JP2539465B2 - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置に係り、特に量子効果を利用し
た微細MIS型電界効果トランジスタに関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a fine MIS type field effect transistor utilizing a quantum effect.
従来のMIS型電界効果トランジスタは、半導体基板上
に設けられたソース・ドレイン領域を単連結の形状のゲ
ート電極によって形成された半導体表面反転層によって
つなぎ、その伝導率をゲート電極に与えた電位で制御す
るものであった。これらのトランジスタにおいては電子
の量子論的な干渉効果は考慮されていない。MIS型電界
効果トランジスタの例は多数あるが、ゲート電極を分割
した例として、特開昭61−279176号公報がある。しか
し、量子論的な干渉効果についての記載はない。なお、
特開昭61−18182号には、入力部と出力部間の電子の導
通路がリング形状である半導体素子が記載されている。
上記従来技術はリング形状からなる分岐路の一方に設け
た制御電極に電圧を付加し、片側導通路の電子波の位相
を変えることにより電流を変調するのに対し、本発明
は、分岐路両方に磁場または電場を印加することにより
電流制御している点で異なる。In a conventional MIS field-effect transistor, the source / drain regions provided on a semiconductor substrate are connected by a semiconductor surface inversion layer formed by a single-connected gate electrode, and its conductivity is controlled by the potential applied to the gate electrode. It was something to control. In these transistors, the quantum interference effect of electrons is not considered. There are many examples of MIS type field effect transistors, but as an example in which the gate electrode is divided, there is JP-A-61-279176. However, there is no description about quantum interference effect. In addition,
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 61-18182 discloses a semiconductor element in which the conduction path of electrons between the input section and the output section is ring-shaped.
In the prior art described above, a current is modulated by applying a voltage to the control electrode provided on one side of the ring-shaped branch path and changing the phase of the electron wave of the one-sided conduction path, whereas the present invention is based on both branch paths. The difference is that the current is controlled by applying a magnetic field or an electric field to.
本発明の目的はMIS型半導体装置において量子干渉効
果を利用して新しい伝導特性を実現することにある。An object of the present invention is to realize new conduction characteristics by utilizing the quantum interference effect in a MIS type semiconductor device.
上記目的は、MIS型電界効果トランジスタのゲート電
極を多重連結の形状にすること及び基板内に電界を発生
させる事により実現される。The above object is realized by forming the gate electrode of the MIS field effect transistor in a multi-connection shape and generating an electric field in the substrate.
第1図は、本発明の特徴をあらわすトランジスタの上
面図である。p型基板表面に設けられたソース領域2と
ドレイン領域3の間をつなぐゲート電極1は、中央部に
リング状の部分を有する。このゲートにより誘起される
半導体表面反転層も、リング形状を示す多重連結の領域
となる。ソース領域2より流れ出た電子電流は第2図に
示す様に第1の経路7と第2の経路8に分かれて進み、
再び1つになってドレイン領域3に到達する。FIG. 1 is a top view of a transistor showing the feature of the present invention. The gate electrode 1 that connects the source region 2 and the drain region 3 provided on the surface of the p-type substrate has a ring-shaped portion in the central portion. The semiconductor surface inversion layer induced by this gate also becomes a region of multiple connections showing a ring shape. The electron current flowing out of the source region 2 is divided into a first path 7 and a second path 8 as shown in FIG.
It becomes one again and reaches the drain region 3.
それぞれの電子の経路の長さが、電子の位相を変化さ
せる散乱長Lφより短かいならば、電子波が合流する部
分で量子論的干渉効果が生ずる。この干渉は、第3図に
示す様に、2つの経路に囲まれた領域を貫く磁束により
制御でき、磁場による位相のずれφmは と表わされる。ここにeは電子の電荷、hはプランクの
定数、Bzは磁束密度のz軸成分、Sは2つの経路に囲ま
れた領域の面積である。一方、第4図の様に2つの経路
の間に電場Eを設ける事によっても位相のずれを発生さ
せる事ができ、 となる。ここにEyはy方向の電場、vxは電子の走行速度
である。第1図中の2つのn+不純物領域は、p型基板中
に電場Eyを発生させるために設けられており、いずれも
0ないし正の電位が与えられ、p型基板内に空乏層を形
成し、電場Eyを発生する。If the length of the path of each electron is shorter than the scattering length Lφ that changes the phase of the electron, a quantum interference effect occurs at the portion where the electron waves merge. As shown in FIG. 3, this interference can be controlled by the magnetic flux penetrating the region surrounded by the two paths, and the phase shift φ m due to the magnetic field is Is represented. Here, e is the electron charge, h is Planck's constant, B z is the z-axis component of the magnetic flux density, and S is the area of the region surrounded by the two paths. On the other hand, a phase shift can be generated by providing an electric field E between the two paths as shown in FIG. Becomes Where E y is the electric field in the y direction, and v x is the traveling speed of the electron. The two n + impurity regions in FIG. 1 are provided to generate an electric field E y in the p-type substrate, and both are given 0 or a positive potential to form a depletion layer in the p-type substrate. Form and generate an electric field E y .
