JP2006108695A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、絶縁性基板上あるいは絶縁層を介した半導体基板上に形成された量子サイズ効果を生じさせ得る程度に微小な金属または半導体からなる量子細線を用いた半導体素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a quantum wire made of a metal or a semiconductor that is minute enough to produce a quantum size effect formed on an insulating substrate or a semiconductor substrate via an insulating layer.
今や、産業の基幹となったエレクトロニクスの進歩を支えてきた大規模集積回路(LSI)は、微細化によって、大容量,高速,低消費電力等の性能を飛躍的に向上させてきた。しかしながら、素子のサイズが0.1μm以下になると、従来の素子による動作原理の限界に到達すると考えられ、新しい動作原理に基づいた新しい素子の研究が活発に行われている。この新しい素子として、ナノメータサイズの量子ドットや量子細線と呼ばれる微細構造を有するものがある。上記ナノメータサイズの量子ドットは、種々の量子効果デバイスと共に、特にクーロンブロッケード現象を利用した単電子デバイスヘの応用のために、盛んに研究が行われている。また、上記ナノメータサイズの量子細線は、量子効果を利用した超高速トランジスタへの応用が期待されている。 Nowadays, large-scale integrated circuits (LSIs) that have supported the advancement of electronics, which has become the backbone of the industry, have dramatically improved performance such as large capacity, high speed, and low power consumption by miniaturization. However, when the element size is 0.1 μm or less, it is considered that the limit of the operation principle of the conventional element is reached, and research on new elements based on the new operation principle is actively conducted. As this new device, there is a device having a fine structure called a nanometer-sized quantum dot or quantum wire. The nanometer-sized quantum dots are actively studied for application to single-electron devices using the Coulomb blockade phenomenon together with various quantum effect devices. The nanometer-sized quantum wires are expected to be applied to ultrahigh-speed transistors using the quantum effect.
特に、上記ナノメータサイズの量子細線においては、半導体結晶中における電子の波長(ド・ブロイ波長)と同程度の幅を持つ半導体層に電子を閉じ込めることによって上記電子の自由度を制限し、これによって生ずる量子化現象を利用して新しい動作原理に基づく半導体量子デバイスを作製する試みが行われている。すなわち、半導体層中における電子の波長は約10nmであるから、電子を幅10nm程度の半導体の細線(量子細線)中に閉じ込めると、上記電子はこの細線中を殆ど散乱を受けずに移動できるために、電子の移動度が上昇することが理論的に導き出されている。 In particular, in the nanometer-sized quantum wires, the degree of freedom of the electrons is limited by confining electrons in a semiconductor layer having a width similar to the wavelength of electrons in the semiconductor crystal (de Broglie wavelength). Attempts have been made to fabricate semiconductor quantum devices based on a new operating principle using the resulting quantization phenomenon. That is, since the wavelength of electrons in the semiconductor layer is about 10 nm, if the electrons are confined in a semiconductor thin wire (quantum thin wire) having a width of about 10 nm, the electrons can move in the thin wire without being scattered. Furthermore, it has been theoretically derived that the mobility of electrons increases.
したがって、上述のような量子細線を平面上に多数配列した伝導層を作成し、この伝導層内の電子数をゲート電極の作用によって制御することで、従来のトランジスタに比して高速性に優れた量子細線トランジスタを作製することができるのである。また、上述のような量子細線をレーザの発光層に多数組み込むことによって、小さい注入電流でもシャープなスペクトルを有する高効率で高周波特性に優れた半導体レーザ素子を得ることができるのである。 Therefore, by creating a conductive layer with a large number of quantum wires arranged on a plane as described above and controlling the number of electrons in this conductive layer by the action of the gate electrode, it is superior in speed compared to conventional transistors. Thus, a quantum wire transistor can be manufactured. Also, by incorporating a large number of quantum wires as described above into the light emitting layer of the laser, it is possible to obtain a highly efficient semiconductor laser device having a sharp spectrum even with a small injection current and excellent in high frequency characteristics.
従来、上記量子細線の形成方法として、以下の(1)〜(3)の文献に記載されようなものが提案されている。
(1) 石黒他、1996年春季応用物理学会、講演番号28a-PB-5、予稿集p-798 および 講演番号26p-ZA-12、予稿集p-64(非特許文献1)
図15は、上記(1)の非特許文献1に開示された「異方性エッチングを利用したSIMOX(セパレーション・バイ・インプランテッド・オキシゲン)基板上の均一なSi量子細線の製造方法」を示す工程図である。
Conventionally, methods described in the following documents (1) to (3) have been proposed as methods for forming the quantum wires.
(1) Ishiguro et al., 1996 Spring Society of Applied Physics, Lecture No. 28a-PB-5, Proceedings p-798 and Lecture No. 26p-ZA-12, Proceedings p-64 (Non-patent Document 1)
FIG. 15 shows “a method for producing uniform Si quantum wires on a SIMOX (separation by implanted oxygen) substrate using anisotropic etching” disclosed in Non-Patent
図15において、先ず、図15(a)に示すように、シリコン基板1,酸化膜2及びSOI(シリコン・オン絶縁体)膜3からなる(100)SIMOX基板上に、窒化シリコン(Si3N4)を堆積した後、パターニングを行つて窒化シリコン膜4を形成する。次に、図15(b)に示すように、窒化シリコン膜4をマスクとして、TMAH(テトラ・メタル・アンモニウム・ハイドロオキサイド)で異方性エッチングを行って、パターンエッジに(111)面を有するSOI膜5を形成する。
In FIG. 15, first, as shown in FIG. 15A, silicon nitride (Si 3 N) is formed on a (100) SIMOX substrate composed of a
次に、図15(c)に示すように、上記窒化シリコン膜4をマスクとして、SOI膜5における側壁の(111)面を選択的に酸化して、酸化膜6を形成する。そして、図15(d)に示すように、上記窒化シリコン膜4を除去した後、酸化膜6をマスクとして再びTMAHで異方性エッチングを行って、Si量子細線7を形成する。
Next, as shown in FIG. 15C, with the
このSi量子細線7の幅は、上記SOI膜3の膜厚で決まり、10nm程度のものが形成されている。上述のようにいて形成されたSi量子細線7をチャネル領域として形成された量子細線MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)では、量子化現象の特徴であるクーロンブロッケード振動が観測されている。
The width of the Si
(2) 特開平6-77180号公報(特許文献1)
図16は、上記(2)の特許文献1に開示された「サイドウォール法により形成した細線状エッチングマスクを利用した量子細線形成方法」を示す工程図である。
(2) Japanese Patent Laid-Open No. 6-77180 (Patent Document 1)
FIG. 16 is a process diagram showing “a quantum wire forming method using a thin wire-like etching mask formed by a sidewall method” disclosed in
図16において、先ず、図16(a)に示すように、GaAsからなる被エッチング基板11上にレジスト12をパターニング形成し、更にその上からプラズマ気相成長法(PCVD)によって膜厚50nmのSiO2被膜13を形成する。次に、図16(b)に示すように、反応性イオンエッチングを行って、パターニングされたレジスト12の両側壁にSiO2のサイドウォール14を形成する。
In FIG. 16, first, as shown in FIG. 16 (a), a
最後に、図16(c)に示すように、上記レジスト12を除去した後、SiO2のサイドウォール14をマスクとして、GaAsからなる被エッチング基板11を反応性イオンエッチングによってパターニングし、GaAsからなる細線を形成するのである。
Finally, as shown in FIG. 16C, after removing the
(3) 特開平8-288499号公報(特許文献2)
図17は、上記(3)の特許文献2に開示された「2枚のSiウェハ貼り合せとサイドウォール形成によるエッチングマスクを利用した量子細線形成方法」を示す工程図である。
(3) JP-A-8-288499 (Patent Document 2)
FIG. 17 is a process diagram showing “a method for forming a quantum wire using an etching mask by bonding two Si wafers and forming a sidewall” disclosed in
図17において、先ず、図17(a)に示すように、Si基板21上にドライエッチングによって凸部22を形成する。続いて、図17(b)に示すように、SiOx系絶縁膜23を形成して、基板全体を平坦化する。次に、図17(c)に示すように、平坦化された基板全体の表裏を反転させ、別のSi基板24にSiOx系絶縁膜23側を接触させて貼り合わせる。次に、図17(d)に示すように、Si基板21をSiOx系絶縁膜23が露出するまでCMP(化学機械研磨)法によって研磨する。その結果、SiOx系絶縁膜23に埋め込まれた状態で島状Si層25が厚さ約10nmで残る。そして、熱CVD(化学蒸着)法によって厚さ約10nmの不純物含有ポリシリコン層を形成後、レジストマスク(図示せず)を介して異方性エッチングすることによって、島状Si層25の中央付近に加工端面が位置するポリシリコンパターン26を形成する。
In FIG. 17, first, as shown in FIG. 17A, a
次に、図17(e)に示すように、熱酸化処理によって、Si露出部分25,26上に膜厚1nm〜10nmの熱酸化膜(SiOx)27を形成する。 次に、図17(f)に示すように、エッチバックを行って、ポリシリコン26の加工端面に熱酸化膜27を残してサイドウォール28を形成する。次に、図17(g)に示すように、島状Si層25に対して選択比を確保できる条件でウエット処理を行い、ポリシリコンパターン26を除去する。続いて、サイドウォール28を形成しているSiOxに対する選択比を確保できる条件で島状Si層25をエツチングし、量子細線29を形成する。
Next, as shown in FIG. 17E, a thermal oxide film (SiOx) 27 having a film thickness of 1 nm to 10 nm is formed on the Si exposed
しかしながら、上記非特許文献1,特許文献1および特許文献2に記載された従来の量子細線の形成方法には、以下のような問題がある。すなわち、上記非特許文献1では、基板がSOIである場合にのみ有効な方法であり、従来から使用されているSi基板に適用することができないという問題がある。Si基板に比べてSOI基板の値段は10倍〜20倍であり、更にコストを低くするためにはSi基板を用いて量子細線を形成できる方が望ましい。
However, the conventional quantum wire forming methods described in
また、上記特許文献1では、量子細線の幅を決定するサイドウォールを、CVDおよび反応性イオンエッチングで形成している。ところが、量子細線の幅は1nm〜10nmで制御する必要があり、PCVDおよびサイドウォールエッチングによって形成する膜の厚さを1nm〜10nmの範囲で制御することは非常に困難であるという問題がある。
Moreover, in the said
また、上記特許文献2では、貼り合わせるための2枚のSi基板21,24が必要であり、絶縁層23を介した2枚のSi基板21,24の貼り合せという特殊な基板形成技術が必要となる。また、形成される量子細線29の高さは、レジストマスクを介してSi基板21をドライエッチングするときの深さで決まるが、その場合におけるドライエッチングの深さをナノメータサイズで制御することは非常に困難であるという問題がある。また、量子細線29の幅はサイドウォール28の幅で決まるために、その制御が困難であるという問題もある。
そこで、この発明の課題は、Si基板あるいはGaAs基板等の半導体基板を用い、一般的な成膜技術,リソグラフィ技術,エッチング技術を用いて形成できるナノメータサイズの量子細線を用いた半導体素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device using a nanometer-sized quantum wire that can be formed by using a semiconductor substrate such as a Si substrate or a GaAs substrate and using a general film forming technique, a lithography technique, and an etching technique. There is.
