JP3203878B2 - 量子井戸構造体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシリコン半導体による一
次元電子ガスおよび０次元電子ガスを形成する量子井戸
構造体とその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のシリコン半導体による量子井戸構
造とその形成方法としては、例えばA.C.Warrenらによっ
て、１９８６年のPhysical Review Letters vol.17の18
58ページ以降に示されている。

【０００３】図３はこの従来の量子井戸構造体を示す図
であり、１０１はシリコン基板、１０２は誘電体、１０
３は、前記シリコン基板と前記１０２は誘電体界面に二
次元電子ガスを発生させる第一のゲート電極、１０４は
前記二次元電子ガスを制御する平行する複数の制御電
極、１０５は量子井戸構造（１次元電子ガス）である。

【０００４】以上のように構成された従来の量子井戸構
造体においては、ゲート電極１０３に正電圧を印加する
と、シリコン基板１０１と誘電体１０２との界面に２次
元電子ガスが形成される。そしてゲート電極１０３に正
電圧、制御電極１０４に負電圧を印加したとき、シリコ
ン基板１０１と誘電体１０２の界面に発生した二次元電
子ガスが、前記制御電極１０４による負電位により反発
し、制御電極間に押し寄せられ、一次元化し、制御電極
と制御電極との間の誘電体１０２とシリコン基板１０１
との界面だけに一次元電子ガスによる量子井戸が形成さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のよ
うな構成では、誘電体１０２の膜厚を厚くする必要があ
り、加えてゲート電極１０３への印加電圧を高くする必
要があり、従って消費電力が多いという問題点を有して
いた。

【０００６】本発明はかかる点に鑑み、電極への印加電
圧が低く、低消費電力で量子井戸が実現できる量子井戸
構造体およびその製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の量子井戸構造
は、基板シリコン層の上にシリコン酸化膜層を有し、さ
らにシリコン酸化膜層の表面に薄膜シリコン単結晶層を
備えたＳＯＩ基板に、前記基板シリコン層とシリコン酸
化膜層の界面全面に高濃度不純物拡散層を有し、前記薄
膜シリコン単結晶層表面にゲート酸化膜層をとおして平
行に対向する制御用ゲートを有する構造と、前記薄膜シ
リコン単結晶層とシリコン酸化膜層を貫いて前記高濃度
不純物拡散層に接続する電極を具備し、前記高濃度不純
物拡散層に正電圧を印加することにより前記薄膜シリコ
ン単結晶層に発生する二次元電子ガスを、前記平行に対
向する制御用ゲート電極に負電圧を印加することによっ
て前記制御用ゲート電極間に閉じ込めた一次元電子ガス
を形成することを特徴とする量子井戸構造、である。さ
らに、前記制御用ゲート電極が、前記薄膜シリコン単結
晶層上で正多角形もしくは円状の開口部を具備する量子
井戸構造体である。

【０００８】また、本発明による量子井戸構造形成方法
は、基板シリコン層の上にシリコン酸化膜層を有し、さ
らに前記シリコン酸化膜層の表面に薄膜シリコン単結晶
層を備えたＳＯＩ（シリコン オン インシュレータ
ー）構造基板に、ドナーもしくはアクセプターイオンを
注入後、アニールし、前記基板シリコン層とシリコン酸
化膜層の界面全面に高濃度不純物拡散層を形成する工程
に引続き、レジストを塗布し所望のパターニングを施し
た後、前記薄膜シリコン単結晶層およびシリコン酸化膜
層をエッチング除去しコンタクト・ホールを形成し、さ
らに前記レジストを除去後、化学的堆積法によってシリ
コン酸化膜層を堆積し、その後レジストを塗布し所望の
パターンニングを施し、前記シリコン酸化膜層をエッチ
ングし、制御ゲート電極用パターンを形成し、続いて熱
酸化を施し前記制御ゲート電極用パターン部分にゲート
酸化膜を形成し、最後に導電体を全面に堆積後、所望の
配線パターンを形成する工程から成るものである。

【０００９】

【作用】本発明は前記した構成により、ＳＯＩ基板によ
る極めて薄いシリコン層およびに酸化膜層を用いること
により、従来に比して低い印加電圧により、量子井戸を
形成する。

【００１０】

【実施例】図１（ａ）は本発明の第１の実施例における
量子井戸構造図を示すものである。図１（ａ）におい
て、１はシリコン基板、２はシリコン酸化膜層、３は表
面の薄膜シリコン層である。

