JPH07202037A - Storage device and its manufacture - Google Patents

Storage device and its manufacture

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JPH07202037A
JPH07202037A JP33811393A JP33811393A JPH07202037A JP H07202037 A JPH07202037 A JP H07202037A JP 33811393 A JP33811393 A JP 33811393A JP 33811393 A JP33811393 A JP 33811393A JP H07202037 A JPH07202037 A JP H07202037A
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JP
Japan
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layer
conductive layer
barrier layer
semiconductor
conductive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP33811393A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Imamura
健一 今村
Tatsuya Usuki
達哉 臼杵
Yasutaka Tamura
泰孝 田村
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH07202037A publication Critical patent/JPH07202037A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a low consumption power type storage device capable of high speed rewriting, and its manufacturing method. CONSTITUTION:On a semiconductor layer 11, a first barrier layer 14 whose electron affinity is smaller than that of the layer 11 is formed. A channel part 15 is formed in the semiconductor layer 11 in the vicinity of the juction interface between the first barrier layer 14 and the semicondctor layer 11. A tunnel junction part 21 constituted of a first conducting layer 16, a tunnel barrier layer 17 and a second conducting layer 18, and a capacitor part 22 constituted of the second conducting layer 18, a second barrier layer 19 and a third conducting layer 20 are formed on the first barrier layer 14 between a source electrode S and a drain electrode D. A control electrode CG is formed on the third conducting layer 20. Via the tunnel barrier layer 17, electrons tunnel between the first conducting layer 16 and the second conducting layer 18, and the storage state is defined on the basis of whether electric charges are much in the first conducting layer 16.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は情報の書き込み読み出し
を行う記憶装置及び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 memory device for writing and reading information and a method for manufacturing the memory device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、記憶装置の記憶容量のアップは目
覚ましいものがあり、MOS−FETを用いたD−RA
M,S−RAM,EEPROMなどでは1Gbitの記
憶容量をもつものが開発のターゲットになりつつある。
このような記憶装置において、不揮発性メモリの分野で
は、フローティング(浮遊)ゲートに電荷を蓄積するタ
イプの書き換え可能なEEPROMやフラッシュメモリ
などの開発が盛んに行われ、ハードディスクの置き換え
が目指されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the storage capacity of a storage device has been remarkably increased, and a D-RA using a MOS-FET is used.
Among M, S-RAM, EEPROM, etc., those having a storage capacity of 1 Gbit are becoming targets for development.
In such a storage device, in the field of non-volatile memory, rewritable EEPROMs and flash memories of the type that accumulates charges in a floating gate have been actively developed, and replacement of hard disks is aimed at. .

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の不揮発性メモリの記憶装置は、例えばEEPROMの
場合、例えばSiからなるチャネル層とフローティング
ゲートとの間のトンネルバリア層にSiO2 層を用いて
いるために、SiとSiO2 との接合において、そのバ
リア高さが高くなる。このため、フローティングゲート
にかなりの高電圧を印加しないと情報の書き換えができ
ず、また書き換えに要する時間も長くなる。従って、低
消費電力化、高速化の点で限界が見えてきた。
However, in the storage device of these nonvolatile memories, for example, in the case of EEPROM, the SiO 2 layer is used as the tunnel barrier layer between the channel layer made of Si and the floating gate, for example. Therefore, the barrier height becomes high in the bonding of Si and SiO 2 . Therefore, information cannot be rewritten unless a fairly high voltage is applied to the floating gate, and the time required for rewriting becomes long. Therefore, the limit has come to be seen in terms of low power consumption and high speed.

【0004】そこで本発明は、高速の書き換えが可能
で、かつ低消費電力型の記憶装置及びその製造方法を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a low-power-consumption memory device that can be rewritten at high speed and a manufacturing method thereof.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】従来の半導体記憶装置に
用いるSi等の代わりに化合物半導体を用いた不揮発性
メモリは、これまで殆ど研究開発されていないが、化合
物半導体のヘテロ接合を利用してトンネルバリアを形成
すれば、バリアのエネルギーバンド形状をほぼ自由に変
化させることができるため、低消費電力化、高速化を図
る上で有望であると考えられる。
A non-volatile memory using a compound semiconductor instead of Si or the like used in a conventional semiconductor memory device has not been researched and developed so far, but a heterojunction of a compound semiconductor is used. By forming a tunnel barrier, the energy band shape of the barrier can be changed almost freely, so it is considered promising for achieving low power consumption and high speed.

【0006】また、微小なトンネル接合におけるクーロ
ン・ブロッケード現象を利用すれば、低消費電力化、高
速化と共に、素子の微細化に適した記憶素子を実現する
ことができると考えられる。以下、このクーロン・ブロ
ッケード現象について,図1及び図2を用いて概説する
(L.S.Kuzmin et.al.,"Single-Electron Charging Effe
cts in One-Dimensional Arrays of Ultrasmall Tunnel
Junctions",Phys.Rev.Letts.62 p.2539 (1989) 参
照)。
Further, it is considered that by utilizing the Coulomb blockade phenomenon in a minute tunnel junction, it is possible to realize a memory element suitable for miniaturization of the element as well as low power consumption and high speed. The Coulomb blockade phenomenon will be outlined below with reference to FIGS. 1 and 2 (LSKuzmin et.al., "Single-Electron Charging Effe.
cts in One-Dimensional Arrays of Ultrasmall Tunnel
Junctions ", Phys. Rev. Letts. 62 p. 2539 (1989)).

【0007】図1(a)に示されるように、微小トンネ
ル接合部1に電圧Vが印加され、電荷Qが蓄積されてい
る。この微小トンネル接合部1の接合容量Cが非常に小
さくなると、電子1個がトンネルしたときの静電エネル
ギーの変化量(〜e2 /2C)が、熱的擾乱に打ち勝つ
ほどまでに大きくなる。即ち、接合容量Cが C=Aε/W 但し、 A:接合面積 W:バリア層の厚さ ε:バリア層の誘電率 と表されるため、静電エネルギーに打ち勝って電子1個
がトンネルするための条件は、接合容量Cが C<e2 /2kT 但し、e:電気素量 k:ボルツマン定数 T:温度 となる必要がある。即ち、接合面積Aが、 A<We2 /2εkT の条件を満たす必要がある。
As shown in FIG. 1A, the voltage V is applied to the minute tunnel junction portion 1 and the charge Q is accumulated. When the junction capacitance C of the minute tunnel junction portion 1 becomes extremely small, the amount of change in electrostatic energy when one electron tunnels (up to e 2 / 2C) becomes large enough to overcome the thermal disturbance. That is, the junction capacitance C is C = Aε / W, where A: junction area W: thickness of barrier layer ε: permittivity of barrier layer, and therefore one electron tunnels over the electrostatic energy. The condition is that the junction capacitance C is C <e 2 / 2kT, where e: elementary charge k: Boltzmann's constant T: temperature. That is, the bonding area A must satisfy the condition of A <We2 / 2εkT.

【0008】このような条件を満たす微小トンネル接合
部1においては、図1(b)の電流−電圧特性のグラフ
に示されるように、微小トンネル接合部に印加する電圧
Vが小さいとき、即ち V<e/2C のとき、トンネルはエネルギー的に損であるため、電流
Iは流れず、それ以上の電圧Vが印加されると、即ち V>e/2C となると、電流Iが流れ出るという現象が起こる。これ
をクーロン・ブロッケード現象という。
In the minute tunnel junction portion 1 satisfying such conditions, as shown in the current-voltage characteristic graph of FIG. 1B, when the voltage V applied to the minute tunnel junction portion is small, that is, V When <e / 2C, the tunnel is an energy loss, so the current I does not flow, and when a voltage V higher than that is applied, that is, when V> e / 2C, the current I flows out. Occur. This is called the Coulomb blockade phenomenon.

【0009】また、図2(a)に示されるように、2つ
の微小トンネル接合部2、3を直列に接続し、その間に
電圧Vを印加すると、最初は電流Iが流れず、更に電圧
Vを高くするとトンネル接合領域に電子が1個入るよう
になり、電流Iが流れるが、更にもう1個の電子が入る
ようになるためには、更に大きな電圧Vを印加する必要
があり、それまでは一定の電流値が保持されることにな
る。従って、図2(b)のグラフに示されるように、ス
テップ状の電流−電圧特性をもつことになる。この現象
もクーロンブロッケード現象の一種であって、特にクー
ロン・ステアケース現象と呼ぶ。
Further, as shown in FIG. 2A, when two minute tunnel junctions 2 and 3 are connected in series and a voltage V is applied between them, the current I does not flow at first, and further the voltage V When the value is increased, one electron will enter the tunnel junction region, and the current I will flow. However, in order to allow another electron to enter, it is necessary to apply a larger voltage V. Holds a constant current value. Therefore, as shown in the graph of FIG. 2B, it has a step-like current-voltage characteristic. This phenomenon is also a type of Coulomb blockade phenomenon and is called the Coulomb-Staircase phenomenon.

【0010】このような考えに基づき、本発明者らは、
ヘテロ結合によりトンネルバリアのエネルギーバンド形
状を自由に変化させることが可能な化合物半導体を用い
る記憶装置、また電子1個、2個という少ない電荷量の
変化をもって大きな静電エネルギーの変化を得ることが
できる微小トンネル接合におけるクーロン・ブロッケー
ド現象を利用し、これを制御ゲートに用いる記憶装置の
開発を追究して、消費電力の低減、処理速度の高速化、
及び素子の微細化を可能にする記憶装置を想到した。
Based on such an idea, the present inventors have
A storage device using a compound semiconductor capable of freely changing the energy band shape of the tunnel barrier by hetero coupling, and a large change in electrostatic energy can be obtained with a small change in charge amount of one or two electrons. Utilizing the Coulomb blockade phenomenon in micro tunnel junctions, we pursued the development of a memory device that uses this as a control gate, reducing power consumption, increasing processing speed,
In addition, a memory device that enables miniaturization of elements has been conceived.

【0011】以下、本発明の原理について、図3〜図8
を用いて説明する。図3(a)は本発明による第1の記
憶装置を示す断面図、図3(b)はその回路図、図4
(a)、(b)、図5(a)、(b)はそれぞれ図3の
第1の記憶装置の動作を説明するためのエネルギーバン
ド図、図6(a)、(b)はそれぞれ図3の第1の記憶
装置の電流−電圧特性を示すグラフである。
The principle of the present invention will be described below with reference to FIGS.
Will be explained. 3A is a sectional view showing the first memory device according to the present invention, FIG. 3B is a circuit diagram thereof, and FIG.
5A and 5B are energy band diagrams for explaining the operation of the first memory device in FIG. 3, and FIGS. 6A and 6B are diagrams respectively. 3 is a graph showing current-voltage characteristics of the first memory device of FIG.

【0012】図3において、基板10上に、半導体層1
1が形成されている。この半導体層11表面には、ソー
ス領域12及びドレイン領域13が相対して形成され、
更にこれらソース領域12及びドレイン領域13上に
は、それぞれソース電極S及びドレイン電極Dがオーミ
ック接合して形成されている。また、半導体層11上に
は、この半導体層11よりも電子親和力の小さい第1の
バリア層14が形成されている。そしてこの第1のバリ
ア層14と半導体層11との接合界面近傍における半導
体層11は導電性を有しているため、ソース電極Sとド
レイン電極Dとを結ぶチャネル部15が形成されてい
る。
In FIG. 3, the semiconductor layer 1 is formed on the substrate 10.
1 is formed. A source region 12 and a drain region 13 are formed opposite to each other on the surface of the semiconductor layer 11,
Further, a source electrode S and a drain electrode D are formed on the source region 12 and the drain region 13 in ohmic contact with each other. Further, a first barrier layer 14 having an electron affinity lower than that of the semiconductor layer 11 is formed on the semiconductor layer 11. Since the semiconductor layer 11 near the junction interface between the first barrier layer 14 and the semiconductor layer 11 has conductivity, the channel portion 15 connecting the source electrode S and the drain electrode D is formed.

【0013】また、ソース電極Sとドレイン電極Dとの
間の第1のバリア層14上には、第1の導電層16が形
成され、この第1の導電層16上には、この第1の導電
層16よりも電子親和力の小さいトンネルバリア層17
を介して、第2の導電層18が形成されている。また、
この第2の導電層18上に、この第2の導電層18より
も電子親和力の小さい第2のバリア層19を介して、第
3の導電層20が形成されている。
Further, a first conductive layer 16 is formed on the first barrier layer 14 between the source electrode S and the drain electrode D, and the first conductive layer 16 is formed on the first conductive layer 16. Tunnel barrier layer 17 having a smaller electron affinity than the conductive layer 16 of
The second conductive layer 18 is formed via. Also,
A third conductive layer 20 is formed on the second conductive layer 18 via a second barrier layer 19 having a smaller electron affinity than the second conductive layer 18.

【0014】従って、トンネルバリア層17とこれを挟
む第1及び第2の導電層16、18により、トンネル接
合部21が構成され、また第2のバリア層19とこれを
挟む第2及び第3の導電層18、20により、キャパシ
タ部22が構成されている。更に、第3の導電層20上
に、制御ゲート電極CGがオーミック接合されて形成さ
れている。
Therefore, the tunnel barrier layer 17 and the first and second conductive layers 16 and 18 that sandwich the tunnel barrier layer 17 constitute a tunnel junction portion 21, and the second barrier layer 19 and the second and third sandwiching the barrier layer 19 therebetween. The conductive layers 18 and 20 form a capacitor section 22. Further, the control gate electrode CG is formed on the third conductive layer 20 by ohmic contact.

【0015】次に、図3の記憶素子の動作を、図4及び
図5のエネルギーバンド図を用いて説明する。図3
(b)に示されるように、記憶素子のソース電極Sを接
地する。そして制御ゲート電極CGに正の電圧VCGを印
加すると、記憶素子のエネルギーバンド図は、図4
(a)に示されるようになる。
Next, the operation of the memory element of FIG. 3 will be described with reference to the energy band diagrams of FIGS. 4 and 5. Figure 3
As shown in (b), the source electrode S of the memory element is grounded. When a positive voltage V CG is applied to the control gate electrode CG, the energy band diagram of the memory element is shown in FIG.
As shown in (a).

【0016】このとき、第1の導電層16に存在した電
子の一部は、図中の矢印に示されるように、トンネルバ
リア層17をトンネルして、第2の導電層18に移動す
る。尚、この記憶素子の第1及び第2のバリア層14、
19の層厚は、図示するように相対的に厚く形成されて
いるため、この第1の導電層16から第2の導電層18
へのトンネルの際に、半導体層11から第1の導電層1
6へのトンネル及び第2の導電層18から第3の導電層
20へのトンネルは阻止される。
At this time, some of the electrons existing in the first conductive layer 16 tunnel through the tunnel barrier layer 17 and move to the second conductive layer 18, as shown by the arrow in the figure. Incidentally, the first and second barrier layers 14 of this memory element,
Since the layer thickness of 19 is relatively thick as shown in the drawing, the first conductive layer 16 to the second conductive layer 18 are formed.
During the tunnel to the first conductive layer 1 from the semiconductor layer 11
The tunnel to 6 and the tunnel from the second conductive layer 18 to the third conductive layer 20 are blocked.

【0017】この状態において、制御ゲート電極CGに
印加した電圧VCGを0に戻すと、図5(a)に示される
ように、第1の導電層16における電荷は初期状態より
減少するため、これに対応して半導体層11中のチャネ
ル部15の電子濃度が増加して、電子蓄積層が新たに形
成されるか、或いは電子蓄積層の厚さが厚くなる。従っ
て、この状態で、ソース電極Sとドレイン電極Dとの間
に電圧VSDを印加すると、初期状態よりも大きなドレイ
ン電流ID が流れる。そしてこの状態を記憶情報“1”
とする。
In this state, when the voltage V CG applied to the control gate electrode CG is returned to 0, the charge in the first conductive layer 16 decreases from the initial state, as shown in FIG. Correspondingly, the electron concentration of the channel portion 15 in the semiconductor layer 11 is increased, and an electron storage layer is newly formed or the thickness of the electron storage layer is increased. Therefore, when the voltage V SD is applied between the source electrode S and the drain electrode D in this state, a drain current I D larger than that in the initial state flows. And this state is stored information "1"
And

【0018】他方、記憶素子のソース電極Sを接地し
て、制御ゲート電極CGに負の電圧V CGを印加すると、
記憶素子のエネルギーバンド図は、図4(b)に示され
るようになる。このとき、第2の導電層18に存在した
電子の一部は、図中の矢印に示されるように、トンネル
バリア層17をトンネルして、第1の導電層16に移動
すると共に、第1の導電層16から半導体層11へのト
ンネル及び第3の導電層20から第2の導電層18への
トンネルは阻止される。
On the other hand, the source electrode S of the memory element is grounded.
The control gate electrode CG to a negative voltage V CGIs applied,
The energy band diagram of the storage element is shown in FIG.
Become so. At this time, it was present in the second conductive layer 18.
Some of the electrons are tunneled, as shown by the arrows in the figure.
Tunnel through barrier layer 17 and move to first conductive layer 16
The first conductive layer 16 to the semiconductor layer 11.
From the third conductive layer 20 to the second conductive layer 18
The tunnel is blocked.

【0019】この状態において、制御ゲート電極CGに
印加した電圧VCGを0に戻すと、図5(b)に示される
ように、第1の導電層16における電荷は初期状態より
増加するため、これに対応して半導体層11中のチャネ
ル部の電子濃度が減少して、電子蓄積層が消失するか、
或いは電子蓄積層の厚さが薄くなる。従って、この状態
で、ソース電極Sとドレイン電極Dとの間に電圧VSD
印加すると、ドレイン電流ID が流れないか、或いは初
期状態よりも小さなドレイン電流ID しか流れない。そ
してこの状態を記憶情報“0”とする。
In this state, when the voltage V CG applied to the control gate electrode CG is returned to 0, the charge in the first conductive layer 16 increases from the initial state, as shown in FIG. 5 (b). Corresponding to this, the electron concentration of the channel portion in the semiconductor layer 11 decreases and the electron storage layer disappears,
Alternatively, the thickness of the electron storage layer becomes thin. Therefore, in this state, when the voltage V SD is applied between the source electrode S and the drain electrode D, the drain current I D does not flow, or only the drain current I D smaller than that in the initial state flows. Then, this state is set as the storage information “0”.