上記課題を解決するため、この発明の半導体素子は、
ソース領域と、ドレイン領域と、上記ソース領域とドレイン領域との間のチャネル領域と、上記チャネル領域に流れるチャネル電流を制御するゲート領域と、上記ゲート領域とチャネル領域との間に位置する浮遊ゲート領域と、上記浮遊ゲート領域と上記ゲート領域との間の第1絶縁膜と、上記チャネル領域と上記浮遊ゲート領域の間の第2絶縁膜を有する半導体素子において、
上記浮遊ゲート領域は、ナノメータサイズの量子細線で構成されると共に、上記ソース領域と上記ドレイン領域との配列方向に対して交差する方向に延在して、上記チャネル領域と平行に配置されていることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the semiconductor element of the present invention is
A source region, a drain region, a channel region between the source region and the drain region, a gate region for controlling a channel current flowing in the channel region, and a floating gate positioned between the gate region and the channel region In a semiconductor device having a region, a first insulating film between the floating gate region and the gate region, and a second insulating film between the channel region and the floating gate region,
The floating gate region is composed of nanometer-sized quantum wires, and extends in a direction intersecting the arrangement direction of the source region and the drain region, and is arranged in parallel with the channel region. It is characterized by that.
上記構成によれば、ソース領域とドレイン領域との配列方向に対して交差して配置されたナノメータサイズの量子細線によって、浮遊ゲート領域を構成している。したがって、上記浮遊ゲート領域の蓄積電荷が少なくなり、上記浮遊ゲート領域に注入される電荷量が少なくなる。こうして、低消費電力であって、高密度で大容量の不揮発性メモリが得られる。 According to the above configuration, the floating gate region is configured by the nanometer-sized quantum wires arranged to intersect with the arrangement direction of the source region and the drain region. Therefore, the accumulated charge in the floating gate region is reduced, and the amount of charge injected into the floating gate region is reduced. Thus, a high-density and large-capacity nonvolatile memory with low power consumption can be obtained.
また、1実施の形態の半導体素子では、
上記浮遊ゲート領域の断面形状は、上記第1絶縁膜を介して上記チャネル領域に対向する面の上記第1絶縁膜の延在方向に測った幅が、上記第1絶縁膜の延在方向に測った最大幅よりも狭い形状である。
In the semiconductor device of one embodiment,
The cross-sectional shape of the floating gate region is such that the width measured in the extending direction of the first insulating film on the surface facing the channel region through the first insulating film is in the extending direction of the first insulating film. The shape is narrower than the measured maximum width.
この実施の形態によれば、上記浮遊ゲート領域を構成するナノメータサイズの量子細線は、上記チャネル領域に対向する面の幅が最大幅よりも狭い断面形状を有している。したがって、上記浮遊ゲート領域(量子細線)内に捕獲された電子が上記チャネル領域側(つまり、基板側)に抜ける確率が減り、電荷保持性が良くなる。 According to this embodiment, the nanometer-sized quantum wires constituting the floating gate region have a cross-sectional shape in which the width of the surface facing the channel region is narrower than the maximum width. Therefore, the probability that electrons trapped in the floating gate region (quantum wire) escape to the channel region side (that is, the substrate side) is reduced, and charge retention is improved.
また、1実施の形態の半導体素子では、
少なくとも上記ソース領域,ドレイン領域,チャネル領域および浮遊ゲート領域はSiで形成されている。
In the semiconductor device of one embodiment,
At least the source region, drain region, channel region, and floating gate region are formed of Si.
この実施の形態によれば、上記ソース領域,ドレイン領域,チャネル領域および浮遊ゲート領域がSiで形成されている。したがって、単電子デバイスの基本となる量子細線を有する不揮発性メモリを、Si系LSIと同一の基板に搭載することが可能になる。 According to this embodiment, the source region, drain region, channel region, and floating gate region are formed of Si. Therefore, it becomes possible to mount a non-volatile memory having a quantum wire, which is the basis of a single electronic device, on the same substrate as the Si LSI.
また、この発明の半導体素子は、
ソース領域と、ドレイン領域と、上記ソース領域とドレイン領域との間のチャネル領域と、上記チャネル領域に流れるチャネル電流を制御するゲート領域と、上記チャネル領域とゲート領域との間のゲート絶縁膜を有する半導体素子において、
上記チャネル領域は、ナノメータサイズの量子細線で構成されていることを特徴としている。
The semiconductor element of the present invention is
A source region, a drain region, a channel region between the source region and the drain region, a gate region for controlling a channel current flowing in the channel region, and a gate insulating film between the channel region and the gate region. In a semiconductor device having
The channel region is characterized by being composed of nanometer-sized quantum wires.
上記構成によれば、チャネル領域が量子細線で構成されている。したがって、上記チャネル領域が長手方向に対して直交する方向に量子化されて1次元伝導を示すことになる。その結果、超高速動作が可能なトランジスタが得られる。 According to the above configuration, the channel region is composed of quantum wires. Therefore, the channel region is quantized in a direction perpendicular to the longitudinal direction to exhibit one-dimensional conduction. As a result, a transistor capable of ultra-high speed operation is obtained.
また、1実施の形態の半導体素子では、
上記ソース領域およびドレイン領域は、上記チャネル領域を構成している量子細線における上記チャネル領域の両側に形成されている。
In the semiconductor device of one embodiment,
The source region and the drain region are formed on both sides of the channel region in the quantum wire constituting the channel region.
この実施の形態によれば、一つの量子細線に対してゲート領域をマスクとして不純物イオンを注入して、上記量子細線中に上記ソース領域およびドレイン領域を形成することによって、上記ソース領域,ドレイン領域およびチャネル領域を1工程で形成することができる。 According to this embodiment, the source region and the drain region are formed by implanting impurity ions into one quantum wire using the gate region as a mask to form the source region and the drain region in the quantum wire. The channel region can be formed in one step.
また、1実施の形態の半導体素子では、
少なくとも上記ソース領域,ドレイン領域およびチャネル領域は、シリコンで形成されている。
In the semiconductor device of one embodiment,
At least the source region, drain region, and channel region are formed of silicon.
この実施の形態によれば、上記ソース領域,ドレイン領域およびチャネル領域がSiで形成されている。したがって、単電子デバイスの基本となる量子細線を有するトランジスタを、Si系LSIと同一の基板に搭載することが可能になる。 According to this embodiment, the source region, drain region and channel region are formed of Si. Therefore, it becomes possible to mount the transistor having the quantum wire that is the basis of the single-electron device on the same substrate as the Si LSI.
