微粒子体に比べて大き
い。また、第1及び第3の微粒子体の電子親和力は第2
の微粒子体より大きく、第1及び第3の微粒子体の電子
親和力と禁制帯幅の和は第2の微粒子体より小さい。
(Twenty-fourth Embodiment) FIG. 42 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-fourth embodiment of the present invention. A 4 nm-thick SiO 2 film 4012 as a first insulating layer is provided over a p-type silicon substrate 4011 as a semiconductor substrate.
Gold fine particles 4 as first fine particles on the first insulator layer
013 is provided. A thermally oxidized SiO 2 film 4014 having a thickness of about 2 nm, which is a first barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges, is provided on the first fine particles. Further, silicon fine particles 4015 having a diameter of about 1 nm, which are second fine particles, are provided on the first barrier layer. In addition, a SiO 2 layer having a thickness of about 2 nm functioning as a barrier against the movement of electric charges is formed on the second fine particles.
Two films 4016 (second barrier layers) are provided. Further, gold fine particles 4017 as third fine particles are provided on the second barrier layer. Further, a 10-nm-thick SiO 2 film 401 as a second insulator layer is formed on the third fine particles.
8 is provided, and an n-type polycrystalline silicon electrode 4019 which is an electrode layer is provided on the uppermost portion. Each of the fine gold particles has a height of about 1 nm and a diameter in the lateral direction of 5 to 8 nm. Here, the effective particle diameters of the first fine particles and the third fine particles are 1.8 times or more of the second fine particles, and their capacitances are larger than those of the second fine particles. Big. The electron affinity of the first and third fine particles is the second.
And the sum of the electron affinity and the forbidden band width of the first and third fine particles is smaller than that of the second fine particle.

【0334】シリコン微粒子は、化学的気相合成(CV
D)法により、1×1011cm-2〜1×1013cm-2
度の面内密度で形成されており、金微粒子は、金コロイ
ド溶液へのウエハ浸漬により、1×1010cm-2〜1×
1012cm-2程度の面内密度で固定されている。
[0334] Silicon fine particles are produced by chemical vapor synthesis (CV).
By D) method, 1 × 10 11 cm -2 ~1 × 10 13 are formed in plane density of the order cm -2, gold microparticles, the wafer immersion into a gold colloid solution, 1 × 10 10 cm - 2 to 1 ×
It is fixed at an in-plane density of about 10 12 cm -2 .

【0335】図57に示す従来の半導体素子において
は、すでに説明したように、半導体表面の電場状態に応
じて微粒子体上の電荷量が徐々に変動するため、信頼性
の高い電荷保持を行うことが困難であった。これに対し
て、本発明の構成によれば下記のようにして大幅に素子
の信頼性を高めることができる。
In the conventional semiconductor device shown in FIG. 57, as described above, the charge amount on the fine particles gradually changes according to the electric field state on the semiconductor surface. Was difficult. On the other hand, according to the configuration of the present invention, the reliability of the element can be greatly improved as described below.

【0336】本実施形態においては、第2の微粒子体を
介した第1の微粒子体と第3の微粒子体の間の電荷移動
により情報が記録される。情報の記録(書込・消去)は
上部電極と半導体基板の間に外部から書込(消去)電界
を加えることにより第1の微粒子体と第3の微粒子体の
間に電場勾配を与えて両者の間で電荷を移動させ、電荷
の分布状態を変化させることで行う。
In this embodiment, information is recorded by charge transfer between the first and third fine particles via the second fine particles. Recording (writing / erasing) of information is performed by applying a writing (erasing) electric field between the upper electrode and the semiconductor substrate from the outside to give an electric field gradient between the first fine particle and the third fine particle. This is performed by moving the charge between the two and changing the distribution state of the charge.

【0337】本実施形態において、第1の微粒子体と半
導体基板表面の間には絶縁体層が設けられており、通
常、半導体基板と微粒子体の間の電荷移動は起こらな
い。電荷が保持される微粒子体が半導体表面から隔離さ
れた位置に設けられているので半導体表面の状態の影響
は間接的なものに抑制される。たとえ、電荷保持時に半
導体表面が蓄積状態あるいは強反転状態となり、表面に
多数の正孔あるいは電子が存在しても、これらは微粒子
体間の電荷移動に直接関与しない。半導体基板の表面状
態が変化した場合、それに対応する電場勾配の変化が第
1の微粒子体と第3の微粒子体の間にも発生するが、こ
の電場勾配は書込・消去時の外部電界による電場勾配に
比較して十分小さく抑制することができる。
In the present embodiment, an insulator layer is provided between the first fine particles and the surface of the semiconductor substrate, and normally, charge transfer between the semiconductor substrate and the fine particles does not occur. Since the fine particles holding the charges are provided at positions separated from the semiconductor surface, the influence of the state of the semiconductor surface is suppressed to an indirect one. For example, even if the semiconductor surface is in an accumulation state or a strong inversion state during charge retention and a large number of holes or electrons are present on the surface, they do not directly participate in the charge transfer between the fine particles. When the surface state of the semiconductor substrate changes, a corresponding change in the electric field gradient also occurs between the first fine particles and the third fine particles, and this electric field gradient is caused by an external electric field during writing / erasing. It can be suppressed sufficiently smaller than the electric field gradient.

【0338】上記の効果により、本実施形態による半導
体素子は、半導体基板の表面状態からの影響による微粒
子体の電荷保持状態の変動が少なく、信頼性の高い半導
体素子を実現できる。
According to the above effects, the semiconductor device according to the present embodiment can realize a highly reliable semiconductor device with little change in the state of holding the fine particles due to the influence of the surface state of the semiconductor substrate.

【0339】本実施形態の素子の具体的な電荷注入と電
荷保持の動作を以下に説明する。
The specific charge injection and charge holding operations of the device of this embodiment are described below.

【0340】外部から書込み電圧として、例えば正電圧
がn型多結晶シリコン電極4019に印可されると、第
1の微粒子体(金微粒子4013)から電子が引抜かれ
て第2の微粒子体(シリコン微粒子4015)に移動す
る。ここで、第2の微粒子体の粒径は第1の微粒子体あ
るいは第3の微粒子体(金微粒子4017)の粒径に比
べて小さいのでその静電容量は小さく、第2の微粒子体
上の電荷は不安定である。このため、余剰の電子は速や
かに第2の微粒子体から第3の微粒子体に移動する。こ
の電荷移動により、第1の微粒子体に+e、第3の微粒
子体に−eの電荷が蓄積される。第1の微粒子体および
第3の微粒子体の静電容量は第2の微粒子体の静電容量
に比較して大きいので、蓄積された電荷により生じる電
界は書き込み時の外部電界に比べて十分小さく、一度蓄
積された電荷は長期間放電せずに保持されることとな
る。特に、第2の微粒子体の粒径が5nm以下のとき
は、その単電荷による電位上昇が蓄積電荷による電場勾
配や熱エネルギーに比較して大きくなるため、第2の微
粒子を介した電荷移動が困難となり長期の電荷保持が可
能となる。なお、消去時は書込み時と反対方向で同程度
の大きさの外部電界を印可することにより容易に蓄積さ
れた電荷を放電させることができる。
When a positive voltage, for example, as a write voltage is externally applied to the n-type polycrystalline silicon electrode 4019, electrons are extracted from the first fine particles (gold fine particles 4013) and the second fine particles (silicon fine particles) are drawn. Move to 4015). Here, since the particle size of the second fine particles is smaller than the particle size of the first fine particles or the third fine particles (gold fine particles 4017), the capacitance thereof is small, and The charge is unstable. For this reason, the surplus electrons move quickly from the second fine particles to the third fine particles. Due to this charge transfer, + e charges are accumulated in the first fine particles and -e charges are stored in the third fine particles. Since the capacitances of the first fine particle and the third fine particle are larger than the capacitance of the second fine particle, the electric field generated by the accumulated charge is sufficiently smaller than the external electric field at the time of writing. Then, the charge once accumulated is held without being discharged for a long time. In particular, when the particle diameter of the second fine particles is 5 nm or less, the potential rise due to the single electric charge is larger than the electric field gradient or the thermal energy due to the accumulated electric charges, and thus the charge transfer through the second fine particles is not increased. It becomes difficult and long-term charge retention becomes possible. Note that at the time of erasing, the accumulated electric charge can be easily discharged by applying an external electric field of the same magnitude in the direction opposite to the writing.

【0341】第2の微粒子体の状態が量子化され、量子
準位のエネルギー間隔が室温の熱エネルギーおよび第3
の微粒子体の電位上昇に比べて大きい場合は、次に示す
ようにさらなる電荷保持の安定化が可能である。
The state of the second fine particles is quantized, and the energy interval of the quantum level is set to the thermal energy at room temperature and the third energy.
When the potential is larger than the potential rise of the fine particles, the charge retention can be further stabilized as described below.

【0342】図43(a),(b)は、電子による電荷
移動の際の伝導帯端付近のバンド構造を概略的に示すバ
ンド図である。図43(a)に示すように、第1〜第3
の微粒子体に電荷が無い状態で、第2の微粒子体が量子
化され、その基底準位4032は電子が占め、第1励起
準位4031は空で両者のエネルギー間隔が熱エネルギ
ーより十分大きいとする。外部より書込みのため電界を
加えると、図43(b)に示すように、第1の微粒子体
から第2の微粒子体の第1励起準位4031を介したト
ンネル過程4035により電子が第3の微粒子体に注入
される。第3の微粒子体の粒径が大きい場合は外部電界
を除いても、図43(c)に示すように、第3の微粒子
体のフェルミレベル4034は第1励起準位4031よ
り低くなる。両者の差が熱エネルギーよりも小さい場合
は電荷の放出が困難となり、第3の微粒子体および第1
の微粒子体の電荷が安定に保持されることとなる。ここ
では、電子を注入電荷として用いる場合について述べた
が同様に正孔を用いることもできる。
FIGS. 43 (a) and 43 (b) are band diagrams schematically showing a band structure near the conduction band edge during charge transfer by electrons. As shown in FIG. 43 (a), first to third
The second fine particle is quantized in a state where no electric charge is present in the fine particles, and the ground level 4032 is occupied by electrons, the first excited level 4031 is empty, and the energy interval between the two is sufficiently larger than the thermal energy. I do. When an electric field is applied for writing from the outside, as shown in FIG. 43 (b), electrons are generated from the first fine particle by the tunneling process 4035 via the first excitation level 4031 of the second fine particle, and the third electron is generated. Injected into fine particles. When the particle diameter of the third microparticle is large, the Fermi level 4034 of the third microparticle is lower than the first excitation level 4031 as shown in FIG. If the difference between the two is smaller than the heat energy, it becomes difficult to release the charge, and the third fine particles and the first
Thus, the electric charge of the fine particles is stably held. Here, the case where electrons are used as the injected charges has been described, but holes can be used in the same manner.

【0343】なお、リーク電流が抑制されて電荷保持が
安定化される効果を利用して、障壁層の厚さを薄くする
ことにより書込・消去速度を高速化したり書込・消去電
圧を低電圧化することもできる。
By utilizing the effect that the leakage current is suppressed and the charge retention is stabilized, the thickness of the barrier layer is reduced to increase the writing / erasing speed or to lower the writing / erasing voltage. Voltage can also be used.

【0344】電荷として電子を用いる場合には、第1の
微粒子体および第3の微粒子体の電子親和力が第2の微
粒子体に比べて大きいことにより、また、電荷として正
孔を用いる場合には、第1の微粒子体および第3の微粒
子体の電子親和力と禁制帯幅の和が第2の微粒子体に比
べて小さいことにより、第2の微粒子体を介した電荷リ
ークが抑制できるので電荷保持がさらに容易となる。特
に、第2の微粒子体が半導体材料により構成され、第1
の微粒子体および第3の微粒子体が金属材料により構成
されることにより長期の電荷保持が安定となる。
When electrons are used as charges, the first and third fine particles have higher electron affinity than the second fine particles, and when holes are used as charges, Since the sum of the electron affinity and the forbidden band width of the first fine particle and the third fine particle is smaller than that of the second fine particle, the charge leakage through the second fine particle can be suppressed, so that the charge is retained. Becomes easier. In particular, the second fine particles are made of a semiconductor material,
Since the fine particles and the third fine particles are made of a metal material, long-term charge retention becomes stable.

【0345】さらに、あらかじめ上部電極(多結晶シリ
コン層)4019に書込・消去時に比べて大きな電界を
加えて第1の微粒子体あるいは第3の微粒子体に、p型
シリコン基板4011あるいは上部電極であるn型多結
晶シリコン電極4019から余剰の初期電荷を蓄積させ
ることもできる。初期電荷として、例えば、各第1の微
粒子体(金微粒子4013)あるいは第3の微粒子体
(金微粒子4017)に平均1個の単電荷を与えた場
合、この単電荷が第1の微粒子体にある状態と、第3の
微粒子体にある状態の区別により情報を記録することが
できる。初期電荷が無い場合の単電荷の移動により発生
する電場勾配が約2q/(C×d)(ただし、qは電荷
素量、C:第1の微粒子体と第3の微粒子体の間の静電
容量、d:第1の微粒子体と第3の微粒子対の間の有効
距離)であるのに比較して、単電荷の初期電荷が第1の
微粒子体あるいは第3の微粒子体に存在する場合の電場
勾配は約q/(C×d)と小さくなる。これにより、さ
らに情報保持時の電荷移動は抑制され、長期間情報を保
持することが容易となる。
Further, a large electric field is applied in advance to the upper electrode (polycrystalline silicon layer) 4019 as compared with the time of writing / erasing, and the first or third fine particles are applied to the p-type silicon substrate 4011 or the upper electrode. Excess initial charge can be accumulated from a certain n-type polycrystalline silicon electrode 4019. As an initial charge, for example, when an average of one single charge is given to each of the first fine particles (gold fine particles 4013) or the third fine particles (gold fine particles 4017), this single charge is applied to the first fine particles. Information can be recorded by distinguishing between a certain state and a state in the third microparticle. The electric field gradient generated by the movement of a single charge when there is no initial charge is about 2q / (C × d) (where q is the elementary charge, C: static between the first fine particle and the third fine particle) Capacitance, d: effective distance between the first microparticle and the third microparticle pair), the single initial charge exists in the first microparticle or the third microparticle. In this case, the electric field gradient becomes as small as about q / (C × d). This further suppresses the movement of charges during information retention, making it easier to retain information for a long period of time.