【0020】次に、この動作を、図6の電流−電圧特性
を示すグラフを用いて説明する。図6(a)に示される
ように、制御ゲート電極CGに正の電圧VCGを印加した
場合には、ソース・ドレイン間電圧VSDの印加によっ
て、記憶情報“1”に対応する大きなドレイン電流ID
が流れる。他方、制御ゲート電極CGに負の電圧V CG
印加した場合には、ソース・ドレイン間電圧VSDの印加
によっても、記憶情報“0”に対応する小さなドレイン
電流ID しか流れない。
Next, this operation is performed according to the current-voltage characteristic of FIG.
It demonstrates using the graph which shows. As shown in FIG. 6 (a)
So that the positive voltage VCGApplied
In this case, the source-drain voltage VSDBy applying
A large drain current I corresponding to the stored information “1”.D
Flows. On the other hand, a negative voltage V is applied to the control gate electrode CG. CGTo
When applied, the source-drain voltage VSDApplication of
Also, a small drain corresponding to the stored information “0”
Current IDOnly flows.

【0021】また、図6(b)に示されるように、ドレ
イン電流ID と制御ゲート電極CGへの印加電圧VCG
の関係をとると、制御ゲート電極CGへの印加電圧VCG
の変化に対してヒステリシス・ループを描くため、ドレ
イン電流ID の大小により記憶情報“1”又は“0”を
保持することができる。但し、これらの記憶情報はトン
ネルバリア層17を透過するトンネルにより変化するこ
とから、記憶情報を保持するためにはリフレッシュを行
う必要がある。
Further, as shown in FIG. 6B, when the relationship between the drain current ID and the applied voltage V CG to the control gate electrode CG is taken, the applied voltage V CG to the control gate electrode CG is obtained.
Since a hysteresis loop is drawn with respect to the change of, the stored information "1" or "0" can be held depending on the magnitude of the drain current I D. However, since the stored information changes depending on the tunnel that passes through the tunnel barrier layer 17, it is necessary to refresh the stored information.

【0022】以上のことから、上記課題は、基板と、前
記基板上に形成される半導体層と、前記半導体層上に相
対して形成され、前記半導体層にそれぞれオーミック接
合するソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極
と前記ドレイン電極との間に挟まれた前記半導体層上
に、前記半導体層よりも電子親和力の小さい第1のバリ
ア層を介して形成された第1の導電層と、前記第1の導
電層上に、前記第1の導電層よりも電子親和力の小さい
トンネルバリア層を介して形成された第2の導電層と、
前記第2の導電層上に、前記第2の導電層よりも電子親
和力の小さい第2のバリア層を介して形成された第3の
導電層と、前記第3の導電層上にオーミック接合して形
成されたゲート電極とを有し、前記ゲート電極への印加
電圧を制御し、前記トンネルバリア層を介して前記第1
の導電層と前記第2の導電層との間で電荷を移動させ、
前記第1の導電層における電荷量の変化により、前記半
導体層の前記第1のバリア層との接合界面近傍に形成さ
れる電子濃度を増減させて、前記ソース電極及び前記ド
レイン電極間に流れる電流を制御することを特徴とする
半導体記憶装置によって達成される。
From the above, the above-mentioned problem is solved by the substrate, the semiconductor layer formed on the substrate, and the source electrode and the drain electrode which are formed on the semiconductor layer so as to face each other and are in ohmic contact with the semiconductor layer. A first conductive layer formed on the semiconductor layer sandwiched between the source electrode and the drain electrode via a first barrier layer having a smaller electron affinity than the semiconductor layer; A second conductive layer formed on the first conductive layer via a tunnel barrier layer having an electron affinity lower than that of the first conductive layer;
A third conductive layer formed on the second conductive layer via a second barrier layer having an electron affinity lower than that of the second conductive layer, and ohmic-bonded on the third conductive layer. A gate electrode formed by controlling the voltage applied to the gate electrode, and controlling the voltage applied to the gate electrode via the tunnel barrier layer.
Charge between the second conductive layer and the second conductive layer,
A current flowing between the source electrode and the drain electrode is increased or decreased by increasing or decreasing the electron concentration formed in the vicinity of the junction interface of the semiconductor layer with the first barrier layer due to the change of the charge amount in the first conductive layer. Is achieved by a semiconductor memory device.

【0023】次に、本発明による第2の記憶装置につい
て述べる。図7(a)は本発明による第2の記憶装置を
示す断面図、図7(a)はその回路図、図8(a)、
(b)はそれぞれ図7の第2の記憶装置の電流−電圧特
性を示すグラフである。尚、上記図3の第1の記憶装置
と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略す
る。
Next, the second storage device according to the present invention will be described. 7A is a sectional view showing a second memory device according to the present invention, FIG. 7A is a circuit diagram thereof, FIG.
7B is a graph showing current-voltage characteristics of the second memory device of FIG. 7, respectively. The same components as those of the first storage device shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

【0024】図7において、基板10上に、半導体層1
1が形成され、この半導体層11表面には、ソース領域
12及びドレイン領域13が相対して形成され、更にこ
れらソース領域12及びドレイン領域13上には、それ
ぞれソース電極S及びドレイン電極Dがオーミック接合
して形成されている。また、半導体層11上には、この
半導体層11よりも電子親和力の小さい第1のバリア層
14が形成されていると共に、この第1のバリア層14
との接合界面近傍における半導体層11には、ソース電
極Sとドレイン電極Dとを結ぶチャネル部15が形成さ
れている。
In FIG. 7, the semiconductor layer 1 is formed on the substrate 10.
1, a source region 12 and a drain region 13 are formed opposite to each other on the surface of the semiconductor layer 11, and a source electrode S and a drain electrode D are ohmic on the source region 12 and the drain region 13, respectively. It is formed by joining. A first barrier layer 14 having an electron affinity lower than that of the semiconductor layer 11 is formed on the semiconductor layer 11, and the first barrier layer 14 is formed.
A channel portion 15 that connects the source electrode S and the drain electrode D is formed in the semiconductor layer 11 near the junction interface with.

【0025】また、ソース電極Sとドレイン電極Dとの
間の第1のバリア層14上には、第1の導電層23が形
成され、この第1の導電層23上には、この第1の導電
層23よりも電子親和力の小さいトンネルバリア層17
を介して、第2の導電層24が形成されている。また、
この第2の導電層24上に、この第2の導電層24より
も電子親和力の小さい第2のバリア層19を介して、第
3の導電層20が形成されている。
Further, a first conductive layer 23 is formed on the first barrier layer 14 between the source electrode S and the drain electrode D, and the first conductive layer 23 is formed on the first conductive layer 23. Tunnel barrier layer 17 having a smaller electron affinity than the conductive layer 23 of
The second conductive layer 24 is formed via. Also,
A third conductive layer 20 is formed on the second conductive layer 24 with a second barrier layer 19 having an electron affinity smaller than that of the second conductive layer 24 interposed therebetween.

【0026】ここで、第1及び第2の導電層23、24
は極めて微細に形成されており、これら第1及び第2の
導電層23、24とトンネルバリア層17とのそれぞれ
の接合面積Aが、 A<We2 /2εkT 但し、 W:トンネルバリア層17の厚さ e:電気素量 ε:トンネルバリア層17の誘電率 k:ボルツマン定数 T:温度 の関係を満たすほど十分に小さいことに特徴がある。
Here, the first and second conductive layers 23, 24
Are extremely finely formed, and the junction area A of each of the first and second conductive layers 23 and 24 and the tunnel barrier layer 17 is A <We 2 / 2εkT, where W: of the tunnel barrier layer 17. It is characterized in that it is sufficiently small to satisfy the relationship of thickness e: elementary charge ε: permittivity of tunnel barrier layer 17 k: Boltzmann constant T: temperature.

【0027】即ち、接合面積Aは、 e2 /2C>>kT の条件を満たす必要があり、また VCG〜e/2C の条件を満たす程度に電圧VCGを大きくする必要がある
ことから、動作余裕を大きくし、また高い温度で動作を
可能にするためには、動作温度を例えば300Kとする
と、実効的な接合面積Aは、100nm2 以下の微細な
接合を形成する必要がある。但し、例えば温度4.2K
での動作を考えると、0.1μm2 程度でも十分であ
る。
That is, the junction area A needs to satisfy the condition of e 2 / 2C >> kT, and the voltage V CG needs to be large enough to satisfy the condition of V CG to e / 2C. In order to increase the operation margin and enable operation at a high temperature, it is necessary to form a fine junction with an effective junction area A of 100 nm 2 or less when the operation temperature is, for example, 300K. However, for example, the temperature is 4.2K
Considering the operation at 0.1 μm 2, about 0.1 μm 2 is sufficient.

【0028】こうして、トンネルバリア層17とこれを
挟む第1及び第2の導電層23、24により、極めて微
細なトンネル接合部25が構成され、また第2のバリア
層19とこれを挟む第2及び第3の導電層24、20に
より、キャパシタ部26が構成されている。更に、第3
の導電層20上に、制御ゲート電極CGがオーミック接
合されて形成されている。
In this way, the tunnel barrier layer 17 and the first and second conductive layers 23 and 24 sandwiching the tunnel barrier layer 17 constitute an extremely fine tunnel junction 25, and the second barrier layer 19 and the second barrier layer 19 sandwiching it. The third conductive layers 24 and 20 form a capacitor section 26. Furthermore, the third
The control gate electrode CG is formed on the conductive layer 20 by ohmic junction.

【0029】次に、図7の記憶素子の動作を、図8の電
流−電圧特性を示すグラフを用いて説明する。図7
(b)に示されるように、記憶素子のソース電極Sを接
地する。そして制御ゲート電極CGに VCG>e/2C 但し、 C:トンネル接合部25の接合容量C なる正の電圧VCGを印加すると、クーロン・ブロッケー
ド現象により、第1の導電層23に存在した電子の一部
は、トンネルバリア層17をトンネルして、第2の導電
層24に移動すると共に、第1及び第2のバリア層1
4、19の層厚は厚いために、半導体層11から第1の
導電層23へのトンネル及び第2の導電層24から第3
の導電層20へのトンネルは阻止される。このため、制
御ゲート電極CGの印加電圧VCGを0に戻すと、第1の
導電層23における電荷は初期状態より減少し、これに
対応して半導体層11中のチャネル部15の電子濃度が
増加する。
Next, the operation of the memory element of FIG. 7 will be described using the graph showing the current-voltage characteristic of FIG. Figure 7
As shown in (b), the source electrode S of the memory element is grounded. Then, V CG > e / 2C to the control gate electrode CG, where C: When a positive voltage V CG which is the junction capacitance C of the tunnel junction 25 is applied, the electrons existing in the first conductive layer 23 due to the Coulomb blockade phenomenon. Of the first barrier layer 1 tunnels through the tunnel barrier layer 17 and moves to the second conductive layer 24.
Since the layers 4 and 19 are thick, the tunnel from the semiconductor layer 11 to the first conductive layer 23 and the second conductive layer 24 to the third conductive layer 23 are formed.
Tunnels to the conductive layer 20 are blocked. Therefore, when the applied voltage V CG of the control gate electrode CG returned to 0, the charge in the first conductive layer 23 is reduced from the initial state, the electron concentration in the channel portion 15 in the semiconductor layer 11 corresponding thereto To increase.

【0030】従って、この状態で、ソース電極S−ドレ
イン電極D間に電圧VSDを印加すると、図8(a)に示
されるように、初期状態よりも大きなドレイン電流ID
が流れる。即ち、記憶情報“1”に対応する状態とな
る。他方、記憶素子のソース電極Sを接地して、制御ゲ
ート電極CGに VCG<−e/2C なる負の電圧VCGを印加すると、クーロン・ブロッケー
ド現象により、第2の導電層24に存在した電子の一部
は、トンネルバリア層17をトンネルして、第1の導電
層23に移動すると共に、第1の導電層23から半導体
層11へのトンネル及び第3の導電層20から第2の導
電層24へのトンネルは阻止される。このため、制御ゲ
ート電極CGの印加電圧VCGを0に戻すと、第1の導電
層23における電荷は初期状態より増加し、これに対応
して半導体層11中のチャネル部15の電子濃度が減少
する。
Therefore, when the voltage V SD is applied between the source electrode S and the drain electrode D in this state, as shown in FIG. 8A, the drain current I D larger than that in the initial state is obtained.
Flows. That is, the state corresponds to the stored information “1”. On the other hand, when the source electrode S of the memory element is grounded and a negative voltage V CG of V CG <−e / 2C is applied to the control gate electrode CG, it is present in the second conductive layer 24 due to the Coulomb blockade phenomenon. Some of the electrons tunnel through the tunnel barrier layer 17 and move to the first conductive layer 23, and at the same time, tunnel from the first conductive layer 23 to the semiconductor layer 11 and from the third conductive layer 20 to the second conductive layer 20. The tunnel to the conductive layer 24 is blocked. Therefore, when the applied voltage V CG of the control gate electrode CG returned to 0, the charge in the first conductive layer 23 is increased from the initial state, the electron concentration in the channel portion 15 in the semiconductor layer 11 corresponding thereto Decrease.

【0031】従って、この状態で、ソース電極S−ドレ
イン電極D間に電圧VSDを印加すると、図8(a)に示
されるように、初期状態よりも小さなドレイン電流ID
しか流れない。即ち、記憶情報“0”に対応する状態と
なる。尚、制御ゲート電極CGへの印加電圧VCGが、 −e/2C<VCG<e/2C であるときは、クーロン・ブロッケード現象により、第
1の導電層23に存在する電子がトンネルバリア層17
をトンネルして第2の導電層24へ移動することもな
く、また、第2の導電層24に存在する電子がトンネル
バリア層17をトンネルして第1の導電層23へ移動す
ることもないため、それ以前の状態が保持される。
Therefore, when the voltage V SD is applied between the source electrode S and the drain electrode D in this state, as shown in FIG. 8A, the drain current I D smaller than that in the initial state is applied.
Only flows. That is, the state corresponds to the stored information “0”. The control gate electrode applied voltage V CG to CG is, -e / 2C <when a V CG <e / 2C is a Coulomb blockade phenomenon, electrons tunnel barrier layer present on the first conductive layer 23 17
Does not tunnel to the second conductive layer 24, and the electrons present in the second conductive layer 24 do not tunnel through the tunnel barrier layer 17 to the first conductive layer 23. Therefore, the state before that is retained.

【0032】従って、ドレイン電流ID と制御ゲート電
極CGへの印加電圧VCGとの関係をとると、図8(b)
に示されるように、制御ゲート電極CGへの印加電圧V
CGの変化に対してヒステリシス・ループを描く。即ち、
記憶情報“0”に対応する状態において、制御ゲート電
極CGへの印加電圧VCGを負から次第に増大させていく
と、 VCG<e/2C の範囲では、電圧VCGが負から正になっても、ドレイン
電流ID が小さいままで記憶情報“0”が保持される。
そして印加電圧VCGが VCG>e/2C になると、ドレイン電流ID が増大し、記憶情報“1”
の状態に移行する。
Therefore, the relationship between the drain current I D and the voltage V CG applied to the control gate electrode CG is shown in FIG. 8 (b).
, The applied voltage V to the control gate electrode CG
Draw a hysteresis loop for changes in CG . That is,
When the voltage V CG applied to the control gate electrode CG is gradually increased from negative in the state corresponding to the stored information “0”, the voltage V CG is changed from negative to positive in the range of V CG <e / 2C. However, the stored information “0” is held while the drain current I D remains small.
Then, when the applied voltage V CG becomes V CG > e / 2C, the drain current I D increases and the stored information “1”
Transition to the state of.

【0033】これとは逆に、記憶情報“1”に対応する
状態から、印加電圧VCGを次第に減少させていくと、 VCG>−e/2C の範囲では、電圧VCGが正から負になっても、ドレイン
電流ID が大きいままで記憶情報“1”が保持される
が、印加電圧VCGが VCG<−e/2C になると、ドレイン電流ID が減少し、記憶情報“0”
の状態に移行する。従って、ドレイン電流ID の大小に
より記憶情報“1”又は“0”を保持することができ
る。
On the contrary, when the applied voltage V CG is gradually decreased from the state corresponding to the stored information "1", the voltage V CG is positive to negative in the range of V CG > -e / 2C. Even if the drain current I D becomes large, the stored information “1” is retained. However, when the applied voltage V CG becomes V CG <−e / 2C, the drain current I D decreases and the stored information “1” is stored. 0 "
Transition to the state of. Therefore, the stored information “1” or “0” can be held depending on the magnitude of the drain current I D.