以上より明らかなように、この発明の半導体素子は、ソース領域と、ドレイン領域と、チャネル領域と、ゲート領域と、浮遊ゲート領域と、上記浮遊ゲート領域と上記ゲート領域との間の第1絶縁膜と、上記チャネル領域と上記浮遊ゲート領域の間の第2絶縁膜を有する半導体素子において、上記浮遊ゲート領域を、ナノメータサイズの量子細線で構成すると共に、上記ソース領域と上記ドレイン領域との配列方向に対して交差して配置したので、上記浮遊ゲート領域に注入される電荷量を少なくでき、低消費電力であって、且つ、高密度で大容量の不揮発性メモリを得ることができる。 As is apparent from the above, the semiconductor device of the present invention includes a source region, a drain region, a channel region, a gate region, a floating gate region, and a first insulation between the floating gate region and the gate region. In a semiconductor device having a film and a second insulating film between the channel region and the floating gate region, the floating gate region is formed of nanometer-sized quantum wires, and the source region and the drain region are arranged Since it is arranged so as to intersect with the direction, the amount of charge injected into the floating gate region can be reduced, and a low-power consumption, high-density and large-capacity nonvolatile memory can be obtained.
さらに、上記浮遊ゲート領域を構成するナノメータサイズの量子細線を、上記チャネル領域に対向する面の幅が最大幅よりも狭い断面形状に成せば、上記浮遊ゲート領域(量子細線)内に捕獲された電子が基板側に抜ける確率が減り、電荷保持性を良くすることができる。 Furthermore, if the nanometer-sized quantum wire constituting the floating gate region has a cross-sectional shape in which the width of the surface facing the channel region is narrower than the maximum width, it is trapped in the floating gate region (quantum wire). The probability that electrons escape to the substrate side is reduced, and charge retention can be improved.
また、この発明の半導体素子は、ソース領域と、ドレイン領域と、チャネル領域と、ゲート領域と、ゲート絶縁膜を有する半導体素子において、上記チャネル領域をナノメータサイズの量子細線で構成したので、上記チャネル領域が長手方向に直交する方向に量子化されて1次元伝導を示す。したがって、この発明によれば、超高速動作が可能なトランジスタを得ることができる。 Further, the semiconductor element of the present invention is a semiconductor element having a source region, a drain region, a channel region, a gate region, and a gate insulating film, and the channel region is composed of nanometer-sized quantum wires. The region is quantized in a direction perpendicular to the longitudinal direction to show one-dimensional conduction. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a transistor capable of operating at an ultra high speed.
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
<第1実施の形態>
図1は、本実施の形態の量子細線の製造方法における各工程での基板断面図である。図1において、先ず、図1(a)に示すように、シリコン基板31の表面を酸化して膜厚10nmの第1酸化膜32を形成し、続いてCVD法等によって膜厚100nmの第1窒化膜33を形成する。この場合の第1窒化膜33は、後工程において第3窒化膜36をパターニングするためのフォトレジストパターン37を形成する際の位置合わせ精度に対して、十分な膜厚を有している。
<First embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate at each step in the quantum wire manufacturing method of the present embodiment. In FIG. 1, first, as shown in FIG. 1A, the surface of a
次に、図1(b)に示すように、レジストマスク(図示せず)を介して、異方性エッチングによって第1窒化膜33をパターニングする。 次に、図1(c)に示すように、膜厚10nmの第2窒化膜34をCVD法等によって形成する。続いて、第2窒化膜34の表面を酸化して、膜厚5nmの第2酸化膜35を形成する。次に、図1(d)に示すように、膜厚100nmの第3窒化膜36をCVD法等により形成する。
Next, as shown in FIG. 1B, the
次に、図1(e)に示すように、フォトレジストパターン37を、その端面が第3窒化膜36の段差部分に位置するように形成する。その場合、上述のごとく、従来のLSIの技術によるフォトレジストパターン端面の位置合わせの精度を使って、第3窒化膜36の段差部分にフォトレジストパターン37の端面を位置させることができるように、第1窒化膜33の膜厚を厚く設定している。従って、電子線リソグラフィやAFM(原子間力顕微鏡)等を用いた特殊な露光技術を用いることなく、従来のLSIの露光技術によってレジストパターン37を形成することができるのである。
Next, as shown in FIG. 1 (e), a
次に、図1(f)に示すように、上記レジストパターン37をマスクとして、第3窒化膜36における第1窒化膜33上に位置する部分を異方性エッチングによって除去する。その場合、第3窒化膜36におけるフォトレジストパターン37下の部分はエッチングされずにそのまま残り、フォトレジストパターン37と第1窒化膜33との間にある第3窒化膜36は恰もサイドウォールのような形状となる。また、フォトレジストパターン37の端面が、第3窒化膜36の段差部分(図1(d)参照)近傍に位置しているため、上記サイドウォールのような形状における最もエッチングの深い部分は第3窒化膜36の下にある第2酸化膜35には到達しないのである。
Next, as shown in FIG. 1F, using the resist
次に、図1(g)に示すように、上記レジストパターン37を除去した後、酸化膜のドライエッチングを行う。このドライエッチングによって、第2酸化膜35における第1窒化膜33上の部分及びシリコン基板31に対して垂直方向に延在して第2窒化膜34と第3窒化膜36とに挟まれた部分が除去される。次に、図1(h)に示すように、図1(g)における上記酸化膜のドライエッチングによって垂直方向に延在する第2酸化膜35が除去されて形成された溝Aの下部にある第2窒化膜34と、更にその下にある第1酸化膜32とをエッチングすることによって、Si基板31を露出させる溝38を形成する。つまり、溝38の幅は第2酸化膜35の膜厚(5nm)で設定されるのである。
Next, as shown in FIG. 1G, after removing the resist
次に、図1(i)に示すように、上記第1窒化膜33、垂直方向に延在する第2窒化膜34、第3窒化膜36を、ドライエッチングあるいはウエットエッチングによって除去する。続いて、基板全体を高真空CVD装置と同等の反応室内に設置する。そして、上記反応室内を10-8Torr程度の真空になるまで排気した後に、基板温度を550℃〜600℃程度にして、シラン(SiH4)ガスまたはジシラン(Si2H6)ガスを供給し、そのガス分圧が10-2Torr以下になるように制御することによって、Si基板31が露出している部分にSi細線39をエピタキシャル成長させる。その場合、後に酸化によってSi細線39をSi基板31と分離させる必要があるため、Si細線39を溝38の幅より広めに成長させる。ここで、上記エピタキシャル成長に際しては、原料ガス分圧が10-2Torr以下になるようにしている。したがって、絶縁性薄膜の全面で速やかに膜成長が始まることが防止されて、Si細線39がSi基板31を露出させた溝38のみに選択気相成長される。
Next, as shown in FIG. 1I, the
尚、上記Si細線39のエピタキシャル成長に先立って、Si基板31を露出させた部分のエッチングによるダメージを取り除くために、Si基板31の露出部分表面に犠牲酸化膜を形成し、適当な時間ウエットエッチングを行ってもよい。また、上記反応室内の真空排気は、10-8Torrに限らず10-6Torr以下であれば差し支えない。
Prior to the epitaxial growth of the Si
次に、図1(j)に示すように、上記第1酸化膜32,第2窒化膜34および第2酸化膜35をフッ酸およびリン酸等のウエットエッチングによって除去する。最後に、図1(k)に示すように、酸化を行ってSi細線39の下部およびSi基板31の表面に第3酸化膜40を形成する。こうして、Si細線39とSi基板31とを第3酸化膜40で分離して、量子細線39が形成されるのである。
Next, as shown in FIG. 1J, the
