JP2918979B2 - Semiconductor device and logic circuit using the same - Google Patents
Semiconductor device and logic circuit using the sameInfo
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Description
本発明は1次元伝導によるエネルギーの量子化を利用
した絶縁ゲート型(MIS型)電界効果トランジスタを有
する半導体装置及びその電界効果トランジスタを用いた
論理回路に係り、特に非線形な特性を有するMIS型電界
効果トランジスタを有する半導体装置及びその電界効果
トランジスタを用いた論理回路に関する。The present invention relates to a semiconductor device having an insulated gate (MIS) field-effect transistor using energy quantization by one-dimensional conduction and a logic circuit using the field-effect transistor, and more particularly to an MIS-type electric field having nonlinear characteristics. The present invention relates to a semiconductor device having an effect transistor and a logic circuit using the field effect transistor.
従来の電子の1次元伝導を利用したトランジスタはそ
の増大する移動度を利用するものがほとんどであり、そ
の不連続なエネルギー準位を制御して、新しい伝導特性
を実現したものはない。 電子の1次元伝導については、例えば、ジャパニーズ
・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス、ボリュ
ーム19、ナンバー12、ディセンバー、1980、pp.L735−L
738(Japanese Journal of Applied Physics,vol.19,N
o.12,December,1980,pp.L735−L738)に記載があり、1
次元伝導においては散乱が著しく抑制されるため移動度
が増大するとの指摘がある。Most of the conventional transistors using the one-dimensional conduction of electrons utilize the increased mobility, and there is no transistor which controls the discontinuous energy level to realize a new conduction characteristic. Regarding the one-dimensional conduction of electrons, for example, Japanese Journal of Applied Physics, Volume 19, Number 12, December, 1980, pp.L735-L
738 (Japanese Journal of Applied Physics, vol.19, N
o.12, December, 1980, pp. L735-L738).
It has been pointed out that in dimensional conduction, the scattering is significantly suppressed and the mobility increases.
【発明が解決しようとする課題】 上記従来技術は1次元伝導における移動度の増大を利
用するものであり、その離散的なエネルギー準位を制御
したものではなかった。 本発明の目的は、一次元伝導に起因する離散的なエネ
ルギー準位を制御し、従来にはなかった新しい伝導特性
を実現したMIS型電界効果トランジスタを有する半導体
装置及びその電界効果トランジスタを用いた論理回路を
提供することにある。The above prior art utilizes an increase in mobility in one-dimensional conduction, and does not control its discrete energy levels. An object of the present invention is to control a discrete energy level caused by one-dimensional conduction, and to use a semiconductor device having an MIS field-effect transistor realizing a new conduction characteristic which has not existed in the past and using the field-effect transistor. It is to provide a logic circuit.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、
第1導電型の半導体基板と、半導体基板表面に所定の間
隔を置いて形成された、第1導電型と異なる導電型であ
る第2導電型のソース、ドレイン領域と、このソース、
ドレイン領域の間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介し
て形成された第1のゲート電極とからなる絶縁ゲート型
電界効果トランジスタを有し、第1のゲート電極の幅を
この第1のゲート電極により形成されるチャネルが電子
の1次元伝導を構成する幅とし、さらに、第1のゲート
電極の1部分に、絶縁膜を介して、チャネルの幅を狭く
するように第2のゲート電極を配置するようにしたもの
である。 この半導体装置の第1のゲート電極の幅は、0.1μm
以下であることが好ましい。また、第2ゲート電極の幅
も0.1μm以下であることが好ましい。 また、上記目的を達成するために、本発明詠の半導体
装置は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板表面に
所定の間隔を置いて形成された、第1導電型と異なる導
電型である第2導電型のソース、ドレイン領域と、この
ソース、ドレイン領域の間にチャネルを形成するために
半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート
電極とからなる絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有
し、ゲート電極の幅をこのゲート電極により形成される
チャネルが電子の1次元伝導を構成する幅とし、さら
に、チャネルを走行する電子のエネルギーの量子化され
たエネルギーレベルを上げるように制御する手段を設け
るようにしたものである。 この半導体装置の量子化されたエネルギーレベルの制
御は、絶縁膜を介在させて、ゲート電極と電気的に絶縁
した第2のゲート電極によって行うことが好ましい。ま
た、上記チャネルのエネルギーレベルの制御される部分
は、その長さが0.1μm以下であることが好ましい。 また、上記目的を達成するために、本発明の半導体装
置は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板表面に所
定の間隔を置いて形成された第1導電型と異なる導電型
である第2導電型のソース、ドレイン領域と、このソー
ス、ドレイン領域の間に形成されたチャネルとからなる
絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有シ、上記チャネ
ルの幅を、このチャネルが電子の1次元伝導を構成する
幅とし、さらにチャネルの1部分に、絶縁膜を介して、
このチャネルの幅を狭くするようにゲート電極を配置す
るようにしたものである。 この半導体装置のチャネルの幅は、0.1μm以下であ
ることが好ましい。また、上記ゲート電極の幅は、0.1
μm以下であることが好ましい。 また、上記目的を達成するために、本発明の論理回路
は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板表面に所定
の間隔を置いて形成された、第1導電型と異なる導電型
である第2導電型のソース、ドレイン領域と、このソー
ス、ドレイン領域の間の半導体基板上にゲート絶縁膜を
介して設けた第1のゲート電極と、この第1のゲート電
極の1部分に絶縁膜を介して設けた第2のゲート電極と
からなる絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有し、第
1のゲート電極の幅を、この第1のゲート電極により形
成されるチャネルが電子の1次元伝導を構成する幅と
し、第2のゲート電極を、チャネルの幅を狭くするよう
に構成し、第2のゲート電極とそれぞれ抵抗を介して接
続された2個の入力端子と、ソース、ドレイン領域の一
方と接続された出力端子及び抵抗を介して接続された電
源端子と、ソース、ドレイン領域の他方と接続された接
地端子とを設けるようにしたものである。 また、上記目的を達成するために、本発明の論理回路
は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板表面に所定
の間隔を置いて形成された、第1導電型と異なる導電型
である第2導電型のソース、ドレイン領域と、このソー
ス、ドレイン領域の間にチャネルを形成するために半導
体基板上にゲート絶縁膜を介して設けたゲート電極と、
チャネルを走行する電子のエネルギーの量子化されたエ
ネルギーレベルを上げるように制御する手段とからなる
絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有し、ゲート電極
の幅を、このゲート電極により形成されるチャネルが電
子の1次元伝導を構成する幅とし、エネルギーレベルを
制御する手段にそれぞれ抵抗を介して接続された2個の
入力端子と、ソース、ドレイン領域の一方と接続された
出力端子及び抵抗を介して接続された電源端子と、ソー
ス、ドレイン領域の他方と接続された接地端子とを設け
るようにしたものである。 また、上記目的を達成するために、本発明の論理回路
は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板表面に所定
の間隔を置いて形成された、第1導電型と異なる導電型
である第2導電型のソース、ドレイン領域と、このソー
ス、ドレイン領域の間に設けられたチャネルと、チャネ
ルの1部分に絶縁膜を介して設けられたゲート電極とか
らなる絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有し、チャ
ネルの幅をこのチャネルが電子の1次元伝導を構成する
幅とし、ゲート電極をチャネルの幅を狭くするように構
成し、ゲート電極にそれぞれ抵抗を介して接続された2
個の入力端子と、ソース、ドレイン領域の一方と接続さ
れた出力端子及び抵抗を介して接続された電源端子と、
ソース、ドレイン領域の他方と接続された接地端子とを
設けるようにしたものである。In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention
A semiconductor substrate of a first conductivity type, source and drain regions of a second conductivity type formed at predetermined intervals on the surface of the semiconductor substrate and having a conductivity type different from the first conductivity type;