【0034】尚、上記本発明による第1及び第2の記憶
装置において、第1のバリア層14の一部又は全部の層
厚を薄くしてトンネルバリア部を形成してもよい。この
ときの記憶装置の動作を、例えば第1の記憶装置の第1
のバリア層14にトンネルバリア部を形成した場合につ
いて説明する。ソース電極Sを接地すると共に、ドレイ
ン電極Dにバイアスを印加することにより、半導体層1
1内のチャネル部15に存在する電子をホットエレクト
ロンにして、上記トンネルバリア部を介して第1の導電
層16に移動させる。そして制御ゲート電極CGに VCG>e/2C なる正の電圧VCG、又は VCG<−e/2C なる負の電圧VCGを印加すると、クーロン・ブロッケー
ド現象により、トンネルバリア層17を介して第1の導
電層23と第2の導電層24との間で電子がトンネルし
て、第1の導電層23の電荷量が変化するため、記憶情
報の書換えを行うことが可能となる。
In the first and second memory devices according to the present invention, the tunnel barrier portion may be formed by reducing the layer thickness of part or all of the first barrier layer 14. The operation of the storage device at this time is, for example, the first storage device of the first storage device.
The case where the tunnel barrier portion is formed in the barrier layer 14 will be described. By grounding the source electrode S and applying a bias to the drain electrode D, the semiconductor layer 1
Electrons existing in the channel portion 15 in 1 are made into hot electrons and moved to the first conductive layer 16 through the tunnel barrier portion. The control gate electrode becomes V CG> e / 2C the CG positive voltage V CG, or V CG <when a negative voltage is applied to V CG consisting -e / 2C, the Coulomb blockade phenomenon, through the tunnel barrier layer 17 Since electrons tunnel between the first conductive layer 23 and the second conductive layer 24 to change the charge amount of the first conductive layer 23, it is possible to rewrite the stored information.

【0035】以上のことから、上記課題は、基板と、前
記基板上に形成される半導体層と、前記半導体層上に相
対して形成され、前記半導体層にそれぞれオーミック接
合するソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極
と前記ドレイン電極との間に挟まれた前記半導体層上
に、前記半導体層よりも電子親和力の小さい第1のバリ
ア層を介して形成された第1の導電層と、前記第1の導
電層上に、前記第1の導電層よりも電子親和力の小さい
トンネルバリア層を介して形成された第2の導電層と、
前記第2の導電層上に、前記第2の導電層よりも電子親
和力の小さい第2のバリア層を介して形成された第3の
導電層と、前記第3の導電層上に形成されたゲート電極
とを有し、前記ゲート電極への印加電圧を制御し、前記
トンネルバリア層を介して前記第1の導電層と前記第2
の導電層との間で電荷を移動させ、前記第1の導電層に
おける電荷量の変化により、前記半導体層の前記第1の
バリア層との接合界面近傍に形成される電子濃度を増減
させて、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に流れ
る電流を制御する半導体記憶装置において、前記第1及
び第2の導電層と前記トンネルバリア層とのそれぞれの
接合面積Aが、 A<We2 /2εkT 但し、 W:バリア層の厚さ e:電気素量 ε:バリア層の誘電率 k:ボルツマン定数 T:温度 であることを特徴とする半導体記憶装置によって達成さ
れる。
In view of the above, the above-mentioned problem is solved by the substrate, the semiconductor layer formed on the substrate, and the source electrode and the drain electrode which are formed on the semiconductor layer so as to face each other and make ohmic contact with the semiconductor layer. A first conductive layer formed on the semiconductor layer sandwiched between the source electrode and the drain electrode via a first barrier layer having a smaller electron affinity than the semiconductor layer; A second conductive layer formed on the first conductive layer via a tunnel barrier layer having an electron affinity lower than that of the first conductive layer;
A third conductive layer formed on the second conductive layer via a second barrier layer having an electron affinity lower than that of the second conductive layer, and formed on the third conductive layer. A gate electrode, controlling a voltage applied to the gate electrode, and via the tunnel barrier layer, the first conductive layer and the second conductive layer.
Electric charge is transferred between the first conductive layer and the second conductive layer to increase or decrease the electron concentration formed in the vicinity of the junction interface of the semiconductor layer with the first barrier layer. In the semiconductor memory device controlling the current flowing between the source electrode and the drain electrode, the junction area A of each of the first and second conductive layers and the tunnel barrier layer is A <We 2 / 2εkT , W: thickness of barrier layer e: elementary electric charge ε: dielectric constant of barrier layer k: Boltzmann constant T: temperature, which is achieved by a semiconductor memory device.

【0036】[0036]

【作用】本発明による第1の記憶素子は、トンネルバリ
ア層17を挟む第1及び第2の導電層16、18、特に
第1の導電層16における電荷の多寡を基準にして記憶
状態を規定することができ、ソース電極S−ドレイン電
極D間に流れるドレイン電流ID の大小により記憶情報
を読み出すことができる。そしてその読み出しにあたっ
ては、チャネル部15における電子の走行は非常に高速
であり、その走行時間は非常に短いため、読み出し速度
は高速化される。また、電子がトンネルバリア層17を
抜けるトンネル時間は非常に短いため、記憶情報の書換
えも非常に高速になる。
In the first memory element according to the present invention, the memory state is defined on the basis of the amount of charges in the first and second conductive layers 16 and 18 sandwiching the tunnel barrier layer 17, especially in the first conductive layer 16. Therefore, the stored information can be read according to the magnitude of the drain current ID flowing between the source electrode S and the drain electrode D. In reading the data, the electrons travel in the channel portion 15 at a very high speed and the traveling time is very short, so that the reading speed is increased. Further, since the tunneling time for the electrons to pass through the tunnel barrier layer 17 is very short, the rewriting of stored information becomes very fast.

【0037】また、本発明による第2の記憶素子は、上
記第1の記憶素子の場合と同様に、第1及び第2の導電
層23、24、特に第1の導電層23における電荷の多
寡を基準にして記憶状態を規定することができ、ソース
電極S−ドレイン電極D間に流れるドレイン電流ID
大小により記憶情報を読み出すことができる。そしてそ
の読み出しにあたっては、チャネル部15における電子
の走行は非常に高速であり、その走行時間は非常に短い
ため、読み出し速度は高速化される。また、電子がトン
ネルバリア層17を抜けるトンネル時間は非常に短いた
め、記憶情報の書換えも非常に高速になる。
In the second memory element according to the present invention, as in the case of the first memory element, the amount of charges in the first and second conductive layers 23, 24, especially the first conductive layer 23 is large. The storage state can be defined on the basis of, and the storage information can be read according to the magnitude of the drain current ID flowing between the source electrode S and the drain electrode D. In reading the data, the electrons travel in the channel portion 15 at a very high speed and the traveling time is very short, so that the reading speed is increased. Further, since the tunneling time for the electrons to pass through the tunnel barrier layer 17 is very short, the rewriting of stored information becomes very fast.

【0038】しかも、第1及び第2の導電層とトンネル
バリア層との接合面積Aが、 A<We2 /2εkT であるほど十分に小さいことから、クーロン・ブロッケ
ード現象が生じ、記憶情報の保持は電子1個がトンネル
バリア層17をトンネルする場合とトンネルしない場合
との静電的エネルギの変化量(〜e2 /2C)に基づい
て行われ、この変化量は熱的擾乱よりも大きいため、記
憶情報の保持時間はほぼ半永久的となり、記憶情報を保
持するためのリフレッシュは不要である。更に、消費電
力に関しても、記憶保持機構がクーロン力による静電的
な力を用いるものであるため、書換え・読み出し時に僅
かに電流が流れるだけで、電力消費量が低減される。
Moreover, since the junction area A between the first and second conductive layers and the tunnel barrier layer is sufficiently small that A <We 2 / 2εkT, the Coulomb blockade phenomenon occurs and the retention of stored information. Is performed based on the amount of change in electrostatic energy (.about.e2 / 2C) when one electron tunnels through the tunnel barrier layer 17 and when it does not. Since this amount of change is larger than the thermal disturbance, The retention time of the stored information is almost semi-permanent, and refreshing for retaining the stored information is unnecessary. Further, as for power consumption, the memory holding mechanism uses an electrostatic force due to the Coulomb force, so that a small amount of current flows at the time of rewriting / reading, and power consumption is reduced.

【0039】[0039]

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて具
体的に説明する。まず、上記本発明による第1の記憶装
置に対応する第1の実施例及び第2の実施例を、それぞ
れ図9及び図10を用いて説明する。図9は本発明の第
1の実施例による記憶装置を示す断面図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be specifically described below based on illustrated embodiments. First, a first embodiment and a second embodiment corresponding to the first storage device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10, respectively. FIG. 9 is a sectional view showing a memory device according to the first embodiment of the present invention.

【0040】この第1の実施例による記憶装置は、電極
部を除く各構成要素を半導体により形成している点に特
徴がある。即ち、図9において、半絶縁性InP基板3
0上に、厚さ300nmのノンドープのi型InGaA
s層31が形成されている。このi型InGaAs層3
1表面には、n型不純物が添加されたn+ 型ソース領域
32及びn+ 型ドレイン領域33が相対して形成されて
いる。
The memory device according to the first embodiment is characterized in that each component except the electrode portion is formed of a semiconductor. That is, in FIG. 9, the semi-insulating InP substrate 3
On top of the non-doped i-type InGaA with a thickness of 300 nm.
The s layer 31 is formed. This i-type InGaAs layer 3
On one surface, an n + type source region 32 and an n + type drain region 33 to which n type impurities are added are formed so as to face each other.

【0041】更にこれらn+ 型ソース領域32及びn+
型ドレイン領域33上には、それぞれ厚さ30nmのP
d層と厚さ40nmのGe層と厚さ200nmのAu層
が順に積層されたPd/Ge/Au複合層からなるソー
ス電極S及びドレイン電極Dがオーミック接合して形成
されている。尚、ソース電極S及びドレイン電極DはP
d/Ge/Au複合層の他、AuGe/Au複合層、C
r/Au複合層などから形成してもよい。
Further, these n + type source regions 32 and n +
A P layer having a thickness of 30 nm is formed on the mold drain region 33.
A source electrode S and a drain electrode D formed of a Pd / Ge / Au composite layer in which a d layer, a Ge layer having a thickness of 40 nm, and an Au layer having a thickness of 200 nm are sequentially stacked are formed by ohmic contact. The source electrode S and the drain electrode D are P
d / Ge / Au composite layer, AuGe / Au composite layer, C
It may be formed from an r / Au composite layer or the like.

【0042】また、i型InGaAs層31上には、こ
のi型InGaAs層31よりも電子親和力の小さい厚
さ50nmのN型InAlAsバリア層34が形成され
ている。従って、N型InAlAsバリア層34に添加
されたドナー不純物から供給された電子がi型InGa
As層31に移動し、N型InAlAsバリア層34と
の接合界面近傍におけるi型InGaAs層31に2次
元電子ガスが蓄積され、ソース電極Sとドレイン電極D
とを結ぶ2次元電子チャネル部35が形成されている。
尚、N型InAlAsバリア層34の代わりに、厚さ5
0nmのN型InPバリア層を用いてもよい。
On the i-type InGaAs layer 31, an N-type InAlAs barrier layer 34 having a thickness of 50 nm and having an electron affinity lower than that of the i-type InGaAs layer 31 is formed. Therefore, the electrons supplied from the donor impurity added to the N-type InAlAs barrier layer 34 are i-type InGa.
The two-dimensional electron gas moves to the As layer 31 and accumulates in the i-type InGaAs layer 31 near the junction interface with the N-type InAlAs barrier layer 34, and the source electrode S and the drain electrode D
A two-dimensional electron channel portion 35 that connects with is formed.
Instead of the N-type InAlAs barrier layer 34, a thickness of 5
A 0 nm N-type InP barrier layer may be used.

【0043】また、ソース電極Sとドレイン電極Dとの
間のN型InAlAsバリア層34上には、厚さ10n
mのn型InAlAs導電層36が形成され、このn型
InAlAs導電層36上には、このn型InAlAs
導電層36よりも電子親和力の小さい厚さ20nmのi
型InAlAsトンネルバリア層37を介して、厚さ1
0nmのn型InAlAs導電層38が形成されてい
る。また、このn型InAlAs導電層38上に、この
n型InAlAs導電層38よりも電子親和力の小さい
厚さ100nmのi型InAlAsバリア層39を介し
て、厚さ100nmのn型InAlAs導電層40が形
成されている。
A thickness of 10 n is formed on the N-type InAlAs barrier layer 34 between the source electrode S and the drain electrode D.
An n-type InAlAs conductive layer 36 of m is formed, and the n-type InAlAs conductive layer 36 is formed on the n-type InAlAs conductive layer 36.
I having a thickness of 20 nm, which has a smaller electron affinity than the conductive layer 36
With a thickness of 1 through the InAlAs tunnel barrier layer 37.
A 0 nm n-type InAlAs conductive layer 38 is formed. An n-type InAlAs conductive layer 40 having a thickness of 100 nm is formed on the n-type InAlAs conductive layer 38 via an i-type InAlAs barrier layer 39 having a thickness of 100 nm, which has a smaller electron affinity than the n-type InAlAs conductive layer 38. Has been formed.

【0044】従って、i型InAlAsトンネルバリア
層37とこれを挟むn型InAlAs導電層36、38
により、トンネル接合部が構成され、またi型InAl
Asバリア層39とこれを挟むn型InAlAs導電層
38、40により、キャパシタ部が構成されている。更
に、n型InAlAs導電層40上には、それぞれ厚さ
30nmのPd層と厚さ40nmのGe層と厚さ200
nmのAu層が順に積層されたPd/Ge/Au複合層
からなる制御ゲート電極CGがオーミック接合して形成
されている。尚、制御ゲート電極CGはPd/Ge/A
u複合層の他、AuGe/Au複合層、Cr/Au複合
層などから形成してもよい。
Therefore, the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 and the n-type InAlAs conductive layers 36 and 38 sandwiching the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37.
Form a tunnel junction, and i-type InAl
The As barrier layer 39 and the n-type InAlAs conductive layers 38 and 40 that sandwich the As barrier layer 39 form a capacitor section. Further, on the n-type InAlAs conductive layer 40, a Pd layer having a thickness of 30 nm, a Ge layer having a thickness of 40 nm and a thickness of 200 are respectively provided.
The control gate electrode CG is formed by ohmic contact with the Pd / Ge / Au composite layer in which the Au layer having a thickness of 10 nm is sequentially stacked. The control gate electrode CG is Pd / Ge / A
In addition to the u composite layer, it may be formed of AuGe / Au composite layer, Cr / Au composite layer, or the like.

【0045】尚、この図9に示す第1の実施例による記
憶装置の動作は、上記図3の本発明による第1の記憶装
置について図4〜図6を用いて説明した動作と同様であ
るため、説明を省略する。次に、図9に示す記憶装置の
製造方法を説明する。半絶縁性InP基板30上に、厚
さ300nmのi型InGaAs層31、厚さ50nm
のN型InAlAsバリア層34、厚さ10nmのn型
InAlAs導電層36、厚さ20nmのi型InAl
Asトンネルバリア層37、厚さ10nmのn型InA
lAs導電層38、厚さ100nmのi型InAlAs
バリア層39、及び厚さ100nmのn型InAlAs
導電層40を順に積層する。
The operation of the memory device according to the first embodiment shown in FIG. 9 is the same as the operation described with reference to FIGS. 4 to 6 for the first memory device according to the present invention shown in FIG. Therefore, the description is omitted. Next, a method of manufacturing the memory device shown in FIG. 9 will be described. On the semi-insulating InP substrate 30, an i-type InGaAs layer 31 having a thickness of 300 nm and a thickness of 50 nm
N-type InAlAs barrier layer 34, 10-nm-thick n-type InAlAs conductive layer 36, and 20-nm-thick i-type InAl
As tunnel barrier layer 37, 10 nm thick n-type InA
lAs conductive layer 38, 100 nm thick i-type InAlAs
Barrier layer 39 and 100 nm thick n-type InAlAs
The conductive layer 40 is sequentially stacked.

【0046】続いて、n型InAlAs導電層40、i
型InAlAsバリア層39、n型InAlAs導電層
38、i型InAlAsトンネルバリア層37、及びn
型InAlAs導電層36を、通常のEB(電子ビー
ム)露光法とドライエッチングを用いて島状にパターニ
ングする。こうして、トンネル接合部を有するフローテ
ィングゲート相当部が形成される。
Subsequently, the n-type InAlAs conductive layer 40, i
Type InAlAs barrier layer 39, n type InAlAs conductive layer 38, i type InAlAs tunnel barrier layer 37, and n
The type InAlAs conductive layer 36 is patterned into an island shape by using a normal EB (electron beam) exposure method and dry etching. In this way, a portion corresponding to the floating gate having the tunnel junction is formed.

【0047】続いて、i型InGaAs層31表面に選
択的にn型不純物を添加して、n+型ソース領域32及
びn+ 型ドレイン領域33を相対して形成する。続い
て、更にこれらn+ 型ソース領域32及びn+ 型ドレイ
ン領域33並びにn型InAlAs導電層40上に、P
d/Ge/Au複合層からなるソース電極S及びドレイ
ン電極D並びに制御ゲート電極CGをそれぞれオーミッ
ク接合して形成する。
Then, an n-type impurity is selectively added to the surface of the i-type InGaAs layer 31 to form an n + -type source region 32 and an n + -type drain region 33 opposite to each other. Then, P is further formed on the n + type source region 32, the n + type drain region 33, and the n type InAlAs conductive layer 40.
The source electrode S, the drain electrode D, and the control gate electrode CG made of the d / Ge / Au composite layer are formed by ohmic contact with each other.

【0048】このように本実施例によれば、i型InA
lAsトンネルバリア層37を挟むn型InAlAs導
電層36、38、特にn型InAlAs導電層36にお
ける電荷の多寡を基準にして“0”又は“1”の記憶状
態を規定することができ、ソース電極S−ドレイン電極
D間に流れるドレイン電流ID の大小により“1”又は
“0”記憶情報を読み出すことができる。しかもその読
み出しにあたっては、2次元電子チャネル部35におけ
る電子の走行は非常に高速であるため、読み出し速度も
高速化される。また、電子がi型InAlAsトンネル
バリア層37を抜けるトンネル時間は非常に短いため、
記憶情報の書き換えも非常に高速になる。
As described above, according to this embodiment, i-type InA
The storage state of "0" or "1" can be defined based on the amount of charges in the n-type InAlAs conductive layers 36 and 38, particularly the n-type InAlAs conductive layer 36 sandwiching the 1As tunnel barrier layer 37, and the source electrode can be defined. "1" or "0" stored information can be read out depending on the magnitude of the drain current ID flowing between the S-drain electrodes D. Moreover, in reading the data, since the electrons travel in the two-dimensional electron channel portion 35 at an extremely high speed, the reading speed is also increased. In addition, since the tunneling time of electrons through the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 is very short,
Rewriting of stored information is also very fast.

