JPH0730073A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JPH0730073A
JPH0730073A JP6098916A JP9891694A JPH0730073A JP H0730073 A JPH0730073 A JP H0730073A JP 6098916 A JP6098916 A JP 6098916A JP 9891694 A JP9891694 A JP 9891694A JP H0730073 A JPH0730073 A JP H0730073A
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barrier layer
semiconductor device
layer
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Junichi Nishizawa
潤一 西澤
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Abstract

PURPOSE:To provide the title semiconductor device and manufacturing method thereof capable of rapidly reading-out and writing-in bit data in the structure optimum for high density integration. CONSTITUTION:Within the title semiconductor device composed of an n<+> source region 7, the first n<-> channel region 5, a barrier layer 6, the second n<-> channel region 5', a pair of n<+> drain regions 2 and insulating films 4 and electrodes 3 opposite to a pair of drain regions, an accumulated electric capacitor is formed of the drain regions 2 and the metallic electrodes 3; a source electrode 10 is formed beneath an N<+> substrate crystal 8; and the bit data are ultra- rapidly written-in and read-out by the tunnel effect of the barrier layer 6.

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、電子計算機やその主記
憶装置、OA機器、パーソナルコンピュータ、ゲーム機
器等の論理集積回路や半導体メモリ等に利用し、特に高
速読みだし・書き込み可能で高密度集積化に適した構造
を有する半導体デバイスに関する。さらに、外部バイア
スによって制御できるポテンシャル障壁を有する半導体
デバイスの製造に利用し、最適なポテンシャル障壁を形
成するための製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is applied to a logic integrated circuit or a semiconductor memory of an electronic computer or its main storage device, OA equipment, personal computer, game equipment or the like, and particularly high-speed read / write and high density. The present invention relates to a semiconductor device having a structure suitable for integration. Furthermore, the present invention relates to a manufacturing method for forming an optimum potential barrier, which is used for manufacturing a semiconductor device having a potential barrier that can be controlled by an external bias.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体デバイスの高速化及び高集積化
が、近年急速に進展している。とくに、半導体メモリの
高集積化は、現在既に従来技術で16Mビットメモリの
量産化が始まっており、64Mビットメモリの試作品が
発表されている。しかし、現在のMOS型(MOS:me
tal oxide semiconductor )或いはVMOS型(V-groo
vemetal oxide semiconductor) を基本とした半導体メ
モリの構造をそのまま微細化していくと、メモリの動作
に寄与する電子の数が減少していき、ノイズレベルに近
づくので、半導体メモリの動作の制御が困難になる。こ
れは動作に寄与する電子の数が100個程度以下になる
64Gビットメモリ付近では深刻な問題であるが、半導
体メモリに限らず、動作電子数に影響をうけるデバイス
の問題でもある。
2. Description of the Related Art High speed and high integration of semiconductor devices have been rapidly progressing in recent years. In particular, with regard to high integration of semiconductor memory, mass production of 16 Mbit memory has already started with conventional technology, and a prototype of 64 Mbit memory has been announced. However, the current MOS type (MOS: me
tal oxide semiconductor) or VMOS type (V-groo
If the structure of a semiconductor memory based on (vemetal oxide semiconductor) is miniaturized as it is, the number of electrons contributing to the operation of the memory will decrease and the noise level will be approached, making it difficult to control the operation of the semiconductor memory. Become. This is a serious problem in the vicinity of the 64 Gbit memory in which the number of electrons contributing to the operation is about 100 or less, but it is not limited to the semiconductor memory, but is also a problem of the device affected by the number of operating electrons.

【0003】このような課題を解決するため、本発明者
は既に静電誘導トランジスタ(SIT:Static Inducti
on Transistor )を基本メモリセルに用いた半導体記憶
装置を提案している(IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CI
RCUITS, VOL. SC-13, NO. 5,OCTOBER 1978, p 622,「Hi
gh Speed and High Density Static Induction Transis
tor Memory」)。SITメモリにはその回路動作上から
分類すると、二端子メモリ(ピンポンメモリ(ping-pon
g memory) )と三端子メモリ(パースメモリ(purse me
mory) )の二種類があり、また、半導体メモリには情報
の記憶形態から基本的には次の三種類がある。すなわ
ち、シリアルメモリあるいはシフトレジスタ、ランダム
アクセスメモリ(RAM:randam access memory)、リ
ードオンリメモリ(ROM:read only memory)であ
る。上記文献において、本発明者は、SITを用いて上
記三種類のメモリを構成できることを教示している。こ
れらのSITメモリでは、半導体基板内部にメモリ構成
の一部を埋めこむことにより立体構成にしやすいため、
現在用いられているMOS型あるいはVMOS型メモリ
に比べて集積度を数倍にあげることができる。また、S
ITメモリは表面伝導ではなくバルク伝導であるから極
めて高速であり、その低消費電力性から大容量化が可能
である。
In order to solve such a problem, the present inventor has already found that static induction transistor (SIT: Static Inducti).
on Transistor) has been proposed as a semiconductor memory device using basic memory cells (IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CI).
RCUITS, VOL.SC-13, NO. 5, OCTOBER 1978, p 622, `` Hi
gh Speed and High Density Static Induction Transis
tor Memory ”). The SIT memory is classified into two-terminal memory (ping-pon memory (ping-pon memory (ping-pon memory
g memory)) and three-terminal memory (purse memory (purse me
mory)), and semiconductor memory basically has the following three types according to the storage form of information. That is, a serial memory or a shift register, a random access memory (RAM), and a read only memory (ROM). In the above document, the inventor teaches that SIT can be used to configure the above three types of memories. In these SIT memories, it is easy to make a three-dimensional structure by embedding a part of the memory structure inside the semiconductor substrate.
The integration degree can be increased several times as compared with the MOS type or VMOS type memory currently used. Also, S
Since the IT memory is bulk conduction rather than surface conduction, it is extremely fast, and its low power consumption allows it to have a large capacity.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、SIT
メモリのピンポンメモリやパースメモリであっても、蓄
積情報の保持特性は、蓄積領域であるドレイン領域上の
MOSキャパシタ近傍のフェルミレベルとソース領域の
ポテンシャルの差によってきまる真性ゲートポテンシャ
ル高さに依存するため、電子蓄積型メモリでは本質的に
電子が蓄積すればポテンシャルが上がり、その分、真性
ゲートポテンシャル高さは低くなるからリーク電流が増
加し、保持特性が悪くなる。したがって、保持特性を向
上させるためには、あらかじめ逆ゲートバイアスを印加
しておけばよいが、書き込み・読みだし時に更に高い電
圧が必要となる。
However, the SIT
Even in a ping-pong memory or a parse memory of a memory, the retention characteristic of accumulated information depends on the intrinsic gate potential height determined by the difference between the Fermi level near the MOS capacitor on the drain region which is the accumulation region and the potential of the source region. Therefore, in the electron storage type memory, if electrons are essentially stored, the potential rises, and the height of the intrinsic gate potential decreases accordingly, so that the leak current increases and the retention characteristic deteriorates. Therefore, in order to improve the retention characteristics, it is sufficient to apply a reverse gate bias in advance, but a higher voltage is required at the time of writing / reading.

【0005】また、電子空乏型のメモリでは、電子蓄積
型メモリと逆に、電荷が保持されればされるほどポテン
シャルは下がり、真性ゲートポテンシャルは高くなるか
ら保持特性が向上するが、読み込み・書き込み速度が電
子蓄積型メモリに比べて遅くなる。
On the contrary, in the electron depletion type memory, contrary to the electron storage type memory, the more the charge is held, the lower the potential and the higher the intrinsic gate potential are. The speed is slower than that of the electronic storage type memory.

【0006】さらに、原理的にSITメモリでは表面蓄
積電気容量を静電誘導トランジスタで駆動しているた
め、n- チャンネル領域にn- チャンネル領域がピンチ
オフするように島状に形成されたp+ ゲート領域を形成
する必要がある。このSITメモリは、p+ ゲート領域
間に形成されたn+ ドレイン領域と対向する位置に形成
されたn+ ソース領域の間に形成される真性ゲートポテ
ンシャルを制御することで、蓄積領域とソース領域の間
のキャリア輸送を制御している。つまり、ゲートフロー
ティングの二端子構成では、表面電極に印加された電圧
による静電誘導効果により、そして、三端子構成では、
表面電極印加電圧による静電誘導効果と外部ゲート電圧
による真性ゲートポテンシャル制御によっている。した
がって、従来のSITメモリでは、真性ゲートポテンシ
ャル制御による蓄積領域とソース領域とのキャリア輸送
がボルツマン則によって決定されているから、より高速
かつ低ノイズ動作を行うために改善の余地がある。
Furthermore, since the principle SIT memories are driving surface storage electric capacitance in static induction transistor, n - channel region n - p + gate formed in an island shape so as channel region is pinched off A region needs to be formed. This SIT memory controls an intrinsic gate potential formed between an n + source region formed at a position opposed to an n + drain region formed between p + gate regions to thereby form an accumulation region and a source region. It controls carrier transport between. That is, in the gate floating two-terminal configuration, the electrostatic induction effect by the voltage applied to the surface electrode, and in the three-terminal configuration,
It is based on the electrostatic induction effect by the voltage applied to the surface electrode and the intrinsic gate potential control by the external gate voltage. Therefore, in the conventional SIT memory, since carrier transport between the storage region and the source region by the intrinsic gate potential control is determined by the Boltzmann law, there is room for improvement in order to perform a higher speed and lower noise operation.

【0007】トランジスタにおいても、例えばnpn型
のバイポーラトランジスタでは接合障壁層に中性領域が
残存している。図1はnpn型バイポーラトランジスタ
のポテンシャル分布である。図1において、障壁層頂部
1のポテンシャルに平坦な部分が残存しているため電界
がかからない。したがって、半導体メモリ動作中、書き
込み・読み出し動作でソース領域から蓄積領域へのキャ
リアの蓄積及び蓄積領域からソース領域へのキャリアの
引出しの際に、電子等のキャリアは障壁層のポテンシャ
ルが平坦な部分を拡散で伝達しなければならず、高速動
作を行うことに限界がある。さらに、中性領域が存在す
るからポテンシャル障壁の高さ及び幅は静電誘導効果に
よる制御が行えない。したがって、従来のトランジスタ
よりも、さらに高速動作可能なトランジスタにするため
に改善の余地がある。
Also in the transistor, for example, in a npn-type bipolar transistor, a neutral region remains in the junction barrier layer. FIG. 1 shows the potential distribution of the npn-type bipolar transistor. In FIG. 1, since a flat portion remains in the potential of the barrier layer top portion 1, no electric field is applied. Therefore, during the operation of the semiconductor memory, when the carriers are accumulated from the source region to the accumulation region and the carriers are extracted from the accumulation region to the source region by the write / read operation, carriers such as electrons are generated in a portion where the potential of the barrier layer is flat. Must be transmitted by diffusion, and there is a limit to high speed operation. Further, since the neutral region exists, the height and width of the potential barrier cannot be controlled by the electrostatic induction effect. Therefore, there is room for improvement so that the transistor can operate at higher speed than the conventional transistor.