An insulated gate field effect transistor including a first gate electrode formed on a semiconductor substrate between the drain regions with a gate insulating film interposed therebetween, and the width of the first gate electrode is reduced by the width of the first gate electrode. And a second gate electrode is disposed on a portion of the first gate electrode with an insulating film interposed therebetween so as to reduce the width of the channel. It is something to do. The width of the first gate electrode of this semiconductor device is 0.1 μm
The following is preferred. Also, the width of the second gate electrode is preferably 0.1 μm or less. In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate of a first conductivity type and a conductivity type formed at a predetermined interval on a surface of the semiconductor substrate and different from the first conductivity type. An insulated gate field effect transistor comprising a source and drain region of a certain second conductivity type and a gate electrode formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film to form a channel between the source and drain regions And controlling the width of the gate electrode so that the channel formed by the gate electrode constitutes one-dimensional conduction of electrons, and further increasing the quantized energy level of the energy of the electrons traveling through the channel. This is provided with a means for performing. The control of the quantized energy level of the semiconductor device is preferably performed by a second gate electrode which is electrically insulated from the gate electrode via an insulating film. Further, it is preferable that the portion of the channel whose energy level is controlled has a length of 0.1 μm or less. In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate of a first conductivity type, and a semiconductor substrate having a conductivity type different from the first conductivity type formed at predetermined intervals on a surface of the semiconductor substrate. It has an insulated gate field effect transistor composed of two conductivity type source and drain regions and a channel formed between the source and drain regions. The width of the channel, and one part of the channel via an insulating film.
The gate electrode is arranged so as to reduce the width of the channel. The channel width of this semiconductor device is preferably 0.1 μm or less. The width of the gate electrode is 0.1
It is preferably not more than μm. In order to achieve the above object, a logic circuit of the present invention has a semiconductor substrate of a first conductivity type and a conductivity type formed at a predetermined interval on a surface of the semiconductor substrate and different from the first conductivity type. A second conductivity type source / drain region, a first gate electrode provided on the semiconductor substrate between the source / drain region via a gate insulating film, and an insulating film provided on a portion of the first gate electrode And an insulated gate field effect transistor including a second gate electrode provided through the first gate electrode. The width of the first gate electrode is increased by the channel formed by the first gate electrode. The second gate electrode is configured to have a narrower channel width, two input terminals respectively connected to the second gate electrode via a resistor, and one of a source and a drain region. Output terminal connected to And a power supply terminal connected via a resistor, is obtained by the provided source, and a ground terminal connected to the other drain regions. In order to achieve the above object, a logic circuit of the present invention has a semiconductor substrate of a first conductivity type and a conductivity type formed at a predetermined interval on a surface of the semiconductor substrate and different from the first conductivity type. Source and drain regions of the second conductivity type, and a gate electrode provided on the semiconductor substrate via a gate insulating film to form a channel between the source and drain regions;
Means for controlling the energy of electrons traveling through the channel to increase the quantized energy level, the insulated gate field effect transistor comprising: a gate electrode having a width formed by the gate electrode; And two input terminals connected to the means for controlling the energy level via resistors, respectively, and an output terminal connected to one of the source and drain regions and connected via the resistor. And a ground terminal connected to the other of the source and drain regions. In order to achieve the above object, a logic circuit of the present invention has a semiconductor substrate of a first conductivity type and a conductivity type formed at a predetermined interval on a surface of the semiconductor substrate and different from the first conductivity type. An insulated gate field effect transistor comprising a second conductivity type source / drain region, a channel provided between the source / drain regions, and a gate electrode provided on one portion of the channel via an insulating film. The width of the channel is such that the channel constitutes one-dimensional conduction of electrons, the gate electrode is configured to reduce the width of the channel, and each of the channels is connected to the gate electrode via a resistor.