【0049】尚、上記第1の実施例においては、N型I
nAlAsバリア層34とn型InAlAs導電層38
との間に、n型InAlAs導電層36とi型InAl
Asトンネルバリア層37とが1周期積層され、i型I
nAlAsトンネルバリア層37とこれを挟むn型In
AlAs導電層36、38からなる1個のトンネル接合
部が構成されているが、n型InAlAs導電層36と
i型InAlAsトンネルバリア層37とが交互に2周
期以上形成され、2個以上のトンネル接合部が構成され
ていてもよい。この場合、複数のトンネル接合部におけ
る電子の動きは複雑になるが、多値メモリ等の機能を発
揮することができる。
In the first embodiment, the N type I
nAlAs barrier layer 34 and n-type InAlAs conductive layer 38
Between the n-type InAlAs conductive layer 36 and the i-type InAl
As tunnel barrier layer 37 and i-type I
nAlAs tunnel barrier layer 37 and n-type In sandwiching it
Although one tunnel junction portion composed of the AlAs conductive layers 36 and 38 is formed, the n-type InAlAs conductive layers 36 and the i-type InAlAs tunnel barrier layers 37 are alternately formed for two cycles or more, and two or more tunnels are formed. A joint may be formed. In this case, the movement of electrons in the plurality of tunnel junctions becomes complicated, but the function of a multilevel memory or the like can be exerted.

【0050】次に、本発明の第2の実施例による記憶装
置を、図10を用いて説明する。図10は第2の実施例
による記憶装置を示す断面図である。尚、図9に示す記
憶装置と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を
省略する。この第2の実施例による記憶装置は、トンネ
ル接合部及びキャパシタ部をそれぞれ金属及び絶縁物に
より形成している点に特徴がある。
Next, a memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a sectional view showing a memory device according to the second embodiment. It should be noted that the same components as those of the storage device shown in FIG. The memory device according to the second embodiment is characterized in that the tunnel junction portion and the capacitor portion are formed of a metal and an insulator, respectively.

【0051】即ち、図10において、上記第1の実施例
の場合と同様に、半絶縁性InP基板30上に、厚さ3
00nmのノンドープのi型InGaAs層31が形成
され、このi型InGaAs層31表面に、n型不純物
が添加されたn+ 型ソース領域32及びn+ 型ドレイン
領域33が相対して形成され、更にこれらn+ 型ソース
領域32及びn+ 型ドレイン領域33上に、それぞれ厚
さ30nmのPd層と厚さ40nmのGe層と厚さ20
0nmのAu層が順に積層されたPd/Ge/Au複合
層からなるソース電極S及びドレイン電極Dがオーミッ
ク接合して形成されている。尚、ソース電極S及びドレ
イン電極DはPd/Ge/Au複合層の他、AuGe/
Au複合層、Cr/Au複合層などから形成してもよ
い。
That is, in FIG. 10, as in the case of the first embodiment, a thickness of 3 is formed on the semi-insulating InP substrate 30.
A non-doped i-type InGaAs layer 31 of 00 nm is formed, and an n + -type source region 32 and an n + -type drain region 33 to which an n-type impurity is added are formed on the surface of the i-type InGaAs layer 31 so as to face each other. A Pd layer having a thickness of 30 nm, a Ge layer having a thickness of 40 nm, and a thickness of 20 are formed on the n + type source region 32 and the n + type drain region 33, respectively.
A source electrode S and a drain electrode D made of a Pd / Ge / Au composite layer in which a 0 nm Au layer is sequentially stacked are formed by ohmic contact. In addition to the Pd / Ge / Au composite layer, the source electrode S and the drain electrode D are AuGe /
It may be formed from an Au composite layer, a Cr / Au composite layer, or the like.

【0052】また、i型InGaAs層31上には、こ
のi型InGaAs層31よりも電子親和力の小さい厚
さ50nmのN型InAlAsバリア層34が形成され
ており、N型InAlAsバリア層34との接合界面近
傍におけるi型InGaAs層31に、ソース電極Sと
ドレイン電極Dとを結ぶ2次元電子チャネル部35が形
成されている。尚、N型InAlAsバリア層34の代
わりに、厚さ50nmのN型InPバリア層又は厚さ1
0nmのCaF2 バリア層を用いてもよい。
On the i-type InGaAs layer 31, an N-type InAlAs barrier layer 34 having a thickness of 50 nm, which has a smaller electron affinity than the i-type InGaAs layer 31, is formed. A two-dimensional electron channel portion 35 connecting the source electrode S and the drain electrode D is formed in the i-type InGaAs layer 31 near the junction interface. Instead of the N-type InAlAs barrier layer 34, an N-type InP barrier layer having a thickness of 50 nm or a thickness of 1 is used.
A 0 nm CaF 2 barrier layer may be used.

【0053】また、ソース電極Sとドレイン電極Dとの
間のN型InAlAsバリア層34上には、厚さ10n
mのCoSi2 金属層41が形成され、このCoSi2
金属層41上には、CoSi2 金属層41よりも電子親
和力の小さい厚さ2nmのCaF2 トンネルバリア層4
2を介して、厚さ10nmのCoSi2 金属層43が形
成されている。また、このCoSi2 金属層43上に、
このCoSi2 金属層43よりも電子親和力の小さい厚
さ10nmのCaF2 バリア層44を介して、厚さ50
nmのCoSi2 金属層45が形成されている。
A thickness of 10 n is formed on the N-type InAlAs barrier layer 34 between the source electrode S and the drain electrode D.
CoSi 2 metal layer 41 m is formed, the CoSi 2
On the metal layer 41, a CaF 2 tunnel barrier layer 4 having a thickness of 2 nm, which has a smaller electron affinity than the CoSi 2 metal layer 41, is formed.
A CoSi 2 metal layer 43 having a thickness of 10 nm is formed through In addition, on this CoSi 2 metal layer 43,
A thickness of 50 nm is provided via the CaF 2 barrier layer 44 having a thickness of 10 nm, which has a smaller electron affinity than the CoSi 2 metal layer 43.
A CoSi 2 metal layer 45 of nm is formed.

【0054】従って、CaF2 トンネルバリア層42と
これを挟むCoSi2 金属層41、43により、トンネ
ル接合部が構成され、またCaF2 バリア層44とこれ
を挟むCoSi2 金属層43、45により、キャパシタ
部が構成されている。更に、CoSi2 金属層45上に
は、それぞれ厚さ30nmのPd層と厚さ40nmのG
e層と厚さ200nmのAu層が順に積層されたPd/
Ge/Au複合層からなる制御ゲート電極CGがオーミ
ック接合して形成されている。尚、制御ゲート電極CG
はPd/Ge/Au複合層の他、AuGe/Au複合
層、Cr/Au複合層などから形成してもよい。或いは
また、CoSi2 金属層45と兼用することも可能であ
る。
Therefore, the CaF 2 tunnel barrier layer 42 and the CoSi 2 metal layers 41 and 43 sandwiching it form a tunnel junction, and the CaF 2 barrier layer 44 and the CoSi 2 metal layers 43 and 45 sandwiching it form the tunnel junction. A capacitor section is configured. Further, on the CoSi 2 metal layer 45, a Pd layer having a thickness of 30 nm and a G layer having a thickness of 40 nm are formed.
An e-layer and a 200 nm-thick Au layer are sequentially stacked to form Pd /
The control gate electrode CG made of a Ge / Au composite layer is formed in ohmic contact. The control gate electrode CG
May be formed of AuGe / Au composite layer, Cr / Au composite layer, etc. in addition to the Pd / Ge / Au composite layer. Alternatively, it can also be used as the CoSi 2 metal layer 45.

【0055】尚、この図10に示す第2の実施例による
記憶装置の動作は、上記図3の本発明による第1の記憶
装置について図4〜図6を用いて説明した動作と同様で
あるため、説明を省略する。次に、図10に示す記憶装
置の製造方法を説明する。半絶縁性InP基板30上
に、厚さ300nmのi型InGaAs層31、厚さ5
0nmのN型InAlAsバリア層34、厚さ10nm
のCoSi2 金属層41、厚さ2nmのCaF2 トンネ
ルバリア層42、厚さ10nmのCoSi2金属層4
3、厚さ10nmのCaF2 バリア層44、及び厚さ5
0nmのCoSi2 金属層45を順に積層する。
The operation of the memory device according to the second embodiment shown in FIG. 10 is similar to the operation described with reference to FIGS. 4 to 6 for the first memory device according to the present invention shown in FIG. Therefore, the description is omitted. Next, a method for manufacturing the memory device shown in FIG. 10 will be described. On the semi-insulating InP substrate 30, an i-type InGaAs layer 31 having a thickness of 300 nm and a thickness of 5
0 nm N-type InAlAs barrier layer 34, thickness 10 nm
CoSi 2 metal layer 41, 2 nm thick CaF 2 tunnel barrier layer 42, 10 nm thick CoSi 2 metal layer 4
3, CaF 2 barrier layer 44 with a thickness of 10 nm, and thickness 5
A 0 nm CoSi 2 metal layer 45 is sequentially stacked.

【0056】続いて、CoSi2 金属層45、CaF2
バリア層44、CoSi2 金属層43、CaF2 トンネ
ルバリア層42、及びCoSi2 金属層41を、通常の
EB露光法とドライエッチングを用いて島状にパターニ
ングする。こうして、トンネル接合部を有するフローテ
ィングゲート相当部が形成される。続いて、i型InG
aAs層31表面に選択的にn型不純物を添加して、n
+型ソース領域32及びn+ 型ドレイン領域33を相対
して形成する。続いて、更にこれらn+ 型ソース領域3
2及びn+ 型ドレイン領域33並びにCoSi2 金属層
45上に、Pd/Ge/Au複合層からなるソース電極
S及びドレイン電極D並びに制御ゲート電極CGをそれ
ぞれオーミック接合して形成する。
Subsequently, the CoSi 2 metal layer 45, CaF 2
The barrier layer 44, the CoSi 2 metal layer 43, the CaF 2 tunnel barrier layer 42, and the CoSi 2 metal layer 41 are patterned into an island shape by using a normal EB exposure method and dry etching. In this way, a portion corresponding to the floating gate having the tunnel junction is formed. Then, i-type InG
By selectively adding an n-type impurity to the surface of the aAs layer 31,
The + type source region 32 and the n + type drain region 33 are formed opposite to each other. Subsequently, these n + type source regions 3
On the 2 and n + type drain regions 33 and the CoSi 2 metal layer 45, the source electrode S and the drain electrode D made of the Pd / Ge / Au composite layer and the control gate electrode CG are formed by ohmic contact with each other.

【0057】このように本実施例によれば、上記第1の
実施例の場合とほぼ同様に、CaF 2 トンネルバリア層
42を挟むCoSi2 金属層48、49、特にCoSi
2 金属層48における電荷の多寡を基準にして“0”又
は“1”の記憶状態を規定することができ、ソース電極
S−ドレイン電極D間に流れるドレイン電流ID の大小
により“1”又は“0”記憶情報を読み出すことができ
ることから、上記第1の実施例の場合と同様の効果を奏
することができる。
As described above, according to this embodiment, the first
Almost the same as in the example, CaF 2Tunnel barrier layer
CoSi sandwiching 422Metal layers 48, 49, especially CoSi
2Based on the amount of charge in the metal layer 48, “0” or
Can define the memory state of "1", source electrode
Drain current I flowing between the S-drain electrode DDBig and small
It is possible to read "1" or "0" stored information by
Therefore, the same effect as in the case of the first embodiment can be obtained.
can do.

【0058】尚、上記第2の実施例において、N型In
AlAsバリア層34とCoSi2金属層43との間
に、CoSi2 金属層41とCaF2 トンネルバリア層
42とが交互に2周期以上形成され、2個以上のトンネ
ル接合部が構成されていてもよい。次に、上記本発明に
よる第2の記憶装置に対応する第3の実施例及び第4の
実施例を、それぞれ図11及び図12を用いて説明す
る。
In the second embodiment, N-type In
Even if two or more cycles of the CoSi 2 metal layers 41 and the CaF 2 tunnel barrier layers 42 are alternately formed between the AlAs barrier layers 34 and the CoSi 2 metal layers 43 to form two or more tunnel junctions. Good. Next, a third embodiment and a fourth embodiment corresponding to the second storage device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 11 and 12, respectively.

【0059】図11は本発明の第3の実施例による記憶
装置を示す断面図である。尚、図9に示す記憶装置と同
一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
この第3の実施例による記憶装置は、上記第1の実施例
の場合と同様の積層構造を有しているが、トンネル接合
部における接合面積Aが極めて小さく、クーロン・ブロ
ッケード現象が生じるようになっている点に特徴があ
る。
FIG. 11 is a sectional view showing a memory device according to the third embodiment of the present invention. It should be noted that the same components as those of the storage device shown in FIG.
The memory device according to the third embodiment has the same laminated structure as that of the first embodiment, but the junction area A at the tunnel junction is extremely small so that the Coulomb blockade phenomenon occurs. It is characterized in that it has become.

【0060】即ち、図11において、上記第1の実施例
の場合と同様に、半絶縁性InP基板30上に、厚さ3
00nmのi型InGaAs層31が形成され、このi
型InGaAs層31表面に、n型不純物が添加された
+ 型ソース領域32及びn + 型ドレイン領域33が相
対して形成され、更にこれらn+ 型ソース領域32及び
+ 型ドレイン領域33上に、それぞれPd/Ge/A
u複合層からなるソース電極S及びドレイン電極Dがオ
ーミック接合して形成されている。尚、ソース電極S及
びドレイン電極DはPd/Ge/Au複合層の他、Au
Ge/Au複合層、Cr/Au複合層などから形成して
もよい。
That is, referring to FIG. 11, the first embodiment described above is used.
In the same manner as in the above case, a thickness of 3 is formed on the semi-insulating InP substrate 30.
A 00 nm i-type InGaAs layer 31 is formed.
N-type impurities were added to the surface of the InGaAs layer 31
n+Mold source regions 32 and n +Type drain region 33
Is formed against+Mold source region 32 and
n+Pd / Ge / A on the mold drain region 33, respectively.
The source electrode S and the drain electrode D made of the u composite layer are turned on.
It is formed by an ohmic junction. The source electrode S and
And the drain electrode D is made of Au in addition to the Pd / Ge / Au composite layer.
Formed from Ge / Au composite layer, Cr / Au composite layer, etc.
Good.

【0061】また、i型InGaAs層31上には、こ
のi型InGaAs層31よりも電子親和力の小さい厚
さ50nmのN型InAlAsバリア層34が形成され
ており、N型InAlAsバリア層34との接合界面近
傍におけるi型InGaAs層31に、ソース電極Sと
ドレイン電極Dとを結ぶ2次元電子チャネル部35が形
成されている。尚、N型InAlAsバリア層34の代
わりに、厚さ50nmのN型InPバリア層を用いても
よい。
On the i-type InGaAs layer 31, an N-type InAlAs barrier layer 34 having a thickness of 50 nm, which has a smaller electron affinity than the i-type InGaAs layer 31, is formed. A two-dimensional electron channel portion 35 connecting the source electrode S and the drain electrode D is formed in the i-type InGaAs layer 31 near the junction interface. Instead of the N-type InAlAs barrier layer 34, an N-type InP barrier layer having a thickness of 50 nm may be used.

【0062】また、ソース電極Sとドレイン電極Dとの
間のN型InAlAsバリア層34上に、厚さ10nm
のn型InAlAs導電層46、このn型InAlAs
導電層46よりも電子親和力の小さい厚さ20nmのi
型InAlAsトンネルバリア層37、厚さ10nmの
n型InAlAs導電層47、このn型InAlAs導
電層47よりも電子親和力の小さい厚さ100nmのi
型InAlAsバリア層39、及び厚さ100nmのn
型InAlAs導電層40が順に積層して形成されてい
る。
A thickness of 10 nm is formed on the N-type InAlAs barrier layer 34 between the source electrode S and the drain electrode D.
N-type InAlAs conductive layer 46, this n-type InAlAs
I having a thickness of 20 nm, which has a smaller electron affinity than the conductive layer 46
-Type InAlAs tunnel barrier layer 37, 10-nm-thick n-type InAlAs conductive layer 47, and 100-nm-thick i having a smaller electron affinity than the n-type InAlAs conductive layer 47.
-Type InAlAs barrier layer 39 and n having a thickness of 100 nm
The type InAlAs conductive layer 40 is formed by being sequentially stacked.

【0063】ここで、n型InAlAs導電層46、4
7は極めて微細に形成されており、これらn型InAl
As導電層46、47とi型InAlAsトンネルバリ
ア層37とのそれぞれの接合面積Aが、 A<We2 /2εkT 但し、 W:i型InAlAsトンネルバリア層37の厚さ e:電気素量 ε:i型InAlAsトンネルバリア層37の誘電率 k:ボルツマン定数 T:温度 の関係を満たすほど十分に小さいことに特徴がある。
Here, the n-type InAlAs conductive layers 46, 4
7 is extremely finely formed, and these n-type InAl
The junction area A of each of the As conductive layers 46 and 47 and the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 is A <We 2 / 2εkT, where: W: thickness of the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 e: elementary charge ε: The i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 is characterized in that it is small enough to satisfy the relationship of dielectric constant k: Boltzmann constant T: temperature.