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施例1. 第5図は実施例1の製造工程を示す。比抵抗10Ω・cm
のp型シリコン基板11に通常のLOCOS法により素子分離
領域12を形成する。次いで、950℃,25分のドライ酸化法
により20nmのシリコン酸化膜14を形成する。レジストを
1μmの厚さで塗布し、写真蝕刻法で所定の部分、即ち
ソース,ドレイン領域及び電場印加用の2つのn+拡散領
域13に開口部を設け、80kVの加速電圧で砒素イオンを打
ち込む。打込量は5×1015cm-2であった。もち論、これ
らのn+領域はリンイオンを用いて形成しても構わない。
950℃,20分の窒素雰囲気中でのドライブイン工程により
第5図(b)の様になる。ここに見えるn+領域13は、電
場印加用のものである。次に200nmの多結晶シリコン15
を堆積し、875℃で20分間リンのデポジションを行な
う。その後、写真蝕刻法とドライエッチングにより所定
のソース,ドレイン領域をつなぎ、多重連結部分を含ん
だ形状に多結晶シリコン膜を加工する。その後、400nm
の厚さにPSG(Phospho Silicate Glass)膜等のシリコ
ン酸化膜16をLPCVD法により堆積し層間絶縁膜とし、再
び写真蝕刻法とドライエッチ法によりコンタクトホール
を開孔し、アルミ配線を17を施し、第5図(d)を得
た。以上により第1図を上面図とする所望の半導体装置
を得た。多結晶シリコンゲート電極の開口部は0.1μm
×0.1μmでその線幅も0.1μmである。Example 1 FIG. 5 shows the manufacturing process of Example 1. Specific resistance 10Ω ・ cm
An element isolation region 12 is formed on the p-type silicon substrate 11 by the normal LOCOS method. Next, a 20 nm silicon oxide film 14 is formed by a dry oxidation method at 950 ° C. for 25 minutes. A resist is applied to a thickness of 1 μm, an opening is provided in a predetermined portion, that is, a source / drain region and two n + diffusion regions 13 for applying an electric field by photolithography, and arsenic ions are implanted at an acceleration voltage of 80 kV. . The implantation amount was 5 × 10 15 cm -2 . Of course, these n + regions may be formed by using phosphorus ions.
The drive-in process in a nitrogen atmosphere at 950 ° C. for 20 minutes results in the state shown in FIG. 5 (b). The n + region 13 visible here is for applying an electric field. Next, 200 nm polycrystalline silicon15
And deposit phosphorus for 20 minutes at 875 ° C. After that, predetermined source and drain regions are connected by a photo-etching method and dry etching, and the polycrystalline silicon film is processed into a shape including a multiple connection portion. Then 400nm
A PSG (Phospho Silicate Glass) film or other silicon oxide film 16 is deposited by LPCVD to an inter-layer insulating film with a thickness of 1 to form a contact hole again by photoetching and dry etching, and aluminum wiring 17 is formed. , FIG. 5 (d) was obtained. As described above, a desired semiconductor device having a top view of FIG. 1 was obtained. The opening of the polycrystalline silicon gate electrode is 0.1 μm
× 0.1 μm and the line width is 0.1 μm.
以上の結果得られた装置は第6図の如き伝導度特性を
示した。電場印加用の2つのn+領域の一方は接地し、他
方を第2ゲートと呼び正の電圧を印加する。これによ
り、第2ゲート電圧に対して伝導度が振動する。The device obtained as a result showed the conductivity characteristics shown in FIG. One of the two n + regions for applying an electric field is grounded, and the other is called a second gate to apply a positive voltage. This causes the conductivity to oscillate with respect to the second gate voltage.