Input terminals, an output terminal connected to one of the source and drain regions, and a power terminal connected via a resistor,
A ground terminal connected to the other of the source and drain regions is provided.
本発明の作用を説明するために本発明の電界効果トラ
ンジスタの一例の平面図を第1図(a)に、そのAA′線
断面図を第1図(b)に示す。ソース領域1、ドレイン
領域2の間にチャネルを形成するための第1のゲート電
極3が設けられ、第1のゲート電極3の一部分の上に第
2のゲート電極4が設けられている。第1図における電
界効果トランジスタをN−MOSとして、以下議論を進め
る。まず第1図において、第2のゲート電極4が無い場
合のドレイン電流、ゲート電圧特性を説明する。第1の
ゲート電極に正の電位を与えてチャネルを形成すると、
第1のゲート電極の幅が十分に狭ければ低温において
は、1次元伝導に起因してエネルギーが量子化される。
第2図にそのときのチャネル8のエネルギー準位を示
す。1次元電子の場合、状態密度DOS1(E)は DOS1(E)∝E−1/2 で与えられる。このとき第1ゲート下のポテンシャルを
井戸型ポテンシャルと仮定するとエネルギー準位の間隔
ΔEは式(1)となる。 ΔE=(2n+1)h2/8mW2 (1) nはエネルギーのひくいバンドから数えた量子数、h
はプランク定数、mは電子の有効質量、Wはチャネル幅
である。 さて、ここで第1のゲート電圧を上げていく。第1の
ゲート電圧が上昇するとチャネルにおける電子密度は上
がっていく。ところでフェルミエネルギーEFは電子密度
nsによって次のように与えられる。 EF=h2ns 2/8m すなわち、ゲート電圧を上げていくことは、電子のフ
ェルミエネルギーを上げていくことと等価である。第2
図を用いて説明するとゲート電圧を上げていくとフェル
ミエネルギーが上昇していく。すなわち第2図において
下からEFが上がっていく。EFが量子化されたエネルギー
準位に一致すると電流が流れる。さらにEFが増えると今
度は電流は減少する。次の量子化されたエネルギー準位
に一致すると再び電流は増加する。こうして、EFが量子
化されたエネルギー準位に一致する時に電流値は極大値
を取り、電流のゲート電圧に対する依存性は第3図に示
したものになる。 さて、次に電気的に絶縁した第2のゲート電極が設け
られたものについて考える。第1図において第2のゲー
ト電極4に負の電位を与えると、第4図に示したように
第1のゲート電極3の周辺部の反転が抑えられ、第1の
ゲート電極3の下に形成されるチャネル8の幅を狭くす
ることができる。第4図(a)は第2のゲート電圧が0V
のとき、第4図(b)は第2のゲート電圧が負電位のと
きのチャネル8の幅を示す。すなわち、第2のゲート電
極4によってチャネル8の幅を変化させることが出来る
ことを意味する。実際に、10〜15%の狭帯化が可能であ
る。 ところで式(1)から判るようにチャネル幅を変える
ということはエネルギー準位の間隔を変えるということ
を意味する。具体的にはチャネル幅が狭くなるとエネル
ギー準位の間隔が広くなることになる。同じエネルギー
準位に着目するとエネルギーレベルが上がっていくこと
になる。第2のゲート電極に負の電位を与えてエネルギ
ー準位が上がると電流は流れない。さらに準位が上昇し
て次のレベルに一致すると電流が流れる。従って本素子
における電流の第2のゲート電圧依存性は例えば、第5
図(a)、また、電流電圧特性は第5図(b)のように
なる。FIG. 1 (a) is a plan view of an example of the field-effect transistor of the present invention, and FIG. 1 (b) is a sectional view taken along the line AA 'thereof, for explaining the operation of the present invention. A first gate electrode 3 for forming a channel is provided between the source region 1 and the drain region 2, and a second gate electrode 4 is provided on a part of the first gate electrode 3. The discussion will proceed with the N-MOS field effect transistor in FIG. First, in FIG. 1, the drain current and the gate voltage characteristics when the second gate electrode 4 is not provided will be described. When a positive potential is applied to the first gate electrode to form a channel,
If the width of the first gate electrode is sufficiently small, at a low temperature, energy is quantized due to one-dimensional conduction.