【0064】即ち、接合面積Aは、例えば動作温度30
0Kにおいて、11.3×11.3nm2 以下であるこ
とが必要がある。但し、実際には、周辺から伸びる空乏
層の影響を受けるため、これよりも大きな接合面積であ
っても所定の動作は可能である。こうして、i型InA
lAsトンネルバリア層37とこれを挟むn型InAl
As導電層46、47により、極めて微細なトンネル接
合部が構成され、またi型InAlAsバリア層39と
これを挟むn型InAlAs導電層47、40により、
キャパシタ部が構成されている。
That is, the junction area A is, for example, the operating temperature 30.
It must be 11.3 × 11.3 nm 2 or less at 0K. However, in reality, since it is affected by the depletion layer extending from the periphery, a predetermined operation is possible even with a junction area larger than this. Thus, i-type InA
lAs tunnel barrier layer 37 and n-type InAl sandwiching the same
The As conductive layers 46 and 47 form an extremely fine tunnel junction portion, and the i-type InAlAs barrier layer 39 and the n-type InAlAs conductive layers 47 and 40 sandwiching the barrier layer 39 sandwich the i-type InAlAs barrier layer 39.
A capacitor section is configured.

【0065】更に、n型InAlAs導電層40上に
は、Pd/Ge/Au複合層からなる制御ゲート電極C
Gがオーミック接合して形成されている。尚、制御ゲー
ト電極CGはPd/Ge/Au複合層の他、AuGe/
Au複合層、Cr/Au複合層などから形成してもよ
い。尚、この図11に示す第3の実施例による記憶装置
の動作は、上記図7の本発明による第2の記憶装置につ
いて図8を用いて説明した動作と同様であるため、説明
を省略する。
Further, on the n-type InAlAs conductive layer 40, a control gate electrode C made of a Pd / Ge / Au composite layer is formed.
G is formed in ohmic contact. In addition to the Pd / Ge / Au composite layer, the control gate electrode CG includes AuGe /
It may be formed from an Au composite layer, a Cr / Au composite layer, or the like. Since the operation of the storage device according to the third embodiment shown in FIG. 11 is the same as the operation described with reference to FIG. 8 for the second storage device according to the present invention of FIG. 7, description thereof will be omitted. .

【0066】次に、図11に示す記憶装置の製造方法を
説明する。半絶縁性InP基板30上に、上記第1の実
施例の場合と同様にして、i型InGaAs層31、N
型InAlAsバリア層34、n型InAlAs導電層
46、i型InAlAsトンネルバリア層37、n型I
nAlAs導電層47、i型InAlAsバリア層3
9、及びn型InAlAs導電層40を順に積層する。
Next, a method of manufacturing the memory device shown in FIG. 11 will be described. On the semi-insulating InP substrate 30, the i-type InGaAs layers 31 and N are formed in the same manner as in the first embodiment.
Type InAlAs barrier layer 34, n type InAlAs conductive layer 46, i type InAlAs tunnel barrier layer 37, n type I
nAlAs conductive layer 47, i-type InAlAs barrier layer 3
9 and the n-type InAlAs conductive layer 40 are sequentially stacked.

【0067】続いて、n型InAlAs導電層40、i
型InAlAsバリア層39、n型InAlAs導電層
47、i型InAlAsトンネルバリア層37、及びn
型InAlAs導電層46を、通常のEB露光法とドラ
イエッチングを用いて島状にパターニングし、極めて微
細なトンネル接合部を有するフローティングゲート相当
部を形成する。
Subsequently, the n-type InAlAs conductive layer 40, i
Type InAlAs barrier layer 39, n type InAlAs conductive layer 47, i type InAlAs tunnel barrier layer 37, and n
The type InAlAs conductive layer 46 is patterned into an island shape by using a normal EB exposure method and dry etching to form a floating gate corresponding portion having an extremely fine tunnel junction portion.

【0068】続いて、クエン酸・過酸化水素水・水の混
合液をエッチャントとして用いることにより、N型In
AlAsバリア層34に対するn型InAlAs導電層
46、47の選択的なサイドエッチングを行い、n型I
nAlAs導電層46、47の横断面積を11.3×1
1.3nm2 以下にする。これにより、これらn型In
AlAs導電層46、47とi型InAlAsトンネル
バリア層37とのそれぞれの接合面積Aが、11.3×
11.3nm2 以下になり、 A<We2 /2εkT の関係を満たす微小なトンネル接合が形成される。但
し、前述したように、周辺から伸びる空乏層の影響を考
慮すれば、実際にはこれよりも大きな接合面積であって
もよい。
Then, by using a mixed solution of citric acid / hydrogen peroxide water / water as an etchant, N-type In
Selective side etching of the n-type InAlAs conductive layers 46 and 47 with respect to the AlAs barrier layer 34 is performed to obtain n-type I
The cross-sectional area of the nAlAs conductive layers 46 and 47 is 11.3 × 1.
It should be 1.3 nm 2 or less. As a result, these n-type In
The junction area A between the AlAs conductive layers 46 and 47 and the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 is 11.3 ×.
It becomes 11.3 nm 2 or less, and a minute tunnel junction satisfying the relationship of A <We 2 / 2εkT is formed. However, as described above, in consideration of the influence of the depletion layer extending from the periphery, the junction area may actually be larger than this.

【0069】続いて、i型InGaAs層31表面に選
択的にn型不純物を添加して、n+型ソース領域32及
びn+ 型ドレイン領域33を相対して形成する。続い
て、更にこれらn+ 型ソース領域32及びn+ 型ドレイ
ン領域33並びにn型InAlAs導電層40上に、P
d/Ge/Au複合層からなるソース電極S及びドレイ
ン電極D並びに制御ゲート電極CGをそれぞれオーミッ
ク接合して形成する。
Subsequently, an n-type impurity is selectively added to the surface of the i-type InGaAs layer 31 to form an n + -type source region 32 and an n + -type drain region 33 opposite to each other. Then, P is further formed on the n + type source region 32, the n + type drain region 33, and the n type InAlAs conductive layer 40.
The source electrode S, the drain electrode D, and the control gate electrode CG made of the d / Ge / Au composite layer are formed by ohmic contact with each other.

【0070】尚、N型InAlAsバリア層34の代わ
りにN型InPバリア層を用いた場合、このN型InP
バリア層に対するn型InAlAs導電層46、47の
選択的なサイドエッチングには、エッチャントとしてリ
ン酸・過酸化水素水・水の混合液を用いればよい。ま
た、上記の製造過程において、ソース電極Sとドレイン
電極Dとに挟まれたフローティングゲート相当部を形成
する際に、量産性を考慮して、n型InAlAs導電層
40からn型InAlAs導電層46に至る積層を、通
常のEB露光法とドライエッチングを用いて島状にパタ
ーニングしているが、FIB法(Focused Ion Beam法;
集束イオンビーム修正法)などを用いてもよい。この場
合、10×10nm2 程度までの修正加工が可能であ
る。
When an N-type InP barrier layer is used instead of the N-type InAlAs barrier layer 34, this N-type InP is used.
For selective side etching of the n-type InAlAs conductive layers 46 and 47 with respect to the barrier layer, a mixed solution of phosphoric acid / hydrogen peroxide solution / water may be used as an etchant. Further, in the above manufacturing process, when forming the floating gate corresponding portion sandwiched between the source electrode S and the drain electrode D, in consideration of mass productivity, the n-type InAlAs conductive layer 40 to the n-type InAlAs conductive layer 46 are taken into consideration. The laminated layers up to are patterned in an island shape by using a normal EB exposure method and dry etching, but the FIB method (Focused Ion Beam method;
Focused ion beam correction method) or the like may be used. In this case, correction processing up to about 10 × 10 nm 2 is possible.

【0071】このように本実施例によれば、上記第1の
実施例の場合とほぼ同様に、i型InAlAsトンネル
バリア層37を挟むn型InAlAs導電層46、4
7、特にn型InAlAs導電層46における電荷の多
寡を基準にして“0”又は“1”の記憶状態を規定する
ことができ、ソース電極S−ドレイン電極D間に流れる
ドレイン電流ID の大小により“1”又は“0”記憶情
報を読み出すことができる。しかもその読み出しにあた
っては、2次元電子チャネル部35における電子の走行
は非常に高速であるため、読み出し速度も高速化され
る。また、電子がトンネルバリア層17を抜けるトンネ
ル時間は非常に短いため、記憶情報の書き換えも非常に
高速になる。
As described above, according to the present embodiment, the n-type InAlAs conductive layers 46 and 4 sandwiching the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 are formed in substantially the same manner as in the first embodiment.
7. In particular, the memory state of “0” or “1” can be defined on the basis of the amount of charges in the n-type InAlAs conductive layer 46, and the drain current I D flowing between the source electrode S and the drain electrode D is large or small. Can read the "1" or "0" stored information. Moreover, in reading the data, since the electrons travel in the two-dimensional electron channel portion 35 at an extremely high speed, the reading speed is also increased. Further, since the tunnel time for the electrons to pass through the tunnel barrier layer 17 is very short, the rewriting of the stored information is very fast.

【0072】しかも、i型InAlAsトンネルバリア
層37とn型InAlAs導電層46、47とのそれぞ
れの接合面積Aが、 A<We2 /2εkT の関係を満たすほど十分に小さいことから、クーロン・
ブロッケード現象が生じ、記憶情報の保持は電子1個が
i型InAlAsトンネルバリア層37をトンネルする
場合とトンネルしない場合との静電的エネルギの変化量
(〜e2 /2C)に基づいて行われ、この変化量は熱的
擾乱よりも大きいため、記憶情報の保持時間はほぼ半永
久的となり、記憶情報を保持するためのリフレッシュは
不要である。更に、消費電力に関しても、記憶保持機構
がクーロン力による静電的な力を用いるものであるた
め、書き換え・読み出し時に僅かに電流が流れるだけ
で、電力消費量が低減される。
Moreover, since the junction area A of each of the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 and the n-type InAlAs conductive layers 46 and 47 is sufficiently small to satisfy the relationship of A <We 2 / 2εkT, Coulomb.
A blockade phenomenon occurs, and retention of stored information is performed based on the amount of change in electrostatic energy between one electron tunneling through the i-type InAlAs tunnel barrier layer 37 and no tunneling (up to e2 / 2C). Since this change amount is larger than the thermal disturbance, the retention time of the stored information is almost semi-permanent, and the refresh for retaining the stored information is unnecessary. Further, as for power consumption, since the memory holding mechanism uses electrostatic force due to Coulomb force, a small amount of current flows at the time of rewriting / reading, thereby reducing power consumption.

【0073】また、上記第3の実施例においても、上記
第1の実施例の場合と同様に、N型InAlAsバリア
層34とn型InAlAs導電層47との間に、n型I
nAlAs導電層46とi型InAlAsトンネルバリ
ア層37とが交互に2周期以上形成され、2個以上のト
ンネル接合部が構成されていてもよい。次に、本発明の
第4の実施例による記憶装置を、図12を用いて説明す
る。
Also in the third embodiment, as in the first embodiment, an n-type I is formed between the N-type InAlAs barrier layer 34 and the n-type InAlAs conductive layer 47.
The nAlAs conductive layers 46 and the i-type InAlAs tunnel barrier layers 37 may be alternately formed in two or more cycles to form two or more tunnel junctions. Next, a memory device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0074】図12は第4の実施例による記憶装置を示
す断面図である。尚、図10に示す記憶装置と同一の構
成要素には同一の符号を付して説明を省略する。この第
4の実施例による記憶装置は、上記第2の実施例の場合
と同様にトンネル接合部及びキャパシタ部をそれぞれ金
属及び絶縁物により形成しており、上記第3の実施例の
場合と同様に、トンネル接合部における接合面積Aが極
めて小さく、クーロン・ブロッケード現象が生じるよう
になっている点に特徴がある。
FIG. 12 is a sectional view showing a memory device according to the fourth embodiment. It should be noted that the same components as those of the storage device shown in FIG. In the memory device according to the fourth embodiment, the tunnel junction portion and the capacitor portion are formed of a metal and an insulator, respectively, as in the case of the second embodiment, and the same as in the case of the third embodiment. In addition, the junction area A at the tunnel junction is extremely small, and the Coulomb blockade phenomenon occurs.

【0075】即ち、図12において、上記第2の実施例
の場合と同様に、半絶縁性InP基板30上に、厚さ3
00nmのi型InGaAs層31が形成され、このi
型InGaAs層31表面に、n型不純物が添加された
+ 型ソース領域32及びn + 型ドレイン領域33が相
対して形成され、更にこれらn+ 型ソース領域32及び
+ 型ドレイン領域33上に、Pd/Ge/Au複合層
からなるソース電極S及びドレイン電極Dがオーミック
接合して形成されている。尚、ソース電極S及びドレイ
ン電極DはPd/Ge/Au複合層の他、AuGe/A
u複合層、Cr/Au複合層などから形成してもよい。
That is, in FIG. 12, the second embodiment described above is used.
In the same manner as in the above case, a thickness of 3 is formed on the semi-insulating InP substrate 30.
A 00 nm i-type InGaAs layer 31 is formed.
N-type impurities were added to the surface of the InGaAs layer 31
n+Mold source regions 32 and n +Type drain region 33
Is formed against+Mold source region 32 and
n+Pd / Ge / Au composite layer on the mold drain region 33
The source electrode S and the drain electrode D made of
It is formed by joining. The source electrode S and the drain
In addition to the Pd / Ge / Au composite layer, AuGe / A
It may be formed from a u composite layer, a Cr / Au composite layer, or the like.

【0076】また、i型InGaAs層31上には、こ
のi型InGaAs層31よりも電子親和力の小さい厚
さ50nmのN型InAlAsバリア層34が形成され
ており、N型InAlAsバリア層34との接合界面近
傍におけるi型InGaAs層31に、ソース電極Sと
ドレイン電極Dとを結ぶ2次元電子チャネル部35が形
成されている。尚、N型InAlAsバリア層34の代
わりに、厚さ50nmのN型InPバリア層又は厚さ1
0nmのCaF2 バリア層を用いてもよい。
On the i-type InGaAs layer 31, an N-type InAlAs barrier layer 34 having a thickness of 50 nm, which has a smaller electron affinity than the i-type InGaAs layer 31, is formed. A two-dimensional electron channel portion 35 connecting the source electrode S and the drain electrode D is formed in the i-type InGaAs layer 31 near the junction interface. Instead of the N-type InAlAs barrier layer 34, an N-type InP barrier layer having a thickness of 50 nm or a thickness of 1 is used.
A 0 nm CaF 2 barrier layer may be used.

【0077】また、ソース電極Sとドレイン電極Dとの
間のN型InAlAsバリア層34上には、厚さ10n
mのCoSi2 金属層48、このCoSi2 金属層48
よりも電子親和力の小さい厚さ2nmのCaF2 トンネ
ルバリア層42、厚さ10nmのCoSi2 金属層4
9、このCoSi2 金属層49よりも電子親和力の小さ
い厚さ10nmのCaF2 バリア層44、及び厚さ50
nmのCoSi2 金属層45が順に積層して形成されて
いる。
A thickness of 10 n is formed on the N-type InAlAs barrier layer 34 between the source electrode S and the drain electrode D.
m CoSi 2 metal layer 48, this CoSi 2 metal layer 48
2 nm thick CaF 2 tunnel barrier layer 42 having a smaller electron affinity than CoSi 2 metal layer 4 having a thickness of 10 nm
9, a CaF 2 barrier layer 44 having a thickness of 10 nm, which has a smaller electron affinity than the CoSi 2 metal layer 49, and a thickness 50.
A CoSi 2 metal layer 45 having a thickness of 1 nm is formed in this order.

【0078】ここで、CoSi2 金属層48、49は極
めて微細に形成されており、これらCoSi2 金属層4
8、49とCaF2 トンネルバリア層42とのそれぞれ
の接合面積Aが、 A<We2 /2εkT 但し、 W:CaF2 トンネルバリア層42の厚さ ε:CaF2 トンネルバリア層42の誘電率 の関係を満たすほど十分に小さいことに特徴がある。
Here, the CoSi 2 metal layers 48 and 49 are extremely finely formed, and the CoSi 2 metal layer 4 is formed.
8,49 and the respective junction area A of the CaF 2 tunnel barrier layer 42 is, A <We 2 / 2εkT However, W: thickness of the CaF 2 tunnel barrier layer 42 epsilon: dielectric constant of CaF 2 tunnel barrier layer 42 It is characterized by being small enough to satisfy the relationship.

【0079】即ち、接合面積Aは、例えば動作温度30
0Kにおいて、2×2nm2 程度であることが必要があ
る。但し、実際には、周辺から伸びる空乏層の影響を受
けるため、これよりも大きな接合面積であっても所定の
動作は可能である。こうして、CaF2 トンネルバリア
層42とこれを挟むCoSi2 金属層48、49によ
り、極めて微細なトンネル接合部が構成され、またCa
2 バリア層44とこれを挟むCoSi2 金属層49、
45により、キャパシタ部が構成されている。
That is, the bonding area A is, for example, the operating temperature 30.
At 0K, it needs to be about 2 × 2 nm 2 . However, in reality, since it is affected by the depletion layer extending from the periphery, a predetermined operation is possible even with a junction area larger than this. Thus, the CaF 2 tunnel barrier layer 42 and the CoSi 2 metal layers 48 and 49 that sandwich the CaF 2 tunnel barrier layer 42 form an extremely fine tunnel junction portion.
An F 2 barrier layer 44 and a CoSi 2 metal layer 49 sandwiching the F 2 barrier layer 44,
A capacitor section is constituted by 45.

【0080】更に、CoSi2 金属層45上には、Pd
/Ge/Au複合層からなる制御ゲート電極CGがオー
ミック接合して形成されている。尚、制御ゲート電極C
GはPd/Ge/Au複合層の他、AuGe/Au複合
層、Cr/Au複合層などから形成してもよい。或いは
また、CoSi2 金属層45と兼用することも可能であ
る。
Further, Pd is formed on the CoSi 2 metal layer 45.
The control gate electrode CG composed of the / Ge / Au composite layer is formed in ohmic contact. The control gate electrode C
In addition to the Pd / Ge / Au composite layer, G may be formed from an AuGe / Au composite layer, a Cr / Au composite layer, or the like. Alternatively, it can also be used as the CoSi 2 metal layer 45.