【0008】上記のメモリ等の半導体デバイスを形成す
るためには、半導体結晶の分子層オーダーの膜厚制御性
と、位置制御性を有する結晶成長方法によらなければな
らない。しかも結晶の一分子層程度で不純物分布及び結
晶組成を急峻に制御して形成しなければならないから、
低温成長及び低温製造プロセスを必要とする。この要求
を満たす結晶成長方法には、分子線エピタキシャル成長
法(MBE)、MOCVD法及び本願発明者自身によっ
て開発された分子層エピタキシャル成長法(MLE)が
ある。
In order to form a semiconductor device such as the above-mentioned memory, it is necessary to use a crystal growth method having a molecular layer order film thickness controllability of a semiconductor crystal and a position controllability. In addition, since the impurity distribution and the crystal composition must be sharply controlled with about one molecular layer of the crystal,
Requires low temperature growth and low temperature manufacturing processes. Crystal growth methods that meet this requirement include the molecular beam epitaxial growth method (MBE), the MOCVD method, and the molecular layer epitaxial growth method (MLE) developed by the inventors of the present application.

【0009】分子線エピタキシャル成長法(MBE)
は、いわば蒸着法であって一分子層程度の膜厚制御性を
有するといっても、その成長過程が原理的に分子層成長
を保証するものではない。しかも良質の結晶を得るため
には、成長温度が分子層エピタキシャル成長法に比べて
少なくとも、200℃程度は高い。GaAsの場合、デ
バイ温度は140K以上の温度範囲では360K程度で
あるので、プロセス温度200℃の差は欠陥発生に及ぼ
す影響が甚大である。また、有機金属ガスを用いたMO
CVD法では、適切な低温プロセス温度及び一分子層程
度の膜厚・組成制御性が要求されるため、実際に良好な
極薄層を順次形成するのは困難である。
Molecular beam epitaxial growth method (MBE)
Although is a so-called vapor deposition method and has a film thickness controllability of about one molecular layer, its growth process does not guarantee molecular layer growth in principle. Moreover, in order to obtain a good quality crystal, the growth temperature is higher by at least about 200 ° C. than in the molecular layer epitaxial growth method. In the case of GaAs, the Debye temperature is about 360 K in the temperature range of 140 K or higher, so that the difference of the process temperature of 200 ° C. has a great influence on the occurrence of defects. Moreover, MO using an organometallic gas
In the CVD method, an appropriate low temperature process temperature and a film thickness / composition controllability of about one molecular layer are required, so that it is difficult to sequentially form an excellent ultrathin layer in practice.

【0010】したがって、一分子層ずつの結晶成長が低
温で可能であるMLE法が適しているが、一分子層程度
の結晶成長後に金属電極を形成する場合、このMLE装
置から取り出して表面処理後、蒸着法によって電極を形
成している。つまり、空気に晒される工程を有している
から、半導体表面に酸化膜が成長してしまうため、良質
の金属半導体接触を形成する方法に改善の余地がある。
Therefore, the MLE method, which allows the crystal growth of each monolayer at a low temperature, is suitable. However, when the metal electrode is formed after the crystal growth of about one monolayer, the metal electrode is taken out from the MLE apparatus and then surface-treated. The electrodes are formed by the vapor deposition method. That is, since there is a step of exposing to air, an oxide film grows on the semiconductor surface, so there is room for improvement in the method of forming a good-quality metal-semiconductor contact.

【0011】このような課題を解決するために本発明
は、第1に、外部電界によって内部に形成されたポテン
シャル障壁を制御でき、超高速動作可能な半導体デバイ
スを提供することを目的とする。第2に、超高速で動作
し、蓄積された電荷の保持特性を向上させることができ
るとともに、高速の読み出し・書き込みができる低雑音
・低消費電力の半導体デバイスを提供することを目的と
する。第3の目的は、外部電界によってpnp又はnp
n接合障壁を制御できる超高速で動作する半導体デバイ
スを提供することにある。第4の目的は、良質の金属電
極又は半導体電極との半導体接触を形成するとともに、
ゲートメサ部を低温エッチングにより形成する半導体デ
バイスの製造方法を提供することにある。
In order to solve such a problem, a first object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of controlling a potential barrier formed inside by an external electric field and operating at an ultrahigh speed. Secondly, it is an object of the present invention to provide a low noise and low power consumption semiconductor device which can operate at an ultra-high speed and can improve the retention characteristic of accumulated charges, and can perform high-speed reading / writing. The third purpose is pnp or np depending on the external electric field.
An object of the present invention is to provide a semiconductor device which can control an n-junction barrier and operates at an extremely high speed. A fourth purpose is to make a semiconductor contact with a good quality metal or semiconductor electrode, and
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which a gate mesa portion is formed by low temperature etching.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】これらの目的を達成する
ために、第1の目的に対応する請求項1記載の発明の半
導体デバイスでは、半導体基板上に、ソース領域とチャ
ンネル領域とドレイン領域と絶縁層と電極とを有する半
導体デバイスにおいて、ソース領域とドレイン領域間の
チャンネル領域に、外部電圧の供給によってポテンシャ
ルを制御できる極薄障壁層を挟んだ構成としている。
In order to achieve these objects, in the semiconductor device of the invention according to claim 1 corresponding to the first object, a source region, a channel region and a drain region are formed on a semiconductor substrate. In a semiconductor device having an insulating layer and an electrode, an extremely thin barrier layer whose potential can be controlled by supplying an external voltage is sandwiched in a channel region between a source region and a drain region.

【0013】第2の目的に対応する請求項2記載の発明
の半導体デバイスは、半導体基板上に、ソース領域とチ
ャンネル領域とドレイン領域と電荷蓄積層と絶縁層と電
極とを有する半導体メモリにおいて、ソース領域とドレ
イン領域間のチャンネル領域に、外部電圧の供給によっ
てポテンシャルを制御できる極薄障壁層を挟んだ構成と
している。
According to a second aspect of the semiconductor device of the present invention, in a semiconductor memory having a source region, a channel region, a drain region, a charge storage layer, an insulating layer and an electrode on a semiconductor substrate, The channel region between the source region and the drain region has an extremely thin barrier layer whose potential can be controlled by the supply of an external voltage.

【0014】第3の目的に対応する請求項3記載の発明
の半導体デバイスは、ドレイン領域と障壁層とソース領
域とが積層された構造を有する半導体デバイスであっ
て、障壁層を極薄層で形成し、積層された構造に空乏化
領域を形成して金属学的なチャンネル領域のない構成と
している。請求項4記載の発明の半導体デバイスは、半
導体基板上に、ソース領域と第一のチャンネル領域と極
薄障壁層と第二のチャンネル領域とドレイン領域と絶縁
層と電極とを有し、ドレイン領域と極薄障壁層で形成さ
れる真性ゲートポテンシャル鞍部の距離を平均自由行程
以下に形成している。
A semiconductor device according to a third aspect of the invention corresponding to the third object is a semiconductor device having a structure in which a drain region, a barrier layer, and a source region are laminated, and the barrier layer is an extremely thin layer. A depletion region is formed in the formed and stacked structure to form a structure without a metallurgical channel region. A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention includes a source region, a first channel region, an ultrathin barrier layer, a second channel region, a drain region, an insulating layer, and an electrode on a semiconductor substrate, and the drain region. And the distance of the intrinsic gate potential saddle formed by the ultra-thin barrier layer is less than the mean free path.

【0015】上記第1,第2又は第3の目的に対応する
半導体デバイスにあって、請求項5記載の発明の半導体
デバイスは障壁層が極薄ホモ接合構造とした構成であ
る。さらに、請求項6記載の発明の半導体デバイスは、
障壁層が、極薄ヘテロ接合構造とした構成としている。
請求項7記載の発明の半導体デバイスは、障壁層が極薄
絶縁層で形成された構成である。さらに、請求項8記載
の発明の半導体デバイスは、障壁層が極薄ヘテロ接合で
形成され、量子井戸ポテンシャルを有する構成としてい
る。
In the semiconductor device corresponding to the first, second or third object, the semiconductor device according to the invention of claim 5 has a structure in which the barrier layer has an extremely thin homojunction structure. Further, the semiconductor device of the invention according to claim 6 is
The barrier layer has an ultrathin heterojunction structure.
According to a seventh aspect of the semiconductor device of the present invention, the barrier layer is formed of an extremely thin insulating layer. Furthermore, the semiconductor device according to the eighth aspect of the invention has a structure in which the barrier layer is formed of an ultrathin heterojunction and has a quantum well potential.

【0016】第4の目的に対応する請求項9記載の発明
の半導体デバイスの製造方法は、半導体基板上に、ソー
ス領域を形成する第1の工程と第一のチャンネル領域を
形成する第2の工程と障壁層を形成する第3の工程と第
二のチャンネル領域を形成する第4の工程とドレイン領
域を形成する第5の工程と絶縁層を形成する第6の工程
とドレイン領域に対応する表面電極を形成する第7の工
程とソース電極を形成する第8の工程を有していて、電
極を形成する上記第7の工程と第9の工程が、成長装置
から取り出さないでその場で選択的に金属堆積及び低抵
抗半導体堆積、或いは両方を行う工程とした構成として
いる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a first step of forming a source region and a second step of forming a first channel region on a semiconductor substrate. Steps corresponding to the third step of forming the barrier layer, the fourth step of forming the second channel region, the fifth step of forming the drain region, the sixth step of forming the insulating layer, and the drain region. It has a seventh step of forming a surface electrode and an eighth step of forming a source electrode, and the seventh step and the ninth step of forming an electrode are performed in-situ without being taken out from the growth apparatus. The process has a structure in which metal deposition and / or low-resistance semiconductor deposition are selectively performed.