FIG. 2 shows the energy level of the channel 8 at that time. In the case of a one-dimensional electron, the density of states DOS 1 (E) is given by DOS 1 (E) ∝E −1/2 . At this time, if the potential under the first gate is assumed to be a well-type potential, the energy level interval ΔE is given by the following equation (1). ΔE = (2n + 1) h 2 / 8mW 2 (1) n is a quantum number counted from a band with a low energy, h
Is Planck's constant, m is the effective mass of electrons, and W is the channel width. Now, here, the first gate voltage is increased. As the first gate voltage increases, the electron density in the channel increases. By the way, Fermi energy E F is electron density
Given by n s : E F = h 2 ns 2 / 8m In other words, increasing the gate voltage is equivalent to increasing the Fermi energy of electrons. Second
Referring to the figure, the Fermi energy increases as the gate voltage increases. That goes up the E F from below in Figure 2. When E F matches the quantized energy level, current flows. Further E F increases this time, the current is reduced. When the next quantized energy level coincides, the current increases again. Thus, the current value when E F matches the energy levels of the quantized takes the maximum value, dependent on the gate voltage of the current is that shown in Figure 3. Now, consider a case in which a second gate electrode which is electrically insulated is provided. When a negative potential is applied to the second gate electrode 4 in FIG. 1, the inversion of the peripheral portion of the first gate electrode 3 is suppressed as shown in FIG. The width of the channel 8 to be formed can be reduced. FIG. 4 (a) shows that the second gate voltage is 0V
FIG. 4B shows the width of the channel 8 when the second gate voltage is at a negative potential. That is, it means that the width of the channel 8 can be changed by the second gate electrode 4. In fact, band narrowing of 10-15% is possible. By the way, as can be seen from the equation (1), changing the channel width means changing the interval between energy levels. Specifically, as the channel width decreases, the interval between energy levels increases. Focusing on the same energy level, the energy level will increase. When a negative potential is applied to the second gate electrode to increase the energy level, no current flows. When the level further rises and matches the next level, a current flows. Therefore, the dependence of the current in the device on the second gate voltage is, for example, the fifth gate voltage.
FIG. 5A and the current-voltage characteristics are as shown in FIG. 5B.
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。 実施例1 第6図は、本発明の一実施例のMIS型電界効果トラン
ジスタを有する半導体装置の製造工程図である。比抵抗
10Ω・cmのp型Si基板5に通常のLOCOS法により素子分
離領域9を形成する。次いで、850℃、30分のトライ酸
化法により10nmのゲート酸化膜6を形成する。ゲート酸
化膜6保護の目的でCVD法により50nmの多結晶シリコン1
0を堆積する。レジストを1μmの厚さで塗布し、写真
蝕刻法で所定の部分、すなわちソース領域1、ドレイン
領域2のための2つのn+拡散層領域に開口部を設け、12
0kVの加速電圧で砒素イオンを打ち込む。打ち込み量は
1×1015cm-2であった。勿論、これらのn+拡散層領域は
リンイオンを用いて形成しても構わない。900℃、10分
の窒素雰囲気中でのアニール工程を行う(第6図
(a))。 次にCVD法により50nmの多結晶シリコンを堆積し、875
℃、20分間のリンのデポジションを行う。その後、写真
蝕刻法とドライエッチングにより幅0.08μmの細線状に
多結晶シリコン膜を加工して第1のゲート電極3とする
(第6図(b))。 次に層間絶縁膜7として、50nmの厚さにPSG(Phospho
Silicate Glass)膜のシリコン酸化膜をLPCVD法により
堆積する。次にCVD法により100nmの多結晶シリコンを堆
積し、875℃、20分間のリンのデポジションを行う。そ
の後、写真蝕刻法とドライエッチングにより先に形成し
た細線状の第1ゲートの一部分をおおうような形状に幅
0.3μmに多結晶シリコン膜を加工して第2のゲート電
極4とする(第6図(c))。 その後、200nmの厚さにPSG(Phospho Silicate Glas
s)膜等のシリコン酸化膜7をLPCVD法により堆積し層間
絶縁膜とし、写真蝕刻法とドライエッチングによりコン
タクトホールを開口し、アルミ配線11を施し、第6図
(d)のようにする。以上により第1図(a)に主要部
の平面図、第1図(b)にそのAA′線断面図を示す所望
の半導体装置を得た。 以上の結果得られた装置は第5図(a)、(b)の如
き伝導特性を示した。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MIS型電界効果トランジスタも実現できる。 実施例2 実施例1と全く同様のプロセスによって第7図に示し
た半導体装置を得た。実施例1との違いは第2のゲート
電極の幅が0.05μmになっており、エネルギー準位の制
御を受ける部分における電子は0次元に近いものになっ
ており、その状態密度は第8図(a)のように完全に不
連続になっている。またこの部分における散乱の影響が
抑えられる結果、伝導がバリスティックに近いものにな
っている。なお、第8図(b)には比較のため、第2の
ゲート電極が上にない第1のゲート電極下の電子の状態
密度を示しておいた。その結果、本実施例においては第
9図に示すように実施例1よりも、振動を明確にするこ
とができた。 実施例3 第10図は本発明の他の実施例のMIS型電界効果トラン
ジスタを有する半導体装置の製造工程図である。比抵抗
10Ω・cmの0度オフp型Si基板5に通常のLOCOS法によ
り素子分離領域(図示せず)を形成する。次いで、レジ
ストを1μmの厚さで塗布し、写真蝕刻法とヒドラジン
エッチングによって第10図(a)に示した形状を得た。
勿論、ヒドラジンエッチングの代わりに、面方位依存性
のあるエッチング技術を用いても構わない。要は、第10
図(a)のような先の筅った形状を形成することであ
る。その後、レジストを1μmの厚さで塗布し、写真蝕
刻法で所定の部分、すなわちチャネル領域である第10図
(a)の中央の3角形の頂点部に開口部を設け、閾値電
圧制御の目的でリンイオンを40kVの加速電圧で,1×1013
cm-2だけ打ち込む。勿論、この打ち込みは砒素イオンを
用いても構わない。次いで、CVD法によりSiO26′をデポ
ジションする。その後、レジストを1μmの厚さで塗布
し、写真蝕刻法で所定の部分、すなわちソース領域1、
ドレイン領域2の2つのn+拡散層領域に開口部を設け、
120kVの加速電圧で砒素イオンを打ち込む。打ち込み量
は1×1015cm-2であった。勿論、これらのn+拡散層領域
はリンイオンを用いて形成しても構わない。900℃、10
分の窒素雰囲気中でのアニール工程により第10図(b)
のようになる。次いで10nmの多結晶シリコンを堆積し、