【0081】尚、この図12に示す第4の実施例による
記憶装置の動作は、上記図7の本発明による第2の記憶
装置について図8を用いて説明した動作と同様であるた
め、説明を省略する。次に、図12に示す記憶装置の製
造方法を説明する。半絶縁性InP基板30上に、上記
第2の実施例の場合と同様にして、i型InGaAs層
31、N型InAlAsバリア層34、CoSi2 金属
層48、CaF2 トンネルバリア層42、CoSi2
属層49、CaF2 バリア層44、及びCoSi2 金属
層45を順に積層する。
The operation of the memory device according to the fourth embodiment shown in FIG. 12 is similar to the operation described with reference to FIG. 8 for the second memory device of the present invention shown in FIG. Is omitted. Next, a method for manufacturing the memory device shown in FIG. 12 will be described. On the semi-insulating InP substrate 30, the i-type InGaAs layer 31, the N-type InAlAs barrier layer 34, the CoSi 2 metal layer 48, the CaF 2 tunnel barrier layer 42, and the CoSi 2 are formed in the same manner as in the second embodiment. The metal layer 49, the CaF 2 barrier layer 44, and the CoSi 2 metal layer 45 are sequentially stacked.

【0082】続いて、CoSi2 金属層45、CaF2
バリア層44、CoSi2 金属層49、CaF2 トンネ
ルバリア層42、及びCoSi2 金属層48を、通常の
EB露光法とドライエッチングを用いて島状にパターニ
ングし、極めて微細なトンネル接合部を有するフローテ
ィングゲート相当部を形成する。続いて、上記第3の実
施例の場合と同様にして、クエン酸・過酸化水素水・水
の混合液をエッチャントとして用いることにより、N型
InAlAsバリア層34に対するCoSi2 金属層4
8、49の選択的なサイドエッチングを行い、CoSi
2 金属層48、49の横断面積を2×2nm2 程度にす
る。これにより、これらCoSi2 金属層48、49と
CaF2 トンネルバリア層42とのそれぞれの接合面積
Aが、2×2nm2 程度になり、 A<We2 /2εkT の関係を満たす微小なトンネル接合が形成される。但
し、前述したように、周辺から伸びる空乏層の影響を考
慮すれば、実際にはこれよりも大きな接合面積であって
もよい。
Subsequently, the CoSi 2 metal layer 45, CaF 2
The barrier layer 44, the CoSi 2 metal layer 49, the CaF 2 tunnel barrier layer 42, and the CoSi 2 metal layer 48 are patterned into an island shape by using a normal EB exposure method and dry etching, and have an extremely fine tunnel junction portion. A portion corresponding to the floating gate is formed. Then, as in the case of the third embodiment, a mixed solution of citric acid / hydrogen peroxide / water was used as an etchant to remove the CoSi 2 metal layer 4 from the N-type InAlAs barrier layer 34.
Selective side etching of 8 and 49
2 The cross-sectional area of the metal layers 48 and 49 is set to about 2 × 2 nm 2 . As a result, the junction area A of each of the CoSi 2 metal layers 48 and 49 and the CaF 2 tunnel barrier layer 42 becomes about 2 × 2 nm 2 , and a minute tunnel junction that satisfies the relationship of A <We 2 / 2εkT is formed. It is formed. However, as described above, in consideration of the influence of the depletion layer extending from the periphery, the junction area may actually be larger than this.

【0083】続いて、N型InAlAsバリア層34及
びi型InGaAs層31に選択的にn型不純物を添加
して、n+ 型ソース領域32及びn+ 型ドレイン領域3
3を相対して形成する。続いて、更にこれらn+ 型ソー
ス領域32及びn+ 型ドレイン領域33並びにCoSi
2 金属層45上に、Pd/Ge/Au複合層からなるソ
ース電極S及びドレイン電極D並びに制御ゲート電極C
Gをそれぞれオーミック接合して形成する。
Subsequently, an n-type impurity is selectively added to the N-type InAlAs barrier layer 34 and the i-type InGaAs layer 31 to form the n + -type source region 32 and the n + -type drain region 3.
Form 3 oppositely. Subsequently, the n + type source region 32, the n + type drain region 33, and CoSi are further added.
2 On the metal layer 45, a source electrode S and a drain electrode D and a control gate electrode C made of a Pd / Ge / Au composite layer
Each G is formed by ohmic contact.

【0084】尚、N型InAlAsバリア層34の代わ
りにN型InPバリア層を用いた場合、このN型InP
バリア層に対するCoSi2 金属層48、49の選択的
なサイドエッチングには、エッチャントとしてリン酸・
過酸化水素水・水の混合液を用いればよく、またN型I
nAlAsバリア層34の代わりにCaF2 バリア層を
用いた場合には、エッチャントとしてH2 SO4 液を用
いればよい。
When an N-type InP barrier layer is used instead of the N-type InAlAs barrier layer 34, this N-type InP is used.
For selective side etching of the CoSi 2 metal layers 48, 49 with respect to the barrier layer, phosphoric acid.
It suffices to use a mixture of hydrogen peroxide water and water.
When a CaF 2 barrier layer is used instead of the nAlAs barrier layer 34, a H 2 SO 4 solution may be used as an etchant.

【0085】また、上記の製造過程において、ソース電
極Sとドレイン電極Dとに挟まれたフローティングゲー
ト相当部を形成する際に用いた通常のEB露光法とドラ
イエッチングの代わりに、FIB法を用いてもよい。こ
のように本実施例によれば、上記第2の実施例の場合と
ほぼ同様に、CaF 2 トンネルバリア層42を挟むCo
Si2 金属層48、49、特にCoSi2 金属層48に
おける電荷の多寡を基準にして“0”又は“1”の記憶
状態を規定することができ、ソース電極S−ドレイン電
極D間に流れるドレイン電流ID の大小により“1”又
は“0”記憶情報を読み出すことができ、しかも上記第
3の実施例の場合とほぼ同様に、CaF2 トンネルバリ
ア層42とCoSi2 金属層48、49とのそれぞれの
接合面積Aが、 A<We2 /2εkT の関係を満たすほど十分に小さくて、クーロン・ブロッ
ケード現象が生じることから、上記第3の実施例の場合
と同様の効果を奏することができる。
In the above manufacturing process, the source voltage is
A floating gate sandwiched between the pole S and the drain electrode D
The normal EB exposure method used to form the
The FIB method may be used instead of the etching. This
According to the present embodiment, as in the case of the second embodiment,
Almost similarly, CaF 2Co sandwiching the tunnel barrier layer 42
Si2Metal layers 48, 49, especially CoSi2On the metal layer 48
Memory of "0" or "1" based on the amount of electric charge
The state can be defined and the source electrode S-drain voltage can be
Drain current I flowing between poles DD"1" depending on the size of
Can read the "0" stored information, and
As in the case of the third embodiment, CaF2Tunnel burr
A layer 42 and CoSi2Each of the metal layers 48, 49
The joint area A is A <We2It is small enough to satisfy the relationship of / 2εkT and Coulomb block
In the case of the above-mentioned third embodiment, since the shade phenomenon occurs
The same effect as can be obtained.

【0086】また、上記第4の実施例においても、上記
第2の実施例の場合と同様に、N型InAlAsバリア
層34とCoSi2 金属層49との間に、CoSi2
属層48とCaF2 トンネルバリア層42とが交互に2
周期以上形成され、2個以上のトンネル接合部が構成さ
れていてもよい。次に、発明の第5の実施例による記憶
装置を、図13を用いて説明する。
Also in the fourth embodiment, as in the case of the second embodiment, the CoSi 2 metal layer 48 and the CaF 2 are provided between the N-type InAlAs barrier layer 34 and the CoSi 2 metal layer 49. 2 tunnel barrier layers 42 and 2 alternately
Two or more tunnel junctions may be formed by forming a period or more. Next, a storage device according to a fifth embodiment of the invention will be described with reference to FIG.

【0087】図13(a)は本発明の第5の実施例によ
る記憶装置を示す断面図、図13(b)はその平面図で
ある。この第5の実施例による記憶装置は、ソース電極
Sとドレイン電極Dとの間に、トンネル接合部を有する
フローティングゲート相当部が多数配置されている点に
特徴がある。
FIG. 13A is a sectional view showing a memory device according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 13B is a plan view thereof. The memory device according to the fifth embodiment is characterized in that a large number of floating gate portions having tunnel junctions are arranged between the source electrode S and the drain electrode D.

【0088】即ち、半絶縁性InP基板30上にi型I
nGaAs層31が形成され、このi型InGaAs層
31表面にn+ 型ソース領域及びn+ 型ドレイン領域
(図示せず)が相対して形成され、更にこれらn+ 型ソ
ース領域及びn+ 型ドレイン領域上に、それぞれPd/
Ge/Au複合層からなるソース電極S及びドレイン電
極Dがオーミック接合して形成されている。また、i型
InGaAs層31上には、N型InAlAsバリア層
34が形成されており、N型InAlAsバリア層34
との接合界面近傍におけるi型InGaAs層31に、
ソース電極Sとドレイン電極Dとを結ぶ2次元電子チャ
ネル部(図示せず)が形成されている。
That is, the i-type I is formed on the semi-insulating InP substrate 30.
nGaAs layer 31 is formed, the i-type n + -type source region InGaAs layer 31 surface and the n + -type drain region (not shown) is formed relative, further these n + -type source regions and n + -type drain Pd /
A source electrode S and a drain electrode D made of a Ge / Au composite layer are formed in ohmic contact. Further, the N-type InAlAs barrier layer 34 is formed on the i-type InGaAs layer 31, and the N-type InAlAs barrier layer 34 is formed.
The i-type InGaAs layer 31 near the junction interface with
A two-dimensional electron channel portion (not shown) that connects the source electrode S and the drain electrode D is formed.

【0089】また、ソース電極Sとドレイン電極Dとの
間のN型InAlAsバリア層34上には、n型InA
lAs導電層、i型InAlAsトンネルバリア層、n
型InAlAs導電層、i型InAlAsバリア層、及
びn型InAlAs導電層が順に積層され、トンネル接
合部を有する島状のフローティングゲート相当部50が
規則的に多数配置されている。尚、これら多数の島状の
フローティングゲート相当部50は、EB露光法と選択
エッチングを用いて形成することが可能である。
On the N-type InAlAs barrier layer 34 between the source electrode S and the drain electrode D, n-type InA is formed.
lAs conductive layer, i-type InAlAs tunnel barrier layer, n
A type InAlAs conductive layer, an i-type InAlAs barrier layer, and an n-type InAlAs conductive layer are sequentially stacked, and a large number of island-shaped floating gate corresponding portions 50 having tunnel junctions are regularly arranged. The large number of island-shaped floating gate-corresponding portions 50 can be formed using the EB exposure method and selective etching.

【0090】また、これら多数のフローティングゲート
相当部50上には、Pd/Ge/Au複合層からなる制
御ゲート電極CGが形成され、各フローティングゲート
相当部50にオーミック接合している。従って、制御ゲ
ート電極CGにより、多数のフローティングゲート相当
部50を一括して制御することができるようになってい
る。
Further, a control gate electrode CG made of a Pd / Ge / Au composite layer is formed on the large number of floating gate corresponding portions 50, and is in ohmic contact with each floating gate corresponding portion 50. Therefore, the control gate electrode CG can collectively control a large number of floating gate corresponding portions 50.

【0091】このように本実施例によれば、ソース電極
Sとドレイン電極Dとの間に、トンネル接合部を有する
多数のフローティングゲート相当部50をアレイ状に配
置し、これら多数のフローティングゲート相当部50を
制御ゲート電極CGにより一括制御することが可能であ
るため、多チャネル化によりドレイン電流ID を増加し
つつ、クーロン・ブロッケード現象の利用により記憶保
持特性を良好に保持することできるため、雑音特性を向
上させると共に、特性のばらつきを小さくすることがで
きる。
As described above, according to this embodiment, a large number of floating gate corresponding portions 50 having tunnel junctions are arranged in an array between the source electrode S and the drain electrode D, and a large number of floating gate corresponding portions are arranged. Since the portion 50 can be collectively controlled by the control gate electrode CG, the drain current I D can be increased due to the multi-channel structure, and the memory retention characteristic can be favorably maintained by utilizing the Coulomb blockade phenomenon. It is possible to improve noise characteristics and reduce characteristic variations.

【0092】次に、発明の第6の実施例による記憶装置
を、図14を用いて説明する。図14は本発明の第6の
実施例による記憶装置を示す平面図である。この第6の
実施例による記憶装置は、上記第1〜第5の実施例によ
る記憶装置が多数配置されている点に特徴がある。尚、
ここでは、上記第1の実施例による記憶装置を配置した
場合について説明する。
Next, a memory device according to a sixth embodiment of the invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a plan view showing a storage device according to the sixth embodiment of the present invention. The storage device according to the sixth embodiment is characterized in that a large number of storage devices according to the first to fifth embodiments are arranged. still,
Here, a case where the storage device according to the first embodiment is arranged will be described.

【0093】即ち、上記第1の実施例による記憶装置5
1が、基板のX−Y平面上にアレイ状に規則的に多数配
置されている。そして各記憶装置51のソース電極Sを
X方向に配線するソース電極配線SLが、平行に多数配
列されている。また、ドレイン電極DをY方向に配線す
るドレイン電極配線DLが、平行に多数配列されてい
る。更に、制御ゲート電極CGをY方向に配線する制御
ゲート電極配線CGLが、平行に多数配列されている。
That is, the storage device 5 according to the first embodiment.
1 is regularly arranged in an array on the XY plane of the substrate. A large number of source electrode wirings SL for wiring the source electrodes S of each storage device 51 in the X direction are arranged in parallel. In addition, a large number of drain electrode wirings DL that wire the drain electrodes D in the Y direction are arranged in parallel. Further, a large number of control gate electrode wirings CGL for arranging the control gate electrodes CG in the Y direction are arranged in parallel.

【0094】このように本実施例によれば、記憶装置5
1をアレイ状に配置し、そのソース電極Sとドレイン電
極D及び制御ゲート電極CGとをそれぞれX、Y方向に
配線する構造をとることにより、多数の記憶装置51の
内、1つの記憶装置51の選択的な読み出し、書き込み
が可能となる。即ち、選択したい記憶装置51をX、Y
軸上の交点とするソース電極配線SL及びドレイン電極
配線DLにおいて、そのソース電極配線SLを接地する
と共にそのドレイン電極配線DLを正にバイアスすれ
ば、その電流量の多寡によって、特定の記憶装置51の
情報を選択的に読み出すことができる。また、ソース電
極配線SLと制御ゲート電極配線CGLを正又は負にバ
イアスすることにより、特定の記憶装置51の情報の書
き換えを選択的に行うことができる。
As described above, according to this embodiment, the storage device 5
1 is arranged in an array, and the source electrode S, the drain electrode D, and the control gate electrode CG are wired in the X and Y directions, respectively. It becomes possible to selectively read and write. That is, the storage device 51 to be selected is selected as X, Y.
In the source electrode wiring SL and the drain electrode wiring DL which are the intersections on the axis, if the source electrode wiring SL is grounded and the drain electrode wiring DL is positively biased, the specific memory device 51 is obtained depending on the amount of the current amount. Information can be selectively read. Further, by biasing the source electrode wiring SL and the control gate electrode wiring CGL to be positive or negative, it is possible to selectively rewrite the information in the specific memory device 51.

【0095】更に、制御ゲート電極CGを全て接地して
おきソース電極SをX軸方向に、ドレイン電極DをY軸
方向にそれぞれ配線することにより、ランダムな書き換
えを行うことも可能である。ところで、図14のように
多数の記憶装置51を密集させた状態で微小なソース電
極S、ドレイン電極D及び制御ゲート電極CGを配線す
るにはかなり高度の配線技術を必要とし、特にソース電
極Sとドレイン電極Dとに挟まれた制御ゲート電極CG
同士の接続は困難である。そこで、こうした密集領域で
の制御ゲート電極CGの配線を容易に行うことができる
記憶装置の製造方法を、図15を用いて説明する。
Further, it is possible to perform random rewriting by grounding all the control gate electrodes CG and wiring the source electrode S in the X-axis direction and the drain electrode D in the Y-axis direction. By the way, in order to wire the minute source electrode S, the drain electrode D and the control gate electrode CG in a state where a large number of memory devices 51 are densely arranged as shown in FIG. Control gate electrode CG sandwiched between the gate electrode and the drain electrode D
Connection between them is difficult. Therefore, a method of manufacturing a memory device in which the control gate electrode CG can be easily wired in such a dense region will be described with reference to FIGS.

【0096】図15(a)は図14の記憶装置のフロー
ティングゲート相当部の形成工程を示す断面図、図15
(b)は制御ゲート電極CGの配線工程を示す断面図で
ある。尚、図9及び図14に示す記憶装置と同一の構成
要素には同一の符号を付して説明を省略する。半絶縁性
InP基板30上に、i型InGaAs層31、N型I
nAlAsバリア層34、n型InAlAs導電層3
6、i型InAlAsトンネルバリア層37、n型In
AlAs導電層38、i型InAlAsバリア層39、
及びn型InAlAs導電層40を順に積層する。続い
て、n型InAlAs導電層40のXY平面上のX軸方
向に平行な複数のストライプ状にパターニングした複数
のレジスト52を形成する。尚、このレジスト52の代
わりに、SiO2 、Si34 、又はSiONなどから
なる絶縁膜を用いてもよい。
FIG. 15A is a sectional view showing a step of forming a portion corresponding to the floating gate of the memory device of FIG.
(B) is a sectional view showing a wiring process of the control gate electrode CG. The same components as those of the storage device shown in FIGS. 9 and 14 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. On the semi-insulating InP substrate 30, the i-type InGaAs layer 31, the N-type I
nAlAs barrier layer 34, n-type InAlAs conductive layer 3
6, i-type InAlAs tunnel barrier layer 37, n-type In
AlAs conductive layer 38, i-type InAlAs barrier layer 39,
And the n-type InAlAs conductive layer 40 are sequentially stacked. Subsequently, a plurality of resists 52 patterned into a plurality of stripes parallel to the X-axis direction on the XY plane of the n-type InAlAs conductive layer 40 are formed. An insulating film made of SiO 2 , Si 3 N 4 , SiON, or the like may be used instead of the resist 52.