【００１１】シリコン基板１、シリコン酸化膜層２、薄
膜シリコン層３は、一体となってＳＯＩ（シリコン オ
ン インシュレーター）構造基板を構成する。シリコン
酸化膜層２は約３００ｎｍ厚、薄膜シリコン層３は約１
００ｎｍの薄膜層である。

【００１２】さらに、４は高濃度不純物拡散領域、５は
バックゲート電極、６は制御ゲート、１５は制御ゲー
ト、３０は一次元電子ガスである。高濃度不純物拡散領
域４の厚さは１００ｎｍ以上で、シート抵抗は１オーム
・ｃｍ程度である。

【００１３】以上のように構成されたこの実施例の量子
井戸構造体において、以下その動作を説明する。

【００１４】バックゲート電極に正の電圧を３Ｖ印加し
たとき、高濃度不純物拡散領域４はバックゲート電極と
ほぼ同電位となり、シリコン基板１とシリコン酸化膜層
２の界面に、二次元電子ガスが誘導される。

【００１５】さらに、制御ゲート電極６に約５Ｖの負電
圧を印加すると、二次元電子ガスは制御ゲート電極１５
の負電位により反発され、制御ゲート６を挟む領域に集
中する。これにより幅１００〜３０ｎｍの一次元電子ガ
ス３０が形成さる。

【００１６】以上のようにこの実施例によれば、低電圧
の印加によってバックゲート電圧を利用した反転層によ
る一次元量子井戸を形成することができる。

【００１７】図２は本発明の第２の実施例における量子
井戸構造の製造方法を示すものである。図２において、
１はシリコン基板、２はシリコン酸化膜層、３は表面の
薄膜シリコン層である。前記シリコン基板１、シリコン
酸化膜層２、薄膜シリコン層３は、一体となってＳＯＩ
（シリコン オン インシュレーター）構造基板を構成
する。シリコン酸化膜層２は約３００ｎｍ厚、薄膜シリ
コン層３は約１００ｎｍの薄膜層である。さらに、４は
高濃度不純物拡散領域、５はバックゲート電極、６は制
御ゲート、３０は一次元電子ガスである。高濃度不純物
拡散領域４の厚さは１００ｎｍ以上で、シート抵抗は１
オーム・ｃｍ程度である。１０はイオン注入時の表面荒
れを防ぐ酸化膜、１２はバックゲート電極に接続する基
板コンタクトホール。１３は基板と電極とのリークを防
ぐ絶縁膜、１４は制御ゲート用コンタクト溝、１５は制
御ゲート電極、１６はバックゲート電極、１７は制御ゲ
ート酸化膜を示す。

【００１８】以上のように構成されたこの実施例の量子
井戸構造の形成方法において、以下図２を用いてその製
造方法を説明する。

【００１９】図２(a)のように、シリコン基板３の上に
約３００ｎｍ厚シリコン酸化膜層２を有し、さらにシリ
コン酸化膜層２の表面に約１００ｎｍの薄膜シリコン単
結晶層１を備えたＳＯＩ（シリコン オン インシュレ
ーター）構造基板に、厚さ２０ｎｍの酸化膜１０を化学
的蒸着法によって蒸着する。 続いて、ひ素イオンを約
１ＭｅＶの加速電圧で１０¹⁶ｃ／ｃｍ²程度のドーズ量
で注入後、８００°Ｃ、３０分アニールし、前記基板シ
リコン基板３の下部のシリコン酸化膜層２との界面全面
にひ素イオン濃度約１０²¹ｃｍ^-3程度の高濃度不純物拡
散層を形成する。

【００２０】次に、図２(b)に示すように、レジストを
塗布し矩形のパターニングを施した後、前記酸化膜１０
を除去後、レジスト２０をエッチングマスクとして、薄
膜シリコン単結晶層１およびシリコン酸化膜層２をエッ
チング除去し基板コンタクト・ホール１２を形成する。

【００２１】続いて、図２(c)に示すように、レジスト
２０を除去後、化学的堆積法によってシリコン酸化膜に
よる絶縁膜層１３層を厚さ２００ｎｍで堆積する。

【００２２】続いて、リソグラフィにより図２（ｄ）に
示す平行する一対の制御電極用コンタクト溝１４のパタ
ーンニングを施し、絶縁膜層１３をエッチングし、制御
ゲート電極用パターンを形成する。