【0346】以上のように、本実施形態による半導体素
子では、従来に無く長時間の電荷保持が可能で信頼性の
高い情報記録、保持、消去の手段が提供される。
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, a highly reliable information recording, retaining and erasing means capable of retaining electric charges for a long time is provided.

【0347】本実施形態では、微粒子体中に注入・蓄積
される電荷としては、電子と正孔のいずれをも利用可能
である。
In the present embodiment, both electrons and holes can be used as the electric charge injected and accumulated in the fine particles.

【0348】また、本実施形態では、半導体基板として
p型のシリコン基板を用いたが、同様にn型のシリコン
基板やその他の材料からなる半導体基板を用いることも
できる。
In this embodiment, a p-type silicon substrate is used as a semiconductor substrate. However, an n-type silicon substrate or a semiconductor substrate made of another material may be used.

【0349】また、本実施形態では微粒子体としてシリ
コン微粒子と金微粒子を用いたが、同様に、金属や他の
半導体材料を用いることもできる。
In this embodiment, silicon fine particles and gold fine particles are used as fine particles, but metals and other semiconductor materials can be used in the same manner.

【0350】また、本実施形態では第1の微粒子体(金
微粒子4013)と第3の微粒子体(金微粒子401
7)との間に、第1の障壁層(熱酸化SiO2 膜401
4)と第2の障壁層(SiO2 膜4016)とによって
挟まれた第2の微粒子体(シリコン微粒子4015)を
1層のみ設けているが、第2の微粒子体を複数層設け、
各層の間にさらに障壁層をはさんだ構造によりさらに第
1の微粒子体および第3の微粒子体内の電荷保持を安定
化させることもできる。
In this embodiment, the first fine particles (gold fine particles 4013) and the third fine particles (gold fine particles 401) are used.
7), a first barrier layer (thermally oxidized SiO 2 film 401)
Although only one layer of the second fine particles (silicon fine particles 4015) sandwiched between 4) and the second barrier layer (SiO 2 film 4016) is provided, a plurality of layers of the second fine particles are provided.
The structure in which a barrier layer is further interposed between the layers can further stabilize the charge retention in the first and third fine particles.

【0351】本実施形態において、微粒子体が設けられ
た領域の周囲が絶縁体により覆われていることにより、
蓄積された電荷が周辺からの短絡により消失することが
無く望ましい。また特に初期電荷を蓄積する場合、電荷
が外部に放出してしまわないために周囲を絶縁体で覆う
必要がある。
In the present embodiment, since the periphery of the region where the fine particles are provided is covered with an insulator,
Desirably, the accumulated charge does not disappear due to a short circuit from the periphery. In particular, when initial charge is accumulated, it is necessary to cover the periphery with an insulator so that the charge is not released to the outside.

【0352】(第25の実施形態)図44は、本発明の
第25の実施形態における半導体メモリ素子の断面図で
ある。半導体基板であるp型シリコン基板4041中に
はソース領域あるいはドレイン領域として機能するn型
伝導領域4042が設けられており、ソース/ドレイン
電極である金属電極4411、ゲート絶縁膜であるSi
2 ゲート絶縁層4049、ゲート電極であるn型多結
晶シリコン電極4410と合わせてMIS型トランジス
タ構造が形成されている。また、上記MIS型トランジ
スタ構造のゲート絶縁膜4049とp型シリコン基板4
041の間に、以下の構造が設けらている。
(Twenty-Fifth Embodiment) FIG. 44 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a twenty-fifth embodiment of the present invention. An n-type conduction region 4042 functioning as a source region or a drain region is provided in a p-type silicon substrate 4041 which is a semiconductor substrate, a metal electrode 4411 which is a source / drain electrode, and a Si which is a gate insulating film.
An MIS transistor structure is formed in combination with the O 2 gate insulating layer 4049 and the n-type polycrystalline silicon electrode 4410 serving as a gate electrode. The gate insulating film 4049 having the MIS transistor structure and the p-type silicon substrate 4
041, the following structure is provided.

【0353】p型シリコン基板4041上に、絶縁層で
ある厚さ4nmのSiO2 膜4043が設けられ、絶縁
層上に第1の微粒子体である金微粒子4044が設けら
れている。第1の微粒子体上に、電荷の移動に対して障
壁として機能する厚さ2nm程度の熱酸化SiO2 膜4
045(第1の障壁層)が設けられている。第1の障壁
層上に、第2の微粒子体である直径1nmのシリコン微
粒子4046が設けられている。第2の微粒子体上に、
電荷の移動に対して障壁として機能する厚さ2nm程度
のSiO2 膜4047(第2の障壁層)が設けられてい
る。第2の障壁層上に、第3の微粒子体である金微粒子
4048が設けられている。さらに、SiO2 膜404
3,金微粒子4044,熱酸化SiO2 膜4045,シ
リコン微粒子4046,SiO2 膜4047及び金微粒
子4048の側面上に、SiO2サイドウォール441
2が設けられている。ここで、金微粒子4044,40
48は、いずれも高さが約1nm、横方向の直径が5〜
8nmである。
A 4 nm-thick SiO 2 film 4043 as an insulating layer is provided on a p-type silicon substrate 4041, and gold fine particles 4044 as first fine particles are provided on the insulating layer. On the first fine particles, a thermally oxidized SiO 2 film 4 having a thickness of about 2 nm functioning as a barrier against the movement of electric charges.
045 (first barrier layer). On the first barrier layer, silicon fine particles 4046 having a diameter of 1 nm, which are second fine particles, are provided. On the second fine particle,
An SiO 2 film 4047 (second barrier layer) having a thickness of about 2 nm which functions as a barrier against the movement of electric charges is provided. On the second barrier layer, gold fine particles 4048 as third fine particles are provided. Further, the SiO 2 film 404
3, gold fine particles 4044, thermally oxidized SiO 2 film 4045, silicon fine particles 4046, SiO 2 film 4047, and SiO 2 side walls 441 on the side surfaces of gold fine particles 4048
2 are provided. Here, gold fine particles 4044, 40
48 have a height of about 1 nm and a lateral diameter of 5 to 5 nm.
8 nm.

【0354】ここで、第1の微粒子体(金微粒子404
4)および第3の微粒子体(金微粒子4048)の実効
的な粒径は、第2の微粒子体(シリコン微粒子404
6)の1.8倍以上となっており、それらの静電容量は
第2の微粒子体に比べてそれぞれ大きい。ここで、シリ
コン微粒子4044,4048の面内密度は1×1011
cm-2〜1×1013cm-2であり、金微粒子の面内密度
は1×1010cm-2〜1×1012cm-2程度である。ま
た、微粒子体が設けられた領域の周囲には、絶縁体から
なるSiO2 サイドウォール4412が設けらている。
このように、微粒子体を設けた領域の周囲を絶縁体サイ
ドウォールにより覆われているにより、蓄積された電荷
が周辺からの短絡により消失するのを確実に防止するこ
とができる。また、微粒子体に初期電荷を蓄積しても、
電荷が外部に放出するのを有効に抑制することができ
る。
Here, the first fine particles (gold fine particles 404)
The effective particle size of 4) and the third fine particle (gold fine particle 4048) is the second fine particle (silicon fine particle 404).
6), which is 1.8 times or more, and their capacitances are larger than those of the second fine particles. Here, the in-plane density of the silicon fine particles 4044 and 4048 is 1 × 10 11
cm −2 to 1 × 10 13 cm −2 , and the in-plane density of the fine gold particles is about 1 × 10 10 cm −2 to 1 × 10 12 cm −2 . In addition, an SiO 2 side wall 4412 made of an insulator is provided around the region where the fine particles are provided.
In this manner, since the periphery of the region where the fine particles are provided is covered with the insulator sidewall, the accumulated charge can be reliably prevented from disappearing due to a short circuit from the periphery. Also, even if the initial charge is accumulated in the fine particles,
Emission of charges to the outside can be effectively suppressed.

【0355】また、本実施形態の半導体メモリ素子にお
いて、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部お
よび上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領
域の上部および上記ドレイン領域に接する領域のいずれ
か一方あるいは両方の領域において、少なくとも微粒子
分散層が存在しない部分が設けられていることにより、
ソース領域からドレイン領域に電圧を印加した際に上記
微粒子体を介して短絡した電流が流れることを防止する
ことができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, at least one of the gate region and the region in contact with the source region and the drain region and / or the region in contact with the drain region and the drain region. In the region, by providing at least a portion where the fine particle dispersion layer does not exist,
When a voltage is applied from the source region to the drain region, a short-circuited current can be prevented from flowing through the fine particles.

【0356】本実施形態においても、第24の実施形態
と同様の原理により、微粒子体への電荷の注入・保持・
放出を制御できる構造を実現できる。さらに、本実施形
態では電荷を保持する構造がMIS型トランジスタ構造
のゲート領域に形成されていることにより、第1の微粒
子体および第3の微粒子体中の電荷の分布状態の変化に
応じてMIS型トランジスタ特性の閾値電圧が変化す
る。これにより高速かつ信頼性の高い不揮発性の半導体
メモリ素子として動作する。
In the present embodiment, the same principle as that of the twenty-fourth embodiment is used to inject, hold, and charge the fine particles.
A structure capable of controlling release can be realized. Further, in the present embodiment, since the structure for holding the charge is formed in the gate region of the MIS transistor structure, the MIS is changed in accordance with the change in the distribution of the charge in the first and third fine particles. The threshold voltage of the type transistor characteristic changes. As a result, the device operates as a high-speed and highly reliable nonvolatile semiconductor memory device.

【0357】また、本実施形態において、ゲート領域の
微粒子体の設けられた領域が少なくともソース−ドレイ
ン間の短絡電流を妨げる方向で複数の領域に分割された
形状を有することにより、ソース領域からドレイン領域
に電圧を印加した際に上記微粒子体を介して短絡した電
流が流れることを防止することもできる。
Further, in the present embodiment, the region where the fine particles in the gate region are provided is divided into a plurality of regions at least in a direction in which a short-circuit current between the source and the drain is prevented. It is also possible to prevent a short-circuited current from flowing through the fine particles when a voltage is applied to the region.

【0358】(第26の実施形態)図45は、本発明の
第26の実施形態における半導体素子の断面図である。
半導体基板であるp型シリコン基板4051上に、第1
の絶縁体層である厚さ4nmのSiO2 膜4052が設
けられ、第1の絶縁体層上に第1の微粒子体である直径
5nmのシリコン微粒子4053が設けられている。第
1の微粒子体上には、電荷の移動に対して障壁として機
能する障壁層としての,SiO2 中に第2の微粒子体で
あるシリコン微粒子4055が分散した第1の微粒子分
散層,つまり,CVD装置を用いて堆積したSiOx
(1.5<x<2)からなるシリコン過多酸化膜405
4が設けられている。さらに、微粒子分散層上に、第2
の微粒子体である直径5nmのシリコン微粒子4056
が設けられている。
(Twenty-Sixth Embodiment) FIG. 45 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-sixth embodiment of the present invention.
On a p-type silicon substrate 4051 which is a semiconductor substrate, a first
An SiO 2 film 4052 having a thickness of 4 nm is provided as an insulator layer, and silicon fine particles 4053 having a diameter of 5 nm are provided as first fine particles on the first insulator layer. On the first fine particles, a first fine particle dispersion layer in which silicon fine particles 4055 as second fine particles are dispersed in SiO 2 as a barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges, that is, SiO x deposited using CVD equipment
(1.5 <x <2) silicon-rich oxide film 405
4 are provided. In addition, a second
Silicon fine particles 4056 having a diameter of 5 nm
Is provided.

【0359】ここで、第1の微粒子体と第3の微粒子体
であるシリコン微粒子4053,4056の表面はいず
れも酸化され、シリコン微粒子4053,4056の周
囲は、電荷の移動に対して障壁として機能する厚さ1n
m程度のSiO2 膜(障壁層)により覆われている。第
3の微粒子体上には、第2の絶縁体層である厚さ10n
mのSiO2 膜4057が設けられており、最上部には
電極層であるn型多結晶シリコン電極4058が設けら
れている。
Here, the surfaces of the first fine particles and the third fine particles, ie, the silicon fine particles 4053 and 4056, are both oxidized, and the periphery of the silicon fine particles 4053 and 4056 functions as a barrier against the movement of electric charges. Thickness 1n
It is covered by about m m of SiO 2 film (barrier layer). On the third fine particles, a second insulator layer having a thickness of 10 n
An m 2 SiO 2 film 4057 is provided, and an n-type polycrystalline silicon electrode 4058 as an electrode layer is provided on the uppermost portion.

【0360】第1,第3の微粒子体であるシリコン微粒
子4053,4056は、CVD法により形成され、そ
の面内密度は、いずれも1×1010cm-2〜1×1012
cm -2程度である。
Silicon fine particles as first and third fine particles
The elements 4053 and 4056 are formed by the CVD method.
The in-plane density was 1 × 10Tencm-2~ 1 × 1012
cm -2It is about.

【0361】第24の実施形態においては、第2の微粒
子体を第1の障壁層上に微細構造として作製するので粒
径分布や面内分散状態等を制御する必要がある。しか
し、本実施形態では、SiOx 層(1.5<x<2)
(シリコン過多酸化膜4054)を利用することによ
り、容易に障壁層であるSiO2 中に微小なシリコン微
粒子4055が分散した構造を実現できる。すなわち、
SiOx 層中の微小なシリコンアイランド(シリコン微
粒子4055)が第2の微粒子体として機能するので、
特に微細構造を制御する必要がない。この結果、半導体
素子の製造が容易となり素子特性の再現性も高い。Si
x 層(シリコン過多酸化膜4054)は、CVD法に
より容易に高品質の膜が製造できるが、この他スパッタ
法等によっても作製できる。なおSiOx 層(1.5<
x<2)の酸素含有比xが1.8<x<2の範囲にある
ことにより、より微小なシリコンアイランドを形成する
ことができ、好ましい。SiOx 層(1.5<x<2)
の厚さは5〜20nmの範囲にあることにより、低電圧
での素子動作が可能となる。本実施形態では厚さ10n
mのSiO1.9 を用いている。
In the twenty-fourth embodiment, since the second fine particles are formed as a fine structure on the first barrier layer, it is necessary to control the particle size distribution, the in-plane dispersion state, and the like. However, in the present embodiment, the SiO x layer (1.5 <x <2)
By using the (silicon-rich oxide film 4054), a structure in which fine silicon particles 4055 are dispersed in SiO 2 as a barrier layer can be easily realized. That is,
Since the fine silicon islands (silicon fine particles 4055) in the SiO x layer function as the second fine particles,
In particular, there is no need to control the microstructure. As a result, the manufacture of the semiconductor device is facilitated and the reproducibility of the device characteristics is high. Si
O x layer (silicon excess oxide film 4054) is easily high-quality film is produced by CVD can also be produced by the other method such as sputtering. The SiO x layer (1.5 <
When the oxygen content ratio x of x <2) is in the range of 1.8 <x <2, a finer silicon island can be formed, which is preferable. SiO x layer (1.5 <x <2)
Has a thickness in the range of 5 to 20 nm, which allows the device to operate at a low voltage. In this embodiment, the thickness is 10 n
m of SiO 1.9 is used.

