JP3512975B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP3512975B2 JP6130497A JP6130497A JP3512975B2 JP 3512975 B2 JP3512975 B2 JP 3512975B2 JP 6130497 A JP6130497 A JP 6130497A JP 6130497 A JP6130497 A JP 6130497A JP 3512975 B2 JP3512975 B2 JP 3512975B2
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【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に単一電子素子およびその応用回路素子とその製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device,
In particular, the present invention relates to a single electronic device, its application circuit device, and its manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】図23を参照して従来の室温で動作する
単一電子トランジスタの構造を説明する。シリコン基板
101上に酸化膜102を介して形成されたSOI(Si
liconOn Insulator)層に、微細エッチングとその後の
熱酸化によりシリコン量子細線103が形成され、その
各両端がソース・ドレインとなっている。量子細線10
3上にはゲート酸化膜104を介してゲート電極105
が形成されている。
2. Description of the Related Art The structure of a conventional single-electron transistor operating at room temperature will be described with reference to FIG. An SOI (Si (Si) formed on a silicon substrate 101 via an oxide film 102.
The silicon quantum wires 103 are formed in the liconOn Insulator) layer by fine etching and subsequent thermal oxidation, and both ends of the silicon quantum wires 103 serve as a source and a drain. Quantum wire 10
On the gate electrode 105 via the gate oxide film 104.
Are formed.

【0003】図23に示した従来構造の単一電子トラン
ジスタでは、エッチングと熱酸化により細線103中に
形成されるシリコンアイランドは、10nmよりも粒径
が小さい非常に微少なものになるため、アイランドの全
容量を1aF程度にすることができる。従って室温にお
いてクーロンブロッケイド現象が可能となり、単一電子
トランジスタとしての室温素子動作が実現できる(例え
ば、H.Ishikuro et al., Proc. of SSDM p82(1995), Y.
Takahashi et al., Dig. of IEDM p938 (1994)を参
照)。
In the conventional single-electron transistor shown in FIG. 23, the silicon islands formed in the fine wires 103 by etching and thermal oxidation have very small grain sizes smaller than 10 nm. Can have a total capacity of about 1 aF. Therefore, the Coulomb blockade phenomenon becomes possible at room temperature, and the room temperature device operation as a single electron transistor can be realized (for example, H. Ishikuro et al., Proc. Of SSDM p82 (1995), Y.
Takahashi et al., Dig. Of IEDM p938 (1994)).

【0004】図23に示した従来構造の単一電子トラン
ジスタでは、シリコン量子細線中のシリコンアイランド
はエッチングとその後の酸化工程において自然形成され
るものであるため、熱的揺らぎにより細線中におけるア
イランド構成や各アイランドの容量といったデバイスの
基本要素が制御不能であった。そのため、均一性・再現
性がなく、デバイス構造の設計が不可能であるという問
題があった。
In the conventional single-electron transistor shown in FIG. 23, since the silicon islands in the silicon quantum wires are naturally formed during the etching and the subsequent oxidation process, the island structure in the wires is caused by thermal fluctuation. The basic elements of the device such as and the capacity of each island were out of control. Therefore, there is a problem that there is no uniformity and reproducibility and it is impossible to design a device structure.

【0005】単一電子素子を不揮発性半導体記憶装置に
応用する試みも為されている。図24を参照して従来の
単一電子MOSFET型不揮発性半導体記憶装置の構造
を説明する(S.Tiwari and F.Rana et al., IEDM Dig.,
p521 (1955)参照)。
Attempts have also been made to apply a single electronic device to a nonvolatile semiconductor memory device. The structure of a conventional single-electron MOSFET type non-volatile semiconductor memory device will be described with reference to FIG. 24 (S. Tiwari and F. Rana et al., IEDM Dig.,
p521 (1955)).

【0006】p型シリコン基板111中にソース・ドレ
イン領域112が形成されており、基板表面には厚さ
1.5nm程度のトンネル酸化膜113を介して粒径5
nmのシリコン微粒子114がチャネル全体に均一に形
成されている。さらにその上に厚さ7nm程度の制御酸
化膜115を介してゲート電極116が形成されてい
る。
Source / drain regions 112 are formed in a p-type silicon substrate 111, and a grain size of 5 is formed on the substrate surface through a tunnel oxide film 113 having a thickness of about 1.5 nm.
nm fine silicon particles 114 are uniformly formed over the entire channel. Further, a gate electrode 116 is formed on the gate electrode 116 via a control oxide film 115 having a thickness of about 7 nm.

【0007】情報の書き込みはゲート電圧を+4V程度
かけることにより、チャネルにできる反転層のキャリア
電子をトンネル酸化膜113を通してトンネルさせ、シ
リコン微粒子114に注入、捕捉させることで行う。
Information is written by applying a gate voltage of about +4 V so that carrier electrons in the inversion layer that can be used as a channel are tunneled through the tunnel oxide film 113 and injected into and trapped in the silicon fine particles 114.

【0008】情報の読出しは、捕捉情報電荷によるゲー
ト電極から反転層への電界の遮蔽によるドレイン電流の
減少を観ることで行う。例えばシリコン微粒子の面密度
を1×1012cm-2であるとして、微粒子1個に1電子
づつ捕捉されていればMOSFETの閾値は0.36V
変化し、電流はサブスレショールド領域から5桁の違い
となって現れ、充分感知できるものである。
Information is read by observing the decrease in drain current due to the shielding of the electric field from the gate electrode to the inversion layer by the trapped information charges. For example, assuming that the surface density of silicon fine particles is 1 × 10 12 cm −2 , and one electron is trapped in each fine particle, the threshold value of the MOSFET is 0.36V.
The current changes and appears as a five-digit difference from the subthreshold region, which is sufficiently perceptible.

【0009】情報の消去は書き込みと逆にゲート電圧を
マイナスにかけることで、捕捉電子をトンネル酸化膜1
12を透してシリコン微粒子114からチャネルへトン
ネルさせることで行う。図25は従来の単一電子トラン
ジスタ型不揮発性半導体記憶装置の等価回路図を示す。
Information is erased by applying a negative gate voltage, which is the reverse of writing, to trap electrons in the tunnel oxide film 1.
It is performed by tunneling 12 through the silicon fine particles 114 to the channel. FIG. 25 shows an equivalent circuit diagram of a conventional single-electron transistor type nonvolatile semiconductor memory device.

【0010】図24および図25に示した従来の単一電
子MOSFET型不揮発性記憶装置の書き込み消去動作
は、図26に示すようにトンネル接合と標準キャパシタ
ンスにより行われる。
The write / erase operation of the conventional single-electron MOSFET type non-volatile memory device shown in FIGS. 24 and 25 is performed by the tunnel junction and the standard capacitance as shown in FIG.

【0011】図27にそのその書き込み消去動作を示
す。情報電荷蓄積部であるシリコン微粒子におけるクー
ロンブロッケイド効果により情報電荷は素電荷qを単位
に量子化されるため、図27のようにステップ状の特性
になる。
FIG. 27 shows the write / erase operation. Since the information charges are quantized in the unit of the elementary charge q due to the Coulomb blockade effect in the silicon fine particles which are the information charge accumulating portion, they have a stepwise characteristic as shown in FIG.

【0012】書き込み電圧をかけることで、トンネル接
合を介して情報電荷蓄積部であるシリコン微粒子に情報
電荷供給源であるチャネルから書き込まれた情報電荷
は、書き込み電圧をかけない状態に戻してもトンネル時
間の遅れによりすぐにはチャネルに戻らないためヒステ
リシスが生じる。
By applying the write voltage, the information charges written from the channel, which is the information charge supply source, to the silicon fine particles, which are the information charge storage part, through the tunnel junction are tunneled even if they are returned to the state where the write voltage is not applied. Due to the time delay, the channel is not returned to immediately and hysteresis occurs.

【0013】従ってシリコン微粒子に情報電荷が書き込
まれても、書き込み電圧をかけない状態に戻した時より
エネルギー的に安定な状態、即ち情報電荷が書き込まれ
ていない状態に戻ろうとするため、情報電荷がチャネル
に逃げて消失してしまい易く、よって記憶保持時間が短
いという問題があった。
Therefore, even if the information charge is written in the silicon fine particles, the information charge tends to return to a more energy stable state, that is, the state in which the information charge is not written, when the information charge is returned to the state in which the write voltage is not applied. Has a problem that it easily escapes to the channel and disappears, and thus the memory retention time is short.

【0014】さらに、記憶保持時間を長くするために
は、トンネル酸化膜厚をある程度厚くしてトンネル時間
を長くする必要があるので、その分書き込み消去時間が
長くなりメモリ動作が遅くなるという問題があった。
Further, in order to lengthen the memory retention time, it is necessary to increase the tunnel oxide film thickness to some extent to lengthen the tunnel time, which causes a problem that the write / erase time becomes longer and the memory operation becomes slower. there were.

【0015】また、従来の単一電子不揮発性半導体記憶
装置では、情報電荷蓄積部である浮遊ゲートに電荷が蓄
積された状態を読み出すために、ソース・ドレイン間に
電圧を印加して電流を流そうとすると、チャネル中のピ
ンチオフ点よりもドレインよりの高電界領域で、浮遊ゲ
ートとチャネル間にも高電界がかかり、同様な読出し操
作を繰り返すうちに、シリコン微結晶のうちドレイン寄
りの電荷がドレイン側のチャネルに漏れてしまう。
In the conventional single-electron non-volatile semiconductor memory device, in order to read the state in which the electric charge is stored in the floating gate which is the information charge storage unit, a voltage is applied between the source and the drain to flow a current. In that case, a high electric field is applied between the floating gate and the channel in the electric field region higher than the drain in the channel from the pinch-off point. It leaks into the drain side channel.

【0016】特に微結晶を浮遊ゲートに用いた素子で
は、微結晶間での電荷の移動が殆どないような状況下
で、通常の浮遊ゲート素子では浮遊ゲート全体からの電
荷の漏れが起こらない場合でも、電荷が直接トンネリン
グするくらい薄いトンネル酸化膜を用いているため、ド
レイン寄りの微結晶からの電荷の漏れが問題になる。
Particularly, in an element using microcrystals as floating gates, under the condition that there is almost no movement of electric charges between microcrystals, in the case where an ordinary floating gate element does not leak charge from the entire floating gate. However, since a tunnel oxide film that is thin enough to directly tunnel the charges is used, leakage of the charges from the microcrystal near the drain becomes a problem.

【0017】結局、浮遊ゲートに貯えられている総電荷
量が変化するため、読出し時のドレイン電流の閾値がど
んどんずれてしまうといういわゆる reed disturbance
の問題が顕著になる。
After all, since the total amount of electric charge stored in the floating gate changes, the threshold value of the drain current during reading shifts more and more, so-called reed disturbance.
The problem of becomes remarkable.