【００２３】次に、制御ゲート電極用コンタクト溝１４
の部分に、Ａｌ膜を全面に堆積後、制御ゲート電極１５
並びに基板コンタクトホールのバックゲート電極１６の
所望の配線パターンを形成する。

【００２４】以上のようにこの実施例によれば、ＳＯＩ
基板をもちいて基板シリコン層にバックゲートを、表面
の薄膜シリコン層に制御ゲートを設け、バックゲート電
極に正の電圧を印加し、制御ゲート電極１７に負電圧を
印加することにより、幅１００〜３０ｎｍの一次元電子
ガス３０の量子井戸構造を形成することができる。

【００２５】なお、第１および第２の実施例において、
制御ゲート６及び制御ゲート電極用コンタクト溝１４の
形状は一対の平行する溝状としたが、正多角形もしくは
円形の窓状の溝としてもよい。例えば電極に円状の窓を
あけた場合、図１(c)に示すように制御電極６にあけた
円状の窓の直下には、円上の窓の直下に閉じ込められた
０次元電子ガスによる量子井戸が形成される。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低電圧の印加によってバックゲート電圧を利用した反転
層による一次元量子井戸の形成方法を提供することがで
き、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例における量子井
戸構造の断面図 （ｂ）は本発明の第１の実施例における制御ゲート用コ
ンタクト溝１４の上面図 （ｃ）は本発明の第２の実施例における制御ゲートコン
タクト溝１４の上面図

【図２】（ａ）は第３の実施例における量子井戸構造の
形成方法の説明図 （ｂ）は第３の実施例における量子井戸構造の形成方法
の説明図 （ｃ）は第３の実施例における量子井戸構造の形成方法
の説明図 （ｄ）は第３の実施例における量子井戸構造の形成方法
の説明図 （ｅ）は第３の実施例における量子井戸構造の形成方法
の説明図

【図３】従来の量子井戸構造体の断面図

【符号の説明】

１ シリコン単結晶層 ２ シリコン酸化膜層 ３ シリコン基板 ４ 高濃度不純物拡散領域 ５ バックゲート電極 ６ 制御ゲート １０ 酸化膜 １２ 基板コンタクトホール １３ 絶縁膜 １４ 制御ゲート用コンタクト溝 １５ 制御ゲート電極 １６ バックゲート電極 １７ 制御ゲート酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 正昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 安井 十郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 岡田 健治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 宇田川 昌治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−259439（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−95111（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−80964（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−204660（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/66 H01L 29/68 H01L 29/06 H01L 29/775

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板シリコン層の上にシリコン酸化膜層を
   有し、さらにシリコン酸化膜層の表面に薄膜シリコン単
   結晶層を備えたＳＯＩ半導体基板に、前記基板シリコン
   層とシリコン酸化膜層の界面全面に形成した高濃度不純
   物拡散層と、前記薄膜シリコン単結晶層表面にゲート酸
   化膜層上に一対の平行に対向する制御用ゲートと、前記
   薄膜シリコン単結晶層とシリコン酸化膜層を貫いて前記
   高濃度不純物拡散層に接続する電極とを具備し、前記高
   濃度不純物拡散層に正電圧を印加することにより前記薄
   膜シリコン単結晶層に発生する二次元電子ガスを、前記
   制御用ゲート上の制御用ゲート電極に負電圧を印加する
   ことによって前記制御用ゲート電極間に閉じ込めた一次
   元電子ガスを形成することを特徴とする量子井戸構造
   体。
2. 【請求項２】基板シリコン層の上にシリコン酸化膜層を
   有し、さらに前記シリコン酸化膜層の表面に薄膜シリコ
   ン単結晶層を備えたＳＯＩ構造基板の、前記基板シリコ
   ン層とシリコン酸化膜層の界面に高濃度不純物拡散層を
   形成する第一の工程と、前記薄膜シリコン単結晶層およ
   びシリコン酸化膜層をエッチング除去しコンタクト・ホ
   ールを形成する第二の工程と、シリコン酸化膜層を堆積
   する第三の工程と、前記シリコン酸化膜層をエッチング
   し、制御ゲートパターンを形成する第四の工程と、前記
   制御ゲート電極用パターン部分に制御ゲート電極を形成
   する工程とを有することを特徴とする量子井戸構造体の
   製造方法。
3. 【請求項３】制御用ゲートが、前記薄膜シリコン単結晶
   層上で正多角形もしくは円状の開口部を具備することを
   特徴とする請求項１に記載の量子井戸構造体。