【0362】ここで、第2の微粒子体として機能するS
iOx 層(1.5<x<2)中のシリコン微粒子405
5の粒径は1nm以下であり、第1,第3の微粒子体で
あるシリコン微粒子4053,4056の直径はその
1.8倍以上である。
Here, S functioning as a second fine particle
Silicon fine particles 405 in iO x layer (1.5 <x <2)
The particle diameter of No. 5 is 1 nm or less, and the diameters of the silicon fine particles 4053 and 4056, which are the first and third fine particles, are 1.8 times or more thereof.

【0363】なお、本実施形態では、作製したSiOx
層を特に熱処理することなくそのまま使用し、微小なシ
リコンアイランドを微粒子体として利用しているが、S
iO x 層を1000℃程度で熱処理することによりシリ
コン微粒子を成長させ、その粒径を制御することもでき
る。
In this embodiment, the formed SiOx 
The layer is used without any special heat treatment,
Recon Island is used as fine particles.
iO x The layer is heat treated at about 1000 ° C.
It is also possible to control the particle size by growing
You.

【0364】また、本実施形態では微粒子分散層として
SiOx 膜を用いているが、絶縁体に半導体イオンある
いは金属イオンを注入することにより作製された層を本
実施形態の微粒子分散層の代わりに用いることにより、
さらに容易に本実施形態の微粒子分散層と同等の電荷制
御機能を有する構造を作製することもできる。半導体イ
オンあるいは金属イオンを注入した絶縁体は、シリコン
微結晶等を分散した構造とは異なるが、絶縁体中で半導
体や金属原子が形成する準位は本発明における粒径の小
さな第1の微粒子体と実質的に同様の機能を発揮するの
で、本発明における微粒子分散層として使用することが
できる。例えば、SiイオンやWイオン等を注入したS
iO2 膜などを微粒子分散層として使用することで、本
実施形態と同様の効果を発揮することができる。
In this embodiment, the SiO x film is used as the fine particle dispersion layer. However, a layer formed by implanting semiconductor ions or metal ions into the insulator is replaced with the fine particle dispersion layer of the present embodiment. By using
Further, a structure having a charge control function equivalent to that of the fine particle dispersion layer of the present embodiment can be easily produced. Although an insulator into which semiconductor ions or metal ions are implanted has a structure different from a structure in which silicon microcrystals or the like are dispersed, the level formed by a semiconductor or a metal atom in the insulator is the first fine particle having a small particle diameter according to the present invention. Since it exerts substantially the same function as the body, it can be used as a fine particle dispersion layer in the present invention. For example, S implanted with Si ions or W ions, etc.
By using an iO 2 film or the like as the fine particle dispersion layer, the same effect as in the present embodiment can be exhibited.

【0365】本実施形態でも、第24の実施形態と同様
の原理により、微粒子体への電荷の注入・保持・放出を
効率よく制御できる。さらに、本実施形態では、前述の
ように、第2の微粒子体を微細構造として作製する必要
がないため、製造が容易で素子特性の再現性が高い利点
がある。
Also in the present embodiment, the injection, holding and release of electric charges into the fine particles can be efficiently controlled by the same principle as in the twenty-fourth embodiment. Furthermore, in the present embodiment, as described above, there is no need to manufacture the second fine particles as a fine structure, so that there is an advantage that manufacturing is easy and reproducibility of element characteristics is high.

【0366】さらに、本実施形態では、第24の実施形
態と異なり、第1の微粒子体と第3の微粒子体との間の
電荷移動は、通常、単一の第2の微粒子体だけではな
く、複数の第2の微粒子体を介して行われる。複数の微
粒子体を介したトンネル過程では、単一の微粒子体を介
した過程に比べ、特に電荷保持時の弱い電界下でのトン
ネル電流が減少するので、より長期の電荷保持が容易と
なる。
Further, in the present embodiment, unlike the twenty-fourth embodiment, the charge transfer between the first fine particle and the third fine particle is usually not limited to the single second fine particle. , Through a plurality of second fine particles. In the tunnel process through a plurality of fine particles, the tunnel current under a weak electric field at the time of charge retention is reduced as compared with the process through a single fine particle, so that a longer-term charge retention becomes easier.

【0367】なお、本実施形態の半導体素子において
は、第1,第3の微粒子体であるシリコン微粒子405
3,4056の表面はいずれも酸化され、その周囲は電
荷の移動に対して障壁として機能する障壁層により覆わ
れているが、上記障壁層のない構造により素子作製工程
を簡素化することもできる。
In the semiconductor device of this embodiment, the silicon fine particles 405 as the first and third fine particles are used.
The surface of 3,4056 is oxidized, and its periphery is covered with a barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges. The structure without the barrier layer can also simplify the element manufacturing process. .

【0368】また、本実施形態の半導体素子において、
第1の微粒子体あるいは第3の微粒子体と微粒子分散層
の間に、障壁層が設けられていることによりリーク電流
をさらに抑制することもできる。
In the semiconductor device of this embodiment,
The provision of the barrier layer between the first fine particle or the third fine particle and the fine particle dispersion layer can further suppress the leak current.

【0369】また、本実施形態の半導体素子において、
第1の微粒子体および第3の微粒子体についても、電荷
の移動に対して障壁として機能する障壁層内部に分散さ
れた状態とすることにより素子作製を簡易化することも
できる。
In the semiconductor device of this embodiment,
The first fine particles and the third fine particles are also dispersed in the inside of the barrier layer functioning as a barrier against the movement of the electric charges, so that the device can be easily manufactured.

【0370】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第25の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
Using the structure of the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor memory device similar to that of the twenty-fifth embodiment can be formed.

【0371】図46は、本実施形態の半導体素子を用い
て形成される半導体メモリ素子の断面図である。同図に
示すように、半導体基板であるp型シリコン基板406
1上に、ソース領域あるいはドレイン領域として機能す
るn型伝導領域4062と、SiO2 膜4063と、第
1の微粒子体である金微粒子4064と、熱酸化SiO
2 膜4065と、第2の微粒子体であるシリコン微粒子
4067と、SiO2膜4068と、n型多結晶シリコ
ン電極4069とが設けられている。さらに、SiO2
膜4063,金微粒子4064,熱酸化SiO2 膜40
65,シリコン微粒子4067及びSiO2 膜4068
の側面上に、SiO2 サイドウォールが設けられてい
る。また、n型伝導領域4062の上に、ソース/ドレ
イン電極である金属電極4610が設けられ、全体とし
てMIS型トランジスタ構造が形成されている。
FIG. 46 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of this embodiment. As shown in the figure, a p-type silicon substrate 406 which is a semiconductor substrate
1, an n-type conductive region 4062 functioning as a source region or a drain region, an SiO 2 film 4063, gold fine particles 4064 as first fine particles, and thermally oxidized SiO 2.
A second film 4065, silicon fine particles 4067 as second fine particles, an SiO 2 film 4068, and an n-type polycrystalline silicon electrode 4069 are provided. Furthermore, SiO 2
Film 4063, gold fine particles 4064, thermally oxidized SiO 2 film 40
65, silicon fine particles 4067 and SiO 2 film 4068
Are provided with SiO 2 side walls. Further, a metal electrode 4610 which is a source / drain electrode is provided on the n-type conductive region 4062, and an MIS transistor structure is formed as a whole.

【0372】これにより、第1の微粒子体(シリコン微
粒子4064)および第3の微粒子体(シリコン微粒子
4067)中の電荷の分布状態の変化に応じてMIS型
トランジスタ特性の閾値電圧が変化するのを利用して、
この半導体素子を高速かつ信頼性の高い不揮発性の半導
体メモリ素子として動作させることができる。
Thus, it is possible to prevent the threshold voltage of the MIS transistor characteristics from changing according to the change in the distribution of the electric charges in the first fine particles (silicon fine particles 4064) and the third fine particles (silicon fine particles 4067). Use
This semiconductor element can be operated as a high-speed and highly reliable nonvolatile semiconductor memory element.

【0373】本実施形態の半導体メモリ素子において
も、第25の実施形態と同様に、微粒子分散層等を設け
た領域の周囲が絶縁体により覆われていることにより、
蓄積された電荷分布が周辺からの短絡により消失するこ
とが無く望ましい。また微粒子体に初期電荷を蓄積して
も、電荷が外部に放出してしまわないので望ましい。
In the semiconductor memory device of this embodiment, as in the twenty-fifth embodiment, the periphery of the region where the fine particle dispersion layer and the like are provided is covered with an insulator.
It is desirable that the accumulated charge distribution does not disappear due to a short circuit from the periphery. Further, even if the initial charge is accumulated in the fine particles, the charge is not released to the outside, which is desirable.

【0374】また、本実施形態の半導体メモリ素子にお
いて、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部お
よび上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領
域の上部および上記ドレイン領域に接する領域のいずれ
か一方あるいは両方の領域において、少なくとも微粒子
分散層が存在しない部分が設けられていることにより、
ソース領域からドレイン領域に電圧を印加した際に上記
微粒子体を介して短絡した電流が流れることを防止する
ことができる。
In the semiconductor memory device of the present embodiment, at least one of the gate region, the region in contact with the source region and the source region, or the region above the drain region and the region in contact with the drain region, or both. In the region, by providing at least a portion where the fine particle dispersion layer does not exist,
When a voltage is applied from the source region to the drain region, a short-circuited current can be prevented from flowing through the fine particles.

【0375】(第27の実施形態)図47は、本発明の
第27の実施形態における半導体素子の断面図である。
半導体基板であるp型シリコン基板4071の上に、第
1の絶縁体層である厚さ4nmのSiO2 膜4072
と、電荷の移動に対して障壁として機能する障壁層であ
るSiO2 層中に第1の微粒子体であるシリコン微粒子
4075と第2の微粒子体であるイオン注入されたタン
グステン原子4074とが分散された厚さ5nm程度の
微粒子分散層4073とが設けられている。微粒子分散
層4073上に第2の絶縁体層である厚さ10nmのS
iO2 膜4076が設けられており、最上部に電極層で
あるn型多結晶シリコン電極4077が設けられてい
る。
(Twenty-Seventh Embodiment) FIG. 47 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-seventh embodiment of the present invention.
On a p-type silicon substrate 4071 which is a semiconductor substrate, a 4 nm thick SiO 2 film 4072 which is a first insulator layer
And silicon fine particles 4075 as the first fine particles and ion-implanted tungsten atoms 4074 as the second fine particles are dispersed in the SiO 2 layer which functions as a barrier against the movement of electric charges. And a fine particle dispersion layer 4073 having a thickness of about 5 nm. On the fine particle dispersion layer 4073, a 10-nm-thick S
An iO 2 film 4076 is provided, and an n-type polycrystalline silicon electrode 4077 as an electrode layer is provided on the uppermost portion.

【0376】ここで、第1の微粒子体(シリコン微粒子
4075)と第2の微粒子体(タングステン原子407
4)とは、いずれも障壁層であるSiO2 層中に分散さ
れた微粒子体であるが、第2の微粒子体(タングステン
原子4074)の粒径は2.6nm以上であり、実質的
な粒径が約0.5nm以下である第1の微粒子体(シリ
コン微粒子4075)の1.8倍以上である。
Here, the first fine particles (silicon fine particles 4075) and the second fine particles (tungsten atoms 407) are used.
4) are fine particles dispersed in the SiO 2 layer which is a barrier layer, and the particle diameter of the second fine particles (tungsten atom 4074) is 2.6 nm or more, and It is at least 1.8 times as large as the first fine particles (silicon fine particles 4075) having a diameter of about 0.5 nm or less.

【0377】上述のような微粒子分散層4073は、C
VD装置を用いてSiOx 膜(1.5<x<2)を堆積
した後、約1100℃で熱処理することによりシリコン
微粒子4075を成長させて、さらに、タングステン原
子4074をイオン注入することによって作製すること
ができる。
The fine particle dispersion layer 4073 as described above is
After depositing a SiO x film (1.5 <x <2) using a VD apparatus, heat treatment is performed at about 1100 ° C. to grow silicon microparticles 4075 and further ion-implant tungsten atoms 4074. can do.

【0378】本実施形態では、第2の微粒子体として、
絶縁体に注入されたタングステン原子4074を用いて
いるが、この他のイオン注入により導入された半導体粒
子あるいは金属原子、あるいはその他の方法により導入
された半導体粒子もしくは金属微粒子を利用することも
できる。
In this embodiment, as the second fine particles,
Although tungsten atoms 4074 implanted in the insulator are used, other semiconductor particles or metal atoms introduced by ion implantation, or semiconductor particles or metal fine particles introduced by other methods can also be used.

【0379】本実施形態においても、第24の実施形態
と同様に微粒子体間の電荷移動および保持が可能であ
る。本実施形態における第1の微粒子体は、第24の実
施形態における第1の微粒子体と第3の微粒子体のいず
れか、あるいは両者を兼ねた機能を担う。例えば書込み
時に上部電極に正電圧を印可すると、比較的基板側にあ
る第1の微粒子体から電子が引き抜かれ、いくつかの第
2の微粒子体を介した電荷移動によって、より上部電極
に近い第1の微粒子に注入・蓄積される。微粒子分散層
中には第1の微粒子体と第2の微粒子体が様々な位置関
係にあるが、電荷の引き抜きと蓄積はより電荷移動の容
易な微粒子間から選択的に起こる。また、場合によって
は蓄積された第1の微粒子体からさらに電子が引き抜か
れ、より上方の第1の微粒子へと移動する。
Also in the present embodiment, charge transfer and retention between fine particles can be performed, as in the twenty-fourth embodiment. The first microparticles in the present embodiment have a function of either the first microparticles and the third microparticles in the twenty-fourth embodiment, or a function of both. For example, when a positive voltage is applied to the upper electrode at the time of writing, electrons are extracted from the first fine particles relatively on the substrate side, and charge transfer through some second fine particles causes the first fine particles closer to the upper electrode to move. It is injected and accumulated in one particle. The first fine particles and the second fine particles have various positional relationships in the fine particle dispersion layer, and the extraction and accumulation of the electric charges are selectively caused between the fine particles in which the electric charge transfer is easier. Further, in some cases, electrons are further extracted from the accumulated first fine particles, and move to higher first fine particles.