【0018】また、同素子を多値メモリとして機能させ
ようとする場合は、ナノスケール微結晶への電荷の注入
がクーロンブロッケイド効果により抑制されることを利
用する方法をとることにより、多値メモリが実現可能で
ある。すなわち、1個目の電荷の蓄積から2個目の電荷
の蓄積をするのに要する電圧を、電荷をQ,微結晶の容
量をCとするとき、Q/Cで離散的に厳密に決めること
が可能である。
When the device is intended to function as a multi-valued memory, a multi-valued memory is obtained by utilizing the fact that the injection of charges into nanoscale crystallites is suppressed by the Coulomb blockade effect. A memory is feasible. That is, the voltage required for accumulating the first charge to the second charge is strictly determined discretely by Q / C, where Q is the charge and C is the capacity of the microcrystal. Is possible.

【0019】換言すれば、1個の微結晶の容量Cで閾電
圧が決定されるが、室温ではっきりした閾電圧を出すた
めにはシリコンのナノスケール微結晶の場合、サイズを
3nm程度以下に小さくする必要がある。自然形成法で
このような微小かつサイズの均一なナノスケール微結晶
を形成するのは非常に難しいため、結局この素子を多値
メモリとして活用するには他の何らかの方法を用いる必
要がある。
In other words, the threshold voltage is determined by the capacitance C of one microcrystal, but in order to obtain a clear threshold voltage at room temperature, in the case of a silicon nanoscale microcrystal, the size should be about 3 nm or less. Need to be small. Since it is very difficult to form such fine and uniform nanoscale crystallites by the natural formation method, it is necessary to use some other method in order to utilize this device as a multilevel memory.

【0020】以上のように、従来のナノスケール微結晶
を用いた浮遊ゲート型メモリ素子では、 read disturba
nce の問題並びに多値メモリ化が難しいという問題があ
った。
As described above, in the conventional floating gate type memory device using nanoscale crystallites, read disturba
There was a problem of nce and a problem that it was difficult to make multi-valued memory.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、デバイス設計および回路設計が可能な室温動作単一
電子素子の構造とその製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to provide a structure of a room temperature single electron device capable of device design and circuit design, and a manufacturing method thereof.

【0022】本発明の第2の目的は、記憶保持時間が長
くかつ高速動作が可能な単一電子MOSFET型不揮発
性半導体記憶素子の構造を提供しようとするものであ
る。
A second object of the present invention is to provide a structure of a single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device which has a long memory retention time and can operate at high speed.

【0023】本発明の第3の目的は、read disturbance
の問題が回避され、多値メモリ化が可能な単一電子M
OSFET型不揮発性半導体記憶素子を提供しようとす
るものである。
The third object of the present invention is read disturbance.
Single electron M that avoids the problem of multi-valued memory
It is intended to provide an OSFET type non-volatile semiconductor memory element.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成す
るために本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成さ
れた少なくとも1対の電極と、前記1対の電極間に形成
された溝と、前記溝の両側面に内接され、前記溝の両側
面との間に2つのトンネル接合を形成し、電子1個を保
持できる導電性微粒子とを具備することを特徴とする。
In order to achieve the first object, a semiconductor device of the present invention is formed between at least one pair of electrodes formed on a semiconductor substrate and the pair of electrodes. It is characterized by comprising a groove and conductive fine particles which are inscribed on both side surfaces of the groove and form two tunnel junctions between the groove and both side surfaces of the groove and which can hold one electron.

【0025】また上記半導体装置の製造方法は、半導体
基板上に第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極
上に、これと絶縁膜を介して対向するように第2の電極
を形成する工程と、前記絶縁膜を前記第2の電極の端部
に露出された側面よりエッチングすることにより、前記
第1および第2の電極間に溝を形成する工程と、導電性
微粒子を前記半導体基板の表面全体に散布することによ
り、前記溝の中に前記導電性微粒子を内抱させ、前記第
1および第2の電極と前記導電性微粒子との界面に2つ
のトンネル接合を形成する工程とを具備することを特徴
とする。
In the method for manufacturing a semiconductor device described above, a step of forming a first electrode on a semiconductor substrate and a step of forming a second electrode on the first electrode so as to face the first electrode with an insulating film interposed therebetween. A step of forming a groove between the first and second electrodes by etching the insulating film from the side surface exposed at the end of the second electrode; A step of causing the conductive fine particles to be contained in the groove by being dispersed over the entire surface of the semiconductor substrate, and forming two tunnel junctions at the interfaces between the first and second electrodes and the conductive fine particles. And is provided.

【0026】この構造の二重トンネル接合では、微細溝
中の微粒子は粒径が溝幅以下のものに限られるため、微
粒子のnmオーダー(1乃至10nm)の微小化ができ
る。さらに、電流が流れるのは抵抗が最も小さい経路で
あるから、微細溝幅と粒径がぴったりと一致する微粒子
のところで流れることになる。従って導電性アイランド
は室温動作可能な数nmに微細化できるのは勿論、微細
溝の溝幅を制御することでその粒径を制御することがで
きる。
In the double tunnel junction having this structure, since the fine particles in the fine groove are limited to have a particle diameter of not more than the groove width, it is possible to reduce the size of the fine particles to the nm order (1 to 10 nm). Further, since the current flows through the path having the smallest resistance, the current flows at the fine particles whose particle diameter and the fine groove width are exactly the same. Therefore, the conductive island can be miniaturized to several nm capable of operating at room temperature, and the grain size can be controlled by controlling the groove width of the fine groove.

【0027】この場合、各トンネル接合は粒径の分かっ
た微粒子と電極の壁との接触で構成されているため、ア
イランドの容量、トンネル抵抗といった基本パラメータ
も微細溝幅によって決まることになる。よって、微細溝
の溝幅を制御することで、均一性と再現性のある微小二
重トンネル接合が可能となり、デバイス設計、さらには
回路設計が可能な室温動作単一電子素子が達成できる。
In this case, since each tunnel junction is formed by contact between the fine particles of which the grain size is known and the wall of the electrode, basic parameters such as island capacitance and tunnel resistance are also determined by the fine groove width. Therefore, by controlling the groove width of the fine groove, it is possible to realize a micro double tunnel junction with uniformity and reproducibility, and it is possible to achieve a room temperature single electron device capable of device design and further circuit design.

【0028】上記第2の目的を達成するために本発明の
半導体装置では、半導体基板の表面に対向するように形
成されたソースとドレイン拡散層と、前記ソースとドレ
イン拡散層に挟まれた前記半導体基板上にゲート絶縁膜
を介して形成された電荷蓄積部である浮遊電極と、前記
浮遊電極下の前記半導体基板表面に形成されるチャネル
領域と、前記ゲート絶縁膜中に含まれ、電子1個の充電
エネルギーが熱揺らぎより大きいというクーロンブロッ
ケイド条件を満たす導電性微粒子とを具備し、前記導電
性微粒子と、それを取り囲む前記ゲート絶縁膜との間に
前記電荷の移動方向に形成された2つのトンネル接合と
を介して、前記浮遊電極に前記チャネル領域より前記電
荷を出し入れすることを特徴とする。
In order to achieve the second object, in the semiconductor device of the present invention, the source and drain diffusion layers are formed so as to face the surface of the semiconductor substrate, and the source and drain diffusion layers sandwich the source and drain diffusion layers. A floating electrode, which is a charge storage unit formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film, a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate below the floating electrode, and a channel region included in the gate insulating film. The conductive fine particles satisfying the Coulomb blockade condition that the charging energy is larger than the thermal fluctuation are formed, and the conductive fine particles and the gate insulating film surrounding the conductive fine particles are formed in the charge transfer direction. It is characterized in that the electric charge is taken in and out of the floating electrode through the two tunnel junctions.

【0029】上記半導体装置の製造方法は、半導体基板
上にゲート絶縁膜を介して電荷蓄積部である浮遊電極を
有する単一電子MOSFET型半導体装置の製造方法に
おいて、ソースまたはドレイン拡散層と前記浮遊電極と
の間にある前記ゲート酸化膜の端部を、外側よりエッチ
ングすることにより微細溝を形成する工程と、シリコン
微粒子を前記基板の表面全体に散布することにより、前
記シリコン微粒子を前記微細溝に内抱させ、前記シリコ
ン微粒子と前記微細溝の両側面との界面において、前記
浮遊電極に電荷を出し入れする方向に2つのトンネル接
合を形成する工程とを具備することを特徴とする。
In the method of manufacturing a semiconductor device described above, a single-electron MOSFET type semiconductor device having a floating electrode which is a charge storage portion on a semiconductor substrate via a gate insulating film is used. The step of forming fine grooves by etching the end portion of the gate oxide film between the electrodes from the outside, and the step of forming fine particles of silicon on the entire surface of the substrate to remove the fine silicon particles from the fine grooves. And forming two tunnel junctions in the interface between the silicon fine particles and both side surfaces of the fine groove in the direction in which electric charges are taken in and out of the floating electrode.

【0030】上記製造方法において、前記ゲート絶縁膜
はシリコン酸化膜であり、前記エッチングは、弗化アン
モニウムを含むエッチング液を用いて行われることが望
ましい。
In the above manufacturing method, it is preferable that the gate insulating film is a silicon oxide film and the etching is performed using an etching solution containing ammonium fluoride.

【0031】本発明の半導体装置の他の製造方法は、シ
リコン基板表面の第1の酸化膜上に、ポリシリコングレ
インフィルムを形成し、前記第1の酸化膜と前記ポリシ
リコングレインフィルムとの界面に第1のトンネル接合
を形成する工程と、前記ポリシリコングレインフィルム
の表面に第2の酸化膜を形成し、前記ポリシリコングレ
インフィルムと前記第2の酸化膜の界面に第2のトンネ
ル接合を形成する工程と、前記第2の酸化膜上に浮遊電
極を形成する工程とを具備することを特徴とする。
In another method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a polysilicon grain film is formed on a first oxide film on the surface of a silicon substrate, and an interface between the first oxide film and the polysilicon grain film is formed. Forming a first tunnel junction on the surface of the polysilicon grain film, forming a second oxide film on the surface of the polysilicon grain film, and forming a second tunnel junction on the interface between the polysilicon grain film and the second oxide film. The method is characterized by including a step of forming and a step of forming a floating electrode on the second oxide film.

【0032】本発明の半導体装置のさらに他の製造方法
は、シリコン基板表面に形成された第1の酸化膜上に、
複数のシリコン微結晶を夫々が頂点を有する如く形成
し、前記第1の酸化膜と前記複数のシリコン微結晶の界
面に第1のトンネル接合を形成する工程と、前記複数の
シリコン微結晶の表面に、前記シリコン微結晶の頂点に
対応した複数の頂点を有するように第2の酸化膜を形成
し、前記複数のシリコン微結晶と前記第2の酸化膜との
界面に第2のトンネル接合を形成する工程と、前記第2
の酸化膜の複数の頂点に載設された浮遊電極を形成する
工程とを具備することを特徴とする。
Yet another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is that, on a first oxide film formed on the surface of a silicon substrate,
Forming a plurality of silicon microcrystals each having an apex and forming a first tunnel junction at an interface between the first oxide film and the plurality of silicon microcrystals; and a surface of the plurality of silicon microcrystals. And forming a second oxide film having a plurality of vertices corresponding to the vertices of the silicon microcrystals, and forming a second tunnel junction at the interface between the plurality of silicon microcrystals and the second oxide film. Forming step and the second step
And forming floating electrodes mounted on a plurality of vertices of the oxide film.