【0017】ゲートメサ部を形成する工程を有する半導
体デバイスの製造方法の場合、その場で光照射低温エッ
チング工程を有する構成としている。この構成にあっ
て、GaAs結晶基板の表面に吸着させた塩素ガスによ
る分子層エッチングする工程としている。さらに、ソー
ス領域を形成する工程の前工程でGaAs結晶基板を特
定温度の下、AsH3 雰囲気中で表面処理を行う構成と
した。
In the case of the semiconductor device manufacturing method including the step of forming the gate mesa portion, the light irradiation low temperature etching step is provided on the spot. In this structure, the molecular layer is etched by chlorine gas adsorbed on the surface of the GaAs crystal substrate. Further, the GaAs crystal substrate is subjected to surface treatment in an AsH 3 atmosphere at a specific temperature in a step before the step of forming the source region.

【0018】[0018]

【作用】このような構成の半導体デバイスでは、極薄障
壁層に空乏化領域が生じており、外部電界によって極薄
障壁層のポテンシャルの高さと幅を制御する。また、極
薄障壁層がトンネル現象を生じるトンネル障壁層とな
る。
In the semiconductor device having such a structure, the depletion region is formed in the ultrathin barrier layer, and the height and width of the potential of the ultrathin barrier layer are controlled by the external electric field. In addition, the ultra-thin barrier layer serves as a tunnel barrier layer that causes a tunnel phenomenon.

【0019】これによって、キャリアがトンネル障壁層
で形成される真性ゲート領域をトンネル現象で移動する
ので、高速の読み出し・書き込みができる。しかもトン
ネル現象を用いているので、低雑音であるから、動作に
寄与する電子数が減少していっても動作できる。さら
に、トンネル現象でキャリア移動を行なうから、本質的
に低消費電力動作ができる。
As a result, carriers move in the intrinsic gate region formed by the tunnel barrier layer by a tunnel phenomenon, so that high-speed reading / writing can be performed. Moreover, since the tunnel phenomenon is used, the noise is low, so that the device can operate even if the number of electrons contributing to the operation is reduced. Furthermore, since carriers are moved by the tunnel phenomenon, low power consumption operation can be essentially performed.

【0020】キャリアを蓄積する半導体メモリの場合、
極薄障壁層のポテンシャルによって蓄積されたキャリア
のリーク電流がなくなる。また、極薄障壁層のポテンシ
ャルの高さと幅を制御し、トンネル現象が生じる。これ
によって、蓄積キャリアがトンネル障壁層で形成される
真性ゲート領域をトンネル現象で移動するので、高速の
読み出し・書き込みができる。
In the case of a semiconductor memory that stores carriers,
The leakage current of carriers accumulated due to the potential of the ultra-thin barrier layer disappears. Further, the height and width of the potential of the ultra-thin barrier layer are controlled, and a tunnel phenomenon occurs. As a result, the accumulated carriers move in the intrinsic gate region formed by the tunnel barrier layer by a tunnel phenomenon, so that high-speed read / write can be performed.

【0021】量子井戸様ポテンシャル分布を形成する構
造では、ゲートバイアス電圧によってゲートポテンシャ
ルが制御され、ゲート領域に形成される量子化準位が一
致すると、トンネル遷移確率が生じ、電荷の移動が行わ
れる。これは量子現象であるので、原理的には不確定性
原理によって観察可能な時間範囲の限界まで応答時間が
期待できる。トンネル現象で電荷の受け渡しを行なうの
で、ゲート領域の量子化準位が一致しない場合は、非常
に小さなリーク電流でビット情報を遮断・保持できる。
In the structure in which the quantum well-like potential distribution is formed, the gate potential is controlled by the gate bias voltage, and when the quantization levels formed in the gate region coincide with each other, tunnel transition probability occurs and charges are transferred. . Since this is a quantum phenomenon, in principle, the response time can be expected up to the limit of the observable time range by the uncertainty principle. Since charges are transferred by the tunnel phenomenon, bit information can be cut off and held with a very small leak current when the quantization levels in the gate regions do not match.

【0022】極薄障壁層を挟んだ、ドレイン領域と障壁
層とソース領域のnpnまたはpnp接合には、チャン
ネル層がなくても電荷中性条件を満たす空乏層が存在
し、この空乏化領域が実質的なチャンネル層となる。こ
の空乏化領域は外部電界によって、そのポテンシャルの
高さと幅を制御できる。これによって、超高速動作する
とともに、高集積化が可能な半導体デバイスができる。
At the npn or pnp junction of the drain region, the barrier layer, and the source region with the ultrathin barrier layer sandwiched, there is a depletion layer satisfying the charge neutrality condition without the channel layer. It becomes a substantial channel layer. The height and width of this depletion region can be controlled by an external electric field. As a result, a semiconductor device that operates at a very high speed and can be highly integrated can be obtained.

【0023】ドレイン領域を例えば電荷の蓄積領域にし
て、このドレイン蓄積領域とトンネル障壁層で形成され
る真性ゲートポテンシャル鞍部の距離をキャリアの平均
自由行程以下程度にすると、蓄積領域に蓄積されたキャ
リアは真性ゲート領域まで拡散現象で到達するのではな
く、例えばバリステイック伝導によって到達する。これ
によって、トンネル現象で障壁層のポテンシャルを通過
する構造でなくても、障壁層のポテンシャル高さの変化
による電流値の変化量を大きくでき、半導体デバイスの
動作速度が向上する。また、半導体デバイスの高集積化
ができるとともに、蓄積されるキャリアの数が減少して
も十分な信号を得ることが可能になる。
If, for example, the drain region is used as a charge storage region and the distance between the drain storage region and the intrinsic gate potential saddle formed by the tunnel barrier layer is set equal to or less than the mean free path of carriers, the carriers stored in the storage region are stored. Does not reach the intrinsic gate region by a diffusion phenomenon, but reaches by, for example, varistic conduction. This makes it possible to increase the amount of change in the current value due to the change in the potential height of the barrier layer even if the structure does not pass through the potential of the barrier layer due to the tunnel phenomenon, thereby improving the operation speed of the semiconductor device. Further, the semiconductor device can be highly integrated, and a sufficient signal can be obtained even if the number of accumulated carriers is reduced.

【0024】本発明による半導体デバイスの製造方法で
は、電極を形成する工程を成長装置から取り出さない
で、その場で選択的に金属堆積及び低抵抗半導体堆積、
或いは両方を行うので、空気に晒す工程がなくなる。こ
れによって、結晶成長した表面に酸化膜ができず、良質
の電極半導体接触ができる。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of forming an electrode is not taken out from the growth apparatus, and the metal deposition and the low resistance semiconductor deposition are selectively performed in-situ.
Alternatively, since both are performed, the step of exposing to air is eliminated. As a result, no oxide film is formed on the crystal-grown surface, and good-quality electrode semiconductor contact can be made.

【0025】また、ゲートメサ部を形成する半導体デバ
イス製造方法では、ゲートメサ部を形成する工程を成長
装置から取り出さないで、その場で選択的に光照射低温
エッチングをすることにより、分子層程度のnpn構造
にも損傷を与えず、また、形成されている側壁にも損傷
を与えないでエッチングできる。さらに、ソース領域を
形成する工程の前工程として、AsH3 雰囲気で表面処
理することにより、分子層程度の極薄npn構造を破壊
することなく良好な成長界面を得ることができる。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device for forming a gate mesa portion, the process of forming the gate mesa portion is not taken out from the growth apparatus, but light irradiation low temperature etching is selectively performed on the spot, so that an npn of about a molecular layer is formed. It can be etched without damaging the structure or damaging the formed sidewalls. Further, as a step prior to the step of forming the source region, surface treatment is performed in an AsH 3 atmosphere so that a good growth interface can be obtained without destroying the ultrathin npn structure of the molecular layer level.

【0026】[0026]

【実施例】以下、本発明の半導体デバイスの実施例を図
面を参照して詳細に説明する。この第1の実施例は二端
子メモリに本発明の障壁層を設けたものである。図2
は、この第1の実施例の構成を示す断面図である。この
実施例では半導体基板としてn+ - GaAs結晶を用い
ている。図2において、この半導体デバイスは、n+
板結晶8上に順次積層された、n+ ソース領域7と、第
1のn- チャンネル領域5と、障壁層6と、第2のn-
チャンネル領域5’と、一対のn+ドレイン領域2と、
絶縁膜4と、一対のドレイン領域に対向する電極3とを
有しており、ドレイン領域2と金属電極3によって蓄積
電気容量が形成され、n+ 基板結晶8の下面にソース電
極10が形成されている。
Embodiments of the semiconductor device of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The first embodiment is a two-terminal memory provided with the barrier layer of the present invention. Figure 2
FIG. 3 is a sectional view showing the structure of the first embodiment. In this embodiment, an n + -GaAs crystal is used as the semiconductor substrate. 2, this semiconductor device, which are sequentially stacked on n + substrate crystal 8, an n + source region 7, the first n - a channel region 5, a barrier layer 6, a second n -
A channel region 5 ', a pair of n + drain regions 2,
It has an insulating film 4 and an electrode 3 facing a pair of drain regions. The drain region 2 and the metal electrode 3 form a storage capacitance, and the source electrode 10 is formed on the lower surface of the n + substrate crystal 8. ing.

【0027】上記n+ ドレイン領域2は、例えばセレン
添加の5×1018/ccのキャリア密度を有し、厚さは
数100Å程度である。第1のn- チャンネル領域5は
1500Å程度、第2のn- チャンネル領域5’は30
0Å程度であり、キャリア密度は共に、1×1017/c
c程度以下の高純度成長層で形成されている。障壁層6
は、キャリア密度1×1019/cc程度で、数Å〜数十
Å程度の厚さである。n+ ソース領域7は、例えばセレ
ン添加の5×1018/ccのキャリア密度を有し、厚さ
は数百Å〜数千Å程度である。n+ 基板結晶8は2×1
18/ccのキャリア密度を有するシリコン添加GaA
s基板結晶を用いている。ソース電極10は、n型Ga
As結晶に対して良好な低抵抗金属半導体接触を形成す
るあらゆる構造が適用される。例えば、従来良く適用さ
れるAuGe/Ni/Au等である。
The n + drain region 2 has a carrier density of, for example, 5 × 10 18 / cc with selenium added, and has a thickness of about several hundred Å. The first n - channel region 5 is about 1500 Å, and the second n - channel region 5'is 30.
0 Å and both carrier densities are 1 × 10 17 / c
It is formed of a high-purity growth layer of about c or less. Barrier layer 6
Has a carrier density of about 1 × 10 19 / cc and a thickness of several Å to several tens of Å. The n + source region 7 has a carrier density of, for example, 5 × 10 18 / cc with selenium added, and has a thickness of several hundred Å to several thousand Å. n + substrate crystal 8 is 2 × 1
Silicon-doped GaA with carrier density of 0 18 / cc
s substrate crystal is used. The source electrode 10 is an n-type Ga.
Any structure that makes good low resistance metal-semiconductor contacts to As crystals is applied. For example, it is AuGe / Ni / Au or the like which is conventionally well applied.