【0380】このようにして特に第1の微粒子体と第2
の微粒子体の位置関係を制御しなくても自己選択的に容
易な場所から電荷移動が起こり、最終的により下方の第
1の微粒子体には正電荷が、またより上方の微粒子体に
は負電荷が多く分布する。書込み電圧を除去するとこの
電荷分布はいくらか減少するが、多くは消失せずに長期
間保持される。
As described above, the first fine particles and the second
Even if the positional relationship of the fine particles is not controlled, the charge transfer occurs from an easy place in a self-selective manner, and finally, the first lower fine particles have a positive charge, and the upper fine particles have a negative charge. Many charges are distributed. When the write voltage is removed, this charge distribution is somewhat reduced, but much is retained for a long time without disappearing.

【0381】なお、初期的に上部電極に高電圧を印可す
る等して、外部より一定の余剰電荷(例えば電子)を微
粒子分散層に注入・蓄積しておき、外部電圧により余剰
電荷の分布を変化させることで情報を記録することも可
能である。
A certain amount of surplus electric charge (for example, electrons) is externally injected and accumulated in the fine particle dispersion layer by applying a high voltage to the upper electrode initially, and the distribution of the surplus electric charge is determined by the external voltage. It is also possible to record information by changing.

【0382】上記のように、本実施形態においても、第
24の実施形態と同様の原理により、微粒子体への電荷
の注入・保持・放出を効率よく制御できる。また、第2
4の実施形態では、適切な素子動作速度と記録保持期間
を得るには微粒子分散層の厚さを制御する必要がある
が、本実施形態では、電荷移動が容易な場所から選択的
に行われるので許容される厚さ範囲が広く、素子作製が
容易である。
As described above, also in the present embodiment, the injection, holding, and release of electric charges into the fine particles can be efficiently controlled by the same principle as in the twenty-fourth embodiment. Also, the second
In the fourth embodiment, it is necessary to control the thickness of the fine particle dispersion layer in order to obtain an appropriate element operation speed and a recording retention period. In the present embodiment, however, the charge transfer is selectively performed from a place where the charge transfer is easy. Therefore, the allowable thickness range is wide and the device can be easily manufactured.

【0383】なお、本実施形態では第1の微粒子体と第
2の微粒子体に明確な区別があるが、同一材料でも十分
広い範囲にわたる様々な粒径を有する微粒子体を作製す
ることにより連続的な粒径分布を有する微粒子体を設
け、粒径の大きな微粒子体を第1の微粒子体として機能
させ、粒径の小さな微粒子体を第2の微粒子体として機
能させることもできる。この場合、第1の微粒子体と第
2の微粒子体の間に明確な区別を行うことはできない
が、注入された電荷は粒径が大きく静電容量の大きな微
粒子に選択的に保持されるので、電荷によって選択され
た微粒子体が第1の微粒子体として機能することにな
る。電荷分布保持のためには微粒子の粒径分布は少なく
とも中間的な粒径を有する微粒子の0.7倍から1.4
倍の範囲より広い範囲に分布を持つ必要がある。また長
期の電荷保持を行うには少なくとも0.4倍から1.6
倍以上の範囲に粒径分布を持つことが望ましい。
In the present embodiment, there is a clear distinction between the first fine particles and the second fine particles. However, continuous fine particles of the same material having various particle diameters over a sufficiently wide range are produced. It is also possible to provide a fine particle having a fine particle size distribution, to function a fine particle having a large particle diameter as a first fine particle, and to function a fine particle having a small particle diameter as a second fine particle. In this case, a clear distinction cannot be made between the first fine particles and the second fine particles, but the injected charge is selectively retained by the fine particles having a large particle diameter and a large capacitance, and The fine particle selected by the electric charge functions as the first fine particle. In order to maintain the charge distribution, the particle size distribution of the fine particles is at least 0.7 times to 1.4 that of the fine particles having an intermediate particle size.
It is necessary to have a distribution in a wider range than the double range. For long-term charge retention, at least 0.4 to 1.6 times.
It is desirable to have a particle size distribution in the range of twice or more.

【0384】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第25の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
By using the structure of the semiconductor device of this embodiment, a semiconductor memory device similar to that of the twenty-fifth embodiment can be formed.

【0385】図48は、本実施形態の半導体素子を用い
て形成される半導体メモリ素子の断面図である。同図に
示すように、半導体基板であるp型シリコン基板408
1上に、ソース領域あるいはドレイン領域として機能す
るn型伝導領域4082と、SiO2 膜4083と、第
1の絶縁体層であるSiO2 膜4083と、障壁層であ
るSiO2 層中に第1の微粒子体であるシリコン微粒子
4086と第2の微粒子体であるイオン注入されたタン
グステン原子4085とが分散された厚さ5nm程度の
微粒子分散層4084と、SiO2 膜4087と、n型
多結晶シリコン電極4088とが設けられている。さら
に、SiO2 膜4083,微粒子分散層4084及びS
iO2 膜4087の側面上に、SiO2 サイドウォール
4810が設けられている。また、n型伝導領域408
2の上に、ソース/ドレイン電極である金属電極408
9が設けられ、全体としてMIS型トランジスタ構造が
形成されている。
FIG. 48 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of this embodiment. As shown in the figure, a p-type silicon substrate 408 which is a semiconductor substrate
On 1, and n-type conduction region 4082 functioning as a source region or a drain region, a SiO 2 film 4083, and the SiO 2 film 4083 which is a first insulator layer, the SiO 2 layer in a barrier layer 1 A fine particle dispersion layer 4084 having a thickness of about 5 nm in which silicon fine particles 4086, which are fine particles, and ion-implanted tungsten atoms 4085, which are second fine particles, are dispersed, an SiO 2 film 4087, and n-type polycrystalline silicon. An electrode 4088 is provided. Further, the SiO 2 film 4083, the fine particle dispersion layer 4084, and the S
On the side surface of the iO 2 film 4087, a SiO 2 sidewall 4810 is provided. Also, the n-type conduction region 408
2, a metal electrode 408 serving as a source / drain electrode
9, an MIS transistor structure is formed as a whole.

【0386】これにより、第2の微粒子体中に電荷が保
持されている状態と電荷が無い状態とではMIS型トラ
ンジスタ特性の閾値電圧が変化し、低電圧・高速かつ長
期間の記録が可能な不揮発性の半導体メモリ素子として
動作する。
As a result, the threshold voltage of the MIS transistor characteristic changes between the state in which electric charge is held in the second fine particle and the state in which no electric charge is present, and low-voltage, high-speed, long-term recording is possible. It operates as a nonvolatile semiconductor memory element.

【0387】また、微粒子分散層4084の周囲に絶縁
体であるSiO2 サイドウォール4810が設けられて
いることにより、蓄積された電荷が周辺からの短絡によ
り消失することが無く望ましい。また微粒子体に初期電
荷を蓄積しても、電荷が外部に放出してしまわない点で
も好ましい。
In addition, since the SiO 2 side wall 4810 as an insulator is provided around the fine particle dispersion layer 4084, it is desirable that the accumulated charge is not lost due to a short circuit from the periphery. It is also preferable that even if the initial charge is accumulated in the fine particles, the charge is not released to the outside.

【0388】また、本実施形態の半導体メモリ素子にお
いて、ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部お
よび上記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領
域の上部および上記ドレイン領域に接する領域のいずれ
か一方あるいは両方の領域において、少なくとも微粒子
分散層が存在しない部分が設けられていることにより、
ソース領域からドレイン領域に電圧を印加した際に上記
微粒子体を介して短絡した電流が流れることを防止する
ことができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, at least one of the gate region and the region in contact with the source region and the drain region and / or the region in contact with the drain region. In the region, by providing at least a portion where the fine particle dispersion layer does not exist,
When a voltage is applied from the source region to the drain region, a short-circuited current can be prevented from flowing through the fine particles.

【0389】(第28の実施形態)図49は、本発明の
第28の実施形態における半導体素子の断面図である。
半導体基板であるp型シリコン基板4091上に、第1
の絶縁体層である厚さ5nmのSiO2 膜4092が設
けられ、第1の絶縁体層上に第1の微粒子体である直径
3nmのシリコン微粒子4093が設けられている。第
1の微粒子体上には、第1のSiO2 層である厚さ1.
8nm程度のSiO2 膜4094が設けられている。第
1のSiO2 層上には、SiOxy 層(0≦x<2,
0<y≦4/3)である厚さ8nm程度のSi34
4095が設けられており、さらにSiOxy 層上に
厚さ1.8nm程度の第2のSiO2 層4096が設け
られている。第2のSiO2 層上には、第2の微粒子体
である直径3nmのシリコン微粒子4097が設けられ
ている。第2の微粒子体上には、第2の絶縁体層である
厚さ12nmのSiO2 膜4098が設けられており、
最上部には電極層であるn型多結晶シリコン電極409
9が設けられている。
(Twenty-eighth Embodiment) FIG. 49 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-eighth embodiment of the present invention.
On a p-type silicon substrate 4091 which is a semiconductor substrate, a first
An SiO 2 film 4092 having a thickness of 5 nm is provided as an insulator layer, and silicon fine particles 4093 having a diameter of 3 nm as a first fine particle are provided on the first insulator layer. On the first fine particles, a first SiO 2 layer having a thickness of 1.
An SiO 2 film 4094 of about 8 nm is provided. On the first SiO 2 layer, an SiO x N y layer (0 ≦ x <2,
0 <y ≦ 4/3), a Si 3 N 4 layer 4095 having a thickness of about 8 nm is provided, and a second SiO 2 layer 4096 having a thickness of about 1.8 nm is provided on the SiO x N y layer. Is provided. On the second SiO 2 layer, silicon fine particles 4097 having a diameter of 3 nm, which are second fine particles, are provided. A 12-nm-thick SiO 2 film 4098, which is a second insulator layer, is provided on the second fine particles.
At the top is an n-type polycrystalline silicon electrode 409 which is an electrode layer
9 are provided.

【0390】ここで、第1の微粒子体と第2の微粒子体
のシリコン微粒子はCVD法により形成されており、そ
の面内密度は、いずれも1×1010cm-2〜1×1012
cm -2程度である。
Here, the first fine particles and the second fine particles
The silicon fine particles are formed by a CVD method.
The in-plane density was 1 × 10Tencm-2~ 1 × 1012
cm -2It is about.

【0391】本実施形態では、第24の実施形態と異な
り、粒径の異なる2種の微粒子体を設けてはいない。し
かし、本実施形態では、SiOxy 層(0≦x<2,
0<y≦4/3)が第1のSiO2 層と第2のSiO2
層とによって挟まれた構成となっているので、SiOx
y 層と各SiO2 層の間の界面付近およびSiOxy
層内部に電荷を授受することのできる準位(界面準
位)が発生する。この界面準位は、準位間のエネルギー
間隔が大きく、電荷を受取った際の電位上昇が大きいの
で、実効的に粒径の小さな微粒子体と同様の機能を提供
することができる。
In this embodiment, unlike the twenty-fourth embodiment, no two kinds of fine particles having different particle diameters are provided. However, in the present embodiment, the SiO x N y layer (0 ≦ x <2,
0 <y ≦ 4/3) is the first SiO 2 layer and the second SiO 2
Since it has a configuration which is sandwiched between the layers, SiO x
Near the interface between the N y layer and each SiO 2 layer and the SiO x N y
A level at which charges can be transferred (interface level) is generated inside the layer. Since the interface level has a large energy interval between levels and a large potential increase upon receiving charges, the same function as a fine particle having a small particle size can be provided effectively.

【0392】すなわち、本実施形態では、SiOxy
層と各SiO2 層との間の界面付近およびSiOxy
層内部の界面準位が第24の実施形態における第2の微
粒子体と同等の機能を有している。その結果、本実施形
態の半導体素子においては、第1の微粒子体(シリコン
微粒子4093)と第2の微粒子体(シリコン微粒子4
097)とに蓄積された電荷を安定に保持することがで
きる。したがって、本実施形態でも、第24の実施形態
と同様の原理により微粒子体への電荷の注入・保持・放
出を効率よく制御できる。
That is, in this embodiment, SiO x N y
Near the interface between the layer and each SiO 2 layer and the SiO x N y
The interface state inside the layer has a function equivalent to that of the second fine particles in the twenty-fourth embodiment. As a result, in the semiconductor device of this embodiment, the first fine particles (silicon fine particles 4093) and the second fine particles (silicon fine particles 493) are formed.
097) can be stably held. Therefore, also in the present embodiment, the injection, holding, and release of electric charges into the fine particles can be efficiently controlled by the same principle as in the twenty-fourth embodiment.

【0393】また、第24の実施形態では第2の微粒子
体を第1の障壁層上に微細構造として作製する必要があ
るが、本実施形態では、SiOxy 層を利用するの
で、この点で微細構造を特に制御する必要がない。この
結果、半導体素子の製造が容易となり素子特性の再現性
も高い利点がある。SiOx y 層はCVD法により容
易に高品質の膜が製造できる。
In the twenty-fourth embodiment, it is necessary to form the second fine particles as a fine structure on the first barrier layer. However, in the present embodiment, since the SiO x N y layer is used, the second fine particles are required to be formed. In this respect, there is no need to particularly control the microstructure. As a result, there is an advantage that the manufacture of the semiconductor device is easy and the reproducibility of the device characteristics is high. For the SiO x N y layer, a high quality film can be easily manufactured by the CVD method.

【0394】本実施形態では、SiOxy 層(0≦x
<2,0<y≦4/3)であるSi 34 層を用いた
が、この他、SiOxy 層(0<x<2,0<y<4
/3)として表される組成を有するシリコン酸窒化膜を
使用することもできる。
In this embodiment, SiOx Ny Layer (0 ≦ x
<2, 0 <y ≦ 4/3) Si Three NFour Using layers
However, besides this, SiOx Ny Layer (0 <x <2, 0 <y <4
/ 3) a silicon oxynitride film having a composition expressed as
Can also be used.