【0033】この構造の記憶装置では、クーロンブロッ
ケイドにより終始エネルギー的に安定な形で情報電荷に
ヒステリシスがでることにより、書き込まれた情報電荷
が浮遊電極から逃げていくことがないため、記憶保持時
間が長くなる。さらに微小結晶を挟む二重トンネル接合
のトンネル酸化膜厚は記憶保持時間に関係なく薄くでき
るため、記憶保持時間を犠牲にすることなくトンネル時
間を短くできるので、書き込み・消去時間の速い高速動
作が可能になる。
In the memory device having this structure, the coulomb blockade causes the information charges to have hysteresis in the form of energy stability from beginning to end, so that the written information charges do not escape from the floating electrode. Time will increase. Furthermore, since the tunnel oxide film thickness of the double tunnel junction sandwiching the microcrystals can be made thin regardless of the memory retention time, the tunnel time can be shortened without sacrificing the memory retention time, so high-speed operation with fast write / erase time is possible. It will be possible.

【0034】上記第3の目的を達成するために本発明の
半導体装置は、半導体基板表面に対向するように形成さ
れた第1と第2の不純物拡散層と、前記第1と第2の不
純物拡散層に挟まれた前記半導体基板上に形成された第
1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成
された複数の微結晶より形成された浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に、第2のゲート絶縁膜を介して
形成された制御ゲート電極とを具備し、前記第1のゲー
ト絶縁膜は、膜厚の異なる少なくとも2つの領域を有
し、前記第1の不純物拡散層に近い前記第1のゲート絶
縁膜の領域の膜厚が、前記第2の不純物拡散層に近い前
記第1のゲート絶縁膜の領域の膜厚より小さく形成され
ていることを特徴とする。
In order to achieve the third object, the semiconductor device of the present invention comprises first and second impurity diffusion layers formed so as to face the surface of a semiconductor substrate, and the first and second impurities. A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate sandwiched between diffusion layers; a floating gate electrode formed of a plurality of microcrystals formed on the first gate insulating film;
A control gate electrode formed on the floating gate electrode via a second gate insulating film, wherein the first gate insulating film has at least two regions having different film thicknesses; The thickness of the region of the first gate insulating film near the first impurity diffusion layer is smaller than the thickness of the region of the first gate insulating film near the second impurity diffusion layer. Characterize.

【0035】さらに、前記第1の不純物拡散層に近い前
記第1のゲート絶縁膜の領域はトンネル障壁層として機
能し、前記第2の不純物拡散層に近い前記第1のゲート
絶縁膜の領域は絶縁膜として機能することを特徴とす
る。
Further, the region of the first gate insulating film near the first impurity diffusion layer functions as a tunnel barrier layer, and the region of the first gate insulating film near the second impurity diffusion layer is It is characterized in that it functions as an insulating film.

【0036】加えて、前記第1のゲート絶縁膜の膜厚
は、前記第1の不純物拡散層に近い前記第1のゲート絶
縁膜の領域から前記第2の不純物拡散層に近い前記第1
のゲート絶縁膜の領域に向かって階段状に厚くなり、前
記第1の拡散層に近い方の前記第1のゲート絶縁膜の少
なくとも2つの領域はトンネル障壁層として機能するこ
とを特徴とする。
In addition, the film thickness of the first gate insulating film is from the region of the first gate insulating film close to the first impurity diffusion layer to the first impurity diffusion layer close to the first impurity diffusion layer.
Of the first gate insulating film, the thickness of which increases stepwise toward the region of the gate insulating film, and at least two regions of the first gate insulating film closer to the first diffusion layer function as tunnel barrier layers.

【0037】本発明では、read disurbance の問題を、
浮遊ゲートであるナノスケール(1乃至10nm)の微
結晶領域とチャネル領域とをソース・ドレイン方向に2
分割し、ドレイン寄りのチャネル・浮遊ゲート間障壁層
の厚さをソース寄りの障壁層の厚さよりも厚くすること
により解決している。こうすることにより、ソース寄り
の微結晶浮遊ゲートには、ゲートバイアス印加時に電荷
がトンネル注入されるが、ドレイン寄りの微結晶浮遊ゲ
ートには最初から電荷が蓄積されず、読出し時にドレイ
ン寄り高電界領域から電荷が逃げるという問題、すなわ
ち read dis-turbance の問題も回避されることにな
る。
In the present invention, the problem of read disurbance is
A nanoscale (1 to 10 nm) microcrystalline region, which is a floating gate, and a channel region are provided in the source / drain direction.
The problem is solved by dividing and making the thickness of the barrier layer between the channel and the floating gate near the drain thicker than the thickness of the barrier layer near the source. By doing so, charges are tunnel-injected into the microcrystalline floating gate near the source when the gate bias is applied, but no electric charge is accumulated from the beginning in the microcrystalline floating gate near the drain, and a high electric field near the drain is read out during reading. The problem of charge escaping from the region, that is, the problem of read dis-turbance, is also avoided.

【0038】さらに、多値メモリの問題は、浮遊ゲート
である微結晶領域とチャネルとをソース・ドレイン方向
に複数領域に分割し、障壁層の厚さをソース領域からド
レイン領域に向けて段階的に厚くすることにより解決し
ている。こうした構成を採った上で、ゲートの印加電圧
を段階的に印加することにより、各領域に電荷が蓄積さ
れるため、多値メモリが容易に実現される。また、さら
にドレインよりのチャネル・浮遊ゲート間障壁層の厚さ
が厚いため、読出し時の電荷の漏れは生ぜず、read dis
turbance の問題も回避されることになる。
Further, the problem of the multilevel memory is that the microcrystalline region, which is the floating gate, and the channel are divided into a plurality of regions in the source / drain direction, and the thickness of the barrier layer is gradually increased from the source region to the drain region. It is solved by making it thicker. By adopting such a configuration and applying the voltage applied to the gate stepwise, charges are accumulated in each region, so that a multi-valued memory is easily realized. In addition, the thickness of the barrier layer between the drain and the channel / floating gate is thicker than that of the drain, so charge leakage does not occur during reading, and read dis
The problem of turbance will also be avoided.

【0039】[0039]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。 (第1の実施形態)図1は本発明の第1の実施形態に係
わる単一電子素子(二重トンネル接合)の製造方法を段
階的に示す断面図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIGS. 1A to 1C are sectional views showing stepwise a method of manufacturing a single electronic device (double tunnel junction) according to a first embodiment of the present invention.

【0040】p型シリコン基板11上に厚さ5nmの酸
化膜12と200nmのn+ ポリシリコン層を形成後、
ポリシリコン層の電極13のパターンを形成し、電極1
3をマスクとしてリン(P)をドーズ量1×1015cm
-2、入射エネルギー15KeVで注入し、1000℃、
20秒のアニールによりn+ 層14を形成する(図1
(a))。
After the oxide film 12 having a thickness of 5 nm and the n + polysilicon layer having a thickness of 200 nm are formed on the p-type silicon substrate 11,
The pattern of the electrode 13 of the polysilicon layer is formed, and the electrode 1 is formed.
Using phosphorus as a mask, phosphorus (P) is dosed at 1 × 10 15 cm
-2 , injection energy 15 KeV, 1000 ℃,
The n + layer 14 is formed by annealing for 20 seconds (FIG. 1).
(A)).

【0041】その後、NH4 Fで4秒間の酸化膜エッチ
ングを行うことにより、酸化膜12は外側から削られ
て、電極13、14の間に幅5nm、深さ7nmの微細
溝15が形成される(図1(b))。
Then, the oxide film 12 is etched from the outside by performing an oxide film etching for 4 seconds with NH 4 F, and a fine groove 15 having a width of 5 nm and a depth of 7 nm is formed between the electrodes 13 and 14. (FIG. 1 (b)).

【0042】次に、平均粒径が5nm程度のシリコン微
粒子群をアルコール等で撹袢しながら基板表面全体に散
布し、アルコール等で基板表面を洗い流すことにより、
微細溝15の中にアイランドとなる微細シリコン粒子1
6が存在する二重トンネル接合が形成できる(図1
(c))。この二重トンネル接合は、図2に示すような
等価回路で表すことができる。
Next, silicon fine particles having an average particle diameter of about 5 nm are sprayed on the entire surface of the substrate while being stirred with alcohol or the like, and the surface of the substrate is rinsed with alcohol or the like.
Fine silicon particles 1 that become islands in the fine grooves 15
Double tunnel junction where 6 exists can be formed (Fig. 1
(C)). This double tunnel junction can be represented by an equivalent circuit as shown in FIG.

【0043】本発明では図1に示したように、微細溝1
5内のシリコン微粒子16は、粒径が微細溝の溝幅5n
mよりも小さいものに限られるため、アイランドのナノ
スケール(1〜10nm)の微細化ができる。さらに、
電極13と14の間を流れる電流は、抵抗が一番低くな
る経路を流れるので、粒径が溝幅5nmと丁度一致する
微粒子の箇所を電流が流れることになる。このため、溝
幅により電流を決定するアイランドの粒径が一意的に決
定できる。
In the present invention, as shown in FIG.
The silicon fine particles 16 in 5 have a particle diameter of 5 n
Since the size is limited to those smaller than m, the island can be miniaturized on the nanoscale (1 to 10 nm). further,
The current flowing between the electrodes 13 and 14 flows through the path having the lowest resistance, so that the current flows through the place of the fine particles whose particle size is exactly the same as the groove width of 5 nm. Therefore, the grain size of the island that determines the current can be uniquely determined by the groove width.

【0044】従って、室温動作を可能とする微細なナノ
スケールであっても、酸化膜12の厚さを制御すること
で、アイランドの粒径、容量といった二重トンネル接合
の基本要素を制御、設計することができる。この場合酸
化膜12の厚さは、ゲート酸化の条件を適切に設定する
ことにより、正確に制御することができる。
Therefore, even at a fine nanoscale capable of operating at room temperature, by controlling the thickness of the oxide film 12, the basic elements of the double tunnel junction such as the grain size and capacitance of the island are controlled and designed. can do. In this case, the thickness of the oxide film 12 can be accurately controlled by appropriately setting the conditions for gate oxidation.