【0028】次に、この半導体デバイスの製造工程を説
明する。この半導体デバイスを形成するためには、一分
子層程度の膜厚制御性と位置制御性を有する結晶成長方
法によらなければならない。しかも結晶の一分子層程度
で不純物分布及び結晶組成を急峻に制御して形成しなけ
ればならないから、低温成長及び低温製造プロセスが可
能な分子層エピタキシャル成長法(MLE:molecular
layer epitaxy )を採用する。この分子層エピタキシャ
ル成長法は以下に記載するGaAs等の化合物半導体結
晶に限らず、シリコンでも適用される。また、有機金属
ガスを用いた有機金属気相成長法(MOCVD:metal o
rganicchemical vapor deposition)でも結晶成長が可
能であるが、適切な低温プロセス温度及び一分子層程度
の膜厚・組成制御性が要求される。
Next, the manufacturing process of this semiconductor device will be described. In order to form this semiconductor device, a crystal growth method having film thickness controllability and position controllability of about one molecular layer must be used. In addition, since the impurity distribution and the crystal composition have to be steeply controlled to form a single molecular layer of a crystal, a low molecular weight epitaxial growth method (MLE: molecular layer epitaxial growth method) capable of low temperature growth and low temperature manufacturing processes.
layer epitaxy). This molecular layer epitaxial growth method is applicable not only to compound semiconductor crystals such as GaAs described below but also to silicon. In addition, a metal organic chemical vapor deposition method using a metal organic gas (MOCVD: metal o
Crystal growth is also possible by rganic chemical vapor deposition), but appropriate low temperature process temperature and film thickness / composition controllability of about one molecular layer are required.

【0029】図2の基本構成断面図を例にとって、ML
E法による製造工程の一例を以下に示す。{100}面
を有するn+ - GaAs基板結晶8上に、例えば約50
00Å程度のn+ ソース領域7を形成後、1500Å程
度の第1のn- チャンネル領域5、数分子層程度のp+
バリア層である障壁層6を形成する。更に数百Å程度の
第2のn- チャンネル領域5’を形成し、npn構造を
連続成長する。n+ 層であるドレイン領域2及びソース
領域7の添加不純物としては、例えばSeを用いる。原
料ガスとしては例えばDESeを用い、分子層エピタキ
シャル成長の際、AsH3 の後に導入する。典型的に
は、成長温度は420℃程度である。キャリア密度は、
MLE法で成長した場合、5×1018/ccあるいはコ
ンタクト層としては4×1019/cc程度の高濃度n型
導伝層が得られる。本実施例の場合は、例えば5×10
18/ccの不純物添加層を形成する。
Taking the basic configuration sectional view of FIG. 2 as an example, ML
An example of the manufacturing process by the E method is shown below. On the n + -GaAs substrate crystal 8 having the {100} plane, for example, about 50
After forming the n + source region 7 of about 00Å, the first n channel region 5 of about 1500Å and the p + of several molecular layers.
A barrier layer 6 which is a barrier layer is formed. Further, a second n channel region 5 ′ having a thickness of several hundred Å is formed, and an npn structure is continuously grown. Se, for example, is used as an impurity added to the drain region 2 and the source region 7, which are n + layers. As the source gas, for example, DESe is used, and is introduced after AsH 3 in the molecular layer epitaxial growth. Typically, the growth temperature is about 420 ° C. The carrier density is
When grown by the MLE method, a high-concentration n-type conductive layer of 5 × 10 18 / cc or a contact layer of about 4 × 10 19 / cc can be obtained. In the case of this embodiment, for example, 5 × 10
An impurity doped layer of 18 / cc is formed.

【0030】p+ バリア層である障壁層6は、例えば添
加不純物としてZn、BeあるいはC等を用いる。原料
ガスは例えばDEZn、DEBe等を用いる。Cについ
てはTMGとAsH3 を用いた分子層エピタキシャル成
長を行ない、TMGからのCをそのままアクセプタ不純
物として用いる。成長条件によってCの混入量は制御で
きる。なお、TEGとAsH3 を用いた分子層エピタキ
シャル成長の際にTMGを混入してもよい。本実施例の
場合は、例えばキャリア密度1.5×1019/ccで1
6Åのp+ バリア層を形成する。この時、二次元キャリ
ア密度は2.4×1012/cm2 となり、バリア高さ約
0.8eVが得られる。
The barrier layer 6 which is a p + barrier layer uses, for example, Zn, Be or C as an additive impurity. As the raw material gas, for example, DEZn, DEBe or the like is used. For C, molecular layer epitaxial growth is performed using TMG and AsH 3, and C from TMG is used as it is as an acceptor impurity. The amount of C mixed can be controlled by growing conditions. Incidentally, TMG may be mixed in during the epitaxial growth of the molecular layer using TEG and AsH 3 . In the case of the present embodiment, for example, the carrier density is 1.5 × 10 19 / cc and 1
A 6Å p + barrier layer is formed. At this time, the two-dimensional carrier density is 2.4 × 10 12 / cm 2 , and the barrier height is about 0.8 eV.

【0031】上記のようにしてnpn構造を形成した
後、例えばシリコン窒化膜で絶縁膜4を低温形成し、通
常のホトリソグラフィ工程によって窓開けし、n+ ドレ
イン領域2を再成長によって形成する。分子層エピタキ
シャル成長法の特徴の一つは、シリコン窒化膜とGaA
s結晶上の選択性にある。つまり、シリコン窒化膜上に
は、GaAs結晶が堆積しない。シリコン窒化膜は界面
が良好で十分小さい表面再結合速度を有していれば、そ
のまま蓄積電気容量の絶縁膜4として用いてもよい。
After forming the npn structure as described above, the insulating film 4 is formed at a low temperature by, for example, a silicon nitride film, a window is opened by a normal photolithography process, and the n + drain region 2 is formed by regrowth. One of the features of the molecular layer epitaxial growth method is that silicon nitride film and GaA
s Crystal selectivity. That is, no GaAs crystal is deposited on the silicon nitride film. The silicon nitride film may be used as it is as the insulating film 4 of the storage capacitance as long as it has a good interface and a sufficiently small surface recombination rate.

【0032】界面欠陥密度が大きい場合には、絶縁膜4
の代わりに禁制帯幅が大きな例えばAlGaAsやZn
Se等の薄膜結晶を用いることも出来る。AlGaAs
の場合はPを添加して格子定数をGaAsに一致させる
ことによって、更に良好な界面を形成することが出来
る。その後、MIS(metal insulator semiconductor)
あるいはMOS(metal oxicide semiconductor )キャ
パシタを形成するために、ドレイン領域2に対応した位
置の絶縁膜4を薄膜化し、キャパシタ電極となる金属電
極3を形成する。
If the interface defect density is high, the insulating film 4
With a large forbidden band width, such as AlGaAs or Zn
It is also possible to use a thin film crystal such as Se. AlGaAs
In the case of 1, the interface can be further improved by adding P and matching the lattice constant with GaAs. After that, MIS (metal insulator semiconductor)
Alternatively, in order to form a MOS (metal oxide semiconductor) capacitor, the insulating film 4 at a position corresponding to the drain region 2 is thinned to form a metal electrode 3 to be a capacitor electrode.

【0033】最後に、n型GaAs結晶に対して良好な
低抵抗金属接触を形成する、例えばAuGe/Ni/A
u系のソース電極10を蒸着する。しかし、従来用いら
れているAuGe/Ni/Au系の金属半導体接触は、
蒸着法によって形成する場合、故意に合金化を行なわな
くても、本発明の一分子層程度の極薄多層半導体構造に
適さない厚い合金層を形成する恐れがある。また、結晶
成長後、空気中に取り出して表面処理後電極を形成すれ
ば、到底良質の金属半導体接触は望めない。
Finally, a good low resistance metal contact is made to the n-type GaAs crystal, eg AuGe / Ni / A.
The u-type source electrode 10 is deposited. However, the conventional AuGe / Ni / Au-based metal-semiconductor contact is
When formed by a vapor deposition method, a thick alloy layer which is not suitable for the ultra-thin multilayer semiconductor structure of about one molecular layer of the present invention may be formed without intentional alloying. Further, if the electrode is formed after the crystal growth after being surface-treated after being taken out into the air, it is impossible to expect good-quality metal-semiconductor contact.

【0034】したがって、極薄多層半導体構造をエピタ
キシャル成長した後、その場で選択的に金属堆積を行な
う工程を採用することが本発明の構成に適している。例
えばトリイソブチルアルミニウムやジメチルアルミニウ
ムハイドライド等、アルミニウムの有機金属ガス導入に
よるアルミニウムの選択デポジションでソース電極10
を形成するのがよい。これらのアルミニウムの有機金属
では、200℃付近の低温で選択的にGaAs結晶表面
にのみ金属が堆積するから、本発明の一分子層程度の厚
さを持つ極薄多層半導体構造の工程に適している。
Therefore, it is suitable for the constitution of the present invention to employ a step of selectively performing metal deposition in situ after epitaxially growing the ultrathin multilayer semiconductor structure. The source electrode 10 is formed by selective deposition of aluminum by introducing an organometallic gas of aluminum, such as triisobutylaluminum or dimethylaluminum hydride.
Should be formed. In these organometallic metals of aluminum, the metal is selectively deposited only on the GaAs crystal surface at a low temperature of about 200 ° C., so that it is suitable for the process of the ultrathin multilayer semiconductor structure having a thickness of about one molecular layer of the present invention. There is.