【0395】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第25の実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成
することができる。
A semiconductor memory device similar to that of the twenty-fifth embodiment can be formed by utilizing the structure of the semiconductor device of this embodiment.

【0396】図50は、本実施形態の半導体素子を用い
て形成される半導体メモリ素子の断面図である。同図に
示すように、半導体基板であるp型シリコン基板410
1上に、ソース領域あるいはドレイン領域として機能す
るn型伝導領域4102と、第1の絶縁体層であるSi
2 膜4103と、第1の微粒子体であるシリコン微粒
子4104と、第1のSiO2 層であるSiO2 膜41
05と、SiOxy層(0≦x<2,0<y≦4/
3)であるSi34 層4106と、第2のSiO2
4107と、第2の微粒子体であるシリコン微粒子41
08と、第2の絶縁体層であるSiO2 膜4109と、
電極層であるn型多結晶シリコン電極4110とが設け
られている。さらに、SiO2 膜4103,シリコン微
粒子4104,SiO2 膜4105,Si34 層41
06,第2のSiO2 層4107,シリコン微粒子41
08及びSiO2 膜4109の側面上に、SiO2 サイ
ドウォールが設けられている。また、n型伝導領域41
02の上に、ソース/ドレイン電極である金属電極41
11が設けられ、全体としてMIS型トランジスタ構造
が形成されている。
FIG. 50 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of this embodiment. As shown in the figure, a p-type silicon substrate 410 which is a semiconductor substrate
1, an n-type conductive region 4102 functioning as a source region or a drain region, and Si as a first insulator layer.
O 2 film 4103, silicon fine particles 4104 as first fine particles, and SiO 2 film 41 as first SiO 2 layer
05 and a SiO x N y layer (0 ≦ x <2, 0 <y ≦ 4 /
3) Si 3 N 4 layer 4106, second SiO 2 layer 4107, and silicon fine particles 41 as second fine particles
08, a SiO 2 film 4109 as a second insulator layer,
An n-type polycrystalline silicon electrode 4110 serving as an electrode layer is provided. Further, the SiO 2 film 4103, the silicon fine particles 4104, the SiO 2 film 4105, the Si 3 N 4 layer 41
06, second SiO 2 layer 4107, silicon fine particles 41
08 and the SiO 2 film 4109 are provided with side walls of SiO 2 . Also, the n-type conduction region 41
02, a metal electrode 41 serving as a source / drain electrode
11 are provided, and an MIS transistor structure is formed as a whole.

【0397】これにより、第1の微粒子体および第2の
微粒子体中の電荷の分布状態の変化に応じてMIS型ト
ランジスタ特性の閾値電圧が変化し、高速かつ信頼性の
高い不揮発性の半導体メモリ素子として動作する。
As a result, the threshold voltage of the MIS transistor characteristics changes in accordance with the change in the distribution of electric charges in the first and second fine particles, and the nonvolatile semiconductor memory has high speed and high reliability. Operates as an element.

【0398】本実施形態の半導体メモリ素子において、
ゲート領域のうち少なくともソース領域の上部および上
記ソース領域に接する領域、あるいはドレイン領域の上
部および上記ドレイン領域に接する領域のいずれか一方
あるいは両方の領域において、少なくとも微粒子分散層
および微粒子体が存在しない部分が設けられていること
により、ソース領域からドレイン領域に電圧を印加した
際に上記微粒子体を介して短絡した電流が流れることを
防止することができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment,
A portion where at least the fine particle dispersion layer and the fine particles do not exist in at least one of the region above the source region and the above-mentioned source region, or the region above the drain region and the above-mentioned drain region in the gate region, or both. Is provided, when a voltage is applied from the source region to the drain region, it is possible to prevent a short-circuited current from flowing through the fine particles.

【0399】また、微粒子体等を設けた領域の周囲が絶
縁体により覆われていることにより、蓄積された電荷分
布が周辺からの短絡により消失することがない点で好ま
しい。また、微粒子体に初期電荷を蓄積しても、電荷が
外部に放出してしまわない点でも好ましい構造である。
[0399] In addition, since the periphery of the region where the fine particles are provided is covered with an insulator, the accumulated charge distribution is not lost due to a short circuit from the periphery. Further, this is a preferable structure in that even if the initial charge is accumulated in the fine particles, the charge is not released to the outside.

【0400】以上のように、本発明の新規な構造を有す
る半導体素子により従来になく信頼性が高く、作製が容
易で長期の電荷保持が可能な微粒子体への電荷注入、保
持、消去の手段が提供される。
As described above, the semiconductor device having the novel structure of the present invention has a higher reliability than ever before, and is a means for injecting, holding, and erasing charges into fine particles that can be easily manufactured and can hold charges for a long time. Is provided.

【0401】第24〜第28実施形態においては、半導
体基板としてp型シリコン基板を用いているが、本発明
ではこの他にn型シリコン基板、GaAs基板等他の半
導体材料を用いた基板を用いることもできる。
In the twenty-fourth to twenty-eighth embodiments, a p-type silicon substrate is used as a semiconductor substrate. However, in the present invention, a substrate using another semiconductor material such as an n-type silicon substrate or a GaAs substrate is used. You can also.

【0402】また、第24〜第28の実施形態において
は、絶縁層をSiO2 により構成したが、前述のよう
に、Si34 、Sixyz (4x=2y+3
z)、CeO2 、ZnS、ZnO、Al23 、等の他
の絶縁体材料により絶縁層を形成してもよい。
[0402] Further, in Embodiment 24 to 28, but the insulating layer is constituted by SiO 2, as described above, Si 3 N 4, Si x O y N z (4x = 2y + 3
z), the insulating layer may be formed of another insulating material such as CeO 2 , ZnS, ZnO, Al 2 O 3 .

【0403】また、第24〜第28の実施形態において
は、微粒子体としてシリコン微粒子や金微粒子、タング
ステン原子等を用いているが、前述のように他の半導体
材料や金属を用いることもできる。
In the twenty-fourth to twenty-eighth embodiments, silicon fine particles, gold fine particles, tungsten atoms and the like are used as fine particles, but other semiconductor materials and metals can be used as described above.

【0404】(第29の実施形態)図51は、本発明の
第29の実施形態における半導体素子の断面図である。
基板上に設けられた半導体層であるp型シリコン層50
11上に、電荷の移動に対して障壁として機能する障壁
層である厚さ4nm程度のSiO2 膜5012が設けら
れている。障壁層上には、電荷保持担体である厚さ9n
mの金属タングステン5014が設けられ、電荷保持担
体上には、絶縁体層である厚さ10nmのSiO2 膜5
015が設けられており、最上部には、電極層であるn
型多結晶シリコン電極5016が設けられている。さら
に、上記半導体層と上記電荷保持担体の間には、上記障
壁層の内部に微粒子体である直径2nmのシリコン微粒
子5013が設けられている。本実施形態では、微粒子
体を設ける領域は半導体層と電荷保持担体の間の一部の
領域に限定されており、シリコン微粒子5013は、化
学的気相合成(CVD)法により1×1011cm-2〜1
×1013cm-2程度の面内密度で形成されている。
(Twenty-Ninth Embodiment) FIG. 51 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-ninth embodiment of the present invention.
P-type silicon layer 50 which is a semiconductor layer provided on a substrate
An SiO 2 film 5012 having a thickness of about 4 nm, which is a barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges, is provided on the substrate 11. On the barrier layer, a 9 n-thick charge carrier
m of metal tungsten 5014 is provided, and a 10 nm thick SiO 2 film 5 serving as an insulator layer is provided on the charge holding carrier.
015 is provided, and the uppermost portion is an electrode layer n
A type polycrystalline silicon electrode 5016 is provided. Further, between the semiconductor layer and the charge retention carrier, silicon fine particles 5013 having a diameter of 2 nm, which are fine particles, are provided inside the barrier layer. In the present embodiment, the region where the fine particles are provided is limited to a part of the region between the semiconductor layer and the charge carrier, and the silicon fine particles 5013 are 1 × 10 11 cm 3 by a chemical vapor deposition (CVD) method. -2 to 1
It is formed with an in-plane density of about × 10 13 cm −2 .

【0405】本構造の機能を説明するため、まず従来技
術による構成と電荷注入・保持機構について記述する。
In order to explain the function of the present structure, first, the configuration according to the prior art and the charge injection / holding mechanism will be described.

【0406】図52は、上述の文献に記載されている従
来の複数のシリコンの微粒子を用いた半導体素子を示す
断面図である。この半導体メモリ素子においては、p型
シリコン基板5021上にSiO2 膜からなるトンネル
酸化膜5022、SiO2 膜5024が下から順に堆積
されており、さらにその上にはn型多結晶シリコン電極
5025が設けられている。トンネル酸化膜5022と
SiO2 膜5024との間には、微粒子体であるシリコ
ン微粒子5203が埋め込まれている。
FIG. 52 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor element using a plurality of silicon fine particles described in the above-mentioned document. In this semiconductor memory device, a tunnel oxide film 5022 made of SiO 2 film on the p-type silicon substrate 5021, a SiO 2 film 5024 are deposited in this order from the bottom, more n-type polycrystalline silicon electrode 5025 thereon Is provided. Silicon fine particles 5203, which are fine particles, are embedded between the tunnel oxide film 5022 and the SiO 2 film 5024.

【0407】この半導体素子において、n型多結晶シリ
コン電極5025に正の電圧を印加することにより、ト
ンネル酸化膜5022を経て、シリコン微粒子5023
に電子を注入することができる。また、n型多結晶シリ
コン電極5025に負の電圧を印加することにより、シ
リコン微粒子5023中の電子を引き抜くことができ
る。シリコン微粒子5023におけるこの電子の有無に
よって、半導体素子を利用したメモリ素子のしきい値電
圧を変化させることができる。このしきい値電圧の高低
を情報H(ハイ)と情報L(ロー)とに対応させること
により、情報の書き込み・読み出しを行う。
In this semiconductor device, by applying a positive voltage to n-type polycrystalline silicon electrode 5025, silicon fine particles 5023 are passed through tunnel oxide film 5022.
Can be injected into the device. In addition, by applying a negative voltage to the n-type polycrystalline silicon electrode 5025, electrons in the silicon fine particles 5023 can be extracted. The threshold voltage of a memory element using a semiconductor element can be changed depending on the presence or absence of the electrons in the silicon microparticle 5023. Information is written and read by associating the level of the threshold voltage with information H (high) and information L (low).

【0408】図52に示す従来の半導体素子によって
は、高速な電荷注入・放出を可能とし、しかも長期間の
電荷保持を保証できる実用的な半導体メモリ素子の作製
は困難であることがわかっている。この種の半導体素子
では、書込・消去の速度と電荷保持時の保持特性はいず
れも障壁を介した微粒子体と半導体基板の間のトンネル
遷移確率により支配される。したがって、高速で長寿命
の素子を実現するには、書込・消去時のトンネル電流
(書込・消去電流)と、電荷保持時のトンネル電流(リ
ーク電流)の比を十分大きくする必要がある。
According to the conventional semiconductor device shown in FIG. 52, it has been found that it is difficult to fabricate a practical semiconductor memory device which enables high-speed charge injection / discharge and ensures long-term charge retention. . In this type of semiconductor device, both the speed of writing / erasing and the retention characteristics during charge retention are governed by the tunnel transition probability between the fine particles passing through the barrier and the semiconductor substrate. Therefore, in order to realize a high-speed and long-life element, it is necessary to sufficiently increase the ratio of the tunnel current (write / erase current) during writing / erasing to the tunnel current (leakage current) during charge retention. .

【0409】しかし、上記図52に示す従来の半導体素
子では、書込時、消去時、電荷保持時はそれぞれ微粒子
体の電荷数と微粒子体の半導体基板に対する電位が異な
るだけで、いずれも微粒子体/トンネル障壁/半導体基
板という同じ系でのトンネル現象を利用しているので、
この系のトンネル電流を低い外部電圧(上部電極電圧)
で大きく変えることは容易ではない。例えばリーク電流
を抑制しようとしてトンネル障壁の高さや厚さを大きく
すると、書込・消去電流も減少して書込・消去速度が低
下してしまう。
However, in the conventional semiconductor device shown in FIG. 52, only the number of charges of the fine particles and the potential of the fine particles with respect to the semiconductor substrate are different at the time of writing, erasing, and holding of electric charges. / Tunnel barrier / Semiconductor substrate
Reduce the tunnel current of this system to a low external voltage (upper electrode voltage)
It is not easy to make a big change with. For example, if the height or thickness of the tunnel barrier is increased in order to suppress the leak current, the write / erase current also decreases, and the write / erase speed decreases.

【0410】また、書込み時(あるいは消去時)の微粒
子体の電位はデバイス構造と微粒子体の位置関係により
決まる。ここで、微粒子体を上部電極(図52における
n型多結晶シリコン電極5025)に近付けると、書込
み時の微粒子体の電位上昇が大きくなるので、原理的に
は書込電流を増大できる。しかし、微粒子体を上部電極
側にあまり近付けるとデバイス読み取り時のゲート電圧
シフトが小さくなり感度が下がりすぎる問題が発生す
る。
Also, the potential of the fine particles at the time of writing (or at the time of erasing) is determined by the positional relationship between the device structure and the fine particles. Here, when the fine particles are brought closer to the upper electrode (the n-type polycrystalline silicon electrode 5025 in FIG. 52), the potential rise of the fine particles at the time of writing increases, so that the writing current can be increased in principle. However, if the fine particles are brought too close to the upper electrode, the gate voltage shift at the time of reading the device becomes small, and the sensitivity is lowered too much.