上述のように、本実施の形態においては、通常の成膜技術,フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を駆使して、Si基板31上に第1酸化膜32を介して、第2窒化膜34,第2酸化膜35,第3窒化膜36の積層体と第1窒化膜33とに挟まれて、Si基板31の上面に対して垂直方向に延在する第2酸化膜35を形成する。そして、エッチングによって垂直方向に延在する第2酸化膜35とその下にある第2窒化膜34と更にその下にある第1酸化膜32とを除去して、Si基板31を露出させる溝38を形成する。その後、第1窒化膜33と垂直方向に延在する第2窒化膜34と第3窒化膜36を除去し、第1酸化膜32と第1酸化膜32,第2窒化膜34,第2酸化膜35の積層体との間にあるSi基板31の露出部分にSi細線39をエピタキシャル成長させる。そして、第1酸化膜32,第2窒化膜34および第2酸化膜35を除去し、酸化によって形成された第3酸化膜40によってSi細線39とSi基板31とを分離して、量子細線39を形成するようにしている。
As described above, in the present embodiment, the
したがって、本実施の形態によれば、上記量子細線39の幅は、Si基板31の上面に対して垂直方向に延在してSi基板31を露出させる溝38の幅、つまり第2窒化膜34を酸化して得られる第2酸化膜35の膜厚で決定できる。そして、上記溝38は、一般的な成膜技術,リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて形成できる。したがって、特殊な微細加工技術を用いることなく量子細線39を形成できるのである。すなわち、本実施の形態によれば、製造コストを低減できると共に、高歩留まりで生産性の高い量産性に適した量子細線の製造方法を実現できる。
Therefore, according to the present embodiment, the
また、その際における上記溝38の幅は、第2窒化膜34の表面を酸化して形成する第2酸化膜35の膜厚制御で制御できる。したがって、溝38の幅、すなわち、量子細線39の幅をナノメータ単位で精密に制御でき、完全な電子の閉じ込め領域を有する量子細線39が得られるのである。さらに、Si細線39を溝38内におけるSi基板31の露出部にエピタキシャル成長によって形成するので、結晶性が優れ、大きさ及び密度の均一性や再現性の良好な量子細線39を形成できる。さらに、量子細線39とSi基板31とを第3酸化膜40で分離するので、量子細線39の底面側がSi基板31と接しておらず、完全に電子を閉じ込めることができる。
Further, the width of the
<第2実施の形態>
上記第1実施の形態においては、上記第3窒化膜36をパターニングするためのフォトレジストパターン37の端面を、第3窒化膜36の段差部分に位置させる必要がある。すなわち、図2(a)において、フォトレジストパターン47の端面はフォトレジストパターン端面の位置制御マージンa内に入っている必要がある。そのために、第1実施の形態においては、通常のLSIの技術におけるフォトレジストパターン端面の位置合わせの精度を使って、上記位置制御マージンa内にフォトレジストパターンの端面を位置させることができるように第1窒化膜33の膜厚を十分厚くしている。本実施形態は、上記フォトレジストパターン47の端面の位置制御マージンを、第1実施の形態の場合の約2倍にするものである。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, the end face of the
本実施の形態においては、先ず、第1実施の形態における図1(a)〜図1(e)と同様にして、Si基板41上に、第1酸化膜(10nm)42、第1窒化膜(100nm)パターン43、第2窒化膜(10nm)44,第2酸化膜(5nm)45、第3窒化膜(100nm)46を形成する。さらに、上記フォトレジストパターン47を、その端面が第3窒化膜46の段差部分に位置するように形成する。こうして、図2(a)の状態になる。
In the present embodiment, first, similarly to FIGS. 1A to 1E in the first embodiment, a first oxide film (10 nm) 42 and a first nitride film are formed on the
ここで、上記フォトレジストパターン47の端面が、第2図(a)に示す位置制御マージン「a」よりも右側に形成された場合、第3窒化膜46をパターニングするためにフォトレジストパターン47をマスクとしてドライエッチを行うと、図2(b)に示すように、上記サイドウォールのような形状における最もエッチングの深い部分が第2酸化膜45に到達し、第1窒化膜パターン43外において、第2酸化膜45が露出した第2酸化膜露出部53が形成される。したがって、そのまま第1実施の形態に従つて図1(g)以降の工程を実施すると、第2酸化膜露出部53にもSi基板41が露出する部分が形成されてしまう。
Here, when the end face of the
そこで、本実施の形態においては、図2(c)に示すように、上記フォトレジストパターン47を除去した後、膜厚100nmの第4窒化膜51を形成する。その場合、第2酸化膜露出部53の幅に応じて第4窒化膜51の膜厚を適当に変えることによって、第4窒化膜51形成後の表面の凹凸を小さくすることができる。次に、図2(d)に示すように、第2酸化膜45における第1窒化膜43上の部分が露出するように、第4窒化膜51のエッチバックを行う。そして、酸化膜のドライエッチングを行うことによって、第2図(e)に示すように、第2酸化膜45における第1窒化膜43上の部分及びSi基板41に対して垂直方向に延在して第2窒化膜44と第3窒化膜46とに挟まれた部分が除去される。続いて、上記酸化膜のドライエッチングによって垂直方向に延在する第2酸化膜45が除去されて形成された溝の下部にある第2窒化膜44と更にその下にある第1酸化膜42とをエッチングすることによって、Si基板41を露出させる溝48が形成される。以後の工程を図1(i)〜図1(k)と同様に行うことによって、Si量子細線を形成することができる。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2C, after the
この第2実施の形態によれば、第1窒化膜43の端面とフォトレジストパターン47の端面との間隔が上記位置制御マージンaを越えて、第1窒化膜パターン43外に第2酸化膜露出部53が形成されされた場合には、第4窒化膜51で覆うことができる。したがって、第1実施の形態に比して、フォトレジストパターン47の端面の位置制御マージンaを約2倍にでき、上記位置制御の作業性と正確性とを向上できるのである。
According to the second embodiment, the distance between the end face of the
<第3実施の形態>
上記第2実施の形態においては、図2(e)において、酸化膜エッチ/窒化膜エッチ/酸化膜エッチを行うことによって、Si基板41を露出させる溝48を形成している。ところが、Si基板41を露出させる溝48のアスペクト比は非常に大きくなることが予想され、その場合にはエッチングによって狭い溝48を形成するのは非常に困難になると考えられる。そこで、本実施の形態においては、Si基板を露出させる溝を形成する際のアスペクト比を小さくしてエッチングによる溝形成を容易にするものである。
<Third Embodiment>
In the second embodiment, the
図3は、本実施の形態の量子細線の製造方法における基板断面図である。本実施の形態においては、先ず、第1実施の形態における図1(a)〜図1(e)と同様にして、Si基板61上に、第1酸化膜(10nm)62、第1窒化膜(100nm)パターン63、第2窒化膜(10nm)64、第2酸化膜(5nm)65、第3窒化膜(100nm)66を形成する。さらに、フォトレジストパターンを、その端面が第3窒化膜66の段差部分に位置するように形成する。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the substrate in the quantum wire manufacturing method of the present embodiment. In the present embodiment, first, similarly to FIGS. 1A to 1E in the first embodiment, a first oxide film (10 nm) 62 and a first nitride film are formed on the
次に、第2実施の形態における図2(b)〜図2(d)と同様にして、上記フォトレジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行った後、フォトレジストパターンを除去し、第4窒化膜70を形成した後エッチバックを行って第1窒化膜63上の第2酸化膜65を露出させる。
Next, in the same manner as in FIGS. 2B to 2D in the second embodiment, after performing dry etching using the photoresist pattern as a mask, the photoresist pattern is removed, and the fourth nitride film is removed. After forming 70, etch back is performed to expose the second oxide film 65 on the
こうして、上記第1窒化膜63上の第2酸化膜65が露出されるまで第4窒化膜70がエッチバックされると、図3(a)に示すように、第1窒化膜63上の第2窒化膜64および第2酸化膜65をウエットエッチによって除去する。次に、図3(b)に示すように、第1窒化膜63,第3窒化膜66および第4窒化膜70を60nmエッチバックして、垂直方向に延在する第2酸化膜65を突出させる。そうした後、図3(c)に示すように、酸化膜エッチ/窒化膜エッチ/酸化膜エッチを行って、Si基板61を露出させる溝68を形成するのである。
Thus, when the
この場合、エッチング時のアスペクト比は小さいので、上記エッチングが容易になる。そして、以後の工程を図1(i)〜図1(k)と同様に行うことにより、Si量子細線を形成することができるのである。 In this case, since the aspect ratio at the time of etching is small, the etching becomes easy. Then, Si quantum wires can be formed by performing the subsequent steps in the same manner as in FIGS. 1 (i) to 1 (k).