【0045】(第2の実施形態)図3、図4は、本発明
の第2の実施形態に係わる単一電子素子(二重トンネル
接合型単一電子トランジスタ)の製造方法を段階的に示
す断面図である。
(Second Embodiment) FIGS. 3 and 4 show stepwise a method of manufacturing a single electron device (double tunnel junction type single electron transistor) according to a second embodiment of the present invention. FIG.

【0046】p型シリコン基板21表面に高低差500
nmの段差をを形成した後、厚さ5nmの酸化膜22と
300nmのn+ ポリシリコン層20を形成する(図3
(a))。
A height difference of 500 on the surface of the p-type silicon substrate 21.
After forming a step of nm, an oxide film 22 having a thickness of 5 nm and an n + polysilicon layer 20 having a thickness of 300 nm are formed (FIG. 3).
(A)).

【0047】レジストパターン27をマスクとして反応
性イオンエッチング(RIE)を行うことにより、上段
部のポリシリコン20が除去され基板表面が露出される
と共に、側壁残しによりソースとなるn+ ポリシリコン
電極23が形成され、さらにこれと接続するソース電極
の引き出し線29が形成される。その後、リン(P)を
ドーズ量1×1015cm-2、入射エネルギー15KeV
で注入し、1000℃、20秒のアニールによりドレイ
ンとなるn+ 層24を形成する(図3(b))。
By performing reactive ion etching (RIE) using the resist pattern 27 as a mask, the polysilicon 20 in the upper step is removed and the substrate surface is exposed, and the n + polysilicon electrode 23 serving as a source is left by leaving the side wall. Is formed, and the lead line 29 of the source electrode connected to this is formed. Then, phosphorus (P) was added at a dose of 1 × 10 15 cm -2 and an incident energy of 15 KeV.
And then annealed at 1000 [deg.] C. for 20 seconds to form the n <+> layer 24 to be the drain (FIG. 3B).

【0048】その後、NH4 Fで4秒間の酸化膜エッチ
ングを行うことにより、酸化膜22を外側(上側)から
削って、ソース電極23とドレイン電極24の間に幅5
nm、深さ7nmの微細溝25を形成する。その後、平
均粒径5nm程度のシリコン微粒子群をアルコール等で
撹袢しながら基板表面全体に散布し、さらにアルコール
等で基板表面を洗い流すことにより、微細溝25の中に
アイランドとなる微小シリコン粒子26が存在する二重
トンネル接合を形成する(図4(a))。
Thereafter, the oxide film 22 is removed from the outer side (upper side) by etching the oxide film with NH 4 F for 4 seconds, and the width of the oxide film 22 between the source electrode 23 and the drain electrode 24 is reduced to 5 mm.
The fine groove 25 having a depth of 7 nm and a depth of 7 nm is formed. After that, silicon fine particles having an average particle diameter of about 5 nm are sprayed on the entire surface of the substrate while being stirred with alcohol or the like, and the surface of the substrate is rinsed with alcohol or the like to form fine silicon particles 26 which become islands in the fine grooves 25. To form a double tunnel junction (FIG. 4A).

【0049】次に、CVDにより厚さ100nmのSi
2 層30と、その上に200nmのn+ ポリシリコン
層を形成後、ポリシリコン層をパターニングすることに
よりゲート電極28を形成する。これにより、二重接合
型単一電子トランジスタが完成する(図4(b))。二
重トンネル接合型単一電子トランジスタの等価回路図を
図5に示す。
Next, 100 nm thick Si is formed by CVD.
After forming an O 2 layer 30 and an n + polysilicon layer of 200 nm thereon, the polysilicon layer is patterned to form a gate electrode 28. This completes the double-junction single-electron transistor (FIG. 4B). An equivalent circuit diagram of the double tunnel junction type single electron transistor is shown in FIG.

【0050】(第3の実施形態)図6は、本発明の第3
の実施形態に係わる単一電子素子(単一電子メモリ)の
製造方法を段階的に示す断面図である。
(Third Embodiment) FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention.
6A to 6C are cross-sectional views showing stepwise a method of manufacturing a single electronic device (single electronic memory) according to the embodiment of FIG.

【0051】p型シリコン基板31中の埋め込み酸化膜
38上に、厚さ100nmのSOI(Silicon On Insul
ator)層31’が形成された基板を用意する。SOI層
31’をRIEにより部分的に垂直エッチングして高低
差100nmの段差を形成する。次に基板全面に厚さ5
nmのゲート酸化膜32と50nmのポリシリコン層を
順次形成した後、レジストパターンをマスクとしてポリ
シリコン層をRIEにより垂直エッチングして、SOI
層の上面を露出すると共に、側壁残しによりポリシリコ
ン電極33を形成し、さらにポリシリコン電極37を形
成する。その後、リン(P)をドーズ量1×1015cm
-2、入射エネルギー15KeVで注入し、1000℃、
20秒のアニールによりn+ 層34を形成する(図6
(a))。
A 100 nm thick SOI (Silicon On Insul) film is formed on the buried oxide film 38 in the p-type silicon substrate 31.
A substrate on which the ator) layer 31 'is formed is prepared. The SOI layer 31 'is partially vertically etched by RIE to form a step having a height difference of 100 nm. Next, the thickness of 5
After a gate oxide film 32 of 50 nm and a polysilicon layer of 50 nm are formed in sequence, the polysilicon layer is vertically etched by RIE using the resist pattern as a mask to form an SOI.
While exposing the upper surface of the layer, a polysilicon electrode 33 is formed by leaving the side wall, and a polysilicon electrode 37 is further formed. Then, phosphorus (P) is added at a dose of 1 × 10 15 cm
-2 , injection energy 15 KeV, 1000 ℃,
The n + layer 34 is formed by annealing for 20 seconds (FIG. 6).
(A)).

【0052】続いて、NH4 Fで4秒間の酸化膜エッチ
ングを行うことにより、酸化膜32を外側(上側)から
削って、電極33とn+ 層34の間に幅5nm、深さ7
nmの微細溝35を形成する。その後、平均粒径5nm
程度のシリコン微粒子群をアルコール等で撹袢しながら
基板表面全体に散布し、さらにアルコール等で基板表面
を洗い流すことにより、微細溝35の中にアイランドと
なる微小シリコン粒子36が存在する二重トンネル接合
を形成する(図6(b))。
Then, the oxide film 32 is removed from the outer side (upper side) by etching the oxide film with NH 4 F for 4 seconds, and the width between the electrode 33 and the n + layer 34 is 5 nm and the depth is 7.
The fine groove 35 of nm is formed. After that, the average particle size is 5 nm
A double tunnel in which fine silicon particles 36, which become islands, are present in the fine grooves 35 by spraying a small amount of silicon fine particles on the entire surface of the substrate while stirring with alcohol or the like, and then washing the surface of the substrate with alcohol or the like. A bond is formed (FIG. 6B).

【0053】この場合電極33と37の間にキャパシタ
ンスが形成され、電極37と電極(n+ 層)34の間に
単一電子メモリが形成される。このようにして形成され
た単一電子メモリの等価回路図を図7に示す。
In this case, a capacitance is formed between the electrodes 33 and 37, and a single electron memory is formed between the electrode 37 and the electrode (n + layer) 34. An equivalent circuit diagram of the single-electron memory formed in this way is shown in FIG.

【0054】(第4の実施形態)図8、図9は、本発明
の第4の実施形態に係わる単一電子素子(ターンスタイ
ル素子)の製造方法を段階的に示す断面図である。
(Fourth Embodiment) FIGS. 8 and 9 are sectional views showing stepwise a method of manufacturing a single electronic device (turnstile device) according to a fourth embodiment of the present invention.

【0055】p型シリコン基板41表面にEB露光装置
等により高低差100nm、幅300nmのトレンチパ
ターンを形成した後、厚さ5nmのゲート酸化膜42と
200nmのn+ 層43を順次形成する(図8
(a))。
After a trench pattern having a height difference of 100 nm and a width of 300 nm is formed on the surface of the p-type silicon substrate 41 by an EB exposure device or the like, a gate oxide film 42 having a thickness of 5 nm and an n + layer 43 having a thickness of 200 nm are sequentially formed (see FIG. 8
(A)).

【0056】ポリシリコン層の側壁残し条件でのRIE
によりn+ ポリシリコン電極43’を形成後、リン
(P)をドーズ量1×1015cm-2、入射エネルギー1
5KeVで注入し、1000℃、20秒のアニールによ
りn+ 層44を形成する(図8(b))。
RIE under conditions where the sidewall of the polysilicon layer is left
After the n + polysilicon electrode 43 'is formed by the following method, phosphorus (P) is added at a dose of 1 × 10 15 cm -2 and an incident energy of 1
Implantation is performed at 5 KeV, and annealing is performed at 1000 ° C. for 20 seconds to form an n + layer 44 (FIG. 8B).

【0057】その後、NH4 Fで4秒間の酸化膜エッチ
ングを行うことにより、酸化膜42を外側(上側)から
削って、電極43’とn+ 層44の間に幅5nm、深さ
7nmの微細溝45を形成する。その後、平均粒径5n
m程度のシリコン微粒子群をアルコール等で撹袢しなが
ら基板表面全体に散布し、さらにアルコール等で基板表
面を洗い流すことにより、微細溝45の中にアイランド
となる微小シリコン粒子46が存在する二重トンネル接
合を形成する(図8(c))。
Thereafter, the oxide film 42 is removed from the outer side (upper side) by etching the oxide film with NH 4 F for 4 seconds, and the width between the electrode 43 ′ and the n + layer 44 is 5 nm and the depth is 7 nm. The fine groove 45 is formed. Then average particle size 5n
A silicon fine particle group of about m is sprayed over the entire surface of the substrate while being stirred with alcohol or the like, and then the surface of the substrate is rinsed with alcohol or the like, so that the fine silicon particles 46 serving as islands are present in the fine groove 45. A tunnel junction is formed (FIG. 8 (c)).

【0058】次に、CVDにより厚さ100nmのSi
O2 層47と200nmのn+ ポリシリコン層を順次基
板上に形成後、電子露光装置等により長さ50nmのゲ
ート電極48のパターンを形成する(図9)。これによ
り、ゲート電極48と電極43の間にキャパシタンスが
形成され、電極43と電極(n+ 層)44の間、および
電極43と電極44’の間に二重トンネル接合が形成さ
れたターンスタイル素子が完成する。このターンスタイ
ル素子の等価回路図を図10に示す。
Next, 100 nm thick Si is formed by CVD.
After an O2 layer 47 and a 200 nm n + polysilicon layer are sequentially formed on the substrate, a pattern of a gate electrode 48 having a length of 50 nm is formed by an electron exposure apparatus or the like (FIG. 9). As a result, a capacitance is formed between the gate electrode 48 and the electrode 43, and a double tunnel junction is formed between the electrode 43 and the electrode (n + layer) 44 and between the electrode 43 and the electrode 44 '. The element is completed. An equivalent circuit diagram of this turnstile element is shown in FIG.