【0411】また、微粒子体の静電容量を大きくすれば
電荷保持時の微粒子体の電位上昇を抑制できるので、リ
ーク電流を抑制する効果がある。しかし、実際には微粒
子体の静電容量が大きくなるため、微粒子体の粒径を大
きくしたり、微粒子体と半導体基板間の距離を小さくす
ると、微粒子体/半導体基板間のトンネル確率が増大
し、逆にリーク電流が増大してしまう結果となる。原理
的には、微粒子体の粒径を大きくし、同時にトンネル障
壁の厚さを大きくすると、リーク電流のみをある程度抑
制できる可能性があるが、あまり微粒子サイズを大きく
すると微粒子体の面内密度が低下し、デバイスの感度を
支えるのに必要量の電荷が保持できなくなる。さらに、
障壁厚さが大きすぎると、フラッシュEEPROMに近
い構成となり、障壁膜に大きな電圧が印可されるので電
荷移動による膜質劣化が起こる問題が発生する。また、
作製工程においても長寿命の素子を得るには微粒子サイ
ズや微粒子の分布状態、障壁厚さの制御に高い精度が要
求される。
[0411] If the capacitance of the fine particles is increased, the potential rise of the fine particles during charge retention can be suppressed, which has an effect of suppressing a leak current. However, since the capacitance of the fine particles actually increases, if the particle size of the fine particles is increased or the distance between the fine particles and the semiconductor substrate is reduced, the tunnel probability between the fine particles and the semiconductor substrate increases. On the contrary, the leakage current increases. In principle, increasing the particle size of the microparticles and increasing the thickness of the tunnel barrier at the same time may reduce only the leakage current to some extent, but if the particle size is too large, the in-plane density of the microparticles will decrease. And can no longer hold the required amount of charge to support the sensitivity of the device. further,
If the barrier thickness is too large, the structure becomes close to that of a flash EEPROM, and a large voltage is applied to the barrier film, so that a problem occurs in that the film quality is deteriorated due to charge transfer. Also,
Even in the manufacturing process, high precision is required for controlling the particle size, the distribution state of the particles, and the barrier thickness in order to obtain a device with a long life.

【0412】以上のように、従来技術により高速な書込
・消去動作が可能で長寿命の記録が可能な素子を実現す
ることは困難である。これに対して、本発明の構成によ
れば下記のようにして書込・消去の速度を低下すること
なく電荷保持時のリーク電流を大幅に低減できる。
As described above, it is difficult to realize an element capable of performing a high-speed write / erase operation and capable of performing long-life recording by the conventional technique. On the other hand, according to the configuration of the present invention, it is possible to greatly reduce the leak current at the time of holding the charges without lowering the writing / erasing speed as described below.

【0413】本発明の素子の具体的な電荷注入と電荷保
持な動作は以下に説明する。電荷注入時の書込み過程で
は、上部電極(n型多結晶シリコン電極5016)に外
部から書込電圧を印可することにより、まず障壁層(S
iO2 膜5012)を介したトンネル電流により半導体
基板から電荷が引抜かれて微粒子体(シリコン微粒子5
013)に移動する。この過程における微粒子体の電位
や微粒子体と半導体表面の関係は、ほぼ従来技術の書込
み過程と同一であるので電荷移動速度も同等である。
The specific operation of charge injection and charge holding of the device of the present invention will be described below. In the writing process at the time of charge injection, a writing voltage is applied to the upper electrode (n-type polycrystalline silicon electrode 5016) from the outside, so that the barrier layer (S
Charges are extracted from the semiconductor substrate by the tunnel current through the iO 2 film 5012), and fine particles (silicon fine particles 5
013). Since the potential of the fine particles and the relationship between the fine particles and the semiconductor surface in this process are almost the same as in the writing process of the prior art, the charge transfer speed is also equal.

【0414】本発明では、微粒子体上の電荷はさらに障
壁層を介して隣接する電荷保持担体(金属タングステン
5015)に移動することとなる。ここで、微粒子体と
電荷保持担体の間のトンネル遷移は、微粒子体と半導体
表面の間のトンネル遷移とほぼ同等の条件下にある。従
って電位差が同じ場合には、半導体表面から微粒子体へ
の電荷移動速度と微粒子体から電荷保持担体への電荷移
動速度はぼぼ同じ程度となる。しかし、本実施形態で
は、既に電荷を有する微粒子体と電荷を持たない電荷保
持担体の間には、外部からの書込電圧に加えて電荷によ
る微粒子体の電位上昇(ΔV=Δq/Cdot )(ただ
し、qは電荷素量,Cdot は、シリコン微粒子5013
の静電容量)に起因する電界が発生している。静電容量
が小さい微粒子体の電荷による電位上昇の効果は大き
く、微粒子体から電荷保持担体への電荷移動はさらに加
速されることとなる。本発明の書込み過程では、2回の
トンネル過程を経る必要があるが、微粒子体から電荷保
持担体への電荷移動が半導体基板から微粒子体への電荷
移動と同等以上の速度で行われるので、全体の電荷移動
速度は従来技術による素子と同等の書込み速度を実現で
きる。なお、ここでは書込過程について記述したが、負
の電圧を微粒子体から蓄積電荷を放出させる消去過程に
おいても同様である。
In the present invention, the charges on the fine particles move to the adjacent charge carrier (metal tungsten 5015) via the barrier layer. Here, the tunnel transition between the fine particle and the charge retaining carrier is under substantially the same conditions as the tunnel transition between the fine particle and the semiconductor surface. Therefore, when the potential difference is the same, the speed of charge transfer from the semiconductor surface to the fine particles and the speed of charge transfer from the fine particles to the charge holding carrier are almost the same. However, in the present embodiment, the potential rise (ΔV = Δq / Cdot) of the fine particles due to the electric charges in addition to the externally applied write voltage between the already charged fine particles and the non-charged charge holding carrier. Here, q is the elementary charge, and Cdot is the silicon fine particle 5013.
An electric field is generated due to the capacitance. The effect of the potential increase due to the electric charge of the fine particles having a small capacitance is great, and the electric charge transfer from the fine particles to the charge holding carrier is further accelerated. In the writing process of the present invention, it is necessary to go through two tunneling processes. However, since the charge transfer from the fine particles to the charge holding carrier is performed at a speed equal to or higher than the charge transfer from the semiconductor substrate to the fine particles, the entire process is performed. Can achieve a writing speed equivalent to that of the device according to the prior art. Although the writing process has been described here, the same applies to the erasing process in which a negative voltage is used to release accumulated charges from the fine particles.

【0415】次に、書込みを終了して上部からの書込電
圧を除去すると、微粒子体と電荷保持担体はそれぞれの
電荷と静電容量に対応する電位になる。一部の微粒子体
には余剰電荷を有するものもあるが、微粒子体は半導体
層に隣接しており、また静電容量が小さくて電荷あたり
の電位上昇も大きいので余剰電荷は速やかに半導体層に
戻る。一方、電荷保持担体では静電容量が大きいため、
その電位上昇は低く抑制される。電荷保持担体自身は状
態密度が大きいが、隣接する微粒子体の状態密度が低い
ため、電位上昇の低い電荷保持担体から微粒子体への電
荷移動確率は低い。また電荷移動の際には、微粒子体が
電位上昇の半分(ΔV/2)に相当するエネルギーを消
費するので、微粒子体が十分小さい場合はこれよりエネ
ルギーレベルの低い電荷は遷移が抑制される。以上の結
果として電荷保持担体に蓄積された電荷は長期間保持さ
れることとなる。
Next, when the writing is completed and the writing voltage from above is removed, the fine particles and the charge holding carrier are set to potentials corresponding to the respective charges and capacitances. Some of the fine particles have surplus charge, but the fine particles are adjacent to the semiconductor layer, and the capacitance is small and the potential rise per charge is large. Return. On the other hand, since the charge holding carrier has a large capacitance,
The rise in the potential is suppressed low. Although the charge holding carrier itself has a large state density, the state density of the adjacent fine particles is low, so that the probability of charge transfer from the charge holding carrier having a low potential rise to the fine particles is low. In addition, during the charge transfer, the fine particles consume energy corresponding to half of the potential rise (ΔV / 2). Therefore, when the fine particles are sufficiently small, the transition of the charge having a lower energy level is suppressed. As a result, the charges accumulated on the charge holding carrier are held for a long time.

【0416】上述の説明では、本発明による素子の書込
・消去速度を従来技術による素子と同等としたが、リー
ク電流が抑制されて電荷保持が安定化される効果を利用
して、さらに障壁層の厚さを薄くすることにより書込・
消去速度の高速化や書込・消去電圧の低電圧化を実現す
ることもできる。
In the above description, the writing / erasing speed of the device according to the present invention is made equal to that of the device according to the prior art. However, the effect of suppressing the leak current and stabilizing the charge retention is further utilized to further reduce the barrier. Writing by reducing the thickness of the layer
It is also possible to realize a higher erasing speed and a lower writing / erasing voltage.

【0417】また、微粒子体の電子親和力が電荷保持担
体に比較して小さい場合には、蓄積された電子はさらに
安定化される。
When the electron affinity of the fine particles is smaller than that of the charge carrier, the accumulated electrons are further stabilized.

【0418】本実施形態における半導体基板,第1の障
壁層,第1の微粒子体,第2の障壁層及び第2の微粒子
体における伝導帯端のバンド状態の微粒子体に電荷が無
い状態,電子注入状態及び電荷保持状態における変化
は、図27(a)〜(c)に示すとおりである。
In this embodiment, in the semiconductor substrate, the first barrier layer, the first fine particles, the second barrier layer, and the fine particles in the band state at the conduction band edge of the second fine particles, there is no charge, Changes in the injection state and the charge holding state are as shown in FIGS.

【0419】すなわち、電荷保持状態(図27(c)参
照)における第2の微粒子体のフェルミ準位は、電荷の
無い状態(図27(a)参照)に比べて上昇している
が、微粒子体の伝導帯端のエネルギーレベルよりはポテ
ンシャルが低いので、電荷を長期間安定して保持するこ
とができる。電荷として電子を用いる場合には、第2の
微粒子体の電子親和力が第1の微粒子体の電子親和力よ
りも大きいことにより、電荷として正孔を用いる場合に
は、第2の微粒子体の禁制帯幅と電子親和力との和が第
2の微粒子体よりも小さいことにより、それぞれ第2の
微粒子体に電荷が安定して保持される。また、電荷とし
て電子を用いる場合には、微粒子体の電子親和力が半導
体層より小さいことにより、また電荷として正孔を用い
る場合、微粒子体の電子親和力と禁制帯幅の和が半導体
層より大きいことにより、第2の微粒子体に電荷が安定
して保持される。
That is, the Fermi level of the second fine particles in the charge holding state (see FIG. 27C) is higher than that in the state without charges (see FIG. 27A). Since the potential is lower than the energy level at the conduction band edge of the body, the charge can be stably held for a long time. When electrons are used as charges, the electron affinity of the second fine particles is larger than the electron affinity of the first fine particles, and when holes are used as the charges, the forbidden band of the second fine particles is used. Since the sum of the width and the electron affinity is smaller than that of the second fine particles, the charge is stably held in each of the second fine particles. In addition, when electrons are used as charges, the electron affinity of the fine particles is smaller than that of the semiconductor layer, and when holes are used as charges, the sum of the electron affinity and the forbidden band width of the fine particles is larger than the semiconductor layer. Thereby, the electric charge is stably held in the second fine particles.

【0420】微粒子体の状態が量子化され、量子準位の
エネルギー間隔が室温の熱エネルギーおよび電荷保持担
体の電位上昇に比べて大きい場合は、量子効果による電
荷保持の安定化も可能である。
When the state of the fine particles is quantized and the energy interval between the quantum levels is larger than the thermal energy at room temperature and the potential rise of the charge holding carrier, the charge holding by the quantum effect can be stabilized.

【0421】図53(a)〜(c)は、注入電荷として
電子を用いる場合の伝導帯端付近のバンド構造を概略的
に示す図である。図53(a)に示すように、第1の微
粒子体に電荷が無い状態で、微粒子体が量子化され、そ
の基底準位5042は電子が占め、第1励起準位504
1は空で両者のエネルギー間隔が熱エネルギーより十分
大きいとする。外部より書込みのため電界を加えると、
図53(b)に示すように、半導体基板から第1励起準
位5041を介したトンネル過程5043により電子が
電荷保持担体に注入される。この後、外部電界を除く
と、電荷保持担体の粒径が大きい場合、図53(c)に
示すように、電荷保持担体のフェルミ準位5044は第
1励起準位5041より低くなる。両者の差が熱エネル
ギーよりも小さいと電荷の放出が困難となり、電荷保持
担体内の電荷が安定に保持される。ここでは、電子が注
入電荷として用いられる場合について述べたが、正孔を
用いる場合も同様の効果がある。
FIGS. 53A to 53C are diagrams schematically showing a band structure near the conduction band edge when electrons are used as injected charges. As shown in FIG. 53 (a), the fine particles are quantized in a state where there is no charge in the first fine particles, and the ground level 5042 is occupied by electrons, and the first excitation level 504 is obtained.
1 is empty, and the energy interval between them is sufficiently larger than the heat energy. When an electric field is applied for writing from outside,
As shown in FIG. 53B, electrons are injected from the semiconductor substrate into the charge holding carrier by a tunneling process 5043 through the first excitation level 5041. Thereafter, excluding the external electric field, when the particle diameter of the charge carrier is large, the Fermi level 5044 of the charge carrier becomes lower than the first excitation level 5041 as shown in FIG. If the difference between the two is smaller than the heat energy, it becomes difficult to release the charge, and the charge in the charge holding carrier is stably held. Here, the case where electrons are used as the injected charges has been described, but the same effect can be obtained when holes are used.

【0422】以上のように、本発明による半導体素子で
は、電荷保持担体と電荷移動を制御する微粒子体を独立
に設けることにより書込・消去が高速でかつ、従来にな
く長時間の電荷保持が可能で信頼性の高い微粒子体への
電荷注入、保持、消去の手段が提供される。
As described above, in the semiconductor device according to the present invention, by independently providing the charge holding carrier and the fine particles for controlling charge transfer, writing and erasing can be performed at a high speed, and charge holding can be performed for a longer time than before. A possible and reliable means of injecting, holding and erasing charge into the particulate matter is provided.

【0423】(第30の実施形態)図54は、本発明の
第30の実施形態の半導体メモリ素子の断面図である。
半導体層であるp型シリコン層5051中にはソース領
域あるいはドレイン領域である機能するn型伝導領域5
052が設けられている。さらに、p型シリコン層50
41の上には、ソース/ドレイン電極である金属電極5
058と、ゲート絶縁膜であるSiO2 ゲート絶縁層5
056と、ゲート電極であるn型多結晶シリコン電極5
057とが設けられている。すなわち、本実施形態の半
導体素子は、MIS型トランジスタ構造の半導体メモリ
素子である。
(Thirtieth Embodiment) FIG. 54 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a thirtieth embodiment of the present invention.
In the p-type silicon layer 5051 which is a semiconductor layer, a functioning n-type conduction region 5 which is a source region or a drain region is provided.
052 is provided. Further, the p-type silicon layer 50
41, a metal electrode 5 serving as a source / drain electrode
058 and SiO 2 gate insulating layer 5 as a gate insulating film
056 and an n-type polycrystalline silicon electrode 5 serving as a gate electrode
057 is provided. That is, the semiconductor device of the present embodiment is a semiconductor memory device having a MIS transistor structure.