本実施例においては、p型基板を用いたがすべての極
性を変えればn型基板を用いたpチャネルMISFETでも実
現できる。また電界印加用の2つのn+領域は1つでも機
能を果たす事はできる。Although the p-type substrate is used in this embodiment, a p-channel MISFET using an n-type substrate can be realized if all polarities are changed. Further, even one of the two n + regions for applying an electric field can fulfill the function.
実施例2. 実施例1と同様のプロセスで素子分離領域12、n+不純
物領域13及び多結晶シリコンゲート15を形成する。しか
る後にボロンイオンを打込みエネルギー20kV、打込量1
×1012cm-2でけ打込む。その後、再び実施例1と同様の
工程によりアルミ電極配線17まで施すと第7図に示す構
造が得られる。Example 2 A device isolation region 12, an n + impurity region 13 and a polycrystalline silicon gate 15 are formed by the same process as in Example 1. Then boron ion is implanted with an energy of 20 kV and an implant amount of 1
Strike with × 10 12 cm -2 . After that, when the aluminum electrode wiring 17 is applied again by the same steps as in Example 1, the structure shown in FIG. 7 is obtained.
本実施例によれば、多結晶シリコンゲート15のない部
分のしきい電圧が高くなり、反転が起きるのが抑えられ
る。その結果、反転層が単結晶になってしまうのを抑え
る事ができる。実施例1と同じ効果が得られる。According to the present embodiment, the threshold voltage of the portion where the polycrystalline silicon gate 15 is not present becomes high, and the occurrence of inversion can be suppressed. As a result, it is possible to prevent the inversion layer from becoming a single crystal. The same effect as the first embodiment can be obtained.
実施例3. 実施例1あるいは実施例2と同様のプロセスで素子分
離領域12、n+不純物領域13及び多結晶シリコンゲート15
を形成する。しかる後、厚さ200nmのPSG膜26をLPCVD法
で堆積する。更に厚さ200nmの多結晶シリコン25を堆積
し、875℃,20分間のリンのデポジションを行なう。第2
の多結晶シリコン膜は、第1の多結晶シリコン15の無い
部分を被うようにドライエッチングで加工し、第2のゲ
ート電極とする。その後、実施例1と同様に、PSG膜を
堆積し、コンタクトホールを開け、更にアルミ電極配線
を施して、第8図(a)の如き断面構造を得る。また、
上部より見た構造図を第8図(b)に示す。Third Embodiment A device isolation region 12, an n + impurity region 13 and a polycrystalline silicon gate 15 are formed by the same process as in the first or second embodiment.
To form. Then, the PSG film 26 having a thickness of 200 nm is deposited by the LPCVD method. Further, polycrystalline silicon 25 having a thickness of 200 nm is deposited, and phosphorus is deposited at 875 ° C. for 20 minutes. Second
The polycrystalline silicon film is processed by dry etching so as to cover the portion where the first polycrystalline silicon 15 is absent, and is used as the second gate electrode. Thereafter, as in Example 1, a PSG film is deposited, contact holes are opened, and aluminum electrode wiring is further provided to obtain a sectional structure as shown in FIG. Also,
A structural view seen from above is shown in FIG. 8 (b).
この構造においては第2多結晶シリコンゲート電極に
電圧を加える事により、第1多結晶シリコンゲートの無
い部分の反転を効果的に抑える事ができる。In this structure, by applying a voltage to the second polycrystalline silicon gate electrode, it is possible to effectively suppress the inversion of the portion without the first polycrystalline silicon gate.