【0059】以上本発明の第1〜第4の実施形態に示し
たように、本発明の二重トンネル接合を用いることによ
り、様々な種類の室温動作単一電子素子および単一電子
回路素子を設計できる。
As described in the first to fourth embodiments of the present invention, by using the double tunnel junction of the present invention, various kinds of room temperature operation single electronic devices and single electronic circuit devices can be obtained. Can be designed.

【0060】上記第1〜第4の実施形態は、n+ シリコ
ン電極間のSiO2 薄膜のNH4 Fエッチングによる微
細溝の形成について述べたが、他の材料の電極と絶縁薄
膜を用い、それらに対応した選択エッチング方法を用い
ることでも本発明の構成は可能である。また上記第1〜
第4の実施形態ではシリコン微粒子を用いているが、他
の導電性微粒子でも構わない。また、微粒子を基板表面
に散布するのに、アルコール等による微粒子の撹袢を用
いているが、CVD法で表面に微粒子を直接形成するよ
うにしてもよい。
In the first to fourth embodiments, the formation of the fine grooves by the NH 4 F etching of the SiO 2 thin film between the n + silicon electrodes has been described. The configuration of the present invention is also possible by using a selective etching method corresponding to. Also, the above first to first
Although silicon fine particles are used in the fourth embodiment, other conductive fine particles may be used. Further, while the fine particles are dispersed on the substrate surface by stirring the fine particles with alcohol or the like, the fine particles may be directly formed on the surface by a CVD method.

【0061】(第5の実施形態)図11、図12は、本
発明の第5の実施形態に係る単一電子素子半導体記憶装
置の製造方法を段階的に示した断面図である。p型シリ
コン基板51上に厚さ5nmの酸化膜52と厚さ10n
mの浮遊電極となるn+ 型ポリシリコン層53を順次形
成し、その上にCVDによる厚さ10nmのSiN膜5
4とゲート電極55となる厚さ200nmのn+ ポリシ
リコン層を順次形成する。
(Fifth Embodiment) FIGS. 11 and 12 are sectional views showing stepwise a method of manufacturing a single electronic element semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention. An oxide film 52 having a thickness of 5 nm and a thickness of 10 n are formed on a p-type silicon substrate 51.
An n + type polysilicon layer 53 to be a floating electrode of m is sequentially formed, and a SiN film 5 having a thickness of 10 nm is formed on the n + type polysilicon layer 53 by CVD.
4 and a 200 nm thick n + polysilicon layer to be the gate electrode 55 are sequentially formed.

【0062】その後、ゲート電極55のパターンを形成
し、電極55をマスクとしてAsをドーズ量1×1015
cm-2、入射エネルギー15KeVで注入し、1000
℃、20秒のアニールにより、n+ 層56を形成する
(図11(a))。
After that, a pattern of the gate electrode 55 is formed, and the electrode 55 is used as a mask to dose As in 1 × 10 15.
cm -2 , injection with an incident energy of 15 KeV, 1000
An n + layer 56 is formed by annealing at 20 ° C. for 20 seconds (FIG. 11A).

【0063】次に、NH4 Fで4秒間の酸化膜エッチン
グを行うことにより、酸化膜52は外側から削られて、
n+ 層53とn+ 層56の間に幅5nm、深さ7nmの
微細溝57が形成される(図11(b))。
Next, the oxide film 52 is removed from the outside by etching the oxide film with NH 4 F for 4 seconds.
A fine groove 57 having a width of 5 nm and a depth of 7 nm is formed between the n + layer 53 and the n + layer 56 (FIG. 11B).

【0064】次に、平均粒径が5nm程度のシリコン微
粒子群をメタノールで超音波撹袢しながら基板表面全体
に散布し、さらにメタノール・純水等で基板表面を洗い
流す. これにより、微細溝57の中に微小シリコン粒子
58を挟んだ二重トンネル接合を有する新しい単一電子
MOSFET型不揮発性半導体記憶装置が形成される
(図12)。
Next, silicon fine particles having an average particle diameter of about 5 nm are sprayed over the entire surface of the substrate while being ultrasonically stirred with methanol, and the surface of the substrate is rinsed with methanol, pure water or the like. A new single-electron MOSFET type non-volatile semiconductor memory device having a double tunnel junction in which fine silicon particles 58 are sandwiched is formed (FIG. 12).

【0065】(第6の実施形態)図13、図14は、本
発明の第6の実施形態に係わる単一電子型半導体記憶装
置の製造方法を段階的に示す断面図である。p型シリコ
ン基板61上に厚さ1nmの酸化膜62を形成後、その
上にアモルファスシリコンの極薄膜を堆積し、750℃
のアニールを行う。これにより、厚さ5nmで、nmオ
ーダーのポリシリコングレインから成るシリコンフィル
ム63を形成する(図13)。
(Sixth Embodiment) FIGS. 13 and 14 are sectional views showing stepwise a method of manufacturing a single electron type semiconductor memory device according to a sixth embodiment of the present invention. After forming an oxide film 62 having a thickness of 1 nm on a p-type silicon substrate 61, an ultrathin film of amorphous silicon is deposited on the oxide film 62, and the temperature is set to 750 ° C.
Anneal. Thus, a silicon film 63 having a thickness of 5 nm and made of nm order polysilicon grains is formed (FIG. 13).

【0066】さらに厚さ1nmの酸化膜64を形成した
後、浮遊電極となる厚さ10nmのn+ ポリシリコン層
65を形成し、続いて厚さ10nmの酸化膜66とゲー
ト電極となる厚さ200nmのn+ ポリシリコン層67
をCVDで形成する(図14(a))。
Further, after forming an oxide film 64 having a thickness of 1 nm, an n + polysilicon layer 65 having a thickness of 10 nm to be a floating electrode is formed, and subsequently an oxide film 66 having a thickness of 10 nm and a thickness to be a gate electrode are formed. 200 nm n + polysilicon layer 67
Are formed by CVD (FIG. 14A).

【0067】その後、レジストパターン69をマスクと
して、基板上の積層層を垂直エッチングすることにより
基板表面を露出し、ゲート電極部を形成する。その後、
Asをドーズ量1×1015cm−2、入射エネルギー
15KeVで露出された基板面に注入し、1000℃、
20秒のアニールによりソース・ドレインとなるn+層
68を形成する。これにより、ゲート酸化膜中に微小結
63を挟んだ二重トンネル接合を有する新しい単一電
子MOSFET型不揮発性半導体記憶装置が形成できる
(図14(b))。
Then, the laminated layer on the substrate is vertically etched by using the resist pattern 69 as a mask to expose the substrate surface to form a gate electrode portion. afterwards,
As is injected into the exposed substrate surface at a dose of 1 × 10 15 cm −2 and an incident energy of 15 KeV, and 1000 ° C.
By annealing for 20 seconds, an n + layer 68 serving as a source / drain is formed. As a result, a new single-electron MOSFET type non-volatile semiconductor memory device having a double tunnel junction in which the microcrystal 63 is sandwiched in the gate oxide film can be formed (FIG. 14B).

【0068】(第7の実施形態)図15は、本発明の第
7の実施形態に係わる単一電子半導体記憶装置の製造方
法を段階的に示す断面図である。p型シリコン基板71
上に厚さ1nmの酸化膜72を形成後、極薄膜CVDと
その後のアニールにより粒径5nmのシリコン微結晶7
3を表面に一様に形成し、さらに、厚さ1nmの酸化膜
74を形成する(図15(a))。
(Seventh Embodiment) FIGS. 15A to 15C are sectional views showing stepwise a method of manufacturing a single electron semiconductor memory device according to a seventh embodiment of the present invention. p-type silicon substrate 71
After forming an oxide film 72 with a thickness of 1 nm on the silicon microcrystals 7 with a grain size of 5 nm by ultra-thin film CVD and subsequent annealing.
3 is uniformly formed on the surface, and further an oxide film 74 having a thickness of 1 nm is formed (FIG. 15A).

【0069】その後、浮遊電極となる厚さ10nmのn
+ ポリシリコン層75を形成するが、その際、高アスペ
クト比のため微粒子73の間隔にポリシリコン75が入
り込めないように、微結晶73を形成する工程でその面
密度を調整しておく(図15(b))。
After that, n having a thickness of 10 nm to be a floating electrode is formed.
+ The polysilicon layer 75 is formed. At that time, the surface density is adjusted in the step of forming the microcrystals 73 so that the polysilicon 75 cannot enter the space between the fine particles 73 due to the high aspect ratio ( FIG. 15B).

【0070】続いて厚さ10nmの酸化膜76とゲート
電極77となる厚さ200nmのn+ ポリシリコン層を
CVDで形成した後、図示しないレジストパターンをマ
スクとして異方性エッチングして基板表面を露出させる
ことによりゲート電極部が形成される。その後、Asを
ドーズ量1×1015cm-2、入射エネルギー15KeV
で基板表面に注入し、1000℃、20秒のアニールに
よりソース・ドレイン領域となるn+ 層78を形成す
る。これにより、ゲート酸化膜中に微小結晶73を挟ん
だ二重トンネル接合を有する新しい単一電子MOSFE
T型不揮発性半導体記憶装置が形成される(図15
(c))。
Subsequently, an oxide film 76 having a thickness of 10 nm and an n + polysilicon layer having a thickness of 200 nm to be the gate electrode 77 are formed by CVD, and anisotropic etching is performed using a resist pattern (not shown) as a mask to expose the substrate surface. The gate electrode portion is formed by exposing. After that, the dose of As is 1 × 10 15 cm -2 and the incident energy is 15 KeV.
Is implanted into the surface of the substrate and annealed at 1000 ° C. for 20 seconds to form an n + layer 78 to be the source / drain regions. As a result, a new single-electron MOSFE having a double tunnel junction in which the microcrystal 73 is sandwiched in the gate oxide film.
A T-type nonvolatile semiconductor memory device is formed (FIG. 15).
(C)).

【0071】上記第5ないし第7の実施形態では、シリ
コン微粒子またはポリシリコングレインを用いている
が、他の導電性のナノスケール微粒子でも良い。第6、
第7の実施形態ではトンネル接合を熱酸化によるSiO
2 としているが、CVDによるSiO2 や他の絶縁膜で
も良い。
Although silicon fine particles or polysilicon grains are used in the fifth to seventh embodiments, other conductive nanoscale fine particles may be used. Sixth,
In the seventh embodiment, the tunnel junction is formed by thermal oxidation of SiO 2.
It is set to 2, but may be a SiO 2 or other insulating film by CVD.

【0072】本発明の第5の実施形態の図12に示した
ように、電荷蓄積部である浮遊電極53と電荷供給部で
あるソース・ドレイン拡散層またはチャネルとの間の情
報電荷の書き込み・消去は、室温でのクーロンブロッケ
イド条件を満たすナノスケールシリコン微粒子58を挟
んだ2重トンネル接合を介して行われる。
As shown in FIG. 12 of the fifth embodiment of the present invention, writing of information charges between the floating electrode 53 which is a charge storage part and the source / drain diffusion layer or the channel which is a charge supply part. Erasing is performed through a double tunnel junction sandwiching nanoscale silicon particles 58 that satisfy the Coulomb blockade condition at room temperature.