【0035】再成長などの後続昇温プロセスがある場合
は、WやMo等の高融点金属が用いられる。この場合
も、タングステンヘキサカルボニル等タングステンやモ
リブデン等の有機金属ガスソースを用いると、400〜
500℃以下の低温で金属堆積が行なえるから、本発明
の一分子層程度の厚さを持つ極薄多層半導体構造の工程
に適している。もちろん、従来シリコンプロセスで用い
られているフッ化タングステンのモノシラン或いはAs
3 還元によるタングステン堆積も適用できる。金属堆
積による低抵抗金属半導体接触の場合にも重要なこと
は、堆積直前の半導体表面状態であり、被覆率や電気的
特性に重大な影響を及ぼす。
When there is a subsequent temperature raising process such as regrowth, a refractory metal such as W or Mo is used. Also in this case, when an organic metal gas source such as tungsten or molybdenum such as tungsten hexacarbonyl is used,
Since metal deposition can be performed at a low temperature of 500 ° C. or less, it is suitable for the process of the present invention for forming an ultrathin multilayer semiconductor structure having a thickness of about one molecular layer. Of course, tungsten fluoride monosilane or As used in the conventional silicon process is used.
Tungsten deposition by H 3 reduction is also applicable. Also important in the case of low-resistance metal-semiconductor contact by metal deposition is the semiconductor surface state immediately before deposition, which seriously affects the coverage and the electrical characteristics.

【0036】本実施例ではn+ 基板結晶上の構成を示し
たが、特に寄生容量低減のために高抵抗基板上に構成す
ることは非常に効果的である。
In this embodiment, the structure on the n + substrate crystal is shown, but it is very effective to form on the high resistance substrate especially for reducing the parasitic capacitance.

【0037】次に、この第1の実施例の動作について説
明する。図2を参照して、p+ ゲートとなる障壁層6と
第2のn- チャンネル領域5’間の拡散電位あるいは一
定の逆ゲートバイアス電圧によって、第2のチャンネル
領域5’が完全にピンチオフ状態にあるとき、n型ドレ
イン領域2に蓄積された電子はその周囲を拡散電位ある
いは逆ゲートバイアス電圧に対応するポテンシャルの壁
によって囲まれるため保持され、メモリ動作が可能とな
る。この時、ドレイン領域2は蓄積電気容量の一方の電
極となる。
Next, the operation of the first embodiment will be described. Referring to FIG. 2, the second channel region 5'is completely pinched off by the diffusion potential between the barrier layer 6 serving as the p + gate and the second n - channel region 5'or a constant reverse gate bias voltage. In the case of, the electrons accumulated in the n-type drain region 2 are retained because they are surrounded by the wall of the potential corresponding to the diffusion potential or the reverse gate bias voltage, and the memory operation becomes possible. At this time, the drain region 2 serves as one electrode of the storage capacitance.

【0038】図3は、図2のチャンネル中央A−A’断
面及びドレイン領域を通るB−B’断面のポテンシャル
分布を半導体領域で重ねて示した概略図である。図3に
おいて、点線がn型チャンネル領域5,5’中央に沿っ
たポテンシャル分布であり、実線がドレイン領域2を含
む領域に沿ったポテンシャル分布である。表面の金属電
極3に正の書き込みパルス電圧を印加すると、SITの
ドレイン電圧による静電誘導効果によってポテンシャル
分布が変化する。このため、n+ソース領域7の電子は
ポテンシャル9を越えて、表面蓄積電気容量を急速に充
電するとともに、フェルミレベルとポテンシャル分布は
電子が蓄積するため、エネルギーが高い方向に変化す
る。したがって、書き込みの時定数はMOSキャパシタ
とnpn構造の抵抗で決定される。なお、本実施例では
npn構造としたが、この構造に限らず、反対導電型の
素子構成でもよい。
FIG. 3 is a schematic view showing the potential distributions of the channel center AA 'section and the BB' section passing through the drain region in FIG. In FIG. 3, the dotted line is the potential distribution along the center of the n-type channel regions 5 and 5 ′, and the solid line is the potential distribution along the region including the drain region 2. When a positive write pulse voltage is applied to the metal electrode 3 on the surface, the potential distribution changes due to the electrostatic induction effect by the drain voltage of SIT. Therefore, the electrons in the n + source region 7 exceed the potential 9 to rapidly charge the surface storage capacitance, and the Fermi level and the potential distribution change in the direction of higher energy because the electrons are stored. Therefore, the write time constant is determined by the MOS capacitor and the resistance of the npn structure. Although the npn structure is used in this embodiment, the structure is not limited to this, and an element structure of opposite conductivity type may be used.

【0039】次に、本発明の半導体デバイスを二端子メ
モリとした場合の書き込み・読み出し動作を詳細に説明
する。図4は書き込み及び読み出し動作時のポテンシャ
ル分布の変化を示す概念図である。初期状態でバイアス
電圧が印加されないとき(図4(a))、半導体側と表
面金属電極3のフェルミ準位は一致し、障壁層6のポテ
ンシャルバリア9の山が存在している。書き込み正電圧
パルスが表面金属電極3に印加されると、表面金属電極
3のポテンシャルは矢印で示されるように、半導体側に
対して相対的に下がり(図4(b))、その結果、半導
体側の障壁層6のポテンシャル9の高さが下がるととも
にポテンシャルの幅も狭くなるため、トンネル遷移確率
が増大し、ソース領域から表面蓄積領域へトンネル現象
による電子の注入が生じ、その結果、書き込み動作は終
了する。
Next, the write / read operation when the semiconductor device of the present invention is used as a two-terminal memory will be described in detail. FIG. 4 is a conceptual diagram showing changes in the potential distribution during writing and reading operations. When the bias voltage is not applied in the initial state (FIG. 4A), the Fermi levels of the semiconductor side and the surface metal electrode 3 coincide with each other, and the peaks of the potential barrier 9 of the barrier layer 6 exist. When the write positive voltage pulse is applied to the surface metal electrode 3, the potential of the surface metal electrode 3 is lowered relative to the semiconductor side as shown by the arrow (FIG. 4B), and as a result, the semiconductor Since the height of the potential 9 of the side barrier layer 6 decreases and the width of the potential also narrows, the tunnel transition probability increases, and electrons are injected from the source region to the surface accumulation region by the tunnel phenomenon, resulting in a write operation. Ends.

【0040】表面絶縁層4直下の蓄積領域に電子が蓄積
すると、図4(c)に示すように、蓄積領域のポテンシ
ャルが電子の存在により持ち上がる。しかし、障壁層6
のポテンシャル9によってリーク電流がなくなり、電子
蓄積情報を良好に保持することができる。次に、表面電
極3に負バイアス電圧パルスを印加すると、表面金属電
極3のポテンシャルが半導体側に対して相対的に上が
り、また、同時に電荷蓄積層からみた障壁層6のポテン
シャル9の高さを下げるとともにその幅を狭くできるの
で、電荷蓄積層からキャリアをソース側へトンネル現象
によって読み出し動作を超高速で完了する。
When electrons are accumulated in the accumulation region just below the surface insulating layer 4, the potential of the accumulation region is raised due to the existence of electrons as shown in FIG. 4 (c). However, the barrier layer 6
The potential 9 causes no leak current, and the stored information can be well retained. Next, when a negative bias voltage pulse is applied to the surface electrode 3, the potential of the surface metal electrode 3 rises relatively to the semiconductor side, and at the same time, the height of the potential 9 of the barrier layer 6 seen from the charge storage layer is increased. Since the width can be reduced and the width can be narrowed, the read operation is completed at an ultrahigh speed by tunneling the carriers from the charge storage layer to the source side.

【0041】以上のように、二端子メモリにおいて、外
部電圧により制御できる極薄障壁層を有する構造とした
から、キャリアはトンネル障壁層で形成される真性ゲー
ト領域をトンネル現象で移動するので、高速の読み出し
・書き込みができる。しかもトンネル現象を用いている
ので低雑音であるから、動作に寄与する電子数が減少し
ていっても動作できる。さらに、トンネル現象でキャリ
ア移動を行なうから、本質的に低消費電力動作ができ
る。
As described above, in the two-terminal memory, since the structure has the ultra-thin barrier layer which can be controlled by the external voltage, carriers move in the intrinsic gate region formed by the tunnel barrier layer by the tunnel phenomenon, so that the high speed is achieved. Can read and write. Moreover, since the tunnel phenomenon is used, the noise is low, so that the device can operate even if the number of electrons contributing to the operation is reduced. Furthermore, since carriers are moved by the tunnel phenomenon, low power consumption operation can be essentially performed.

【0042】次に、第2の実施例について説明する。第
2の実施例は、本発明の障壁層をヘテロ接合構造として
二端子メモリに適用したものである。図5は第2の実施
例の構成を示す断面図である。図5において、第1の実
施例の障壁層6を材料の異なる極薄ヘテロ接合構造とし
たものであり、その他は全て第1の実施例の構成と同様
である。
Next, the second embodiment will be described. The second embodiment is an application of the barrier layer of the present invention to a two-terminal memory as a heterojunction structure. FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the second embodiment. In FIG. 5, the barrier layer 6 of the first embodiment has an ultrathin heterojunction structure made of different materials, and the rest is the same as that of the first embodiment.

【0043】この極薄ヘテロ構造を有する半導体デバイ
スの製造工程を説明する。チャンネル層5及び5’は、
第一の実施例で記載したGaAsの場合、障壁層とし
て、例えばAlX Ga1-X AsやZnSe層が適用でき
る。ここでxはAl組成である。GaAsとAlX Ga
1-X Asは格子定数が異なることから、接合界面で格子
歪を生じる。格子歪による欠陥発生を防止するため格子
歪を解消するには、例えばAlX Ga1-X As層に数%
のPを添加してAlX Ga1-X AsY 1-Y とすること
でヘテロ接合界面の格子歪を解消することができる。
A manufacturing process of a semiconductor device having this ultrathin hetero structure will be described. The channel layers 5 and 5'are
For GaAs as described in the first embodiment, it can be as a barrier layer, for example, Al X Ga 1-X As and ZnSe layer is applied. Here, x is an Al composition. GaAs and Al x Ga
Since 1-X As has different lattice constants, lattice strain occurs at the bonded interface. In order to eliminate the lattice strain in order to prevent the occurrence of defects due to the lattice strain, for example, several percent is added to the Al X Ga 1-X As layer.
The lattice strain at the heterojunction interface can be eliminated by adding P to form Al X Ga 1-X As Y P 1-Y .