実施例4. p型Si基板表面にLPCVD法により200nmのシリコン酸化
膜を堆積する(第9図(a))。次に写真蝕刻法を用い
て、所定の形状にシリコン酸化膜を加工し、更にこのシ
リコン酸化膜をマスクにしてSi基板を300nm掘り下げ、
第9図(b)を得る。その後、LPCVD法でシリコン酸化
膜を300nm堆積して上記溝を埋め込む。ホトレジストを
2μm塗布して、平坦化した後、エッバック法により基
板表面までのシリコン酸化膜を除去し、第9図(c)の
構造を得る。第9図(d)は、同じ構造の上面図を示し
たもので、シリコン酸化膜の埋め込まれた領域がわか
る。一度、表面に残っているシリコン酸化膜を除いた後
950℃,25分のドライ酸化法により20nmのゲート酸化膜を
形成する。写真蝕刻法でn+不純物領域の形成されるべき
部位のレジストに穴を開け、砒素イオンを80kVの加速電
圧で5×1015cm-2だけ打ち込み、950℃,20分の窒素雰囲
気中でのドライブイン工程で拡散させ、第9図(e)を
得る。更に、CVD法により、多結晶シリコン膜を200nm堆
積し、875℃,20分のリンのデポジションを施す。ドライ
エッチングにより所定の形状に加工し、第9図(f)を
得る。本実施例においては、埋め込み型の素子分離によ
り導電チャネルは、リング状の多重連結領域に限定され
ているので、多結晶シリコンゲートの形状は、第9図
(g)の上面図が示す様に、多重連結である必要はな
い。リソグラフィの合せ精度を考慮すれば、むしろ単連
結とした方が良い。その後、実施例1〜3と同様に、層
間絶縁膜用PSG膜を堆積、コンタクトホールの開孔、ア
ルミ電極配線を経て、第9図(h)の如き断面構造を得
る。Example 4. A 200 nm silicon oxide film is deposited on the surface of a p-type Si substrate by the LPCVD method (FIG. 9 (a)). Next, using a photo-etching method, the silicon oxide film is processed into a predetermined shape, and the Si substrate is dug down to 300 nm using this silicon oxide film as a mask.
Figure 9 (b) is obtained. After that, a silicon oxide film is deposited to a thickness of 300 nm by the LPCVD method to fill the groove. After applying a photoresist of 2 μm and flattening it, the silicon oxide film up to the surface of the substrate is removed by the edback method to obtain the structure of FIG. 9 (c). FIG. 9 (d) shows a top view of the same structure, where the region where the silicon oxide film is embedded can be seen. After removing the silicon oxide film remaining on the surface once
A gate oxide film of 20 nm is formed by a dry oxidation method at 950 ° C. for 25 minutes. A hole is formed in the resist where the n + impurity region is to be formed by photo-etching, and arsenic ions are implanted at an accelerating voltage of 80 kV by 5 × 10 15 cm -2 , and then at 950 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. It is diffused in the drive-in process to obtain FIG. 9 (e). Further, a polycrystalline silicon film is deposited to a thickness of 200 nm by the CVD method, and phosphorus is deposited at 875 ° C. for 20 minutes. It is processed into a predetermined shape by dry etching to obtain FIG. 9 (f). In this embodiment, since the conductive channel is limited to the ring-shaped multiple connection region due to the buried element isolation, the shape of the polycrystalline silicon gate is as shown in the top view of FIG. 9 (g). , Need not be multiple concatenated. Considering the alignment accuracy of lithography, it is better to use a single connection. After that, as in Examples 1 to 3, a PSG film for an interlayer insulating film is deposited, contact holes are formed, and aluminum electrode wiring is provided to obtain a sectional structure as shown in FIG. 9 (h).
本実施例においても前記実施例と同様の特性が得られ
た。In this example, the same characteristics as in the above example were obtained.
実施例5. 実施例1と同様の工程により、素子分離領域12、n+不
純物領域13、及び多結晶シリコンゲート15を形成する。
しかる後にこの多結晶シリコンゲートをマスクにp型Si
基板を100nm掘り下げた(第10図(a))。再び実施例
1と同様に層間絶縁膜用PSG膜を300nm堆積、コンタクト
ホールを開け、アルミ電極配線を施し、第10図(b)を
得る。本実施例は、ゲート電極が被っていない部分のSi
基板を堀り下げ、導電チャネルをゲート電極直下に限定
した事にある。本実施例においても前記実施例と同様の
効果が得られる。Example 5 By the same steps as in Example 1, the element isolation region 12, the n + impurity region 13 and the polycrystalline silicon gate 15 are formed.
Then, using this polycrystalline silicon gate as a mask, p-type Si
The substrate was dug down to 100 nm (Fig. 10 (a)). Again as in Example 1, a PSG film for an interlayer insulating film was deposited to a thickness of 300 nm, contact holes were opened, and aluminum electrode wiring was provided to obtain FIG. 10 (b). In this example, the Si of the portion not covered by the gate electrode is
The reason is that the substrate was dug down and the conductive channel was limited to just below the gate electrode. In this embodiment, the same effect as in the above embodiment can be obtained.