【0073】同様に第6、第7の実施形態でも、それぞ
れ室温でクーロンブロッケイド条件を満たすナノスケー
ル微粒子63、73を挟んだ二重トンネル接合を介して
浮遊電極65、75への書き込み・消去が行われる。
Similarly, in the sixth and seventh embodiments, writing / erasing to / from the floating electrodes 65 and 75 via the double tunnel junction sandwiching the nanoscale particles 63 and 73 satisfying the Coulomb blockade condition at room temperature, respectively. Is done.

【0074】本発明の第5〜第8の実施形態による単一
電子MOSFET型不揮発性半導体記憶装置の等価回路
図を図16に示す。本発明の半導体記憶装置の書き込み
・消去動作は、図17の等価回路によるモデルに示すよ
うに、室温でクーロンブロッケイド条件を満たす微小導
電性アイランドと、それを挟む二重トンネル接合(容量
1 ×2)と、標準キャパシタンス(容量C)により行
われる。
FIG. 16 shows an equivalent circuit diagram of the single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth to eighth embodiments of the present invention. In the write / erase operation of the semiconductor memory device of the present invention, as shown in the model by the equivalent circuit of FIG. 17, a minute conductive island that satisfies the Coulomb blockade condition at room temperature and a double tunnel junction (capacitance C 1 X2) and the standard capacitance (capacitance C).

【0075】上記の書き込み消去動作を図18を用いて
説明する。情報電荷Q0 を書き込みたいときには、VG
を書き込み電圧VW =q/(2C1 )+Q0 /C(q:
素電荷)まで瞬間的に上げてすぐ0に戻せば良い。この
とき、クーロンブロッケイド効果により、VG =0から
G =q/(2C1 )迄書き込みが起こらない。同様
に、VG をVW 迄上げた後0迄下げてもQ0 は変化しな
い。これは、図19の回路におけるV−I特性が、図2
0のような特性を示すことから理解できる。
The write / erase operation will be described with reference to FIG. To write the information charge Q 0 , V G
Write voltage V W = q / (2C 1 ) + Q 0 / C (q:
It is enough to instantly raise it to (elementary charge) and return it to 0 immediately. At this time, the Coulomb blockade effect, V G = 0 from V G = q / (2C 1 ) does not occur write up. Similarly, Q 0 does not change even if V G is raised to V W and then lowered to 0 . This is because the VI characteristic in the circuit of FIG.
It can be understood from the fact that it exhibits a characteristic like 0.

【0076】次に、情報電荷Q0 を消去したいときに
は、VG を消去電圧Ve =−q/(2C1 )迄瞬間的に
下げてすぐ0に戻せば最初の状態に戻り、情報電荷は消
去できる。図18に示したヒステリシスは、図20に示
したクーロンブロッケイド効果に依るが、常にエネルギ
ー的に安定な状態を辿るため、書き込まれて情報電荷が
消失することがない。従って記憶保持時間は非常に長く
なる。
Next, when it is desired to erase the information charge Q 0 , V G is instantaneously lowered to the erase voltage V e = −q / (2C 1 ) and then returned to 0 immediately, the information charge returns to the initial state. Can be erased. The hysteresis shown in FIG. 18 depends on the Coulomb blockade effect shown in FIG. 20, but since it always follows an energy stable state, the written information charge is not lost. Therefore, the memory retention time becomes very long.

【0077】さらに、トンネル酸化膜厚は1nm以下ま
で非常に薄くしても、記憶保持時間との間のトレードオ
フ無くトンネル時間、即ち書き込み・消去時間を非常に
短くでき、メモリ動作を高速にできる。 またこの時、
読出し時のドレイン電圧をVd<q/(2C1 )−Q0
/Cとしておけば、ドレイン端においても情報電荷Q0
がクーロンブロッケイドにより変化しない領域にあるた
め、いわゆる Read Disturbance による誤動作を未然に
防ぐことができる。
Further, even if the tunnel oxide film thickness is extremely thin to 1 nm or less, the tunnel time, that is, the write / erase time can be greatly shortened without a trade-off between the memory holding time and the memory operation can be performed at high speed. . Also at this time,
The drain voltage at the time of reading is Vd <q / (2C 1 ) −Q 0
If / C is set, the information charge Q 0 is also present at the drain end.
Is in the region where it does not change due to Coulomb blockade, so malfunctions due to so-called Read Disturbance can be prevented in advance.

【0078】なお、上記の実施形態では二重トンネル接
合の容量は2つともC1 で等しいとしているが、相異な
るC1 とC2 の時でもブロッケイド領域の閾値q/(2
1)がq/(C1 +C2 )になるだけで、図18に示
した書き込み・消去動作は変わらない。
[0078] Incidentally, the capacitance of the double tunnel junction in the above embodiment are equal in both two C 1, but different C 1 and the threshold value q / (2 of blockade region even when the C 2
C 1) is only becomes q / (C 1 + C 2 ), does not change the write-erase operation shown in FIG. 18.

【0079】また、上記第5〜第7の実施形態では、情
報電荷を蓄積する浮遊電極53、65、75を大きな電
極板にしているが、それら電荷蓄積部もクーロンブロッ
ケイド条件を満たすシリコン微粒子、ポリシリコングレ
イン等の微小結晶にすれば、情報電荷が素電荷単位に量
子化されるため、記憶保持時間の長い高速な多値メモリ
も可能である。
In the fifth to seventh embodiments, the floating electrodes 53, 65, 75 for accumulating the information charges are large electrode plates, but the charge accumulating portions are also silicon fine particles satisfying the Coulomb blockade condition. If a minute crystal such as polysilicon grain is used, the information charges are quantized in the unit of elementary charge, so that a high-speed multi-valued memory having a long storage retention time is possible.

【0080】(第8の実施形態)図21は、本発明の第
8の実施形態に係わる浮遊ゲート型半導体記憶装置の断
面図である。本実施例では通常のn型MOSFETを基
本とした浮遊ゲート型半導体記憶装置において、浮遊ゲ
ートとしてCVD法にて形成したナノスケールのシリコ
ン微結晶を用いており、2つの厚さのチャネル・浮遊ゲ
ート間障壁を有している。
(Eighth Embodiment) FIG. 21 is a sectional view of a floating gate type semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the present invention. In this embodiment, in a normal n-type MOSFET-based floating gate type semiconductor memory device, nanoscale silicon microcrystals formed by a CVD method are used as floating gates, and a channel / floating gate having two thicknesses is used. It has a barrier.

【0081】まず、p型半導体基板81上のゲート領域
全体に厚いゲート酸化膜82を5nm以上形成する。そ
の後、ソース領域88’寄りのゲート酸化膜82をマス
クを用いて選択的に除去し、再度全面に熱酸化を施すこ
とにより、ソース領域88’寄りの領域にだけ、4nm
の以下の薄いゲート酸化膜82’を形成する。その際、
厚い酸化膜82は、酸化レートは薄い酸化膜82’より
も落ちるが、膜厚は増加することになる。
First, a thick gate oxide film 82 is formed to a thickness of 5 nm or more on the entire gate region on the p-type semiconductor substrate 81. After that, the gate oxide film 82 near the source region 88 ′ is selectively removed using a mask, and the entire surface is again subjected to thermal oxidation, so that only the region near the source region 88 ′ has a thickness of 4 nm.
The following thin gate oxide film 82 'is formed. that time,
The thick oxide film 82 has a lower oxidation rate than the thin oxide film 82 ', but the film thickness increases.

【0082】このトンネル酸化膜82、82’形成後、
例えば基板を加熱せずに室温に保ったまま、シリコンの
CVDを行い、継続してCVDチャンバー内で短時間高
温加熱することにより、ナノスケールのシリコン微結晶
の浮遊ゲート領域83を形成する。その後、全面にCV
D酸化膜86を堆積し、その上に制御ゲート87を形成
している。なお、84は電極間分離領域である。
After forming the tunnel oxide films 82 and 82 ',
For example, the floating gate region 83 of nanoscale silicon microcrystals is formed by performing CVD of silicon while keeping the substrate at room temperature without heating the substrate and continuously heating the substrate at a high temperature for a short time. After that, CV on the entire surface
A D oxide film 86 is deposited and a control gate 87 is formed thereon. Reference numeral 84 is an electrode separation region.

【0083】その他のトランジスタ製造プロセスは、通
常のnチャネル型MOSFET型浮遊ゲート素子の製造
工程を用いることにより、容易に実施できる。このよう
にして作成した浮遊ゲート型半導体記憶装置では、ソー
ス領域88’寄りのシリコン微結晶83には薄い障壁領
域を介して直接トンネリングにより電子を低電圧で注入
可能であり、ドレイン領域88寄りのシリコン微結晶に
は、厚い障壁領域が介在するのでソース領域寄りと同一
バイアス条件では電子の注入は起こらない。
The other transistor manufacturing process can be easily carried out by using a normal n-channel MOSFET type floating gate element manufacturing process. In the floating gate type semiconductor memory device thus manufactured, electrons can be injected into the silicon microcrystal 83 near the source region 88 ′ at a low voltage by direct tunneling through the thin barrier region, and the electrons near the drain region 88 can be injected. Since a thick barrier region is present in the silicon microcrystal, electron injection does not occur under the same bias condition as the source region.

【0084】従って、読出し時にソース・ドレインにバ
イアスを加えても、ドレイン寄りの浮遊ゲート領域83
には、元々電子が存在しなかったため、浮遊ゲート全体
の電荷量に変化は起こらず、従って、read disturbance
の問題は起こらない。
Therefore, even if a bias is applied to the source / drain at the time of reading, the floating gate region 83 near the drain is formed.
Since no electrons originally existed in the floating gate, the charge quantity of the entire floating gate did not change, and therefore, read disturbance
Problem does not occur.

【0085】(第9の実施形態)図22は、本発明の第
9の実施形態に係わる浮遊ゲート型メモリ素子の断面図
である。本実施形態では、トンネル酸化膜82は、膜厚
の異なる3つの領域に分かれており、ソース領域88’
の最も近くに最も薄いトンネル酸化膜82″を有する領
域から、ドレイン領域88に向かって、トンネル酸化膜
の膜厚が順次大きくなる他の2つの領域を有している。
(Ninth Embodiment) FIG. 22 is a sectional view of a floating gate type memory device according to the ninth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the tunnel oxide film 82 is divided into three regions having different film thicknesses, and the source region 88 '.
From the region having the thinnest tunnel oxide film 82 ″ to the drain region 88, there are two other regions in which the thickness of the tunnel oxide film gradually increases.