【0424】また、上記MIS型トランジスタ構造のゲ
ート絶縁層5056とp型シリコン層5051との間
に、以下の構造が設けらている。p型シリコン層505
1の上には、電荷の移動に対して障壁として機能する障
壁層である厚さ3.5nmのSiO2 膜53が設けられ
ている。また、上記障壁層上に電荷保持担体である厚さ
8nmの金属鉄5055が設けられている。
The following structure is provided between the gate insulating layer 5056 and the p-type silicon layer 5051 of the MIS transistor structure. p-type silicon layer 505
1, a 3.5-nm-thick SiO 2 film 53 is provided as a barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges. Further, a metal iron 5055 having a thickness of 8 nm as a charge holding carrier is provided on the barrier layer.

【0425】さらに、上記半導体層と上記電荷保持担体
の間で、上記障壁層の内部に微粒子体である直径1nm
のシリコン微粒子5054が設けられている。本実施形
態では、微粒子体が設けられている領域は、MIS型ト
ランジスタのソース領域の上部および上記ソース領域に
接する領域に限定されており、シリコン微粒子5054
は、化学的気相合成(CVD)法により、1×1011
-2〜1×1013cm -2程度の面内密度で形成されてい
る。
Further, the semiconductor layer and the charge carrier
In the meantime, a fine particle having a diameter of 1 nm is formed inside the barrier layer.
Of silicon fine particles 5054 are provided. This embodiment
In the state, the region provided with the fine particles is an MIS type transistor.
Above and above the source region of the transistor
The silicon fine particles 5054
Is 1 × 10 by chemical vapor synthesis (CVD).11c
m-2~ 1 × 1013cm -2It is formed with about the in-plane density
You.

【0426】本実施形態においても、第29の実施形態
と同様の原理により、電荷保持担体への電荷の注入・保
持・放出を制御できる構造を実現できる。さらに、本実
施形態では電荷を保持する構造がMIS型トランジスタ
構造のゲート領域に形成されていることにより、電荷保
持担体に電荷が保持されている状態と電荷が無い状態と
ではMIS型トランジスタ特性の閾値電圧が変化する。
これにより、低電圧・高速かつ長期間の記録が可能な不
揮発性の半導体メモリ素子として動作する。さらに単一
素子により基本的なメモリ動作が実現されるので高密度
の集積化が可能である。
Also in the present embodiment, a structure capable of controlling the injection, holding and release of charges into the charge holding carrier can be realized by the same principle as in the twenty-ninth embodiment. Further, in the present embodiment, the structure for holding the charge is formed in the gate region of the MIS transistor structure, so that the characteristics of the MIS transistor are different between the state where the charge is held on the charge holding carrier and the state where the charge is not present. The threshold voltage changes.
Thereby, it operates as a non-volatile semiconductor memory element capable of low-voltage, high-speed and long-term recording. Furthermore, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0427】本実施形態においては、微粒子体を設ける
領域をMIS型トランジスタのソース領域の上部および
上記ソース領域に接する領域に限定しているので、例え
素子の読出し時にドレイン領域およびチャネル領域の電
位が変動しても、ソース領域の電位を一定にすれば読出
し動作よる電荷保持担体との間の電荷移動を抑制でき
る。素子の書込/消去時には、ソース電極とゲート電極
の間に読出し時より大きな電位差を加えることで電荷の
注入/放出を制御できる。
In the present embodiment, the region where the fine particles are provided is limited to the region above the source region of the MIS transistor and the region in contact with the source region. Even if it fluctuates, if the potential of the source region is kept constant, it is possible to suppress charge transfer between the charge holding carrier and the read operation. At the time of writing / erasing of the element, injection / release of charges can be controlled by applying a larger potential difference between the source electrode and the gate electrode than at the time of reading.

【0428】なお、半導体素子を駆動する回路方式によ
っては、本実施形態とは逆に微粒子体を設ける領域をM
IS型トランジスタのドレイン領域の上部および上記ド
レイン領域に接する領域に限定したり、あるいはチャネ
ル領域に接する領域のみに限定することにより、より適
切に電荷制御ができる場合もある。
Note that, depending on the circuit system for driving the semiconductor element, the region where the fine particles are provided is M
In some cases, the charge control can be more appropriately performed by limiting the region to the upper portion of the drain region of the IS transistor and the region in contact with the drain region, or to the region in contact with the channel region.

【0429】また、微粒子体を設ける領域を限定せず、
半導体層と電荷保持担体の間の全面に微粒子体を設ける
構成を用いれば、素子作製の工程を簡素化することもで
きる。
Further, the area where the fine particles are provided is not limited.
If a configuration in which the fine particles are provided on the entire surface between the semiconductor layer and the charge retaining carrier is used, the process of manufacturing the element can be simplified.

【0430】以上のように、本発明の新規な構造を有す
る半導体素子により、従来になく作製が容易で信頼性の
高く、長期の電荷保持が可能な電荷注入、保持、消去の
手段が提供される。
As described above, the semiconductor device having the novel structure of the present invention provides a means for charge injection, holding, and erasing that is easier to manufacture than ever before, has high reliability, and can hold charges for a long time. You.

【0431】(第31の実施形態)図55は、本発明の
第31の実施形態における半導体素子の断面図である。
基板上に設けられた半導体層であるp型シリコン層50
61上に、電荷の移動に対して障壁として機能する障壁
層である厚さ4nm程度のSiO2 膜5062が設けら
れている。障壁層上には、電荷保持担体である厚さ9n
mの金属タングステン5064が設けられ、電荷保持担
体上には、絶縁体層である厚さ10nmのSiO2 膜5
065が設けられており、最上部には、電極層であるn
型多結晶シリコン電極5066が設けられている。さら
に、上記半導体層と上記電荷保持担体の間には、第29
の実施形態における微粒子体に代えて、SiOxy
5063(0≦x<2,0<y≦4/3)(Si34
膜あるいはSiON膜)が設けられている。本実施形態
では、SiOxy 層5063を設ける領域は半導体層
と電荷保持担体の間の一部の領域に限定されており、S
iOxy 層5063はCVD方により容易に形成され
る。
(Thirty-First Embodiment) FIG. 55 is a sectional view of a semiconductor device according to a thirty-first embodiment of the present invention.
P-type silicon layer 50 which is a semiconductor layer provided on a substrate
An SiO 2 film 5062 having a thickness of about 4 nm, which is a barrier layer functioning as a barrier against the movement of electric charges, is provided on 61. On the barrier layer, a 9 n-thick charge carrier
m metal tungsten 5064 is provided, and a 10 nm thick SiO 2 film 5 serving as an insulator layer is provided on the charge holding carrier.
065, and the uppermost portion is an electrode layer n
A type polycrystalline silicon electrode 5066 is provided. Further, between the semiconductor layer and the charge holding carrier, the 29th
Instead of the fine particles in the embodiment, the SiO x N y layer 5063 (0 ≦ x <2, 0 <y ≦ 4/3) (Si 3 N 4 )
Film or SiON film). In the present embodiment, the region where the SiO x N y layer 5063 is provided is limited to a part of the region between the semiconductor layer and the charge holding carrier.
The iO x N y layer 5063 is easily formed by the CVD method.

【0432】本実施形態においては、SiOxy 層5
063とSiO2 膜5065との界面付近又はSiOx
y 層5063内部に形成される界面準位が、第29の
実施形態における微粒子体と同等の電荷の受け渡し機能
を有する。よって、第29の実施形態と同様の効果を発
揮することができる。
In this embodiment, the SiO x N y layer 5
063 and the vicinity of the interface between the SiO 2 film 5065 or SiO x
The interface state formed inside the N y layer 5063 has the same charge transfer function as the fine particles in the twenty-ninth embodiment. Therefore, the same effect as in the twenty-ninth embodiment can be exerted.

【0433】しかも、シリコン微粒子を形成するのに比
べて、SiOxy 層5063はCVDによって容易に
形成できるので、製造の容易化を図ることができる。
In addition, since the SiO x N y layer 5063 can be easily formed by CVD as compared with the case where silicon fine particles are formed, manufacturing can be facilitated.

【0434】本実施形態の半導体素子の構造を利用し
て、第29実施形態と同様の半導体メモリ素子を構成す
ることができる。
A semiconductor memory device similar to that of the twenty-ninth embodiment can be formed by utilizing the structure of the semiconductor device of this embodiment.

【0435】図56は、第31の実施形態の半導体素子
を用いて形成される半導体メモリ素子の断面図である。
同図に示すように、半導体基板であるp型シリコン基板
5071上に、ソース領域あるいはドレイン領域として
機能するn型伝導領域5072と、絶縁体層であるSi
2 膜5073と、SiOxy 層5074(0≦x<
2,0<y≦4/3)と、電荷保持担体である金属タン
グステン5075と、SiO2 膜5076と、n型多結
晶シリコン電極5077とが設けられている。また、n
型伝導領域5072の上に、ソース/ドレイン電極であ
る金属電極5078が設けられ、全体としてMIS型ト
ランジスタ構造が形成されている。
FIG. 56 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the thirty-first embodiment.
As shown in the figure, on a p-type silicon substrate 5071 which is a semiconductor substrate, an n-type conduction region 5072 which functions as a source region or a drain region, and a Si which is an insulator layer
O 2 film 5073 and SiO x N y layer 5074 (0 ≦ x <
2,0 <y ≦ 4/3), metal tungsten 5075 as a charge holding carrier, SiO 2 film 5076, and n-type polycrystalline silicon electrode 5077 are provided. Also, n
A metal electrode 5078, which is a source / drain electrode, is provided on the mold conduction region 5072, and an MIS transistor structure is formed as a whole.

【0436】これにより、低電圧・高速かつ長期間の記
録が可能な不揮発性の半導体メモリ素子として動作す
る。さらに単一素子により基本的なメモリ動作が実現さ
れるので高密度の集積化が可能である。
As a result, the device operates as a nonvolatile semiconductor memory device capable of performing low-voltage, high-speed and long-term recording. Furthermore, since a basic memory operation is realized by a single element, high-density integration is possible.

【0437】上記各実施形態では、微粒子体中に注入・
蓄積される電荷としては、電子と正孔のいずれをも利用
可能である。
In each of the above embodiments, the injection and injection into the fine particles are performed.
As the stored charge, both electrons and holes can be used.

【0438】第29〜第31の実施形態においては、半
導体層としてp型のシリコン層を用いたが、この他にn
型シリコン層や、ポリシリコン薄膜、GaAs層等他の
半導体材料膜を用いることもできる。
In the twenty-ninth to thirty-first embodiments, a p-type silicon layer is used as a semiconductor layer.
Other semiconductor material films such as a mold silicon layer, a polysilicon thin film, and a GaAs layer can also be used.

【0439】また、第29〜第31の実施形態において
は、微粒子体としてシリコン微粒子を用いているが、他
の半導体材料や金属からなる微粒子体を用いることもで
きる。
In the twenty-ninth to thirty-first embodiments, silicon fine particles are used as fine particles, but fine particles made of other semiconductor materials or metals may be used.

【0440】また、第29〜第31の実施形態において
は、電荷保持担体としてタングステンおよび鉄を用いて
いるが、金属や他の半導体材料を用い手も、同様の効果
を発揮することができる。
In the twenty-ninth to thirty-first embodiments, tungsten and iron are used as charge holding carriers. However, a similar effect can be obtained by using a metal or another semiconductor material.

【0441】またmだい29〜第31の実施形態におい
ては、電荷保持担体と半導体基板の間に障壁層内部に微
粒子体を1層のみ設けているが、微粒子体を複数層設け
たり、微粒子を分散させた領域を設けた構造にすること
もできる。
In the twenty-ninth to thirty-first embodiments, only one layer of fine particles is provided inside the barrier layer between the charge holding carrier and the semiconductor substrate. A structure in which dispersed regions are provided can also be employed.

【0442】また、第29〜第31の実施形態において
は、絶縁層をSiO2 により構成しているが、前述のよ
うに、Si34 、Sixyz (4x=2y+3
z)、CeO2 、ZnS、ZnO、Al23、等、他
の絶縁体材料により絶縁層を構成してもよい。
[0442] Further, in the first 29 to second 31 embodiments, although the insulating layer is constituted by SiO 2, as described above, Si 3 N 4, Si x O y N z (4x = 2y + 3
The insulating layer may be made of other insulating materials such as z), CeO 2 , ZnS, ZnO, Al 2 O 3 and the like.

【0443】上記第1〜第31の実施形態において、半
導体基板として、絶縁体基板の上にエピタキシャル半導
体層を形成したものや、半導体基板内に絶縁層を形成し
たいわゆるSOI基板を用いても、上記各実施形態と同
じ効果を発揮することができる。
In the first to thirty first embodiments, as the semiconductor substrate, a semiconductor substrate having an epitaxial semiconductor layer formed on an insulator substrate or a so-called SOI substrate having an insulating layer formed in a semiconductor substrate can be used. The same effects as the above embodiments can be exerted.

【0444】また、上記各実施形態のうちいくつかの実
施形態においては、微粒子体を含む層の側面上にSiO
2 サイドウォールを設けたが、必ずしもSiO2 サイド
ウォールを設ける必要はない。つまり、ソース・ドレイ
ン領域の双方又は一方の上に微粒子が存在している構造
であっても、他の手段によりリーク電流などの発生を防
止することは可能である。
Also, in some of the above embodiments, the SiO 2 layer is formed on the side surface of the layer containing the fine particles.
Although two sidewalls are provided, it is not always necessary to provide SiO 2 sidewalls. That is, even in a structure in which fine particles are present on both or one of the source and drain regions, it is possible to prevent the occurrence of a leak current or the like by other means.