875℃、20分間のリンのデポジションを行う。その後、
写真蝕刻法とドライエッチングにより多結晶シリコン膜
を加工して、幅0.3μmの第2のゲート電極4とし、第1
0図(c)の如くなった。その後、実施例1と同様の工
程によりアルミ電極配線17を施すと第10図(d)のよう
になった。 本実施例に依れば、3角形の頂点部にチャネルが形成
される結果、実施例1よりも極狭いチャネルを形成する
ことができるので、第5図に示したよりも明確な特性
(振動)を得ることができる。 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MIS型電界効
果トランジスタでも実現できる。 実施例4 実施例3とまったく同様のプロセスによって第11図に
示した半導体装置を得た。実施例3との違いは第2ゲー
トの幅が0.05μmになっており、エネルギー準位の制御
を受ける部分における電子は0次元に近いものになって
おり、その状態密度は第8図(a)のように完全に不連
続になっている。また散乱の影響が抑えられる結果、伝
導がバリスティックに近いものになっている。その結
果、本実施例においては実施例3よりも、振動を明確に
することができた。 実施例5 第12図は実施例1〜4における半導体装置を用いてエ
クスクルーシブオア回路を構成した例の回路図である。
2個の出力端子VIN1、VIN2をそれぞれ抵抗を介して第2
のゲート電極4に接続し、出力端子VOUTをソース1′又
はドレイン2′の一方と接続し、電源端子VDを抵抗を介
してソース1′又はドレイン2′の一方と接続し、ソー
ス1′又はドレイン2′の他方は接地する。第13図に示
すような特性を保持した半導体装置を用いた時、入力に
対する出力は表1のようになり、エクスクルーシブオア
回路を構成することができた。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Embodiment 1 FIG. 6 is a manufacturing process diagram of a semiconductor device having an MIS field-effect transistor according to one embodiment of the present invention. Specific resistance
An element isolation region 9 is formed on a p-type Si substrate 5 of 10 Ω · cm by a normal LOCOS method. Next, a gate oxide film 6 of 10 nm is formed by a tri-oxidation method at 850 ° C. for 30 minutes. 50 nm polycrystalline silicon 1 by CVD for the purpose of protecting gate oxide film 6
Deposit 0. A resist is applied to a thickness of 1 μm, and openings are formed in predetermined portions by photolithography, that is, two n + diffusion layer regions for a source region 1 and a drain region 2.
Arsenic ions are implanted at an acceleration voltage of 0 kV. The implantation amount was 1 × 10 15 cm −2 . Of course, these n + diffusion layer regions may be formed using phosphorus ions. An annealing step is performed in a nitrogen atmosphere at 900 ° C. for 10 minutes (FIG. 6A). Next, 50 nm of polycrystalline silicon is deposited by CVD, and 875
Deposit phosphorus at 20 ° C. for 20 minutes. Thereafter, the polycrystalline silicon film is processed into a fine line shape having a width of 0.08 μm by photolithography and dry etching to form a first gate electrode 3 (FIG. 6B). Next, as an interlayer insulating film 7, PSG (Phospho
A silicon oxide film (silicate glass) film is deposited by an LPCVD method. Next, 100 nm of polycrystalline silicon is deposited by the CVD method, and phosphorus deposition is performed at 875 ° C. for 20 minutes. After that, the width is formed into a shape covering a part of the fine line-shaped first gate formed by photolithography and dry etching.
The polycrystalline silicon film is processed to a thickness of 0.3 μm to form a second gate electrode 4 (FIG. 6C). Then, PSG (Phospho Silicate Glas
s) A silicon oxide film 7 such as a film is deposited by an LPCVD method to form an interlayer insulating film, a contact hole is opened by photolithography and dry etching, and an aluminum wiring 11 is formed, as shown in FIG. 6 (d). As a result, a desired semiconductor device having a plan view of a main part in FIG. 1A and a cross-sectional view along the line AA 'in FIG. 1B was obtained. The device obtained as described above exhibited conduction characteristics as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). In this embodiment, a p-type substrate is used, but if all the polarities are changed, a p-channel MIS field-effect transistor using an n-type substrate can be realized. Example 2 A semiconductor device shown in FIG. 7 was obtained by the same process as in Example 1. The difference from the first embodiment is that the width of the second gate electrode is 0.05 μm, the electrons in the portion under the control of the energy level are close to zero-dimensional, and the state density is shown in FIG. It is completely discontinuous as shown in FIG. In addition, as a result of suppressing the influence of scattering in this portion, the conduction becomes close to ballistic. FIG. 8 (b) shows, for comparison, the state density of electrons below the first gate electrode where the second gate electrode is not located. As a result, in this embodiment, as shown in FIG. 9, the vibration could be made clearer than in the first embodiment. Third Embodiment FIG. 10 is a process chart of manufacturing a semiconductor device having an MIS field-effect transistor according to another embodiment of the present invention. Specific resistance
An element isolation region (not shown) is formed on a 10 degree-cm 0 degree off p-type Si substrate 5 by a normal LOCOS method. Next, a resist was applied to a thickness of 1 μm, and the shape shown in FIG. 10A was obtained by photolithography and hydrazine etching.