【0097】続いて、このレジスト52をマスクとし
て、n型InAlAs導電層40、i型InAlAsバ
リア層39、n型InAlAs導電層47、i型InA
lAsトンネルバリア層37、及びn型InAlAs導
電層46を、例えばCH4 とH 2 を用いたRIE(反応
性イオンエッチング)により、X軸方向に平行な複数の
ストライプ状にパターニングする(図15(a)参
照)。
Then, using this resist 52 as a mask
The n-type InAlAs conductive layer 40 and the i-type InAlAs layer.
Rear layer 39, n-type InAlAs conductive layer 47, i-type InA
lAs tunnel barrier layer 37 and n-type InAlAs conductor
The electric layer 46 is, for example, CHFourAnd H 2RIE (reaction
(Sequential ion etching)
Pattern in stripes (see Fig. 15 (a))
See).

【0098】続いて、RIEにより形成された凹部を例
えばポリイミド層53によって埋め込むと共に、レジス
ト52を除去してn型InAlAs導電層40表面を露
出させる、いわゆる頭出しを行う。尚、このポリイミド
層53の代わりに、他の樹脂材料を用いてもよいし、S
iO2 などの絶縁層物を用いてもよい。こうして平坦化
された全面に、WSi又はTiPtAuなどからなる金
属配線層を形成した後、この金属配線層を、そのXY平
面上のY軸方向に平行な複数のストライプ状にパターニ
ングし、制御ゲート電極CGと兼用する制御ゲート電極
配線CGLを形成する(図15(b)参照)。
Subsequently, the recess formed by RIE is filled with, for example, a polyimide layer 53, and the resist 52 is removed to expose the surface of the n-type InAlAs conductive layer 40, that is, so-called cueing is performed. Note that other resin materials may be used instead of the polyimide layer 53, and S
An insulating layer material such as iO 2 may be used. After forming a metal wiring layer made of WSi or TiPtAu on the flattened entire surface in this way, the metal wiring layer is patterned into a plurality of stripes parallel to the Y-axis direction on the XY plane to form a control gate electrode. A control gate electrode wiring CGL which also serves as a CG is formed (see FIG. 15B).

【0099】続いて、図示はしないが、この制御ゲート
電極配線CGLをマスクとして、n型InAlAs導電
層40、i型InAlAsバリア層39、n型InAl
As導電層47、i型InAlAsトンネルバリア層3
7、及びn型InAlAs導電層46をメサエッチング
して、フローティングゲート相当部をアレイ状に形成す
る。その後、ソース電極S及びドレイン電極Dを形成す
る。
Next, although not shown, the n-type InAlAs conductive layer 40, the i-type InAlAs barrier layer 39, and the n-type InAl are masked using the control gate electrode wiring CGL as a mask.
As conductive layer 47, i-type InAlAs tunnel barrier layer 3
7 and the n-type InAlAs conductive layer 46 are mesa-etched to form floating gate corresponding portions in an array. Then, the source electrode S and the drain electrode D are formed.

【0100】こうして、図14に示すような多数の記憶
装置51がアレイ状に配置された記憶装置を形成すると
共に、その密集領域における微細な制御ゲート電極CG
のY方向への配線を容易に行うことができる。尚、図1
4にアレイ状に配置された記憶装置51が、上記第1の
実施例による記憶装置でなく、上記第3又は第4の実施
例によるものである場合は、フローティングゲート相当
部を形成する際に、n型InAlAs導電層46、47
又はCoSi2 金属層48、49の選択的なサイドエッ
チングを行う工程を追加する必要がある。
In this way, a large number of storage devices 51 as shown in FIG. 14 form a storage device arranged in an array, and fine control gate electrodes CG in the dense area are formed.
Wiring in the Y direction can be easily performed. Incidentally, FIG.
When the storage devices 51 arranged in an array in 4 are not the storage device according to the first embodiment but the storage device according to the third or fourth embodiment, when forming the floating gate corresponding portion, , N-type InAlAs conductive layers 46, 47
Alternatively, it is necessary to add a step of selectively side etching the CoSi 2 metal layers 48 and 49.

【0101】また、上記第6の実施例においては、記憶
装置51をアレイ状に配置したメモリセルアレイの他に
トランジスタを形成しなければならないが、本発明の構
造では制御ゲート電極CGをそのままショットキーゲー
トで置き換えることで、FETやHEMTを作製する可
能となり、更にそれをメモリ周辺のスイッチング装置と
して用いることも可能である。
Further, in the sixth embodiment, a transistor has to be formed in addition to the memory cell array in which the memory devices 51 are arranged in an array. However, in the structure of the present invention, the control gate electrode CG is directly used as the Schottky. By replacing it with a gate, it becomes possible to fabricate a FET or HEMT, and it can also be used as a switching device around the memory.

【0102】また、上記第1〜第6の実施例において、
第1のバリア層としての厚さ50nmのN型InAlA
sバリア層34の一部又は全部の層厚を薄くして、i型
InGaAs層31内の2次元電子チャネル部35から
ホットエレクトロンを第1の導電層としてのn型InA
lAs導電層36、46又はCoSi2 金属層41、4
8に移動させるためのトンネルバリア部を形成してもよ
い。
Further, in the above-mentioned first to sixth embodiments,
50-nm-thick N-type InAlA as first barrier layer
The s barrier layer 34 is partially or entirely thinned so that hot electrons from the two-dimensional electron channel portion 35 in the i-type InGaAs layer 31 serve as n-type InA as a first conductive layer.
1As conductive layers 36, 46 or CoSi 2 metal layers 41, 4
You may form the tunnel barrier part for moving to 8.

【0103】また、上記第1〜第6の実施例において、
ソース電極Sとドレイン電極Dとを結ぶチャネル部を形
成する半導体層として、i型InGaAs層31を用
い、その上の第1のバリア層としてN型InAlAsバ
リア層34、N型InPバリア層、又はCaF2 バリア
層を用いているが、これらの代わりに、チャネル部を形
成する半導体層としてGaAs層を用い、その上の第1
のバリア層としてAlGaAs層を用いてもよいし、ま
た、半導体層としてInAs層を用い、その上の第1の
バリア層としてInAs層とヘテロ接合(p,n接合を
含む)するGaSb系などのあらゆる半導体層を用いて
もよい。また、これら化合物半導体の代わりに、チャネ
ル部を形成する半導体層としてSi層を用い、その上の
第1のバリア層としてSiO2 層、SiGe層、又はS
iC層を用いることも可能である。更に、このとき、n
型半導体層をp型半導体層に置換してもよい。
Further, in the above first to sixth embodiments,
An i-type InGaAs layer 31 is used as a semiconductor layer that forms a channel portion connecting the source electrode S and the drain electrode D, and an N-type InAlAs barrier layer 34, an N-type InP barrier layer, or a first barrier layer on the i-type InGaAs layer 31, or A CaF 2 barrier layer is used, but instead of these, a GaAs layer is used as the semiconductor layer forming the channel portion, and the first
AlGaAs layer may be used as the barrier layer, or an InAs layer is used as the semiconductor layer, and a GaSb system or the like that is heterojunction (including p, n junction) with the InAs layer is formed as the first barrier layer thereon. Any semiconductor layer may be used. Further, instead of these compound semiconductors, a Si layer is used as a semiconductor layer forming a channel portion, and a SiO 2 layer, a SiGe layer, or an S layer is used as a first barrier layer on the Si layer.
It is also possible to use the iC layer. Further, at this time, n
The type semiconductor layer may be replaced with a p-type semiconductor layer.

【0104】また、上記第2又は4の実施例において、
CaF2 トンネルバリア層及びこれを挟むCoSi2
属層から構成されるトンネル接合部を、超伝導層を用い
たNb/AlOX /Nb接合構造としたり、或いはSi
TiO3 /MgOなどのヘテロ接合構造とすることも可
能である。
In the second or fourth embodiment,
The tunnel junction composed of the CaF 2 tunnel barrier layer and the CoSi 2 metal layer sandwiching the CaF 2 tunnel barrier layer has an Nb / AlO x / Nb junction structure using a superconducting layer, or Si.
A heterojunction structure such as TiO 3 / MgO can be used.

【0105】[0105]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板と、この基板上に形成される半導体層と、この半導
体層上に相対して形成され、この半導体層にそれぞれオ
ーミック接合するソース電極及びドレイン電極と、この
ソース電極とこのドレイン電極との間に挟まれた半導体
層上に、この半導体層よりも電子親和力の小さい第1の
バリア層を介して形成された第1の導電層と、この第1
の導電層上に、この第1の導電層よりも電子親和力の小
さいトンネルバリア層を介して形成された第2の導電層
と、この第2の導電層上に、この第2の導電層よりも電
子親和力の小さい第2のバリア層を介して形成された第
3の導電層と、この第3の導電層上に形成されたゲート
電極とを有することにより、このゲート電極への印加電
圧を制御し、このトンネルバリア層を介してこの第1の
導電層とこの第2の導電層との間で電荷を移動させ、こ
の第1の導電層における電荷量の変化により、この半導
体層のこの第1のバリア層との接合界面近傍に形成され
る電子濃度を増減させて、このソース電極及びこのドレ
イン電極間に流れる電流を制御することができるため、
従来のSiを用いたMOSFETによる記憶装置と比較
して、高速の記憶装置を実現することができる。
As described above, according to the present invention,
A substrate, a semiconductor layer formed on the substrate, a source electrode and a drain electrode formed on the semiconductor layer so as to be in ohmic contact with the semiconductor layer, respectively, and between the source electrode and the drain electrode. A first conductive layer formed on the semiconductor layer sandwiched between the first conductive layer and a first barrier layer having an electron affinity lower than that of the semiconductor layer;
A second conductive layer formed on the second conductive layer via a tunnel barrier layer having an electron affinity lower than that of the first conductive layer, and a second conductive layer formed on the second conductive layer. Also has a third conductive layer formed via a second barrier layer having a small electron affinity and a gate electrode formed on this third conductive layer, so that the voltage applied to this gate electrode can be increased. Control and transfer charge between the first conductive layer and the second conductive layer through the tunnel barrier layer, and a change in the amount of charge in the first conductive layer causes a change in the charge of the semiconductor layer. Since the electron concentration formed near the junction interface with the first barrier layer can be increased or decreased to control the current flowing between the source electrode and the drain electrode,
It is possible to realize a high-speed storage device as compared with a conventional storage device using a MOSFET using Si.

【0106】また、更に、第1及び第2の導電層とトン
ネルバリア層とのそれぞれの接合面積Aが、 A<We2 /2εkT であるほど十分に小さいことにより、クーロン・ブロッ
ケード現象が生じ、記憶情報の保持は電子1個がトンネ
ルバリア層17をトンネルする場合とトンネルしない場
合との静電的エネルギの変化量に基づいて行われるた
め、更に高速、低消費電力で、かつ高密度の記憶装置を
実現することができる。
Further, since the respective junction areas A of the first and second conductive layers and the tunnel barrier layer are so small that A <We 2 / 2εkT, the Coulomb blockade phenomenon occurs, Since stored information is held based on the amount of change in electrostatic energy when one electron tunnels through the tunnel barrier layer 17 and when it does not tunnel, further high speed, low power consumption, and high density storage are achieved. The device can be realized.

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

【図1】クーロン・ブロッケード現象を説明するための
回路図及びその電流−電圧特性を示すグラフである。
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining a Coulomb blockade phenomenon and a graph showing a current-voltage characteristic thereof.

【図2】クーロン・ステアケース現象を説明するための
回路図及びその電流−電圧特性を示すグラフである。
FIG. 2 is a circuit diagram for explaining the Coulomb-Staircase phenomenon and a graph showing current-voltage characteristics thereof.

【図3】本発明の原理を説明するための本発明による第
1の記憶装置を示す断面図及びその回路図である。
3A and 3B are a cross-sectional view and a circuit diagram showing a first memory device according to the present invention for explaining the principle of the present invention.

【図4】図3の第1の記憶装置の動作を説明するための
エネルギーバンド図である。
FIG. 4 is an energy band diagram for explaining the operation of the first storage device in FIG.

【図5】図3の第1の記憶装置の動作を説明するための
エネルギーバンド図である。
5 is an energy band diagram for explaining the operation of the first storage device of FIG.

【図6】図3の第1の記憶装置の電流−電圧特性を示す
グラフである。
6 is a graph showing current-voltage characteristics of the first memory device of FIG.

【図7】本発明の原理を説明するための本発明による第
2の記憶装置を示す断面図及びその回路図である。
7A and 7B are a cross-sectional view and a circuit diagram showing a second memory device according to the present invention for explaining the principle of the present invention.

【図8】図7の第2の記憶装置の電流−電圧特性を示す
グラフである。
8 is a graph showing current-voltage characteristics of the second memory device of FIG.

【図9】本発明の第1の実施例による記憶装置を示す断
面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing a memory device according to a first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第2の実施例による記憶装置を示す
断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a memory device according to a second embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第3の実施例による記憶装置を示す
断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing a memory device according to a third embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第4の実施例による記憶装置を示す
断面図である。
FIG. 12 is a sectional view showing a memory device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第5の実施例による記憶装置を示す
断面図及び平面図である。
FIG. 13 is a sectional view and a plan view showing a memory device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第6の実施例による記憶装置を示す
平面図である。
FIG. 14 is a plan view showing a storage device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図15】図14の記憶装置の製造方法を説明するため
の工程図である。
FIG. 15 is a process drawing for explaining the manufacturing method of the memory device in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、2、3…微小トンネル接合部 10…基板 11…半導体層 12…ソース領域 13…ドレイン領域 14…第1のバリア層 15…チャネル部 16…第1の導電層 17…トンネルバリア層 18…第2の導電層 19…第2のバリア層 20…第3の導電層 21…トンネル接合部 22…キャパシタ部 23…第1の導電層 24…第2の導電層 25…トンネル接合部 26…キャパシタ部 30…半絶縁性InP基板 31…i型InGaAs層 32…n+ 型ソース領域 33…n+ 型ドレイン領域 34…N型InAlAsバリア層 35…2次元電子チャネル部 36…n型InAlAs導電層 37…i型InAlAsトンネルバリア層 38…n型InAlAs導電層 39…i型InAlAsバリア層 40…n型InAlAs導電層 41…CoSi2 金属層 42…CaF2 トンネルバリア層 43…CoSi2 金属層 44…CaF2 バリア層 45…CoSi2 金属層 46…n型InAlAs導電層 47…n型InAlAs導電層 48…CoSi2 金属層 49…CoSi2 金属層 50…フローティングゲート相当部 51…記憶装置 52…レジスト 53…ポリイミド層 S…ソース電極 D…ドレイン電極 CG…制御ゲート電極 SL…ソース電極配線 DL…ドレイン電極配線 CGL…制御ゲート電極配線1, 2 and 3 ... Micro tunnel junction 10 ... Substrate 11 ... Semiconductor layer 12 ... Source region 13 ... Drain region 14 ... First barrier layer 15 ... Channel part 16 ... First conductive layer 17 ... Tunnel barrier layer 18 ... 2nd conductive layer 19 ... 2nd barrier layer 20 ... 3rd conductive layer 21 ... Tunnel junction part 22 ... Capacitor part 23 ... 1st conductive layer 24 ... 2nd conductive layer 25 ... Tunnel junction part 26 ... Capacitor Part 30 ... Semi-insulating InP substrate 31 ... i-type InGaAs layer 32 ... n + type source region 33 ... n + type drain region 34 ... N-type InAlAs barrier layer 35 ... two-dimensional electron channel part 36 ... n-type InAlAs conductive layer 37 ... i-type InAlAs tunnel barrier layer 38 ... n-type InAlAs conductive layer 39 ... i-type InAlAs barrier layer 40 ... n-type InAlAs conductive layer 41 ... CoSi 2 metal layer 42 ... CaF 2 tunnel barrier layer 43 ... CoSi 2 metal layer 44 ... CaF 2 barrier layer 45 ... CoSi 2 metal layer 46 ... n type InAlAs conductive layer 47 ... n type InAlAs conductive layer 48 ... CoSi 2 metal layer 49. CoSi 2 metal layer 50 ... Floating gate equivalent part 51 ... Memory device 52 ... Resist 53 ... Polyimide layer S ... Source electrode D ... Drain electrode CG ... Control gate electrode SL ... Source electrode wiring DL ... Drain electrode wiring CGL ... Control gate electrode wiring