【0044】チャンネル層と障壁層材料はGaAs系材
料に限らない。電子移動度がGaAs系より大きなIn
As系材料等、種々の組み合わせが可能で、チャンネル
層5及び5' の半導体材料の禁制帯幅より大きな禁制帯
を有する材料が障壁層材料に用いられることができ、望
ましくはチャンネル層材料と障壁層材料結晶の格子定数
及び結晶系が近いことが求められる。
The material of the channel layer and the barrier layer is not limited to the GaAs material. In, which has a higher electron mobility than GaAs
A material having various forbidden bands such as an As-based material and having a forbidden band larger than the forbidden band width of the semiconductor material of the channel layers 5 and 5 may be used as the barrier layer material, and preferably the channel layer material and the barrier layer. It is required that the layer material crystals have close lattice constants and crystal systems.

【0045】格子定数及び結晶系は必ずしも同一である
必要はない。例えば、シリコンはダイヤモンド型結晶系
で、GaAsやZnSeはダイヤモンド結晶系と同じで
異種元素が交互に配置された結晶系であるが、高温で形
成されるZnSeに見られるウルツ型結晶系材料やSi
Cの六方晶系材料と、ある特定の面方位、例えば{11
1}面で整合することができる。したがって、例えばチ
ャンネル層がシリコンの場合、ヘテロ接合障壁層として
はSiCやGaAs層などが可能である。
The lattice constant and the crystal system do not necessarily have to be the same. For example, silicon is a diamond-type crystal system, GaAs and ZnSe are the same as the diamond crystal system, in which different elements are alternately arranged, but the wurtz-type crystal material or Si found in ZnSe formed at high temperature or Si.
C hexagonal material and a certain plane orientation, for example, {11
It is possible to match in the 1} plane. Therefore, for example, when the channel layer is silicon, the heterojunction barrier layer can be a SiC or GaAs layer.

【0046】次に障壁層6をヘテロ接合によって形成す
る製造工程の一例を以下に示す。{100}面を有する
+ GaAs基板結晶8表面を結晶成長チャンバー内で
AsH3 雰囲気中で480℃程度に昇温し、表面酸化物
や炭化物などの汚染層を除去すると同時に良好な表面を
得た後、例えば約5000Å程度のn+ ソース領域7を
形成した後、1500Å程度の第一のn- チャンネル領
域5を形成する。表面酸化物等の除去は、温度が高いほ
ど除去効果は高いが、ほぼ480℃程度以上になると分
子層程度の極薄多層構造が破壊される危険性が増大する
ため、低温表面処理を行うことが望ましい。
Next, an example of a manufacturing process for forming the barrier layer 6 by a heterojunction is shown below. The n + GaAs substrate crystal 8 surface having a {100} plane is heated to about 480 ° C. in an AsH 3 atmosphere in a crystal growth chamber to remove a contaminant layer such as surface oxides and carbides and at the same time obtain a good surface. After that, for example, an n + source region 7 of about 5000 Å is formed, and then a first n channel region 5 of about 1500 Å is formed. Removal of surface oxides, etc., is more effective at higher temperatures, but at temperatures above about 480 ° C, the risk of destroying ultra-thin multi-layered structures, such as molecular layers, increases, so use low-temperature surface treatment. Is desirable.

【0047】上記n+ ソース領域はTEG(トリエチル
ガリウム)或いはTMG(トリメチルガリウム)等のガ
リウム有機金属ガス、或いは三塩化ガリウム等のガリウ
ム塩化物とAsH3 (アルシン)の交互導入による分子
層エピタキシャル成長法のガス導入シーケンス中、DE
Se(ジエチルセレン)ガスを例えばAsH3 導入の後
に導入する。典型的には、基板温度は200〜600℃
程度であるが、480℃以下が望ましい。このとき、高
圧水銀ランプ等の紫外線領域の光照射を行うと、低温成
長のため熱による表面吸着種の表面泳動が多く望めない
にも係わらず、光エネルギーで表面泳動を活発にするこ
とによって結晶性を向上することができる。基板温度は
導入ガスの表面吸着及び表面反応に最適な温度が選択さ
れ、一定温度である必要はない。
The n + source region is a molecular layer epitaxial growth method by alternately introducing gallium organometallic gas such as TEG (triethylgallium) or TMG (trimethylgallium) or gallium chloride such as gallium trichloride and AsH 3 (arsine). During the gas introduction sequence of
Se (diethyl selenium) gas is introduced, for example, after introducing AsH 3 . Typically the substrate temperature is 200-600 ° C
Although it is about the degree, 480 ° C. or lower is desirable. At this time, when light irradiation in the ultraviolet region such as a high-pressure mercury lamp is performed, the surface migration of the surface-adsorbed species due to heat cannot be expected due to the low temperature growth, but the surface migration is activated by the light energy so that the crystal It is possible to improve the property. The substrate temperature is selected as an optimum temperature for surface adsorption and surface reaction of the introduced gas, and does not have to be a constant temperature.

【0048】その場合のキャリア密度はDESeガス導
入圧力及び導入時間によって制御できる。典型的には、
5×1018/ccから1×1020/cc程度以上の高濃
度不純物添加層が適用される。実効ドレイン/ソース間
距離を小さくするためには、なるべく高濃度な不純物添
加層がn+ ソース及びドレイン領域に対して求められ、
1×1020/cc以上の所謂δ或いはデジタルドープ層
が適用できることが望ましい。結晶成長層にn型導電性
を与える不純物ガスはもちろんDESeに限らず、VI族
元素であるTeの有機金属化合物であるDETeなどが
適用できる。
The carrier density in that case can be controlled by the DESe gas introduction pressure and the introduction time. Typically,
A high-concentration impurity-added layer of about 5 × 10 18 / cc to 1 × 10 20 / cc or more is applied. In order to reduce the effective drain / source distance, a high-concentration impurity-doped layer is required for the n + source and drain regions,
It is desirable that a so-called δ or digitally doped layer of 1 × 10 20 / cc or more can be applied. The impurity gas that imparts n-type conductivity to the crystal growth layer is not limited to DESe, but DETe, which is an organometallic compound of Te that is a group VI element, can be applied.

【0049】n- チャンネル層の形成は、TEG等とA
sH3 の交互導入による故意には不純物ガスを添加しな
い分子層エピタキシャル成長で形成する。この場合、通
常、導電型はn型を示す。電子濃度をより精密に制御す
るため、Si2 6 (ジシラン)あるいはSiH4 (モ
ノシラン)などのシリコン化合物ガスを導入しシリコン
の微量添加を行う。シリコン化合物ガス導入はTEGの
導入後に行う。この場合も典型的には、基板温度は導入
ガスの表面反応に最適な温度が選択され、一定温度であ
る必要はない。
The formation of the n - channel layer is performed by TEG and the like and A
It is formed by molecular layer epitaxial growth in which no impurity gas is intentionally added by alternately introducing sH 3 . In this case, the conductivity type is usually n-type. In order to control the electron concentration more precisely, a small amount of silicon is added by introducing a silicon compound gas such as Si 2 H 6 (disilane) or SiH 4 (monosilane). The introduction of the silicon compound gas is performed after the introduction of TEG. Also in this case, the substrate temperature is typically selected to be the optimum temperature for the surface reaction of the introduced gas, and does not have to be a constant temperature.

【0050】次に、ヘテロ接合障壁層が形成される。A
lGaAsヘテロ接合障壁層の形成は、先ずTEG等と
同時に他のガス導入ノズルから、例えばDMAlH(ジ
メチルアルミハイドライド)、TlBAl(トリイソブ
チルアルミニウム)或いはTMAl(トリメチルアルミ
ニウム)等のアルミニウム有機金属ガスを導入する。T
EG及びこれらアルミニウム有機金属ガスとの導入ガス
圧力・導入時間の割合で、表面吸着するGaとAlの組
成が制御され、次のAsH3 導入によって単分子AlG
aAs層が形成される。
Next, a heterojunction barrier layer is formed. A
To form the 1GaAs heterojunction barrier layer, first, an aluminum organometallic gas such as DMAlH (dimethylaluminum hydride), TlBAl (triisobutylaluminum) or TMAl (trimethylaluminum) is introduced from another gas introduction nozzle simultaneously with TEG or the like. . T
The composition of Ga and Al adsorbed on the surface is controlled by the ratio of the introduction gas pressure and the introduction time of EG and these aluminum organometallic gases, and the subsequent introduction of AsH 3 introduces monomolecular AlG.
An aAs layer is formed.

【0051】通常故意に不純物を添加しない場合には、
典型的にはp型導電層となる場合が多いが、もちろんp
型導電性を得るためZnやMgあるいはBeといったII
族元素の不純物ガスを添加することで制御性を高めるこ
とができる。不純物ソースガスとしてはDEZn(ジエ
チルジンク)、Mg(Cp)2 (ジシクロペンタジニル
マグネシウム)、DEBe(ジエチルベリリウム)等が
用いられる。この場合も典型的には基板温度480℃程
度以下である。基板温度は導入ガスの表面吸着及び表面
反応に最適な温度が選択され、一定温度である必要はな
い。
Usually, when impurities are not intentionally added,
It is typically a p-type conductive layer, but of course p
II such as Zn, Mg or Be for obtaining type conductivity II
Controllability can be improved by adding an impurity gas of a group element. As the impurity source gas, DEZn (diethyl zinc), Mg (Cp) 2 (dicyclopentazinyl magnesium), DEBe (diethyl beryllium), or the like is used. Also in this case, the substrate temperature is typically about 480 ° C. or lower. The substrate temperature is selected as an optimum temperature for surface adsorption and surface reaction of the introduced gas, and does not have to be a constant temperature.

【0052】ヘテロ接合障壁層を分子層エピタキシャル
成長法で形成するための他の工程例は、TEG等のGa
ソースガスとAsH3 との交互導入によってGaAs分
子層形成後、TIBAl等のアルミニウムソースガスと
AsH3 との交互導入によるAlAs分子層を交互に形
成する工程である。この場合も、通常故意に不純物を添
加しない場合には、典型的にはp型導電層となる場合が
多いが、もちろんp型導電性を得るためZnやMgある
いはBeといったII族元素の不純物ガスを添加すること
で制御性を高めることができる。不純物ソースガスとし
ては同様にDEZn、Mg(Cp)2 、DEBe等が用
いられる。この場合も典型的には基板温度480℃程度
以下が望ましい。基板温度は導入ガスの表面吸着及び表
面反応に最適な温度が選択され、一定温度である必要は
ない。
Another example of the process for forming the heterojunction barrier layer by the molecular layer epitaxial growth method is Ga such as TEG.
After GaAs molecular layer formed by alternately introducing the source gas and the AsH 3, a step of forming alternating AlAs molecular layer by alternately introducing the aluminum source gas and the AsH 3 such TIBAl. In this case as well, usually, when impurities are not intentionally added, a p-type conductive layer is typically formed in many cases. Of course, in order to obtain p-type conductivity, an impurity gas of a Group II element such as Zn, Mg, or Be is used. The controllability can be improved by adding. DEZn, Mg (Cp) 2 , DEBe and the like are similarly used as the impurity source gas. Also in this case, typically, the substrate temperature of about 480 ° C. or lower is desirable. The substrate temperature is selected as an optimum temperature for surface adsorption and surface reaction of the introduced gas, and does not have to be a constant temperature.