【0086】ソース領域88’に近い方のトンネル酸化
膜の2つの領域82″、82’をトンネル障壁層として
使用すれば、閾電圧の差により3値メモリとして機能さ
せることができる。さらにドレイン領域88に近い領域
まで含めれば4値メモリが可能となる。
If the two regions 82 "and 82 'of the tunnel oxide film closer to the source region 88' are used as tunnel barrier layers, it is possible to function as a ternary memory due to the difference in threshold voltage. If a region close to 88 is included, a 4-value memory becomes possible.

【0087】本実施形態では厚さの異なる複数の障壁領
域が存在するが、これは第8の実施形態に示した方法を
順次複数回繰り返すことにより容易に形成可能である。
また他のプロセスも通常のnチャネル型MOSFET型
メモリ素子の製造方法を用いて容易に実施できる。従っ
て第8の実施形態と同一箇所には同一番号を付して、重
複する説明は省略する。
Although a plurality of barrier regions having different thicknesses are present in this embodiment, this can be easily formed by sequentially repeating the method shown in the eighth embodiment a plurality of times.
Further, other processes can be easily carried out by using a usual method for manufacturing an n-channel MOSFET type memory device. Therefore, the same parts as those in the eighth embodiment are designated by the same reference numerals, and the duplicate description will be omitted.

【0088】このようにして作製した浮遊ゲート型メモ
リ素子は、微結晶サイズが5nm以上と比較的大きいに
も拘らず、閾電圧のはっきりした0〜3の4値の多値メ
モリを構成できる。またドレイン寄りのチャネル・浮遊
ゲート間障壁層が厚いため、読出し時に電荷が漏れる r
ead disturbance の問題は生じない。
The floating gate type memory device manufactured in this manner can form a four-valued multi-valued memory of 0 to 3 with a clear threshold voltage, although the crystallite size is relatively large at 5 nm or more. In addition, since the barrier layer between the channel and floating gate near the drain is thick, charge leaks during reading.
The problem of ead disturbance does not occur.

【0089】第8および第9の実施形態では、nチャネ
ル型MOSFETを用いたが、本発明はp型MOSFE
Tに対しても同様に実施可能である。また、SiGeや
SiGeC等の混晶を用いたMOS型あるいはヘテロ接
合型トランジスタに対しても同様に実施可能である。さ
らに、GaAlAs系やGaAlN系、あるいはGaI
nAsP系といった化合物半導体により構成されたヘテ
ロ接合型トランジスタに対しても同様に実施することが
できる。
Although the n-channel type MOSFET is used in the eighth and ninth embodiments, the present invention is a p-type MOSFET.
The same can be applied to T. The same can be applied to a MOS type or heterojunction type transistor using a mixed crystal such as SiGe or SiGeC. Furthermore, GaAlAs series, GaAlN series, or GaI
The same can be applied to a heterojunction transistor formed of a compound semiconductor such as nAsP system.

【0090】このように、本発明は read diaturbance
の影響を受けない高信頼な浮遊ゲート型メモリ素子を提
供できる。さらに、本発明は閾電圧のはっきりした多値
型の浮遊ゲート型メモリ素子を提供できる。
As described above, according to the present invention, read diaturbance
It is possible to provide a highly reliable floating gate type memory device that is not affected by the above. Further, the present invention can provide a multi-valued floating gate type memory device having a well-defined threshold voltage.

【0091】[0091]

【発明の効果】本発明(請求項1〜3)によれば、微細
溝中の微粒子は粒径が溝幅以下のものに限られるため、
微粒子のnmオーダーの微小化ができる。従って導電性
アイランドは室温動作可能な数nmに微細化できるのは
勿論、微細溝の溝幅を制御することでその粒径を制御す
ることができる。この場合、アイランドの容量、トンネ
ル抵抗といった基本パラメータも微細溝幅によって決ま
ることになる。よって、微細溝の溝幅を制御すること
で、均一性と再現性のある微小二重トンネル接合が可能
となり、デバイス設計、さらには回路設計が可能な室温
動作単一電子素子が達成できる。
According to the present invention (claims 1 to 3), since the fine particles in the fine grooves are limited in particle diameter to the groove width or less,
It is possible to miniaturize fine particles on the order of nm. Therefore, the conductive island can be miniaturized to several nm capable of operating at room temperature, and the grain size can be controlled by controlling the groove width of the fine groove. In this case, basic parameters such as island capacitance and tunnel resistance are also determined by the fine groove width. Therefore, by controlling the groove width of the fine groove, it is possible to realize a micro double tunnel junction with uniformity and reproducibility, and it is possible to achieve a room temperature single electron device capable of device design and further circuit design.

【0092】また本発明(請求項4〜7)によれば、ク
ーロンブロッケイドにより終始エネルギー的に安定な形
で情報電荷にヒステリシスが出ることにより、書き込ま
れた情報電荷が浮遊電極から逃げていくことがないた
め、記憶保持時間が長くなる。さらに微小結晶を挟む二
重トンネル接合のトンネル酸化膜厚は記憶保持時間に関
係なく薄くできるため、記憶保持時間を犠牲にすること
なくトンネル時間を短くできるので、書き込み・消去時
間の速い高速動作が可能になる。
Further, according to the present invention (claims 4 to 7), the written information charge escapes from the floating electrode due to the occurrence of hysteresis in the information charge in the energy stable form from beginning to end due to Coulomb blockade. As a result, the memory retention time becomes long. Furthermore, since the tunnel oxide film thickness of the double tunnel junction sandwiching the microcrystals can be made thin regardless of the memory retention time, the tunnel time can be shortened without sacrificing the memory retention time, so high-speed operation with fast write / erase time is possible. It will be possible.

【0093】また、本発明(請求項8〜10)では、浮
遊ゲートであるナノスケールの微結晶領域とチャネル領
域とをソース・ドレイン方向に2分割し、ドレイン寄り
のチャネル・浮遊ゲート間障壁層の厚さをソース寄りの
障壁層の厚さよりも厚くすることにより、ソース寄りの
微結晶浮遊ゲートには、ゲートバイアス印加時に電荷が
トンネル注入されるが、ドレイン寄りの微結晶浮遊ゲー
トには最初から電荷が蓄積されず、 read disturbance
の問題を回避することができる。
Further, in the present invention (claims 8 to 10), the nanoscale microcrystalline region which is the floating gate and the channel region are divided into two in the source / drain direction, and the channel / floating gate barrier layer near the drain is formed. Is made thicker than the thickness of the barrier layer near the source, the charges are tunnel-injected into the microcrystal floating gate near the source when the gate bias is applied, but the microcrystal floating gate near the drain is initially charged. Charge is not accumulated from the read disturbance
The problem of can be avoided.

【0094】さらに、浮遊ゲートである微結晶領域とチ
ャネルとをソース・ドレイン方向に複数領域に分割し、
障壁層の厚さをソース領域からドレイン領域に向けて段
階的に厚くし、ゲートの印加電圧を段階的に印加するこ
とにより、各領域に電荷が蓄積されるため、多値メモリ
が容易に実現される。また、さらにドレインよりのチャ
ネル・浮遊ゲート間障壁層の厚さが厚いため、読出し時
の電荷の漏れは生ぜず、 read disturbance の問題も
回避されることになる。
Further, the microcrystalline region which is the floating gate and the channel are divided into a plurality of regions in the source / drain direction,
By increasing the thickness of the barrier layer in steps from the source region to the drain region and applying the applied voltage to the gate in stages, charges are accumulated in each region, making it easy to realize multilevel memory. To be done. In addition, since the thickness of the barrier layer between the drain and the channel / floating gate is thicker than that of the drain, charge leakage does not occur during reading, and the problem of read disturbance can be avoided.

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

【図1】本発明の第1の実施形態に係る単一電子素子の
製造工程を段階的に断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view showing steps of manufacturing a single electronic device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施形態の単一電子素子の等価回路図FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the single electronic device according to the first embodiment.

【図3】本発明の第2の実施形態に係る単一電子素子の
製造工程を段階的に示す断面図
FIG. 3 is a cross-sectional view showing stepwise a manufacturing process of a single electronic device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施形態に係る単一電子素子の
製造工程の図3に続く工程を段階的に示す断面図
FIG. 4 is a cross-sectional view showing stepwise steps following the step of FIG. 3 of manufacturing a single electronic device according to the second embodiment of the present invention.

【図5】第2の実施形態の単一電子素子の等価回路図FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the single electronic device according to the second embodiment.

【図6】本発明の第3の実施形態に係る単一電子素子の
製造工程を段階的に示す断面図
FIG. 6 is a cross-sectional view showing stepwise a manufacturing process of a single electronic device according to a third embodiment of the present invention.

【図7】第3の実施形態の単一電子素子の等価回路図FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the single electronic device according to the third embodiment.

【図8】本発明の第4の実施形態に係る単一電子素子の
製造工程を段階的に示す断面図
FIG. 8 is a cross-sectional view showing stepwise a manufacturing process of a single electronic device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第4の実施形態に係る単一電子素子の
製造工程の図8に続く工程を示す断面図
FIG. 9 is a sectional view showing a step that follows the step of FIG. 8 for manufacturing the single electronic device according to the fourth embodiment of the present invention.

【図10】第4の実施形態の単一電子素子の等価回路図FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the single electronic device according to the fourth embodiment.

【図11】本発明の第5の実施形態に係わる単一電子M
OSFET型不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す
断面図
FIG. 11 is a single electron M according to the fifth embodiment of the present invention.
Sectional drawing which shows the manufacturing process of an OSFET type nonvolatile semiconductor memory device.

【図12】本発明の第5の実施形態に係る単一電子MO
SFET型不揮発性半導体記憶装置の製造工程の図11
に続く工程を示す断面図
FIG. 12 is a single electron MO according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 of the manufacturing process of the SFET type nonvolatile semiconductor memory device
Sectional view showing the steps following

【図13】本発明の第6の実施形態に係わる単一電子M
OSFET型不揮発性半導体記憶装置の製造方法を説明
する断面図
FIG. 13 is a single electron M according to the sixth embodiment of the present invention.
Sectional drawing explaining the manufacturing method of an OSFET type non-volatile semiconductor memory device.

【図14】本発明の第6の実施形態に係る単一電子MO
SFET型不揮発性半導体記憶装置の製造工程の図13
に続く工程を示す断面図
FIG. 14 is a single electron MO according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 of the manufacturing process of the SFET type nonvolatile semiconductor memory device
Sectional view showing the steps following

【図15】本発明の第7の実施形態に係わる単一電子M
OSFET型不揮発性半導体記憶装置の製造方法を段階
的に示す断面図
FIG. 15 is a single electron M according to the seventh embodiment of the present invention.
Sectional drawing which shows the manufacturing method of an OSFET type non-volatile semiconductor memory device in steps.

【図16】本発明の単一電子MOSFET型不揮発性半
導体記憶装置の等価回路図
FIG. 16 is an equivalent circuit diagram of the single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device of the present invention.