Of course, instead of hydrazine etching, an etching technique having a plane orientation dependency may be used. In short, the tenth
This is to form a swirled shape as shown in FIG. Thereafter, a resist is applied to a thickness of 1 μm, and an opening is provided at a predetermined portion by photolithography, that is, at the apex of the center triangle in FIG. 10A, which is a channel region, to control the threshold voltage. At a 40 kV accelerating voltage, 1 × 10 13
Drive in only cm- 2 . Of course, this implantation may use arsenic ions. Next, SiO 2 6 ′ is deposited by a CVD method. Thereafter, a resist is applied to a thickness of 1 μm, and a predetermined portion, that is, a source region 1, is formed by photolithography.
Openings are provided in the two n + diffusion layer regions of the drain region 2,
Arsenic ions are implanted at an acceleration voltage of 120 kV. The implantation amount was 1 × 10 15 cm −2 . Of course, these n + diffusion layer regions may be formed using phosphorus ions. 900 ℃, 10
10 (b) by the annealing process in a nitrogen atmosphere
become that way. Then deposit 10nm polycrystalline silicon,
Deposit phosphorus at 875 ° C for 20 minutes. afterwards,
The polycrystalline silicon film is processed by photolithography and dry etching to form a second gate electrode 4 having a width of 0.3 μm.
0 As shown in FIG. Thereafter, when the aluminum electrode wiring 17 was applied in the same process as in Example 1, the result was as shown in FIG. 10 (d). According to the present embodiment, since a channel is formed at the apex of the triangle, a channel that is extremely narrower than that of the first embodiment can be formed, so that the characteristics (vibration) are clearer than those shown in FIG. Can be obtained. In this embodiment, a p-type substrate is used. However, if all the polarities are changed, a p-channel MIS field-effect transistor using an n-type substrate can be realized. Example 4 A semiconductor device shown in FIG. 11 was obtained by the same process as in Example 3. The difference from the third embodiment is that the width of the second gate is 0.05 μm, the electrons in the portion subjected to the control of the energy level are nearly zero-dimensional, and the state density is shown in FIG. ) Is completely discontinuous. Further, as a result of suppressing the influence of scattering, the conduction is close to ballistic. As a result, in this embodiment, the vibration could be clarified more than in the third embodiment. Fifth Embodiment FIG. 12 is a circuit diagram of an example in which an exclusive OR circuit is configured using the semiconductor device according to the first to fourth embodiments.
The two output terminals V IN 1 and V IN 2 are connected to the second
The output terminal V OUT is connected to one of the source 1 ′ or the drain 2 ′, and the power supply terminal V D is connected to one of the source 1 ′ or the drain 2 ′ via a resistor. Or the other of the drain 2 'is grounded. When a semiconductor device having the characteristics shown in FIG. 13 was used, the output corresponding to the input was as shown in Table 1, and an exclusive OR circuit could be formed.
以上、述べた本発明によれば、1次元伝導に起因して
形成される不連続なエネルギー準位の制御を利用し、第
2のゲート電極によって、MIS型電界効果トランジスタ
の伝導度を周期的に変調させることができる。これは、
マクロなデバイスでは複雑な回路構成が必要とされる特
性を、微細なしかも単1の素子で実現するものである。
その意味で本発明は、将来のLSI等に有効となりうる。According to the present invention described above, the conductivity of the MIS field effect transistor is periodically controlled by the second gate electrode by utilizing the control of the discontinuous energy level formed due to the one-dimensional conduction. Can be modulated. this is,
In a macro device, a characteristic that requires a complicated circuit configuration is realized by a fine and single element.
In this sense, the present invention can be effective for future LSIs and the like.