【0053】以上のようにヘテロ接合障壁層を形成した
後、例えば約300Å程度の第二のn- チャンネル層5
' をTEGとAsH3 の交互導入により形成する。以
降、n+ ドレイン領域の形成、絶縁層の形成及び金属電
極形成等は実施例1に示された工程と同様に形成され
る。
After forming the heterojunction barrier layer as described above, for example, the second n - channel layer 5 of about 300 Å is formed.
' Is formed by alternate introduction of TEG and AsH 3 . After that, the formation of the n + drain region, the formation of the insulating layer, the formation of the metal electrode, and the like are performed in the same manner as the process shown in the first embodiment.

【0054】第一及び第二のn- チャンネル層は、金属
学的に実際に有限の厚さ存在する必要がない。すなわ
ち、n+ ドレイン領域/p+ 障壁層/n+ ソース領域の
npn構造で、n+ ドレイン領域/p+ 障壁層の接合及
びp+ 障壁層/n+ ソース領域の接合には実際にn-
ャンネル層がなくても電荷中性条件を満たす様に空乏層
が存在し、その空乏化領域が実質的なチャンネル層とな
る。
The first and second n - channel layers need not actually have a finite metallurgical thickness. That is, in the npn structure of the n + drain region / p + barrier layer / n + source region, the n + drain region / p + barrier layer junction and the p + barrier layer / n + source region junction are actually n −. Even if there is no channel layer, a depletion layer exists so as to satisfy the charge neutrality condition, and the depletion region becomes a substantial channel layer.

【0055】例えば、n+ ドレイン領域/p+ 障壁層/
+ ソース領域の構造として、n-チャンネル層を設け
ることなく、p+ 障壁層をp=9×1019/ccの高濃
度不純物添加層36Å、そしてn+ ドレイン領域及びn
+ ソース領域を5×1019/ccの500Å程度の領域
で形成した場合には、両接合の空乏化によって数十Åの
実質的なチャンネル層が形成される。図7に、このチャ
ンネル層のないデバイス構造の一例を示す。
For example, n + drain region / p + barrier layer /
As the structure of the n + source region, n - without providing a channel layer, p + barrier layer p = 9 × 10 19 / cc high-concentration doped layer 36Å of and n + drain region and n,
When the + source region is formed in a region of 5 × 10 19 / cc and about 500 Å, a substantial channel layer of several tens of Å is formed due to depletion of both junctions. FIG. 7 shows an example of the device structure without the channel layer.

【0056】なお、GaAs系結晶材料の場合、砒素ソ
ースガスとしてAsH3 を用いた例を示したが、AsH
3 に限らず毒性がより少ない砒素の有機金属ガスも適用
できる。また、インジウム系の結晶材料を用いる場合の
ソースガスとしては、TEIn(トリエチルインジウ
ム)或いはTMIn(トリメチルインジウム)等が用い
られる。シリコン系結晶材料の場合は、SiH2 CI2
(ジクロルシラン)と水素の交互導入、或いはジクロル
シランとモノシランの交互導入等で、シリコン分子層エ
ピタキシャル成長層を形成できる。ZnSe系結晶材料
の場合は、DEZnとH2 Se(水素化セレン)、或い
はDEZnとDESe等をソースガスとして用いる。
In the case of a GaAs-based crystal material, an example using AsH 3 as the arsenic source gas is shown.
Not only 3 but also arsenic organometallic gas with less toxicity can be applied. Further, TEIn (triethylindium), TMIn (trimethylindium), or the like is used as a source gas when an indium-based crystal material is used. In the case of silicon-based crystal material, SiH 2 CI 2
The silicon molecule layer epitaxial growth layer can be formed by alternate introduction of (dichlorosilane) and hydrogen, alternate introduction of dichlorosilane and monosilane, or the like. In the case of a ZnSe-based crystal material, DEZn and H 2 Se (selenium hydride) or DEZn and DESe are used as the source gas.

【0057】次に、この第2の実施例の動作について説
明する。図6は、極薄ヘテロバリアで障壁層6を形成し
た場合のポテンシャル分布を示す図である。極薄ヘテロ
バリアで障壁層を形成すると、図6に示すように、極薄
ヘテロバリアの価電子帯のポテンシャルが伝動帯にはみ
だすようになる。図2及び図6を参照して、表面電極3
に正の書き込みパルス電圧を印加すると、SITのドレ
イン電圧による静電誘導効果によってポテンシャル分布
が変化するため、ソース領域7の電子はポテンシャル9
をトンネル現象で移動し、表面蓄積容量を急速に充電す
るとともに、フェルミエネルギーレベルとポテンシャル
分布は、電子が蓄積するためエネルギーが高い方向に変
化する。したがって、書き込みの時定数はMOSキャパ
シタとnpn構造の抵抗で決定される。
Next, the operation of the second embodiment will be described. FIG. 6 is a diagram showing a potential distribution when the barrier layer 6 is formed of an ultrathin hetero barrier. When the barrier layer is formed of the ultrathin heterobarrier, the potential of the valence band of the ultrathin heterobarrier extends beyond the transmission band as shown in FIG. With reference to FIGS. 2 and 6, the surface electrode 3
When a positive write pulse voltage is applied to, the potential distribution changes due to the electrostatic induction effect due to the drain voltage of SIT, so that the electrons in the source region 7 have potential 9
Through the tunnel phenomenon to rapidly charge the surface storage capacity, and the Fermi energy level and potential distribution change toward higher energy due to the accumulation of electrons. Therefore, the write time constant is determined by the MOS capacitor and the resistance of the npn structure.

【0058】キャパシタに蓄積される電荷量はドレイン
領域2とソース領域7のフェルミレベルの差に相当する
量である。この差とヘテロバリア高さはnpn構造の真
性ゲート高さを決めるので、蓄積状態でのリーク電流の
うち、真性ゲートを越えて流れる電流成分の量を決め
る。つまり、メモリの保持特性に影響する。
The amount of electric charge accumulated in the capacitor corresponds to the difference in Fermi level between the drain region 2 and the source region 7. Since this difference and the height of the heterobarrier determine the height of the intrinsic gate of the npn structure, the amount of the current component flowing over the intrinsic gate in the leak current in the accumulated state is determined. That is, the retention characteristic of the memory is affected.

【0059】電子蓄積型メモリでは、本質的に蓄積領域
のポテンシャルが上がるために、この真性ゲートである
ポテンシャル9を越えて流れる電流成分が大きいと考え
られるが、ヘテロバリアが存在するので保持特性は良好
なものとなる。ここで、逆ゲートバイアス電圧を加えて
真性ゲートのポテンシャル9の高さを、より高くしてや
ると、さらにリーク電流は減少し、メモリの保持特性は
向上する。
In the electron storage type memory, the potential of the storage region is essentially increased, so that the current component flowing beyond the potential 9 which is the intrinsic gate is considered to be large, but the retention characteristic is good because of the presence of the hetero barrier. It will be Here, if the height of the potential 9 of the intrinsic gate is made higher by applying the reverse gate bias voltage, the leak current is further reduced and the retention characteristic of the memory is improved.

【0060】通常のSITメモリでは、逆ゲートバイア
スを印加すると同じパルス電圧では書き込み・読み出し
速度が遅くなるので書き込み・読み出し電圧をより高く
する必要があるが、ヘテロバリアを介してトンネル現象
によって書き込み・読み出しを行なうので高速に行なえ
る。以上述べたように、二端子メモリであるピンポンメ
モリは構成が単純で動作も容易であるので大容量メモリ
構成に適している。
In a normal SIT memory, when the reverse gate bias is applied, the writing / reading speed becomes slower with the same pulse voltage, so the writing / reading voltage needs to be made higher, but the writing / reading is performed by the tunnel phenomenon through the hetero barrier. Because it does, it can be done at high speed. As described above, the ping-pong memory, which is a two-terminal memory, has a simple structure and is easy to operate, and thus is suitable for a large-capacity memory structure.

【0061】次に、本発明を三端子メモリに適用した第
3の実施例を説明する。図8は第3の実施例で三端子構
造の断面図である。図8において、ゲート領域11’及
びゲート電極11以外は、第1の実施例と同様である。
ゲート領域11’は本実施例ではチャンネル側壁側から
+ /i/p+ 構造を形成する。ゲート領域11’のn
+ 層は極めて薄く数分子層の厚さしかない。ゲート領域
11’のn+ 層は例えばセレン添加の4×1019/cc
のキャリア密度を有している。ゲート領域11’のi層
はチャンネル領域5に用いられるものと同様の高純度成
長層で、厚さは100Å程度あれば十分である。
Next, a third embodiment in which the present invention is applied to a three-terminal memory will be described. FIG. 8 is a sectional view of a three-terminal structure in the third embodiment. In FIG. 8, except for the gate region 11 ′ and the gate electrode 11, it is the same as the first embodiment.
In this embodiment, the gate region 11 'forms an n + / i / p + structure from the side wall of the channel. N of the gate region 11 '
The + layer is extremely thin and only a few molecular layers thick. The n + layer of the gate region 11 'is, for example, selenium-added 4 × 10 19 / cc
It has a carrier density of. The i layer of the gate region 11 ′ is a high-purity growth layer similar to that used for the channel region 5, and a thickness of about 100 Å is sufficient.

【0062】ゲート領域11’のp+ 層は本実施例では
Zn添加層で形成され、キャリア密度は6×1019/c
c程度で厚さは100Å程度あれば十分である。ゲート
領域11’にはゲート金属でGaAsに対する低抵抗金
属半導体接触を形成できるあらゆる金属の組み合わせが
適用できる。本実施例ではTi/Pt/Auを用いた。
The p + layer of the gate region 11 'is formed of a Zn-added layer in this embodiment and has a carrier density of 6 × 10 19 / c.
It is enough that the thickness is about c and the thickness is about 100Å. For the gate region 11 ', any combination of metals that can form a low resistance metal semiconductor contact to GaAs with the gate metal can be applied. In this example, Ti / Pt / Au was used.