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と、 前記基板上に形成される半導体層と、 前記半導体層上に相対して形成され、前記半導体層にそ
れぞれオーミック接合するソース電極及びドレイン電極
と、 前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に挟まれた前
記半導体層上に、前記半導体層よりも電子親和力の小さ
い第1のバリア層を介して形成された第1の導電層と、 前記第1の導電層上に、前記第1の導電層よりも電子親
和力の小さいトンネルバリア層を介して形成された第2
の導電層と、 前記第2の導電層上に、前記第2の導電層よりも電子親
和力の小さい第2のバリア層を介して形成された第3の
導電層と、 前記第3の導電層上にオーミック接合して形成されたゲ
ート電極とを有し、 前記ゲート電極への印加電圧を制御して、前記トンネル
バリア層を介して前記第1の導電層と前記第2の導電層
との間で電荷を移動させ、前記第1の導電層における電
荷量の変化により、前記半導体層の前記第1のバリア層
との接合界面近傍に形成されるチャネルのキャリア濃度
を増減させて、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間
に流れる電流を制御することを特徴とする記憶装置。
1. A substrate, a semiconductor layer formed on the substrate, a source electrode and a drain electrode formed on the semiconductor layer so as to face each other and making ohmic contact with the semiconductor layer respectively, the source electrode and the A first conductive layer formed on the semiconductor layer sandwiched between the drain electrode and the semiconductor layer via a first barrier layer having an electron affinity lower than that of the semiconductor layer; and on the first conductive layer. A second barrier layer formed via a tunnel barrier layer having an electron affinity lower than that of the first conductive layer.
A conductive layer, a third conductive layer formed on the second conductive layer via a second barrier layer having an electron affinity lower than that of the second conductive layer, and the third conductive layer. A gate electrode formed in ohmic contact therewith, and controlling a voltage applied to the gate electrode to connect the first conductive layer and the second conductive layer via the tunnel barrier layer. Between the source and the source by increasing or decreasing the carrier concentration of a channel formed in the vicinity of a junction interface between the semiconductor layer and the first barrier layer by changing the amount of charge in the first conductive layer by moving charges between the source and the source. A memory device characterized by controlling a current flowing between an electrode and the drain electrode.
【請求項2】 請求項1に記載の記憶装置において、 前記第1及び第2の導電層と前記トンネルバリア層との
それぞれの接合面積Aが、 A<We2 /2εkT 但し、 W:バリア層の厚さ e:電気素量 ε:バリア層の誘電率 k:ボルツマン定数 T:温度 であることを特徴とする記憶装置。
2. The memory device according to claim 1, wherein a junction area A of each of the first and second conductive layers and the tunnel barrier layer is A <We 2 / 2εkT, where W is a barrier layer. Thickness: e: elementary charge ε: barrier layer dielectric constant k: Boltzmann constant T: temperature.
【請求項3】 請求項1又は2に記載の記憶装置におい
て、 前記第1のバリア層が、半導体バリア層であり、 前記第1の導電層が、薄い層厚の半導体導電層であり、 前記トンネルバリア層が、半導体トンネルバリア層であ
り、 前記第2の導電層が、半導体導電層である前記第2のバ
リア層が、半導体バリア層であり、 前記第3の導電層が、半導体導電層であることを特徴と
する記憶装置。
3. The memory device according to claim 1, wherein the first barrier layer is a semiconductor barrier layer, and the first conductive layer is a semiconductor conductive layer having a thin layer thickness. The tunnel barrier layer is a semiconductor tunnel barrier layer, the second conductive layer is a semiconductor conductive layer, the second barrier layer is a semiconductor barrier layer, and the third conductive layer is a semiconductor conductive layer. A storage device characterized by being.
【請求項4】 請求項3に記載の記憶装置において、 前記基板が、半絶縁性半導体基板であり、 前記半導体層が、ノンドープの半導体層であり、 前記第1のバリア層が、n型不純物がドープされた半導
体バリア層であり、 前記第1の導電層が、ノンドープの又はn型不純物がド
ープされた半導体導電層であり、 前記トンネルバリア層が、ノンドープの又はn型不純物
がドープされた半導体トンネルバリア層であり、 前記第2の導電層が、n型不純物がドープされた半導体
導電層であり、 前記第2のバリア層が、ノンドープの半導体バリア層で
あり、 前記第3の導電層が、n型不純物がドープされた半導体
導電層であり、 前記半導体層の前記第1のバリア層との接合界面近傍
に、2次元電子ガスが形成されていることを特徴とする
記憶装置。
4. The memory device according to claim 3, wherein the substrate is a semi-insulating semiconductor substrate, the semiconductor layer is a non-doped semiconductor layer, and the first barrier layer is an n-type impurity. Is a doped semiconductor barrier layer, the first conductive layer is a non-doped or n-type impurity doped semiconductor conductive layer, the tunnel barrier layer is a non-doped or n-type impurity doped A semiconductor tunnel barrier layer, the second conductive layer is a semiconductor conductive layer doped with an n-type impurity, the second barrier layer is a non-doped semiconductor barrier layer, the third conductive layer Is a semiconductor conductive layer doped with an n-type impurity, and a two-dimensional electron gas is formed in the vicinity of a junction interface of the semiconductor layer with the first barrier layer. .
【請求項5】 請求項4に記載の記憶装置において、 前記基板が、半絶縁性InP基板であり、 前記半導体層が、i型InGaAs層であり、 前記第1のバリア層が、N型InAlAs層又はN型I
nP層であり、 前記第1の導電層が、n型InGaAs層であり、 前記トンネルバリア層が、i型InAlAs層であり、 前記第2の導電層が、n型InGaAs層であり、 前記第2のバリア層が、i型InGaAs層であり、 前記第3の導電層が、n型InGaAs層であり、 前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電
極が、AuGe/Auオーミック電極、Pd/Ge/A
uオーミック電極、又はCr/Auオーミック電極であ
ることを特徴とする記憶装置。
5. The memory device according to claim 4, wherein the substrate is a semi-insulating InP substrate, the semiconductor layer is an i-type InGaAs layer, and the first barrier layer is N-type InAlAs. Layer or N type I
an nP layer, the first conductive layer is an n-type InGaAs layer, the tunnel barrier layer is an i-type InAlAs layer, the second conductive layer is an n-type InGaAs layer, The second barrier layer is an i-type InGaAs layer, the third conductive layer is an n-type InGaAs layer, and the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode are AuGe / Au ohmic electrodes, Pd / Ge / A
A memory device, which is a u ohmic electrode or a Cr / Au ohmic electrode.
【請求項6】 請求項1又は2に記載の記憶装置におい
て、 前記第1のバリア層が、半導体バリア層又は絶縁物バリ
ア層であり、 前記第1の導電層が、薄い層厚の金属層であり、 前記トンネルバリア層が、絶縁物トンネルバリア層であ
り、 前記第2のバリア層が、絶縁物バリア層であり、 前記第3の導電層が、金属層であることを特徴とする記
憶装置。
6. The memory device according to claim 1, wherein the first barrier layer is a semiconductor barrier layer or an insulator barrier layer, and the first conductive layer is a metal layer having a thin layer thickness. The tunnel barrier layer is an insulator tunnel barrier layer, the second barrier layer is an insulator barrier layer, and the third conductive layer is a metal layer. apparatus.
【請求項7】 請求項6に記載の記憶装置において、 前記半導体層が、ノンドープの半導体層であり、 前記第1のバリア層が、n型不純物がドープされた半導
体バリア層又は絶縁物バリア層であり、 前記半導体層の前記第1のバリア層との接合界面近傍
に、2次元電子ガスが形成されていることを特徴とする
記憶装置。
7. The memory device according to claim 6, wherein the semiconductor layer is a non-doped semiconductor layer, and the first barrier layer is a semiconductor barrier layer or an insulator barrier layer doped with an n-type impurity. The two-dimensional electron gas is formed in the vicinity of the junction interface between the semiconductor layer and the first barrier layer.
【請求項8】 請求項7に記載の記憶装置において、 前記半導体層が、i型InGaAs層であり、 前記第1のバリア層が、N型InAlAs層、N型In
P、又はCaF2 層であり、 前記第1の導電層が、CoSi2 層であり、 前記トンネルバリア層が、CaF2 層であり、 前記第2の導電層が、CoSi2 層であり、 前記第2のバリア層が、CaF2 層であり、 前記第3の導電層が、CoSi2 層であり、 前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電
極が、AuGe/Auオーミック電極、Pd/Ge/A
uオーミック電極、又はCr/Auオーミック電極であ
ることを特徴とする記憶装置。
8. The memory device according to claim 7, wherein the semiconductor layer is an i-type InGaAs layer, and the first barrier layer is an N-type InAlAs layer and an N-type In.
P, or CaF 2 layer, the first conductive layer is a CoSi 2 layer, the tunnel barrier layer is a CaF 2 layer, the second conductive layer is a CoSi 2 layer, The second barrier layer is a CaF 2 layer, the third conductive layer is a CoSi 2 layer, the source electrode, the drain electrode, and the gate electrode are AuGe / Au ohmic electrodes, Pd / Ge / A
A memory device, which is a u ohmic electrode or a Cr / Au ohmic electrode.
【請求項9】 請求項7に記載の記憶装置において、 前記半導体層が、Si層であり、 前記第1のバリア層が、SiO2 層であり、 前記第1の導電層が、CoSi2 層であり、 前記トンネルバリア層が、CaF2 層であり、 前記第2の導電層が、CoSi2 層であり、 前記第2のバリア層が、CaF2 層であり、 前記第3の導電層が、CoSi2 層であることを特徴と
する記憶装置。
9. The memory device according to claim 7, wherein the semiconductor layer is a Si layer, the first barrier layer is a SiO 2 layer, and the first conductive layer is a CoSi 2 layer. The tunnel barrier layer is a CaF 2 layer, the second conductive layer is a CoSi 2 layer, the second barrier layer is a CaF 2 layer, and the third conductive layer is , CoSi 2 layer.
【請求項10】 請求項1又は2に記載の記憶装置にお
いて、 前記第1のバリア層と前記第1の導電層との間の前記第
1の導電層及び前記トンネルバリア層が、交互に2周期
以上形成されていることを特徴とする記憶装置。
10. The memory device according to claim 1, wherein the first conductive layer and the tunnel barrier layer between the first barrier layer and the first conductive layer are alternately formed into two layers. A storage device characterized by being formed for a period or more.
【請求項11】 請求項1又は2に記載の記憶装置にお
いて、 前記第1のバリア層の一部又は全部にトンネルバリア部
が形成されており、 前記トンネルバリア部を介して、半導体層から前記第1
の導電層に電子を移動させることを特徴とする記憶装
置。
11. The memory device according to claim 1, wherein a tunnel barrier portion is formed in a part or all of the first barrier layer, and the semiconductor layer is formed from the semiconductor layer through the tunnel barrier portion. First
A storage device, characterized in that electrons are transferred to the conductive layer of.
【請求項12】 請求項1乃至11のいずれかに記載の
記憶装置において、 前記半導体層上に順に積層された前記第1のバリア層、
前記第1の導電層、前記トンネルバリア層、前記第2の
導電層、前記第2のバリア層、及び前記第3の導電層か
らなるフローティングゲート相当部が、前記ソース電極
と前記ドレイン電極との間に規則的に多数配置され、 前記制御ゲート電極が、多数配置された前記フローティ
ングゲート相当部の前記第3の導電層上全体にオーミッ
ク接合して形成されていることを特徴とする記憶装置。
12. The memory device according to claim 1, wherein the first barrier layer sequentially stacked on the semiconductor layer,
A floating gate equivalent portion composed of the first conductive layer, the tunnel barrier layer, the second conductive layer, the second barrier layer, and the third conductive layer serves as the source electrode and the drain electrode. A storage device, wherein a large number of control gate electrodes are regularly arranged between the control gate electrodes and are ohmic-bonded over the entire third conductive layer of the floating gate corresponding portions.
【請求項13】 請求項1乃至12のいずれかに記載の
記憶装置が、X,Y平面上にアレー状に規則的に多数配
置されており、 多数配置された前記記憶装置の前記ソース電極がX方向
にストライプ状に配線され、前記ドレイン及び前記制御
ゲート電極がそれぞれY方向にストライプ状に配線され
ていることを特徴とする記憶装置。
13. The memory device according to claim 1, wherein a large number of memory devices are regularly arranged in an array on the X and Y planes, and the plurality of source electrodes of the memory devices are arranged. A storage device, characterized in that it is arranged in a stripe shape in the X direction, and the drain and the control gate electrode are arranged in a stripe shape in the Y direction.
【請求項14】 基板上に、半導体層、前記半導体層よ
りも電子親和力の小さい第1のバリア層、第1の導電
層、前記第1の導電層よりも電子親和力の小さいトンネ
ルバリア層、第2の導電層、前記第2の導電層よりも電
子親和力の小さい第2のバリア層、及び第3の導電層を
順に積層する第1の工程と、 電子ビーム露光法とドライエッチングにより、前記第3
の導電層、前記第2のバリア層、前記第2の導電層、前
記トンネルバリア層、及び前記第1の導電層を島状にパ
ターニングして、フローティングゲート相当部を形成す
る第2の工程とを有することを特徴とする記憶装置の製
造方法。
14. A semiconductor layer, a first barrier layer having an electron affinity lower than that of the semiconductor layer, a first conductive layer, a tunnel barrier layer having an electron affinity lower than that of the first conductive layer, and A second conductive layer, a second barrier layer having an electron affinity smaller than that of the second conductive layer, and a third conductive layer in this order; Three
Second conductive layer, the second barrier layer, the second conductive layer, the tunnel barrier layer, and the first conductive layer are patterned into an island shape to form a floating gate corresponding portion. A method of manufacturing a storage device, comprising:
【請求項15】 請求項14記載の記憶装置の製造方法
において、 前記第2の工程の後、前記第1の導電層及び前記第2の
導電層を選択的にサイドエッチングして、前記第1及び
第2の導電層と前記トンネルバリア層とのそれぞれの接
合面積Aを、 A<We2 /2εkT 但し、 W:バリア層の厚さ e:電気素量 ε:バリア層の誘電率 k:ボルツマン定数 T:温度 とする第3の工程を有することを特徴とする記憶装置の
製造方法。
15. The method for manufacturing a memory device according to claim 14, wherein after the second step, the first conductive layer and the second conductive layer are selectively side-etched to form the first conductive layer. And the junction area A of each of the second conductive layer and the tunnel barrier layer is A <We 2 / 2εkT, where: W: thickness of barrier layer e: elementary charge ε: dielectric constant of barrier layer k: Boltzmann A method of manufacturing a memory device, comprising a third step of setting a constant T: temperature.
【請求項16】 請求項15記載の記憶装置の製造方法
において、 前記第2のバリア層が、N型InAlAs層であり、 前記第1の導電層及び前記第2の導電層が、それぞれn
型InAlAs層又はCoSi2 層であり、 前記第3の工程における前記第1の導電層及び前記第2
の導電層の選択的なサイドエッチングに用いるエッチン
グ液が、クエン酸・過酸化水素水・水の混合液であるこ
とを特徴とする記憶装置の製造方法。
16. The method of manufacturing a memory device according to claim 15, wherein the second barrier layer is an N-type InAlAs layer, and each of the first conductive layer and the second conductive layer is n.
Type InAlAs layer or CoSi 2 layer, and the first conductive layer and the second layer in the third step.
The method for manufacturing a memory device, wherein the etching liquid used for the selective side etching of the conductive layer is a mixed liquid of citric acid / hydrogen peroxide water / water.
【請求項17】 請求項15記載の記憶装置の製造方法
において、 前記第2のバリア層が、N型InP層であり、 前記第1の導電層及び前記第2の導電層が、それぞれn
型InAlAs層又はCoSi2 層であり、 前記第3の工程における前記第1の導電層及び前記第2
の導電層の選択的なサイドエッチングに用いるエッチン
グ液が、リン酸・過酸化水素水・水の混合液であること
を特徴とする記憶装置の製造方法。
17. The method of manufacturing a memory device according to claim 15, wherein the second barrier layer is an N-type InP layer, and each of the first conductive layer and the second conductive layer is n.
Type InAlAs layer or CoSi 2 layer, and the first conductive layer and the second layer in the third step.
The method for manufacturing a memory device, wherein the etching solution used for selective side etching of the conductive layer is a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide solution, and water.
【請求項18】 請求項15記載の記憶装置の製造方法
において、 前記第2のバリア層が、CaF2 層であり、 前記第1の導電層及び前記第2の導電層が、それぞれC
oSi2 層であり、 前記第3の工程における前記第1の導電層及び前記第2
の導電層の選択的なサイドエッチングに用いるエッチン
グ液が、H2 SO4 液であることを特徴とする記憶装置
の製造方法。
18. The method of manufacturing a memory device according to claim 15, wherein the second barrier layer is a CaF 2 layer, and the first conductive layer and the second conductive layer are each C.
an oSi 2 layer, the first conductive layer and the second conductive layer in the third step.
The method for manufacturing a memory device, wherein the etching solution used for the selective side etching of the conductive layer is H 2 SO 4 solution.
【請求項19】 請求項14又は15に記載の記憶装置
の製造方法において、 前記第2の工程が、反応性イオンエッチングにより、前
記第3の導電層、前記第2のバリア層、前記第2の導電
層、前記トンネルバリア層、及び前記第1の導電層を島
状にパターニングして、多数のフローティングゲート相
当部をアレイ状に規則的に形成する工程であり、 前記第2の工程又は前記第3の工程の後に、前記フロー
ティングゲート相当部以外の凹部を絶縁性材料により埋
め込んで表面を平坦化し、続いて、前記フローティング
ゲート相当部の前記第3の導電層を一定方向に接続する
金属配線層を平行な複数のストライプ状に形成する第4
の工程を有することを特徴とする記憶装置の製造方法。
19. The method of manufacturing a memory device according to claim 14, wherein the second step is performed by reactive ion etching, the third conductive layer, the second barrier layer, and the second barrier layer. Patterning the conductive layer, the tunnel barrier layer, and the first conductive layer in an island shape to form a large number of floating gate corresponding portions regularly in an array, the second step or the After the third step, a recess other than the floating gate corresponding portion is filled with an insulating material to flatten the surface, and subsequently, a metal wiring for connecting the third conductive layer of the floating gate corresponding portion in a certain direction. Fourth layer forming layers in parallel stripes
A method of manufacturing a storage device, comprising:
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DE10141341C2 (en) * 2001-08-23 2003-08-21 Siemens Ag Electronic component comprising at least one capacitor

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