【図17】本発明の単一電子MOSFET型不揮発性半
導体記憶装置の書き込み、消去を説明する等価回路図
FIG. 17 is an equivalent circuit diagram for explaining programming and erasing of the single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device of the present invention.

【図18】本発明の単一電子MOSFET型不揮発性半
導体記憶装置の書き込み、消去を説明するVG −Q特性
FIG. 18 is a V G -Q characteristic diagram for explaining writing and erasing of the single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device of the present invention.

【図19】二重トンネル接合のクーロンブロッケイド効
果を説明する等価回路図
FIG. 19 is an equivalent circuit diagram for explaining the Coulomb blockade effect of the double tunnel junction.

【図20】二重トンネル接合のクーロンブロッケイド効
果を説明するV−I特性図
FIG. 20 is a VI characteristic diagram illustrating the Coulomb blockade effect of the double tunnel junction.

【図21】本発明の第8の実施形態に係る浮遊ゲート型
半導体記憶装置の断面図
FIG. 21 is a sectional view of a floating gate type semiconductor memory device according to an eighth embodiment of the present invention.

【図22】本発明の第9の実施形態に係る浮遊ゲート型
半導体記憶装置の断面図
FIG. 22 is a sectional view of a floating gate type semiconductor memory device according to a ninth embodiment of the present invention.

【図23】従来の単一電子MOSFETの断面図FIG. 23 is a sectional view of a conventional single-electron MOSFET.

【図24】従来の単一電子MOSFET型不揮発性半導
体記憶装置の断面図
FIG. 24 is a cross-sectional view of a conventional single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device.

【図25】従来の単一電子MOSFET型不揮発性半導
体記憶装置の等価回路図
FIG. 25 is an equivalent circuit diagram of a conventional single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device.

【図26】従来の単一電子MOSFET型不揮発性半導
体記憶装置の書き込み、消去を説明する等価回路図
FIG. 26 is an equivalent circuit diagram for explaining writing and erasing of a conventional single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device.

【図27】従来の単一電子MOSFET型不揮発性半導
体記憶装置の書き込み、消去を説明するVG −Q特性図
FIG. 27 is a V G -Q characteristic diagram for explaining writing and erasing of the conventional single-electron MOSFET type nonvolatile semiconductor memory device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 … シリコン基板 12 … 酸化膜 13 … ポリシリコン電極 14 … n+ 拡散層 15 … 溝 16 … 微小シリコン粒子 11 ... Silicon substrate 12 ... Oxide film 13 ... Polysilicon electrode 14 ... n + diffusion layer 15 ... Groove 16… Small silicon particles

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/792 (72)発明者 杉山 直治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平8−167662(JP,A) 特開 昭49−52581(JP,A) 特開 昭48−27687(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/788 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 29/792 (72) Inventor Naoji Sugiyama 1 Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Toshiba Research & Development Center Co., Ltd. (56 ) Reference JP-A-8-167662 (JP, A) JP-A-49-52581 (JP, A) JP-A-48-27687 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB) Name) H01L 29/788

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板上に形成された少なくとも1
対の電極と、 前記1対の電極間に形成された溝と、 前記溝の両側面に内接され、前記溝の両側面との間に2
つのトンネル接合を形成し、電子1個を保持できる導電
性微粒子と、 を具備することを特徴とする半導体装置。
1. At least one formed on a semiconductor substrate
A pair of electrodes; a groove formed between the pair of electrodes;
A semiconductor device comprising: conductive fine particles capable of forming one tunnel junction and holding one electron.
【請求項2】 半導体基板上に第1の電極を形成する工
程と、 前記第1の電極上に、これと絶縁膜を介して対向するよ
うに第2の電極を形成する工程と、 前記絶縁膜を前記第2の電極の端部に露出された側面よ
りエッチングすることにより、前記第1および第2の電
極間に溝を形成する工程と、 導電性微粒子を前記半導体基板の表面全体に散布するこ
とにより、前記溝の中に前記導電性微粒子を内抱させ、
前記第1および第2の電極と前記導電性微粒子との界面
に2つのトンネル接合を形成する工程と、 を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. A step of forming a first electrode on a semiconductor substrate; a step of forming a second electrode on the first electrode so as to face the first electrode via an insulating film; A step of forming a groove between the first and second electrodes by etching the film from a side surface exposed at an end of the second electrode; and spraying conductive fine particles on the entire surface of the semiconductor substrate. By doing so, the conductive fine particles are contained in the groove,
A step of forming two tunnel junctions at an interface between the first and second electrodes and the conductive fine particles, and a method of manufacturing a semiconductor device.
【請求項3】 半導体基板の表面に対向するように形成
されたソースとドレイン拡散層と、 前記ソースとドレイン拡散層に挟まれた前記半導体基板
上にゲート絶縁膜を介して形成された電荷蓄積部である
浮遊電極と、 前記浮遊電極下の前記半導体基板表面に形成されるチャ
ネル領域と、 前記ゲート絶縁膜中に含まれ、電子1個の充電エネルギ
ーが熱揺らぎより大きいというクーロンブロッケイド条
件を室温で満たす導電性微粒子と、 を具備し、前記導電性微粒子と、それを取り囲む前記ゲ
ート絶縁膜との間に前記電荷の移動方向に形成された2
つのトンネル接合とを介して、前記浮遊電極に前記チャ
ネル領域より前記電荷を出し入れすることを特徴とする
半導体装置。
3. A source and drain diffusion layer formed to face a surface of a semiconductor substrate, and a charge storage formed on the semiconductor substrate sandwiched by the source and drain diffusion layers via a gate insulating film. Part, a floating electrode, a channel region formed on the surface of the semiconductor substrate below the floating electrode, and a Coulomb blockade condition included in the gate insulating film, in which charging energy of one electron is larger than thermal fluctuation. A conductive fine particle that fills at room temperature, and is formed between the conductive fine particle and the gate insulating film surrounding the conductive fine particle in the charge transfer direction.
A semiconductor device, wherein the electric charge is taken in and out of the floating electrode via the two tunnel junctions.
【請求項4】 半導体基板上にゲート絶縁膜を介して電
荷蓄積部である浮遊電極を有する単一電子MOSFET
型半導体装置の製造方法において、ソースまたはドレイ
ン拡散層と前記浮遊電極との間にある前記ゲート酸化膜
の端部を、外側よりエッチングすることにより微細溝を
形成する工程と、シリコン微粒子を前記基板の表面全体
に散布することにより、前記シリコン微粒子を前記微細
溝に内抱させ、前記シリコン微粒子と前記微細溝の両側
面との界面において、前記浮遊電極に電荷を出し入れす
る方向に2つのトンネル接合を形成する工程とを具備す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. A single-electron MOSFET having a floating electrode, which is a charge storage portion, on a semiconductor substrate via a gate insulating film.
Forming a fine groove by etching an end portion of the gate oxide film between the source or drain diffusion layer and the floating electrode from the outside in a method for manufacturing a semiconductor device, and forming silicon fine particles on the substrate. The silicon fine particles inside the fine groove by being dispersed over the entire surface of the micro-groove, and two tunnel junctions are formed at the interface between the silicon fine particle and both side surfaces of the fine groove in the direction of charging / discharging the electric charge to / from the floating electrode. And a step of forming a semiconductor device.
【請求項5】 前記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜であ
り、前記エッチングは、弗化アンモニウムを含むエッチ
ング液を用いて行われることを特徴とする請求項4に記
載の半導体装置の製造方法。
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the gate insulating film is a silicon oxide film, and the etching is performed using an etching solution containing ammonium fluoride.
【請求項6】 シリコン基板表面の第1の酸化膜上に、
電子1個の充電エネルギーが熱揺らぎより大きいという
クーロンブロッケイド条件を室温で満たすようにポリシ
リコングレインフィルムを形成し、前記第1の酸化膜と
前記ポリシリコングレインフィルムとの界面に第1のト
ンネル接合を形成する工程と、前記ポリシリコングレイ
ンフィルムの表面に第2の酸化膜を形成し、前記ポリシ
リコングレインフィルムと前記第2の酸化膜の界面に第
2のトンネル接合を形成する工程と、前記第2の酸化膜
上に浮遊電極を形成する工程とを具備することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
6. A first oxide film on a surface of a silicon substrate,
Charge energy of one electron is larger than thermal fluctuation
Forming a polysilicon grain film so as to satisfy the Coulomb blockade condition at room temperature and forming a first tunnel junction at an interface between the first oxide film and the polysilicon grain film; and the polysilicon grain film. Forming a second oxide film on the surface of the second oxide film and forming a second tunnel junction at the interface between the polysilicon grain film and the second oxide film; and forming a floating electrode on the second oxide film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項7】 シリコン基板表面に形成された第1の酸
化膜上に、電子1個の充電エネルギーが熱揺らぎより大
きいというクーロンブロッケイド条件を室温で満たすよ
うに複数のシリコン微結晶を夫々が頂点を有する如く形
成し、前記第1の酸化膜と前記複数のシリコン微結晶の
界面に第1のトンネル接合を形成する工程と、 前記複数のシリコン微結晶の表面に、前記シリコン微結
晶の頂点に対応した複数の頂点を有するように第2の酸
化膜を形成し、前記複数のシリコン微結晶と前記第2の
酸化膜との界面に第2のトンネル接合を形成する工程
と、 前記第2の酸化膜の複数の頂点に載設された浮遊電極を
形成する工程と、 を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. The charging energy of one electron is larger than the thermal fluctuation on the first oxide film formed on the surface of the silicon substrate.
Meet the Coulomb blockade requirement of temperature at room temperature
As described above, forming a plurality of silicon microcrystals each having an apex, and forming a first tunnel junction at the interface between the first oxide film and the plurality of silicon microcrystals; A second oxide film is formed on the surface so as to have a plurality of vertices corresponding to the vertices of the silicon microcrystals, and a second tunnel junction is formed at the interface between the plurality of silicon microcrystals and the second oxide film. And a step of forming floating electrodes mounted on a plurality of vertices of the second oxide film, the method of manufacturing a semiconductor device.
【請求項8】 前記クーロンブロッケイド条件を満たす
導電性微粒子を挟む前記2つのトンネル接合を介しての
み、前記浮遊電極への前記電荷の出し入れをすることを
特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
8. The semiconductor according to claim 3, wherein the charges are taken in and out of the floating electrode only through the two tunnel junctions sandwiching the conductive fine particles satisfying the Coulomb blockade condition. apparatus.
【請求項9】 前記ポリシリコングレインフィルムの全
てが前記クーロンブロッケイド条件を満たすことを特徴
とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein all of the polysilicon grain films satisfy the Coulomb blockade condition.
【請求項10】 前記シリコン微結晶の全てが前記クー
ロンブロッケイド条件を満たすことを特徴とする請求項
7記載の半導体装置の製造方法。
10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein all of the silicon microcrystals satisfy the Coulomb blockade condition.
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