第1図(a)は本発明の電界効果トランジスタの一実施
例の平面図、第1図(b)はそのAA′線断面図、第2図
はエネルギー準位を示す図、第3図は1次元チャネルMO
S型電界効果トランジスタの電圧電流特性を示す図、第
4図は第2のゲート電極の働きを説明するための素子の
断面図、第5図は電流の第2のゲート電圧依存性を示す
図及び電圧電流特性を示す図、第6図は実施例1の電界
効果トランジスタの製造工程図、第7図は実施例2の電
界効果トランジスタの断面図、第8図は0次元と1次元
の状態密度を示す図、第9図は実施例2の電界効果トラ
ンジスタの特性を示す図、第10図は実施例3の電界効果
トランジスタ製造工程を示す図、第11図は実施例4の電
界効果トランジスタの断面図、第12図は本発明によって
構成したエクスクルーシブオア回路図、第13図はエクス
クルーシブオア回路を実現したときの半導体装置の特性
図である。 1……ソース領域、2……ドレイン領域 1′……ソース、2′……ドレイン 3……第1のゲート電極、4……第2のゲート電極 5……Si基板、6……ゲート酸化膜 6′……SiO2、7……層間絶縁膜 8……チャネル、9……素子分離領域 10……多結晶シリコン、11……アルミ電極1 (a) is a plan view of one embodiment of the field effect transistor of the present invention, FIG. 1 (b) is a sectional view taken along the line AA ', FIG. 2 is a view showing energy levels, FIG. One-dimensional channel MO
FIG. 4 is a diagram showing voltage-current characteristics of an S-type field effect transistor, FIG. 4 is a cross-sectional view of an element for explaining the function of a second gate electrode, and FIG. 5 is a diagram showing the second gate voltage dependence of current. FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the field-effect transistor according to the first embodiment, FIG. 7 is a cross-sectional view of the field-effect transistor according to the second embodiment, and FIG. FIG. 9 is a view showing the density, FIG. 9 is a view showing the characteristics of the field-effect transistor of the second embodiment, FIG. 10 is a view showing the manufacturing process of the field-effect transistor of the third embodiment, and FIG. , FIG. 12 is an exclusive OR circuit diagram constructed according to the present invention, and FIG. 13 is a characteristic diagram of a semiconductor device when an exclusive OR circuit is realized. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Source area, 2 ... Drain area 1 '... Source, 2' ... Drain 3 ... 1st gate electrode 4 ... 2nd gate electrode 5 ... Si substrate, 6 ... Gate oxidation film 6 '...... SiO 2, 7 ...... interlayer insulating film 8 ...... channel 9 ...... isolation region 10 ...... polycrystalline silicon, 11 ...... aluminum electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−154668(JP,A) 特開 昭61−57119(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/78 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-62-154668 (JP, A) JP-A-61-57119 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 29/78
Claims (12)
表面に所定の間隔を置いて形成された、該第1導電型と
異なる導電型である第2導電型のソース、ドレイン領域
と、該ソース、ドレイン領域の間の該半導体基板上にゲ
ート絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極とから
なる絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有する半導体
装置において、 上記第1のゲート電極の幅は、上記第1のゲート電極に
より形成されるチャネルが電子の1次元伝導を構成する
幅とし、 上記第1のゲート電極の1部分に、絶縁膜を介して、上
記チャネルの幅を狭くするように第2のゲート電極を配
置したことを特徴とする半導体装置。1. A semiconductor substrate of a first conductivity type, and source and drain regions of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate at predetermined intervals and having a conductivity type different from the first conductivity type. A first gate electrode formed on the semiconductor substrate between the source and drain regions with a gate insulating film interposed therebetween, comprising: an insulated gate field effect transistor; The width is such that the channel formed by the first gate electrode forms one-dimensional conduction of electrons, and the width of the channel is reduced in one portion of the first gate electrode via an insulating film. Semiconductor device, wherein the second gate electrode is arranged as described above.
記第1のゲート電極の幅が0.1μm以下であることを特
徴とする半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said first gate electrode has a width of 0.1 μm or less.
て、上記第2ゲート電極の幅が0.1μm以下であること
を特徴とする半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of said second gate electrode is 0.1 μm or less.
表面に所定の間隔を置いて形成された、該第1導電型と
異なる導電型である第2導電型のソース、ドレイン領域
と、該ソース、ドレイン領域の間にチャネルを形成する
ために該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成され
たゲート電極とからなる絶縁ゲート型電界効果トランジ
スタを有する半導体装置において、 上記ゲート電極の幅は、上記ゲート電極により形成され
るチャネルが電子の1次元伝導を構成する幅とし、 上記チャネルを走行する電子のエネルギーの量子化され
たエネルギーレベルを上げるように制御する手段を有す
ることを特徴とする半導体装置。4. A semiconductor substrate of a first conductivity type, and source and drain regions of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate at predetermined intervals and having a conductivity type different from the first conductivity type. A gate electrode formed on the semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween to form a channel between the source and drain regions, a semiconductor device having an insulated gate field effect transistor, The width is such that the channel formed by the gate electrode constitutes one-dimensional conduction of electrons, and has a means for controlling so as to increase the quantized energy level of the energy of the electrons traveling through the channel. Semiconductor device.
子化されたエネルギーレベルの制御を、絶縁膜を介在さ
せて上記ゲート電極と電気的に絶縁した第2のゲート電
極によって行うことを特徴とする半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the control of the quantized energy level is performed by a second gate electrode which is electrically insulated from said gate electrode via an insulating film. Semiconductor device.
て、上記チャネルのエネルギーレベルの制御される部分
は、その長さが0.1μm以下であることを特徴とする半
導体装置。6. The semiconductor device according to claim 4, wherein a portion of the channel whose energy level is controlled has a length of 0.1 μm or less.
表面に所定の間隔を置いて形成された、該第1導電型と
異なる導電型である第2導電型のソース、ドレイン領域
と、該ソース、ドレイン領域の間に形成されたチャネル
とからなる絶縁ゲート型電界効果トランジスタを有する
半導体装置において、 上記チャネルの幅は、上記チャネルが電子の1次元伝導
を構成する幅とし、 上記チャネルの1部分に、絶縁膜を介して、上記チャネ
ルの幅を狭くするようにゲート電極を配置したことを特
徴とする半導体装置。7. A semiconductor substrate of a first conductivity type, and source and drain regions of a second conductivity type, which are formed at predetermined intervals on a surface of the semiconductor substrate and have a different conductivity type from the first conductivity type, A semiconductor device having an insulated gate field effect transistor comprising a channel formed between the source and drain regions, wherein the width of the channel is such that the channel forms one-dimensional conduction of electrons; A semiconductor device, wherein a gate electrode is arranged at one portion of the semiconductor device via an insulating film so as to reduce the width of the channel.