本発明によれば、第2のゲート電極(実際にはn+不純
物領域)により、MISFETの伝導度を周期的に変調させる
事ができる。この効果は、純粋に量子論的なものであ
り、温度等に左右されない周期を有し、将来のLSI等に
有効となりうる。According to the present invention, the conductivity of the MISFET can be periodically modulated by the second gate electrode (actually n + impurity region). This effect is purely quantum theory, has a period independent of temperature, etc., and can be effective for future LSIs and the like.
第1図は本発明の特徴を説明する上面図、第2図〜第4
図は本発明の原理を説明する図、第5図は実施例1の製
造工程を示す断面図、第6図は本発明により得られるデ
バイスの示す特性図、第7図は実施例2の断面図、第8
図は実施例3の断面及び上面図、第9図は実施例4の工
程を示す図、第10図は実施例5の断面図である。 1……ゲート電極、2……ソース領域、3……ドレイン
領域、4,13,33……n+不純物領域、6……反転層領域、
5,17,36……Al電極、11……p型Si基板、12,32……素子
分離領域、14,16,26,31,35……シリコン酸化膜、1,15,2
1,25,34……多結晶シリコンゲート電極。FIG. 1 is a top view for explaining the features of the present invention, and FIGS.
FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of the present invention, FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of Example 1, FIG. 6 is a characteristic diagram of a device obtained by the present invention, and FIG. 7 is a cross-section of Example 2. Figure, 8th
FIG. 9 is a sectional view and a top view of the third embodiment, FIG. 9 is a diagram showing a process of the fourth embodiment, and FIG. 10 is a sectional view of the fifth embodiment. 1 ... Gate electrode, 2 ... Source region, 3 ... Drain region, 4,13,33 ... n + impurity region, 6 ... Inversion layer region,
5,17,36 …… Al electrode, 11 …… p type Si substrate, 12,32 …… Element isolation region, 14,16,26,31,35 …… Silicon oxide film, 1,15,2
1,25,34 …… Polycrystalline silicon gate electrode.
Claims (5)
ン電極と、上記ソース、ドレイン電極間をつなぎ上記半
導体基板表面反転層を生ぜしめるためのリング形状を有
するゲート電極と、上記ゲートのリング形状により形成
される上記半導体基板表面の2つの経路を制御するため
の手段と、を有することを特徴とする半導体装置。1. A source / drain electrode formed on a semiconductor substrate, a gate electrode having a ring shape for connecting between the source / drain electrodes to form the semiconductor substrate surface inversion layer, and a ring shape of the gate. And a means for controlling two paths on the surface of the semiconductor substrate formed by the above method.
において、上記半導体基板は第1導電型よりなり、上記
ソース、ドレイン電極は第2導電型不純物領域よりなる
ことを特徴とする半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is of a first conductivity type, and the source and drain electrodes are of a second conductivity type impurity region. apparatus.
において、上記制御するための手段は、上記2つの経路
に囲まれた領域を貫く磁束を発生するための手段である
ことを特徴とする半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the means for controlling is a means for generating a magnetic flux penetrating an area surrounded by the two paths. Semiconductor device.
において、上記制御するための手段は、上記2つの経路
の間に磁場を発生するための手段であることを特徴とす
る半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the means for controlling is a means for generating a magnetic field between the two paths. .
において、上記制御するための手段は、上記半導体基板
内に電場を生ぜしむるための少なくとも1つの不純物領
域よりなることを特徴とする半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the controlling means comprises at least one impurity region for generating an electric field in the semiconductor substrate. Semiconductor device.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62272944A JP2539465B2 (en) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | Semiconductor device |
US07/264,785 US4977435A (en) | 1987-10-30 | 1988-10-31 | Semiconductor device with a split conduction channel |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62272944A JP2539465B2 (en) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | Semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH01117063A JPH01117063A (en) | 1989-05-09 |
JP2539465B2 true JP2539465B2 (en) | 1996-10-02 |
Family
ID=17520946
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62272944A Expired - Lifetime JP2539465B2 (en) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | Semiconductor device |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2539465B2 (en) |
-
1987
- 1987-10-30 JP JP62272944A patent/JP2539465B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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JPH01117063A (en) | 1989-05-09 |
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