【0445】[0445]

【発明の効果】本発明によれば、半導体素子において、
微粒子体を絶縁体等の中に分散して構成する電荷保持領
域を設けることにより、従来の半導体素子のようにトン
ネル酸化膜の厚さ及び微粒子体の粒径を制御する必要が
なく、かつ、蓄積された電子の自然放出を効果的に抑制
できるため、作製が容易で、かつ、信頼性の高い、新規
な半導体素子を実現できる。
According to the present invention, in a semiconductor device,
By providing a charge holding region configured by dispersing fine particles in an insulator or the like, there is no need to control the thickness of the tunnel oxide film and the particle size of the fine particles unlike a conventional semiconductor device, and Since the spontaneous emission of accumulated electrons can be effectively suppressed, a novel semiconductor device that is easy to manufacture and has high reliability can be realized.

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

【図1】第1の実施形態に係る半導体素子の断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment.

【図2】従来の半導体素子におけるSiO2 膜、シリ
コン微粒子、トンネル酸化膜及びp型シリコン基板のエ
ネルギーバンド構造を示すバンド図である。
FIG. 2 is a band diagram showing an energy band structure of a SiO 2 film, silicon fine particles, a tunnel oxide film, and a p-type silicon substrate in a conventional semiconductor device.

【図3】従来の半導体素子における電子注入・電子保持
を行う際のエネルギーバンド状態をそれぞれ示す部分バ
ンド図である。
FIG. 3 is a partial band diagram showing an energy band state when performing electron injection and electron holding in a conventional semiconductor device.

【図4】第1の実施形態に係る半導体素子におけるバン
ド図である。
FIG. 4 is a band diagram of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図5】第1の実施形態の半導体素子における電子注入
・電子保持を行う際のエネルギーバンド状態をそれぞれ
示す部分バンド図である。
FIG. 5 is a partial band diagram illustrating an energy band state when performing electron injection and electron holding in the semiconductor element of the first embodiment.

【図6】第2の実施形態に係る半導体素子を示す断面図
である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a second embodiment.

【図7】第3の実施形態に係る半導体素子の断面図であ
る。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment.

【図8】第4の実施形態に係る半導体素子を示す断面図
である。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a fourth embodiment.

【図9】第5の実施形態に係る半導体素子の断面図であ
る。
FIG. 9 is a sectional view of a semiconductor device according to a fifth embodiment.

【図10】第6の実施形態に係る半導体素子を示す断面
図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a sixth embodiment.

【図11】第7の実施形態に係る半導体素子の断面図で
ある。
FIG. 11 is a sectional view of a semiconductor device according to a seventh embodiment.

【図12】第8の実施形態に係る半導体素子を示す断面
図である。
FIG. 12 is a sectional view showing a semiconductor device according to an eighth embodiment.

【図13】第1の実施形態に係る半導体素子の製造工程
を示す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view illustrating a manufacturing step of the semiconductor element according to the first embodiment;

【図14】第7の実施形態に係る半導体素子におけるバ
ンド図である。
FIG. 14 is a band diagram of a semiconductor device according to a seventh embodiment.

【図15】複数のSiGe微粒子を有し、基板の下方か
ら順に、電荷保持域内に、配置された複数の微粒子群を
備える半導体素子の断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a plurality of SiGe fine particles and including a plurality of fine particle groups arranged in a charge holding region in order from below the substrate.

【図16】第9の実施形態に係る半導体素子の断面図で
ある。
FIG. 16 is a sectional view of a semiconductor device according to a ninth embodiment.

【図17】第9の実施形態に係る半導体素子におけるバ
ンド図である。
FIG. 17 is a band diagram of the semiconductor device according to the ninth embodiment.

【図18】(a)、(b)、(c)は、第9の実施形態
の半導体素子における電子注入・電子保持を行う際のエ
ネルギーバンド状態をそれぞれ示す部分バンド図であ
る。
FIGS. 18 (a), (b), and (c) are partial band diagrams respectively showing energy band states when performing electron injection and electron holding in the semiconductor device of the ninth embodiment.

【図19】第10の実施形態に係る半導体素子を示す断
面図である。
FIG. 19 is a sectional view showing a semiconductor device according to a tenth embodiment.

【図20】第11の実施形態に係る半導体素子の断面図
である。
FIG. 20 is a sectional view of a semiconductor device according to an eleventh embodiment.

【図21】第12の実施形態に係る半導体素子を示す断
面図である。
FIG. 21 is a sectional view showing a semiconductor device according to a twelfth embodiment.

【図22】第13の実施形態に係る半導体素子の断面図
である。
FIG. 22 is a sectional view of a semiconductor device according to a thirteenth embodiment.

【図23】第14の実施形態に係る半導体素子を示す断
面図である。
FIG. 23 is a sectional view showing a semiconductor device according to a fourteenth embodiment.

【図24】第15の実施形態に係る半導体素子の断面図
である。
FIG. 24 is a sectional view of a semiconductor device according to a fifteenth embodiment.

【図25】本発明の第16の実施形態における半導体素
子の断面図である。
FIG. 25 is a sectional view of a semiconductor device according to a sixteenth embodiment of the present invention.

【図26】(a)〜(c)は、注入電荷として電子を用
いる場合の伝導帯付近のバンド構造の概略図を示すバン
ド図である。
FIGS. 26A to 26C are band diagrams showing schematic diagrams of a band structure near a conduction band when electrons are used as injected charges.

【図27】(a)〜(c)は、電荷として電子を用いる
場合における半導体基板−第2の微粒子体間の電圧の高
低と電荷の移動特性とのより好ましい関係を説明するた
めのバンド図である。
FIGS. 27A to 27C are band diagrams for explaining a more preferable relationship between a voltage level between a semiconductor substrate and a second fine particle and a charge transfer characteristic when electrons are used as charges; It is.

【図28】第1の微粒子体の粒径と、第1,第2の微粒
子体の粒径比とが電荷の保持特性に与える影響について
説明するための図である。
FIG. 28 is a diagram for explaining the effect of the particle size of the first fine particles and the particle size ratio of the first and second fine particles on the charge retention characteristics.

【図29】第17の実施形態における半導体メモリ素子
の断面図である。
FIG. 29 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a seventeenth embodiment;

【図30】第18の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 30 is a sectional view of a semiconductor device in an eighteenth embodiment.

【図31】第18の実施形態の半導体素子を利用して形
成される半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 31 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the eighteenth embodiment.

【図32】第19の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 32 is a sectional view of a semiconductor device according to a nineteenth embodiment;

【図33】第19の実施形態の半導体素子を利用して形
成された半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 33 is a sectional view of a semiconductor memory device formed by using the semiconductor device of the nineteenth embodiment.

【図34】第20の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 34 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a twentieth embodiment.

【図35】第20の実施形態の半導体素子を利用して形
成された半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 35 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the twentieth embodiment.

【図36】第21の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 36 is a sectional view of a semiconductor device in a twenty-first embodiment.

【図37】第21の実施形態の半導体素子を利用して形
成された半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 37 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the twenty-first embodiment.

【図38】第22の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 38 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-second embodiment.

【図39】第22の実施形態の半導体素子を利用して形
成された半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 39 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the twenty-second embodiment.

【図40】第23の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 40 is a sectional view of a semiconductor element in a twenty-third embodiment;

【図41】第23の実施形態における半導体素子を利用
して得られる半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 41 is a sectional view of a semiconductor memory device obtained by using the semiconductor device according to the twenty-third embodiment.

【図42】第24の実施形態の半導体素子の断面図であ
る。
FIG. 42 is a sectional view of a semiconductor device according to a twenty-fourth embodiment;

【図43】(a),(b)は、電子による電荷移動の際
の伝導帯端付近のバンド構造を概略的に示すバンド図で
ある。
43 (a) and (b) are band diagrams schematically showing a band structure near a conduction band edge during charge transfer by electrons.

【図44】第25の実施形態における半導体メモリ素子
の断面図である。
FIG. 44 is a sectional view of a semiconductor memory device in a twenty-fifth embodiment;

【図45】第26の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 45 is a sectional view of a semiconductor element in a twenty-sixth embodiment.

【図46】第26の実施形態の半導体素子を用いて形成
される半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 46 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the twenty-sixth embodiment.

【図47】第27の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 47 is a sectional view of a semiconductor element in a twenty-seventh embodiment.

【図48】第27の実施形態の半導体素子を用いて形成
される半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 48 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the twenty-seventh embodiment;

【図49】第28の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 49 is a sectional view of a semiconductor element in a twenty-eighth embodiment;

【図50】第28の実施形態の半導体素子を用いて形成
される半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 50 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the twenty-eighth embodiment;

【図51】第29の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 51 is a sectional view of a semiconductor element in a twenty-ninth embodiment;

【図52】従来の文献に記載されている従来の複数のシ
リコンの微粒子を用いた半導体素子を示す断面図であ
る。
FIG. 52 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor device using a plurality of silicon fine particles described in a conventional document.

【図53】(a)〜(c)は、注入電荷として電子を用
いる場合の伝導帯端付近のバンド構造を概略的に示す図
である。
FIGS. 53A to 53C are diagrams schematically showing a band structure near a conduction band edge when electrons are used as injected charges.

【図54】第30の実施形態の半導体メモリ素子の断面
図である。
FIG. 54 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a thirtieth embodiment;

【図55】第31の実施形態における半導体素子の断面
図である。
FIG. 55 is a sectional view of a semiconductor device in a thirty-first embodiment;

【図56】31の実施形態の半導体素子を用いて形成さ
れる半導体メモリ素子の断面図である。
FIG. 56 is a sectional view of a semiconductor memory device formed using the semiconductor device of the thirty-first embodiment.

【図57】従来の複数のシリコンの微粒子を用いたメモ
リとして機能する半導体メモリ素子を示す断面図であ
る。
FIG. 57 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor memory element functioning as a memory using a plurality of silicon fine particles.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1011 p型シリコン基板 1012 電荷保持領域 1012a 微粒子分散領域 1013 シリコン微粒子 1014 SiO2 1015 SiO2 膜 1016 n型多結晶シリコン電極 1017 衝撃によってはじき出された原子、分子1011 p-type silicon substrate 1012 charge holding region 1012a fine particle dispersion region 1013 silicon fine particle 1014 SiO 2 1015 SiO 2 film 1016 n-type polycrystalline silicon electrode 1017 atoms and molecules repelled by impact

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願2000−25930(P2000−25930) (32)優先日 平成12年2月3日(2000.2.3) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願2000−48820(P2000−48820) (32)優先日 平成12年2月25日(2000.2.25) (33)優先権主張国 日本(JP) (72)発明者 森田 清之 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 空田 晴之 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) 5F083 EP17 EP23 ER09 ER19 ER30 HA06 HA10 JA02 JA05 JA19 JA31 JA33 JA34 PR21 PR22 5F101 BA26 BA29 BA54 BB05 BD02 BD39 BD40 BE05 BE07 BH02   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (31) Priority claim number Japanese Patent Application 2000-25930 (P2000-25930) (32) Priority Date February 3, 2000 (2000.2.3) (33) Priority claim country Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application 2000-48820 (P2000-48820) (32) Priority date February 25, 2000 (2000.2.25) (33) Priority claim country Japan (JP) (72) Inventor Kiyoyuki Morita             Matsushita Electric, 1006 Kadoma, Kazuma, Osaka             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Haruyuki Sorada             Matsushita Electric, 1006 Kadoma, Kazuma, Osaka             Sangyo Co., Ltd. F term (reference) 5F083 EP17 EP23 ER09 ER19 ER30                       HA06 HA10 JA02 JA05 JA19                       JA31 JA33 JA34 PR21 PR22                 5F101 BA26 BA29 BA54 BB05 BD02                       BD39 BD40 BE05 BE07 BH02

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導体層を有する基板と、 上記導体層の上に設けられ、電荷の移動に対して障壁と
して機能する障壁層と、上記障壁層内に分散して配置さ
れ、上記導体層との間の距離が互いに異なる複数の粒子
体とからなる電荷保持領域とを備え、 上記電荷保持領域における各粒子体間の障壁高さが、上
記導体層との距離が小さいものほど小さいことを特徴と
する半導体素子。
1. A substrate having a conductor layer, a barrier layer provided on the conductor layer and functioning as a barrier to movement of electric charges, and a barrier layer dispersedly arranged in the barrier layer, And a charge holding region composed of a plurality of particles different in distance from each other, wherein the barrier height between the particles in the charge holding region is smaller as the distance from the conductor layer is smaller. Semiconductor element.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体素子において、 上記粒子体は、上記導体層との距離が小さいものほど小
さい電子親和力を有しているか、大きい電子親和力と禁
制帯幅の和とを有しているかのいずれであることを特徴
とする半導体素子。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the particle body has a smaller electron affinity as the distance from the conductor layer is smaller, or the particle body has a larger electron affinity and the sum of the forbidden band width. A semiconductor element, characterized by comprising:
【請求項3】 請求項1又は2に記載の半導体素子にお
いて、 上記障壁層は、上記導体層との距離が小さいものほど大
きい電子親和力を有しているか、小さい電子親和力と禁
制帯幅の和とを有しているかのいずれであることを特徴
とする半導体素子。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier layer has a larger electron affinity as the distance from the conductor layer is smaller, or the sum of the smaller electron affinity and the forbidden band width. And a semiconductor device comprising:
【請求項4】 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載
の半導体素子において、 上記粒子体は、量子化されていることを特徴とする半導
体素子。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the particles are quantized.
【請求項5】 請求項1〜4のうちいずれか1つに記載
の半導体素子において、 上記複数の粒子体は、上記導体層との距離が共通である
複数の粒子体からなる複数の粒子体群に群別されている
ことを特徴とする半導体素子。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of particles are a plurality of particles having a common distance from the conductor layer. A semiconductor element characterized by being divided into groups.
【請求項6】 請求項1〜5のうちいずれか1つに記載
の半導体素子において、 上記障壁層の上に設けられた絶縁体層と、 上記絶縁体層の上に形成されたゲート電極と、 上記基板における上記ゲート電極の両側方に位置する領
域に不純物を導入して形成されたソース・ドレイン領域
とをさらに備え、 MIS型トランジスタとして機能することを特徴とする
半導体素子。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein: an insulator layer provided on the barrier layer; and a gate electrode formed on the insulator layer. A source / drain region formed by introducing impurities into regions on both sides of the gate electrode on the substrate, wherein the semiconductor device functions as a MIS transistor.
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JP2000-25930 2000-02-25
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012195451A (en) * 2011-03-16 2012-10-11 Toshiba Corp Semiconductor memory
WO2019171556A1 (en) * 2018-03-08 2019-09-12 シャープ株式会社 Element, electronic device, and method for producing element

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