記チャネルの幅が0.1μm以下であることを特徴とする
半導体装置。8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the width of the channel is 0.1 μm or less.
て、上記ゲート電極の幅が0.1μm以下であることを特
徴とする半導体装置。9. The semiconductor device according to claim 7, wherein said gate electrode has a width of 0.1 μm or less.
板表面に所定の間隔を置いて形成された、該第1導電型
と異なる導電型である第2導電型のソース、ドレイン領
域と、該ソース、ドレイン領域の間の該半導体基板上に
ゲート絶縁膜を介して設けた第1のゲート電極と、該第
1のゲート電極の1部分に絶縁膜を介して設けた第2の
ゲート電極とからなる絶縁ゲート型電界効果トランジス
タを有し、 上記第1のゲート電極の幅は、上記第1のゲート電極に
より形成されるチャネルが電子の1次元伝導を構成する
幅とし、 上記第2のゲート電極は、上記チャネルの幅を狭くする
ように構成され、 上記第2のゲート電極とそれぞれ抵抗を介して接続され
た2個の入力端子と、 上記ソース、ドレイン領域の一方と接続された出力端子
及び抵抗を介して接続された電源端子と、上記ソース、
ドレイン領域の他方と接続された接地端子とを有するこ
とを特徴とする論理回路。10. A semiconductor substrate of a first conductivity type, and source and drain regions of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate at predetermined intervals and having a conductivity type different from the first conductivity type. A first gate electrode provided on the semiconductor substrate between the source and drain regions via a gate insulating film, and a second gate provided on a portion of the first gate electrode via an insulating film An insulated gate field effect transistor comprising: an electrode; and a width of the first gate electrode is such that a channel formed by the first gate electrode constitutes one-dimensional conduction of electrons; The gate electrode is configured to reduce the width of the channel, and is connected to two input terminals connected to the second gate electrode via resistors, respectively, and to one of the source and drain regions. Output terminal and resistance Power source terminal connected via
A logic circuit having a ground terminal connected to the other of the drain regions.
板表面に所定の間隔を置いて形成された、該第1導電型
と異なる導電型である第2導電型のソース、ドレイン領
域と、該ソース、ドレイン領域の間にチャネルを形成す
るために該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けた
ゲート電極と、該チャネルを走行する電子のエネルギー
の量子化されたエネルギーレベルを上げるように制御す
る手段とからなる絶縁ゲート型電界効果トランジスタを
有し、 上記ゲート電極の幅は、上記ゲート電極により形成され
るチャネルが電子の1次元伝導を構成する幅とし、 上記エネルギーレベルを制御する手段にそれぞれ抵抗を
介して接続された2個の入力端子と、上記ソース、ドレ
イン領域の一方と接続された出力端子及び抵抗を介して
接続された電源端子と、該ソース、ドレイン領域の他方
と接続された接地端子とを有することを特徴とする論理
回路。11. A semiconductor substrate of a first conductivity type, and source and drain regions of a second conductivity type, which are formed at predetermined intervals on the surface of the semiconductor substrate and have a conductivity type different from the first conductivity type. A gate electrode provided on the semiconductor substrate via a gate insulating film to form a channel between the source and drain regions, and a step of increasing a quantized energy level of energy of electrons traveling through the channel. The width of the gate electrode is a width of a channel formed by the gate electrode constituting one-dimensional conduction of electrons, and the energy level is controlled. Means, two input terminals connected to each other via a resistor, an output terminal connected to one of the source and drain regions, and a power supply connected via a resistor. Logic circuit and having a terminal, the source, and a ground terminal connected to the other drain regions.
板表面に所定の間隔を置いて形成された、該第1導電型
と異なる導電型である第2導電型のソース、ドレイン領
域と、該ソース、ドレイン領域の間に設けられたチャネ
ルと、該チャネルの1部分に絶縁膜を介して設けられた
ゲート電極とからなる絶縁ゲート型電界効果トランジス
タを有し、 上記チャネルの幅は、上記チャネルが電子の1次元伝導
を構成する幅とし、 上記ゲート電極は、上記チャネルの幅を狭くするように
構成し、 上記ゲート電極にそれぞれ抵抗を介して接続された2個
の入力端子と、上記ソース、ドレイン領域の一方と接続
された出力端子及び抵抗を介して接続された電源端子
と、該ソース、ドレイン領域の他方と接続された接地端
子とを有することを特徴とする論理回路。12. A semiconductor substrate of a first conductivity type, and source and drain regions of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate at predetermined intervals and having a conductivity type different from the first conductivity type. A channel provided between the source and drain regions, and an insulated gate field effect transistor including a gate electrode provided on one portion of the channel with an insulating film interposed therebetween. The channel has a width that constitutes one-dimensional conduction of electrons, the gate electrode is configured to reduce the width of the channel, and two input terminals connected to the gate electrode via resistors, respectively, An output terminal connected to one of the source and drain regions, a power terminal connected via a resistor, and a ground terminal connected to the other of the source and drain regions. Circuit.
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