<第4実施の形態>
図4は、本実施の形態の量子細線の製造方法における各工程における基板断面図である。図4において、先ず、図4(a)に示すように、シリコン基板71の表面を酸化して膜厚10nmの第1酸化膜72を形成し、続いてCVD法等によって膜厚100nmの第1窒化膜73を形成する。この場合の第1窒化膜73は、後工程において第2窒化膜75をパターニングするためのフォトレジストパターン76を形成する際の位置合わせ精度に対して、十分な膜厚を有している。
<Fourth embodiment>
FIG. 4 is a cross-sectional view of the substrate in each step in the quantum wire manufacturing method of the present embodiment. In FIG. 4, first, as shown in FIG. 4A, the surface of the
次に、図4(b)に示すように、レジストマスク(図示せず)を介して、異方性エッチングによって第1窒化膜73をパターニングする。 次に、図4(c)に示すように、膜厚10nmの第2酸化膜74をCVD法等によって形成する。次に、図4(d)に示すように、膜厚100nmの上記第2窒化膜75をCVD法等により形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、図4(e)に示すように、フォトレジストパターン76を、その端面が第2窒化膜75の段差部分に位置するように形成する。その場合、上述のごとく、従来のLSIの技術によるフォトレジストパターン端面の位置合わせの精度を使って、第2窒化膜75の段差部分にフォトレジストパターン76の端面を位置させることができるように、第1窒化膜73の膜厚を厚く設定している。従って、電子線リソグラフィやAFM等を用いた特殊な露光技術を用いることなく、従来のLSIの露光技術によってフォトレジストパターン76を形成することができるのである。
Next, as shown in FIG. 4E, a
次に、図4(f)に示すように、上記フォトレジストパターン76をマスクとして、第2窒化膜75における第1窒化膜73上に位置する部分を異方性エッチングによって除去する。その場合、第2窒化膜75におけるフォトレジストパターン76下の部分はエッチングされずにそのまま残り、フォトレジストパターン76と第1窒化膜73との間にある第2窒化膜75は恰もサイドウォールのような形状となる。また、フォトレジストパターン76の端面が、第2窒化膜75の段差部分(図4(d)参照)近傍に位置しているため、上記サイドウォールのような形状における最もエッチングの深い部分は第1窒化膜73の下にある第2酸化膜74には到達しないのである。
Next, as shown in FIG. 4F, the portion of the
次に、図4(g)に示すように、上記フォトレジストパターン76を除去した後に、酸化膜のドライエッチングを行う。このドライエッチングによって、第2酸化膜74における第1窒化膜73上の部分及びシリコン基板71に対して垂直方向に延在して第1窒化膜73と第2窒化膜75とに挟まれた部分と、その下部にある第1酸化膜72とが除去される。こうして、図4(h)に示すように、Si基板71を露出させる溝77が形成される。つまり、溝77の幅は第2酸化膜74の膜厚(10nm)で設定されるのである。
Next, as shown in FIG. 4G, after the
次に、図4(h)に示すように、上記第1窒化膜73および第2窒化膜75を、ドライエッチングあるいはウエットエッチングによって除去する。続いて、基板全体を高真空CVD装置と同等の反応室内に設置する。そして、上記反応室内を10-8Torr程度の真空になるまで排気した後に、基板温度を550℃〜600℃程度にして、シラン(SiH4)ガスまたはジシラン(Si2H6)ガスを供給し、そのガス分圧が10-2Torr以下になるように制御することによって、Si基板71が露出している部分に、図4(i)に示すようにSi細線78をエピタキシャル成長させる。その場合、後に酸化によってSi細線78をSi基板71と分離させる必要があるため、Si細線78を溝77の幅より広めに成長させる。尚、Si細線78のエピタキシャル成長に先立って、Si基板71を露出させた部分のエッチングによるダメージを取り除くために、Si基板71の露出部分表面に犠牲酸化膜を形成して適当な時間ウエットエッチングを行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 4H, the
次に、図4(j)に示すように、上記第1酸化膜72及び第2酸化膜74をフッ酸等のウエットエッチングによって除去する。最後に、図4(k)に示すように、酸化を行ってSi細線78の下部およびSi基板71の表面に第3酸化膜79を形成し、Si細線78とSi基板71とを第3酸化膜79によって分離する。こうして、Si細線78が形成される。
Next, as shown in FIG. 4J, the
本実施の形態によれば、上記量子細線78の幅の制御に関わる第2酸化膜74をCVDにより形成するため、上記第1実施の形態における第2窒化膜34の表面を酸化して第2酸化膜35を形成する場合の膜厚制御に比べて膜厚の精度が劣る。しかしながら、窒化膜を形成する回数が1回減ることによって、工程が簡略化される利点がある。
According to the present embodiment, in order to form the
<第5実施の形態>
図5は、本実施の形態の量子細線の製造方法における基板断面図である。本実施の形態は、上記第2実施の形態と同様に、上記第4実施の形態における第2窒化膜75をパターニングする際におけるフォトレジストパターン76の端面の位置制御マージンを約2倍にするものである。
<Fifth embodiment>
FIG. 5 is a cross-sectional view of the substrate in the quantum wire manufacturing method of the present embodiment. In the present embodiment, as in the second embodiment, the position control margin of the end face of the
本実施の形態においては、先ず、第4実施の形態における図4(a)〜図4(e)と同様にして、Si基板81上に、第1酸化膜(10nm)82、第1窒化膜(100nm)パターン83、第2酸化膜(10nm)84、および、第2窒化膜(100nm)85を形成する。さらに、フォトレジストパターン86を、その端面が第2窒化膜85の段差部分に位置するように形成する。こうして、図5(a)の状態になる。
In the present embodiment, first, similarly to FIGS. 4A to 4E in the fourth embodiment, a first oxide film (10 nm) 82 and a first nitride film are formed on the
ここで、上記フォトレジストパターン86の端面が、第5図(a)に示す位置制御マージン「b」よりも右側に形成された場合、第2窒化膜85をパターニングするためにフォトレジストパターン86をマスクとしてドライエッチを行うと、図5(b)に示すように、上記サイドウォールのような形状における最もエッチングの深い部分が第2酸化膜84に到達し、第1窒化膜パターン83外において、第2酸化膜84が露出した第2酸化膜露出部90が形成される。したがって、そのまま第4実施の形態に従つて図4(g)以降の工程を実施すると、第2酸化膜露出部90にもSi基板81が露出する部分が形成されてしまう。
Here, when the end face of the
そこで、本実施の形態においては、図5(c)に示すように、上記フォトレジストパターン86を除去した後、膜厚100nmの第3窒化膜91を形成する。その場合、第2酸化膜露出部90の幅に応じて、第3窒化膜91の膜厚を適当に変えることによって、第3窒化膜91形成後における表面の凹凸を小さくすることができる。次に、図5(d)に示すように、第2酸化膜84における第1窒化膜83上の部分が露出するように、第3窒化膜91のエッチバックを行う。そして、酸化膜のドライエッチングを行うことによって、第5図(e)に示すように、第2酸化膜84における第1窒化膜83上の部分およびSi基板81表面に垂直に遅延して第1窒化膜83と第2窒化膜85とに挟まれた部分と、その下部にある第1酸化膜82とが除去される。こうして、Si基板81を露出させる溝27が形成される。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 5C, after removing the
以後の工程を図4(h)〜図4(k)と同様に行うことによって、Si量子細線を形成することができる。この第5実施の形態によれば、第4実施の形態に比して、フォトレジストパターン86の端面の位置制御マージンbを約2倍にでき、上記位置制御の作業性と正確性とを向上できるのである。
Si quantum wires can be formed by performing the subsequent steps in the same manner as in FIGS. 4 (h) to 4 (k). According to the fifth embodiment, the position control margin b of the end face of the
<第6実施の形態>
上記第5実施の形態においては、図5(e)において、酸化膜エッチを行うことによって、Si基板81を露出させる溝87を形成している。ところが、Si基板81を露出させる溝87のアスペクト比は非常に大きくなることが予想され、その場合にはエッチングによって狭い溝87を形成するのは非常に困難になると考えられる。そこで、本実施の形態においては、Si基板を露出させる溝を形成する際のアスペクト比を小さくしてエッチングによる溝形成を容易にするものである。
<Sixth embodiment>
In the fifth embodiment, the
図6は本実施の形態の量子細線の製造方法における基板断面図である。本実施の形態においては、先ず、第4実施の形態における図4(a)〜図4(e)と同様にして、酸化されたSi基板101上に、第1酸化膜102、第1窒化膜パターン103、第2酸化膜104、第2窒化膜105を形成する。さらに、フォトレジストパターンを、その端面が第2窒化膜105の段差部分に位置するように形成する。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a substrate in the quantum wire manufacturing method of the present embodiment. In the present embodiment, first, as in FIGS. 4A to 4E in the fourth embodiment, a
次に、上記第5実施の形態における図5(b)〜図5(d)と同様にして、上記フォトレジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行って第2酸化膜露出部を形成し、第3窒化膜111を形成し、エッチバックを行って第1窒化膜103上の第2酸化膜104を露出させる。
Next, in the same manner as in FIGS. 5B to 5D in the fifth embodiment, dry etching is performed using the photoresist pattern as a mask to form a second oxide film exposed portion. A
こうして、上記第1窒化膜103上の第2酸化膜104が露出されると、図6(a)に示すように、第1窒化膜103上の第2窒化膜104をウエットエッチによって除去する。次に、図6(b)に示すように、第1窒化膜103,第2窒化膜105および第3窒化膜111を60nmエッチバックして、垂直方向に延在する第2酸化膜104を突出させる。そうした後、図6(c)に示すように、酸化膜エッチを行って、Si基板101を露出させる溝107を形成するのである。
Thus, when the
そして、以後の工程を図4(h)〜図4(k)と同様に行うことにより、Si量子細線を形成することができる。本実施の形態によれば、エッチング時のアスペクト比は小さいので上記エッチングが容易になる。したがって、幅の狭い溝107を容易に形成でき、延いてはより細い量子細線を形成できるのである。
Then, the Si quantum wires can be formed by performing the subsequent steps in the same manner as in FIGS. 4 (h) to 4 (k). According to this embodiment, since the aspect ratio at the time of etching is small, the etching becomes easy. Therefore, the
<第7実施の形態>
本実施の形態は、上記第1実施の形態において、第1窒化膜33上の第3窒化膜36をパターニングする際に使用されるフォトレジストパターン37の形成を削除した量子細線の製造方法に関する。
<Seventh embodiment>
The present embodiment relates to a method for manufacturing a quantum wire in which the formation of the
図7は、本実施の形態における各工程での基板断面図である。図7において、先ず、図7(a)に示すように、シリコン基板121の表面を酸化して膜厚10nmの第1酸化膜122を形成し、続いてCVD法等によって膜厚50nmの第1窒化膜123を形成する。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the substrate at each step in the present embodiment. In FIG. 7, first, as shown in FIG. 7A, the surface of the
次に、図7(b)に示すように、レジストマスク(図示せず)を介して、異方性エッチングによって第1窒化膜123をパターニングする。 次に、図7(c)に示すように、膜厚10nmの第2窒化膜124をCVD法等によって形成する。次に、第2窒化膜124の表面を酸化して膜厚5nmの第2酸化膜125を形成する。この第2酸化膜125の膜厚5nmが後に形成される溝の幅となる。次に、図7(d)に示すように、第3窒化膜126をCVD法等により形成する。その場合、第3窒化膜126の膜厚を、第1窒化膜123のパターニングによって生じた段差が解消されるような膜厚にする。例えば、第1窒化膜123の隣接するパターンの間隔が0.2μmとすると、第3窒化膜126の膜厚はその3/4倍以上、すなわち0.15μm以上とするのである。
Next, as shown in FIG. 7B, the
次に、図7(e)に示すように、上記第3窒化膜126をエッチバックして、第1窒化膜123上の第2酸化膜125を露出させる。次に、図7(f)に示すように、酸化膜のエッチングを行う。このエッチングによって、第2酸化膜125における第1窒化膜123上の部分及びシリコン基板121に対して垂直方向に延在して第2窒化膜124と第3窒化膜126とに挟まれた部分が除去される。次に、図7(g)に示すように、図1(f)における上記酸化膜のエッチングによって垂直方向に延在する第2酸化膜125が除去されて形成された溝Bの下部にある第2窒化膜124と更にその下にある第1酸化膜122とをエッチングすることによって、Si基板121を露出させる溝128を形成する。
Next, as shown in FIG. 7E, the
次に、図1(h)に示すように、上記第1窒化膜123、垂直方向に延在する第2窒化膜124、第3窒化膜126を、ドライエッチングあるいはウエットエッチングによって除去する。続いて、基板全体を高真空CVD装置と同等の反応室内に設置する。そして、上記反応室内を10-8Torr程度の真空になるまで排気した後に、基板温度を550℃〜600℃程度にして、シラン(SiH4)ガスまたはジシラン(Si2H6)ガスを供給し、そのガス分圧が10-2Torr以下になるように制御することによって、Si基板121が露出している部分にSi細線129をエピタキシャル成長させる。その場合、後に酸化によってSi細線129をSi基板121と分離させる必要があるため、Si細線129を溝128の幅より広めに成長させる。尚、Si細線129のエピタキシャル成長に先立って、Si基板121を露出させた部分のエッチングによるダメージを取り除くために、Si基板121の露出部分表面に犠牲酸化膜を形成し、適当な時間ウエットエッチングを行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 1H, the
次に、図7(i)に示すように、上記第1酸化膜122,第2窒化膜124および第2酸化膜125をフッ酸およびリン酸等のウエットエッチングによって除去する。最後に、図7(j)に示すように、酸化を行ってSi細線129の下部及びSi基板121の表面に第3酸化膜130を形成し、量子細線129とSi基板121とを第3酸化膜130によって分離する。こうして、Si量子細線129が形成される。
Next, as shown in FIG. 7I, the
本実施の形態によれば、第1実施の形態に比して、第3窒化膜126をパターニングするたのフォトレジストパターン(第1実施の形態におけるフォトレジストパターン37に相当)を形成する工程を必要としない。したがって、第1実施の形態に比して、工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。
According to the present embodiment, the step of forming a photoresist pattern (corresponding to the
<第8実施の形態>
図8は、本実施の形態の量子細線の製造方法における各工程における基板断面図である。図8において、先ず、図8(a)に示すように、シリコン基板131の表面を酸化して膜厚10nmの第1酸化膜132を形成し、続いてCVD法等によって膜厚50nmの第1窒化膜133を形成する。
<Eighth embodiment>
FIG. 8 is a cross-sectional view of the substrate at each step in the method of manufacturing a quantum wire according to the present embodiment. In FIG. 8, first, as shown in FIG. 8A, the surface of the
次に、図8(b)に示すように、レジストマスク(図示せず)を介して、異方性エッチングによって第1窒化膜133をパターニングする。 次に、図8(c)に示すように、膜厚10nmの第2酸化膜134をCVD法等によって形成する。次に、図8(d)に示すように、第2窒化膜135をCVD法等により形成する。その場合、第2窒化膜135の膜厚を、第1窒化膜133のパターニングによって生じた段差が解消されるような膜厚にする。例えば、第1窒化膜133の隣接するパターンの間隔が0.2μmの場合には、第2窒化膜135の膜厚をその3/4倍以上、すなわち0.15μm以上にするのである。
Next, as shown in FIG. 8B, the
次に、図8(e)に示すように、上記第2窒化膜135をエッチバックして、第1窒化膜133上の第2酸化膜134を露出させる。次に、図8(f)に示すように、酸化膜のエッチングを行う。このエッチングによって、第2酸化膜134における第1窒化膜133上の部分およびSi基板131に対して垂直方向に延在して第1窒化膜133と第2窒化膜135とに挟まれた部分と、その下部にある第1酸化膜132とが除去される。こうして、Si基板131を露出させる溝137を形成する。
Next, as shown in FIG. 8E, the
次に、図8(g)に示すように、上記第1窒化膜133および第2窒化膜135を、ドライエッチングあるいはウエットエッチングによって除去する。続いて、基板全体を高真空CVD装置と同等の反応室内に設置する。そして、上記反応室内を10-8Torr程度の真空になるまで排気した後、基板温度を550℃〜600℃程度にして、シラン(SiH4)ガスまたはジシラン(Si2H6)ガスを供給し、そのガス分圧が10-2Torr以下になるように制御することによって、図8(h)に示すように、Si基板131が露出している部分にSi細線138をエピタキシャル成長させる。尚、Si細線138のエピタキシャル成長に先立って、Si基板131を露出させた部分のエッチングによるダメージを取り除くために、Si基板131の露出部分表面に犠牲酸化膜を形成して適当な時間ウエットエッチングを行ってもよい。
Next, as shown in FIG. 8G, the
次に、図8(i)に示すように、上記第1酸化膜132および第2酸化膜134をフッ酸等のウエットエッチングによって除去する。最後に、図8(j)に示すように、酸化を行ってSi細線138の下部およびSi基板131の表面に第3酸化膜139を形成し、量子細線138とSi基板131とを第3酸化膜139によって分離する。こうして、Si量子細線138が形成される。
Next, as shown in FIG. 8I, the
本実施の形態によれば、上記量子細線138の幅の制御に関わる第2酸化膜134をCVDにより形成するため、上記第7実施の形態における第2窒化膜124の表面を酸化して第2酸化膜125を形成する場合の膜厚制御に比べて膜厚の精度が劣る。しかしながら、窒化膜を形成する回数が1回減ることによって、工程が簡略化される利点がある。さらに、第4実施の形態の場合に比して、第2窒化膜135をパターニングするたのフォトレジストパターン(第4実施の形態におけるフォトレジストパターン76に相当)を形成する工程を必要としない。したがって、第4実施の形態に比して、工程を簡略化してコストダウンを図ることができる。
According to the present embodiment, in order to form the
<第9実施の形態>
本実施の形態は、上記第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかによって形成された量子細線を用いた半導体素子に関する。図9(a)は、上記半導体素子としての不揮発性メモリ(フラッシュEEPROM(電気的消去書き込み可能ランダム・アクセス・メモリ)等)の平面図である。また、図9(b)は、図9(a)におけるC−C矢視断面図である。
<Ninth Embodiment>
The present embodiment relates to a semiconductor element using a quantum wire formed by any of the first to eighth embodiments. FIG. 9A is a plan view of a nonvolatile memory (such as a flash EEPROM (electrically erasable / writable random access memory)) as the semiconductor element. Moreover, FIG.9 (b) is CC sectional view taken on the line in Fig.9 (a).
図9(a)および図9(b)に示すように、本不揮発性メモリは、シリコン基板141に素子分離領域142で囲まれた長方形状の領域143を形成する。そして、領域143の略中央に、領域143の長手方向に対して略直角方向に、上記第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかによって、ナノメータサイズの量子細線145を形成する。そして、シリコン基板141上に形成された上記第3酸化膜をトンネル酸化膜144とする一方、量子細線145を浮遊ゲート領域とする。その後、トンネル酸化膜144上および量子細線145上に膜厚10nmのコントロールゲート絶縁膜146をCVD法によって形成する。次に、上記コントロールゲート絶縁膜146上にゲート電極147を形成した後、ゲート電極147をマスクとして不純物をイオン注入してソース領域148およびドレイン領域149を形成する。また、ソース領域148とドレイン領域149との間にチャネル領域150が形成される。こうして、チャネル領域150とゲート電極147との間の浮遊ゲート領域を量子細線145で構成した不揮発性メモリを構成するのである。
As shown in FIGS. 9A and 9B, in the nonvolatile memory, a
図9(c)は、図9(a)におけるD−D矢視断面図である。本実施の形態においては、図9(a)に示すソース領域148およびドレイン領域149に対して略直角に交差するように、量子細線145を配置している。したがって、量子細線145を上記浮遊ゲート領域として用いることによって、浮遊ゲート領域の蓄積電荷を減らすことができる。したがって、消費電力が極めて少ない、超高密度で大容量の不揮発性メモリを実現することができるのである。
FIG. 9 (c) is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 9 (a). In the present embodiment, the
すなわち、本実施の形態によれば、一般的な成膜技術,リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてシリコンで量子細線145を形成できるため、低コストで歩留まりが良く、且つ、生産性の高い、量産に適した不揮発性メモリを実現することができるのである。尚、上記量子細線145は、シリコンに限らず、他の半導体材料や金属材料であっても差し支えない。
That is, according to the present embodiment, since the
<第10実施の形態>
図10(a)は、上記半導体素子としてのMOSFETの平面図である。また、図10(b)は図10(a)におけるE−E矢視断面図であり、図10(c)は図10(a)におけるF−F矢視断面図である。
<Tenth embodiment>
FIG. 10A is a plan view of a MOSFET as the semiconductor element. 10 (b) is a cross-sectional view taken along the line EE in FIG. 10 (a), and FIG. 10 (c) is a cross-sectional view taken along the line FF in FIG. 10 (a).
図10(a)乃至図10(c)に示すように、本実施の形態におけるMOSFETにおいては、シリコン基板151上に、第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかによって絶縁層(上記第3酸化膜)152と量子細線153とを形成する。その後、絶縁層152および量子細線153上に膜厚30nmのゲート絶縁膜154をCVD法によって形成する。そして、ゲート絶縁膜154上にゲート電極155を形成した後、そのゲート電極155をマスクとして不純物イオンを注入して、量子細線153中にソース領域156およびドレイン領域157を形成する。その場合、量子細線153におけるソース領域156とドレイン領域157との間がチャネル領域158となる。
As shown in FIGS. 10A to 10C, in the MOSFET according to the present embodiment, an insulating layer (described above) is formed on the
上記構成において、上記量子細線153の幅を、一般的な成膜技術,リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、10nm以下に形成することが可能である。したがって、チャネル領域158を量子細線153の幅方向に量子化させて1次元伝導を示すようにできる。すなわち、本実施の形態によれば、低コストで歩留まりが良く、生産性の高い量産に適した超高速のMOSFETを得ることができるのである。
In the above structure, the width of the
<第11実施の形態>
図11は、上記半導体素子としての発光素子の断面を示す。図11に示す発光素子においては、シリコン基板161上に、上記第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかを用いて、絶縁層(上記第3酸化膜)162と直径10nm以下の複数の量子細線163とを形成する。そして、絶縁層162上および量子細線163上に膜厚30nmのゲート絶縁膜164をCVD法によって形成し、さらにゲート絶縁膜164上にITO(インジュウム錫酸化物)等で透明なゲート電極165を形成する。
<Eleventh embodiment>
FIG. 11 shows a cross section of a light-emitting element as the semiconductor element. In the light-emitting element shown in FIG. 11, an insulating layer (the third oxide film) 162 and a plurality of pieces having a diameter of 10 nm or less are formed on a
上記構成において、上記量子細線163の直径は10nm以下であるから、量子閉込め効果によって直接遷移型のバンド構造をとる。そして、ゲート電極165とシリコン基板161との間に電圧を印加することによって絶縁膜162とゲート絶縁膜164との間にトンネル電流が流れ、そのトンネル電流によって量子細線163に電子が注入されて、量子細線163に電子の遷移が生じて発光する。すなわち、本実施の形態によれば、小さい注入電流でもシャープなスペクトルを有する高効率で高周波特性に優れた発光素子が得られるのである。
In the above configuration, since the
その場合、上記量子細線163は、一般的な成膜技術,リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてシリコンで形成される。したがって、低コストで歩留まりが良くかつ生産性の高い量産に適した発光素子を実現することができる。
In that case, the
<第12実施の形態>
図12(a)は、上記半導体素子としての発光素子の断面を示す。図12(a)に示す発光素子においては、シリコン基板171上に、上記第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかによって、絶縁層(上記第3酸化膜)172と直径数十nm以下の複数の量子細線173とを形成する。そして、絶縁層172上および量子細線173上に膜厚30nmの絶縁膜174をCVD法により形成する。さらに、フォトレジストマスク(図示せず)を用いて、量子細線173の一部にN型の不純物をイオン注入してN型不純物領域175を形成する。同様に、同じ量子細線173におけるN型不純物領域175以外の領域にP型の不純物イオンを注入して、P型不純物領域176を形成する。
<Twelfth embodiment>
FIG. 12A shows a cross section of a light emitting element as the semiconductor element. In the light emitting device shown in FIG. 12A, an insulating layer (the third oxide film) 172 and a diameter of several tens of nanometers are formed on a
上記構成において、上記量子細線173の直径は数十nm以下であるから量子閉込め効果によって直接遷移型のバンド構造となっており、N型不純物領域175とP型不純物領域176との境界領域にはPN接合が形成される。したがって、図12(b)に示すようなPN接合のバンド構造が形成され、N型不純物領域175とP型不純物領域176との間に電圧を印加することによって、PN接合部分で矢印(G)で示すように電子180と正孔181の再結合が生じて光177が放射されることなる。尚、図12(b)中、178は導電帯であり、179は価電子帯である。
In the above configuration, since the
その場合、上記量子細線173は、一般的な成膜技術,リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてシリコンで形成される。したがって、低コストで歩留まりが良くかつ生産性の高い量産に適した発光素子を実現することができる。
In that case, the
<第13実施の形態>
図13は、上記半導体素子としての発光素子の作成手順を示す平面図である。図13において、先ず、図13(a)に示すように、Si基板191上に、上記第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかに記載された工程によって、図4(h)に示す如く酸化膜および窒化膜の積層体と酸化膜とで挟まれてSi基板191を露出させる溝192を形成する。その場合、Si基板191の表面における溝192以外の部分は絶縁層で覆われている。そして、溝192の一部を含むSi基板191上を第1窒化膜193で覆う。
<13th Embodiment>
FIG. 13 is a plan view showing a procedure for producing a light emitting element as the semiconductor element. In FIG. 13, first, as shown in FIG. 13 (a), the
次に、図13(b)に示すように、上記第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかに記載された量子細線成長工程によって、第1窒化膜193で覆われていない溝192の部分に、Si細線194を成長させる。次に、図13(c)に示すように、第1窒化膜193を除去して第1窒化膜193によって覆われていた溝192の部分を露出させる一方、Si細線194部分を覆うように第2窒化膜195を形成する。
Next, as shown in FIG. 13B, a
次に、図13(d)に示すように、上記第1実施の形態乃至第8実施の形態の何れかに記載された量子細線成長工程によって、原料ガスにモノシラン(SiH4)及びモノゲルマン(GeH4)を用いて、第2窒化膜195で覆われていない溝192の部分にSiGe細線196を成長させる。次に、図13(e)に示すように、第2窒化膜195を除去した後、SiGe細線196と、SiGe細線196の図中左側に在るSi細線194aと、SiGe細線196の図中右側に在るSi細線194bの夫々に、適当なイオンが注入される。こうして本発光素子が得られる。
Next, as shown in FIG. 13 (d), monosilane (SiH 4 ) and monogermane (raw material gas) are formed by the quantum wire growth process described in any of the first to eighth embodiments. Using GeH 4 ), a SiGe
図14に、上記構成の発光素子のバンド構造を示す。上記SiGeはSiに比べてバンドギヤップが小さいためにダブルヘテロ構造をとり、電子203と正孔204がSiGe細線196に集中する。したがって、矢印(H)で示す電子203と正孔204の再結合が効率よく行われて、光205が放射されることなる。尚、図14中、201は導電帯であり、202は価電子帯である。
FIG. 14 shows a band structure of the light-emitting element having the above structure. Since SiGe has a smaller band gap than Si, it has a double heterostructure, and
その場合、上記Si細線194およびSiGe細線196は、一般的な成膜技術,リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてSIあるいはSiGeで形成される。したがって、低コストで歩留まりが良くかつ生産性の高い量産に適した高効率の発光素子を実現することができる。
In that case, the Si
尚、上記第1実施の形態乃至第13実施の形態においては、半導体基板としてSi基板を用いたが、これに限らずSi以外の半導体基板でもよい。また、上記量子細線をシリコンで形成する場合に原料ガスとしてジシラン(Si2H6)を用いたが、モノシラン(SiH4),トリシラン(Si3H8),ジクロルシラン(SiH2Cl2)およびテトラクロロシラン(SiCl4)のうち何れか一つを用いてもよい。また、上記量子細線をゲルマニウムで形成する場合には、原料ガスとして、モノゲルマン(GeH4),ジゲルマン(Ge2H6)あるいは四フツ化ゲルマニウム(GeF4)のうち何れか一つを用いればよい。また、上記量子細線をシリコンゲルマニウムで形成する場合には、上記原料ガスとして、モノシラン(SiH4),ジシラン(Si2H6),トリシラン(Si3H8),ジクロルシラン(SiH2Cl2)あるいはテトラクロロシラン(SiCl4)のうちの何れか一つと、モノゲルマン(GeH4),ジゲルマン(Ge2H6)あるいは四フツ化ゲルマニウム(GeF4)のうち何れか一つとの混合ガスを用いればよい。また、上記量子細線をアルミニウムで形成する場合には、原料として、DMAH((CH3)2AlH)等の有機アルミニウムを用いればよい。 In the first to thirteenth embodiments, the Si substrate is used as the semiconductor substrate. However, the present invention is not limited to this, and a semiconductor substrate other than Si may be used. In addition, although disilane (Si 2 H 6 ) is used as a source gas when the quantum wires are formed of silicon, monosilane (SiH 4 ), trisilane (Si 3 H 8 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and tetra Any one of chlorosilane (SiCl 4 ) may be used. When the quantum wires are formed of germanium, any one of monogermane (GeH 4 ), digermane (Ge 2 H 6 ), or germanium tetrafluoride (GeF 4 ) may be used as a source gas. Good. When the quantum wires are formed of silicon germanium, the raw material gas is monosilane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), trisilane (Si 3 H 8 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) or A mixed gas of any one of tetrachlorosilane (SiCl 4 ) and any one of monogermane (GeH 4 ), digermane (Ge 2 H 6 ), or germanium tetrafluoride (GeF 4 ) may be used. . When the quantum wires are formed of aluminum, organic aluminum such as DMAH ((CH 3 ) 2 AlH) may be used as a raw material.
さらに、上記量子細線の材料は、上記半導体としてのシリコン,ゲルマニウムあるいはシリコンゲルマニウム、および、金属としてのアルミニウムに限定するものではない。また、この発明は、特殊な微細加工装置を用いることなく導電性の材料の超微細な細線を形成できることから、高密度のLSIの配線に適用することもできる。また、この発明によって製造される量子効果デバイスや単電子バイスの基本となる量子細線を有する半導体素子はSi系LSIと同一の基板上に搭載でき、この半導体素子を発光素子や光電変換素子に応用することによって、電子回路と光通信回路とを融合することができる。 Further, the material of the quantum wire is not limited to silicon, germanium or silicon germanium as the semiconductor and aluminum as the metal. In addition, the present invention can be applied to high-density LSI wiring because it can form ultrafine fine wires made of a conductive material without using a special fine processing apparatus. In addition, the quantum effect device manufactured by the present invention and the semiconductor element having the quantum wire that is the basis of the single electron device can be mounted on the same substrate as the Si LSI, and this semiconductor element can be applied to a light emitting element or a photoelectric conversion element. By doing so, the electronic circuit and the optical communication circuit can be fused.
31,41,61,71,81,101,121,131,141,151,161,171,191…シリコン基板、
32,42,62,72,82,102,122,132…第1酸化膜、
33,43,63,73,83,103,123,133,193…第1窒化膜、
34,44,64,75,85,105,124,135,195…第2窒化膜、
35,45,65,74,84,104,125,134…第2酸化膜、
36,46,66,91,111,126…第3窒化膜、
37,47,76,86…フォトレジストパターン、
38,48,68,77,87,107,128,137,192…溝、
39,78,129,138,194…Si細線、
40,79,130,139…第3酸化膜、
51,70…第4窒化膜、
53,90…第2酸化膜露出部、
142…素子分離領域、
144…トンネル酸化膜、
145,153,163,173…量子細線、
146…コントロールゲート絶縁膜、
147,155,165…ゲート電極、
148,156…ソース領域、
149,157…ドレイン領域、
150,158…チャネル領域、
152,162,172,174…絶縁層、
154,164…ゲート絶縁膜、
175…N型不純物領域、
176…P型不純物領域、
196…SiGe細線。
31, 41, 61, 71, 81, 101, 121, 131, 141, 151, 161, 171, 191 ... silicon substrate,
32, 42, 62, 72, 82, 102, 122, 132 ... the first oxide film,
33,43,63,73,83,103,123,133,193 ... first nitride film,
34, 44, 64, 75, 85, 105, 124, 135, 195 ... second nitride film,
35, 45, 65, 74, 84, 104, 125, 134 ... second oxide film,
36, 46, 66, 91, 111, 126 ... third nitride film,
37, 47, 76, 86 ... Photoresist pattern,
38,48,68,77,87,107,128,137,192 ... groove,
39,78,129,138,194 ... Si thin wire,
40, 79, 130, 139 ... third oxide film,
51, 70 ... the fourth nitride film,
53, 90 ... second oxide film exposed portion,
142 ... element isolation region,
144: Tunnel oxide film,
145, 153, 163, 173 ... quantum wires,
146: Control gate insulating film,
147, 155, 165 ... gate electrodes,
148,156 ... source region,
149,157 ... drain region,
150, 158 ... channel region,
152,162,172,174 ... insulating layer,
154, 164 ... gate insulating film,
175... N-type impurity region,
176 ... P-type impurity region,
196 ... SiGe fine wire.
Claims (6)
上記浮遊ゲート領域は、ナノメータサイズの量子細線で構成されると共に、上記ソース領域と上記ドレイン領域との配列方向に対して交差する方向に延在して、上記チャネル領域と平行に配置されていることを特徴とする半導体素子。 A source region, a drain region, a channel region between the source region and the drain region, a gate region for controlling a channel current flowing in the channel region, and a floating gate positioned between the gate region and the channel region In a semiconductor device having a region, a first insulating film between the floating gate region and the gate region, and a second insulating film between the channel region and the floating gate region,
The floating gate region is composed of nanometer-sized quantum wires, extends in a direction intersecting with the arrangement direction of the source region and the drain region, and is arranged in parallel with the channel region. The semiconductor element characterized by the above-mentioned.
上記浮遊ゲート領域の断面形状は、上記第1絶縁膜を介して上記チャネル領域に対向する面の上記第1絶縁膜の延在方向に測った幅が、上記第1絶縁膜の延在方向に測った最大幅よりも狭い形状であることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 1,
The cross-sectional shape of the floating gate region is such that the width measured in the extending direction of the first insulating film on the surface facing the channel region through the first insulating film is in the extending direction of the first insulating film. A semiconductor element characterized by a shape narrower than the measured maximum width.
少なくとも上記ソース領域,ドレイン領域,チャネル領域および浮遊ゲート領域は、シリコンで形成されていることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 1,
At least the source region, the drain region, the channel region, and the floating gate region are formed of silicon.
上記チャネル領域は、ナノメータサイズの量子細線で構成されていることを特徴とする半導体素子。 A source region, a drain region, a channel region between the source region and the drain region, a gate region for controlling a channel current flowing in the channel region, and a gate insulating film between the channel region and the gate region. In a semiconductor device having
The channel region is composed of nanometer-sized quantum wires.
上記ソース領域およびドレイン領域は、上記チャネル領域を構成している量子細線における上記チャネル領域の両側に形成されていることを特徴とする半導体素子。 The semiconductor device according to claim 4,
The semiconductor element, wherein the source region and the drain region are formed on both sides of the channel region in a quantum wire constituting the channel region.
少なくとも上記ソース領域,ドレイン領域およびチャネル領域は、シリコンで形成されていることを特徴とする半導体素子。
The semiconductor device according to claim 4,
A semiconductor element, wherein at least the source region, the drain region, and the channel region are formed of silicon.
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WO2011075997A1 (en) * | 2009-12-24 | 2011-06-30 | 中国科学院微电子研究所 | A manufaturing method of body silicon enclosed gate mosfet |
-
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- 2005-10-27 JP JP2005312698A patent/JP2006108695A/en active Pending
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WO2011075997A1 (en) * | 2009-12-24 | 2011-06-30 | 中国科学院微电子研究所 | A manufaturing method of body silicon enclosed gate mosfet |
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