【0063】なお、Ti/Pt/Au電極構成はPtが
Auの半導体側への進入を防ぐバリアメタルとして作用
するとの報告がある。しかし実際には、完全にAuなど
の拡散を防ぐことは困難であるし、蒸着法による構成で
は良質な界面の形成は望むべくもない。したがって、こ
の電極構成でもソース電極の部分で説明したようなエピ
タキシャルプロセスに引き続くその場の金属堆積工程
が、本発明の一分子層程度の厚さを持つ極薄多層半導体
構造の工程に適している。図8に示した本発明の構造は
極めて薄い層が多層積層しているので、高温での熱処理
は行なえない。したがって、ソース電極10及びゲート
電極11等の金属電極は非合金化処理で形成される。本
実施例では、高濃度p+ バリア層6でドレイン蓄積領域
中のキャリアに対するトンネル障壁層を形成している。
It has been reported that the Ti / Pt / Au electrode structure acts as a barrier metal that prevents Pt from entering the semiconductor side of Au. However, in reality, it is difficult to completely prevent the diffusion of Au and the like, and it is not desirable to form a high-quality interface in the structure by the vapor deposition method. Therefore, even in this electrode configuration, the in-situ metal deposition step following the epitaxial process as described in the source electrode section is suitable for the step of the present invention for forming an ultrathin multilayer semiconductor structure having a thickness of about one molecular layer. . In the structure of the present invention shown in FIG. 8, since extremely thin layers are laminated in multiple layers, heat treatment at high temperature cannot be performed. Therefore, the metal electrodes such as the source electrode 10 and the gate electrode 11 are formed by non-alloying treatment. In this embodiment, the high-concentration p + barrier layer 6 forms a tunnel barrier layer for carriers in the drain accumulation region.

【0064】図8の構成断面図を例に、MLE法による
製造工程を示す。第1の実施例の二端子型のメモリの製
造工程とほぼ同様であるが、第3の実施例の三端子型の
メモリ構成では、以下に述べるゲート領域11’形成を
行なう点だけが異なっている。先ず、通常のホトリソグ
ラフィ技術によってゲートメサ部分を形成する。ゲート
メサ深さは、概ねp+ バリア層6にゲート領域が接続さ
れる深さとする。ドレイン/真性ゲート間距離は数十〜
数百Å程度の非常に浅いものとなるので、分子層エッチ
ング法等が効果的である。例えば塩素ガスを零度近辺の
低温で表面吸着させ、紫外線照射を行なうことで一分子
層程度の制御性でゲートメサ領域が形成できる。側壁は
良好な選択性を示す異方性エッチングである。この方法
は低温で且つプラズマ等のイオン衝撃がないから低ダメ
ージ工程である。したがって、分子層エピタキシャル成
長法とともに、非常に薄い数Å程度の多層薄膜構造を有
する素子構造形成には最適である。
The manufacturing process by the MLE method will be described by taking the configuration sectional view of FIG. 8 as an example. The manufacturing process of the two-terminal type memory according to the first embodiment is almost the same as that of the three-terminal type memory structure according to the third embodiment, except that a gate region 11 'described below is formed. There is. First, a gate mesa portion is formed by a normal photolithography technique. The gate mesa depth is approximately the depth at which the gate region is connected to the p + barrier layer 6. Drain / intrinsic gate distance is tens to
The molecular layer etching method is effective because it becomes a very shallow depth of several hundred Å. For example, chlorine gas is adsorbed on the surface at a low temperature near 0 ° C., and ultraviolet irradiation is performed, so that the gate mesa region can be formed with a controllability of about one molecular layer. The sidewalls are anisotropically etched with good selectivity. This method is a low damage process because it is at a low temperature and there is no ion bombardment such as plasma. Therefore, it is most suitable for the device structure formation having a very thin multi-layer thin film structure of about several Å together with the molecular layer epitaxial growth method.

【0065】ゲートメサ領域を形成した後、再びゲート
領域11’を再成長で形成する。ゲート領域11’は、
例えば単なるp+ ホモ接合でもよい。npn構造の側壁
側をn+ あるいはi層としたp+ - i- n+ 接合のゲー
ト構造も適用可能である。p+ 層は6×1019/ccの
キャリア密度で約100Å程度、i層は1×10 16/c
c程度で約100Å程度、そしてn+ 層は4×1019
cc程度で数分子層である。多量の不純物を含む6×1
19/ccのp+ 層の結晶性が悪化するとき、p+ 層は
5×1018/ccの250Å程度の層と、6×1019
cc程度のp++層100Åの2層構造とする。
After forming the gate mesa region, the gate is formed again.
Region 11 'is formed by regrowth. The gate region 11 'is
For example, just p+It may be homozygous. Side wall of npn structure
Side to n+Or p as i layer+-i-n+Joining game
The gut structure is also applicable. p+6x10 layers19/ Cc
Carrier density is about 100Å, i layer is 1 × 10 16/ C
c is about 100Å, and n+4x10 layers19/
It is a few molecular layers at about cc. 6 × 1 containing a large amount of impurities
019/ Cc p+When the crystallinity of the layer deteriorates, p+Layers
5 x 1018/ Cc layer of about 250Å and 6 × 1019/
p of about cc++It has a two-layer structure of 100 Å.

【0066】ゲート/ソースあるいはゲート/ドレイン
接合がトンネル注入によってブレークダウンすることを
防ぐには、概ね100Å程度のi−GaAs層があれば
十分である。更に接合特性を向上させる場合にはゲート
側壁にシリコン窒化膜等の絶縁層を形成した後にゲート
再成長を行なう。ゲート側壁の絶縁層は高濃度不純物添
加ソース領域とゲート領域間の絶縁耐圧向上に寄与す
る。その他、分子層エピタキシャル成長法によるAlG
aAsヘテロゲートあるいはMISゲート等が適用され
る。いずれの場合も静電誘導効果によってトンネル障壁
幅あるいは高さを制御可能である構造であればかまわな
い。
In order to prevent the gate / source or gate / drain junction from being broken down by tunnel injection, an i-GaAs layer of about 100 Å is sufficient. To further improve the junction characteristics, the gate regrowth is performed after forming an insulating layer such as a silicon nitride film on the side wall of the gate. The insulating layer on the side wall of the gate contributes to the improvement of the withstand voltage between the heavily doped source region and the gate region. In addition, AlG by molecular layer epitaxial growth method
An aAs hetero gate or MIS gate is applied. In either case, the structure may be such that the tunnel barrier width or height can be controlled by the electrostatic induction effect.

【0067】次に、第3の実施例における動作について
説明する。図8を参照して、メモリ動作の書き込み時と
読み込み時にチャンネル領域5’に存在するポテンシャ
ルを下げるかあるいは除去する程度にパルス電圧をゲー
ト11に印加することによって、p+ バリア層である障
壁層6のバリア高さあるいは実効的なバリア幅を下げて
書き込み・読み込み時のnpn構造の抵抗を下げ、二端
子構成のピンポンメモリよりも高速に動作するメモリを
構成することができる。またゲート11にパルス電圧を
印加することによって、トンネル障壁層となる障壁層6
のトンネル遷移確率を増大せしめてnpn構造の抵抗を
下げ、ドレイン側蓄積領域のビット情報の書き込み・読
み出しを行なうことが出来る。
Next, the operation of the third embodiment will be described. Referring to FIG. 8, by applying to the extent of or removal lowers the potential existing in the channel region 5 'during the write time and read memory operation a pulse voltage to the gate 11, the barrier layer is a p + barrier layer By reducing the barrier height or effective barrier width of 6 to reduce the resistance of the npn structure at the time of writing / reading, it is possible to configure a memory that operates at a higher speed than a ping-pong memory having a two-terminal configuration. Further, by applying a pulse voltage to the gate 11, the barrier layer 6 to be a tunnel barrier layer
It is possible to increase / decrease the tunnel transition probability and reduce the resistance of the npn structure to write / read bit information in the drain side accumulation region.

【0068】メモリセルの保持特性を向上させるために
電子蓄積状態で逆ゲートバイアス電圧を加えておいて、
読み出し・書き込み時に逆ゲート電圧を打ち消すゲート
パルス電圧を加えることによって、書き込み・読みだし
電圧を高くすることなしに高速な動作ができる。また適
切なゲートバイアスを印加することによって、ヘテロバ
リアのトンネル遷移確率を減少せしめて書き込み・読み
込み動作を行なうことができる。
In order to improve the retention characteristic of the memory cell, a reverse gate bias voltage is applied in the electron accumulation state,
By applying a gate pulse voltage that cancels the reverse gate voltage during reading / writing, high-speed operation can be performed without increasing the writing / reading voltage. Further, by applying an appropriate gate bias, the tunnel transition probability of the heterobarrier can be reduced and the write / read operation can be performed.

【0069】ゲートポテンシャルを第1の実施例のよう
に一層のp+ バリア層、あるいは、第2の実施例のよう
にヘテロバリア層で形成する構成ばかりでなく、例えば
2重ヘテロバリアあるいはnp+ np+ 構造の多重p+
バリア層となる障壁層によって構成すれば、ドレイン側
蓄積容量に蓄積されたキャリアの保持特性は、多重量子
井戸のトンネル遷移が合致する外部ゲート電圧のときの
み蓄積したキャリアの書き込み・読み出しが行なえるよ
うになる。これを第4の実施例として、詳細に説明す
る。
Not only is the gate potential formed of a single p + barrier layer as in the first embodiment or a hetero barrier layer as in the second embodiment, but it is also possible to use, for example, a double hetero barrier or np + np +. Multiple structure p +
If the barrier layer is used as the barrier layer, the retention characteristics of the carriers accumulated in the drain side storage capacitor can be written / read out only when the external gate voltage matches the tunnel transition of the multiple quantum well. Like This will be described in detail as a fourth embodiment.

【0070】第4の実施例では、図8に示す障壁層6を
二つの厚さの異なる極薄ヘテロ構造として量子井戸層を
形成した。その他の構成は実施例3と同様である。以
下、この第4の実施例における多重量子井戸構造を有す
る半導体デバイスの動作を説明する。図9は多重量子井
戸構造のポテンシャル図である。図9において、実線は
ゼロバイアス時のポテンシャル分布と共鳴準位を示し、
点線は外部バイアス電圧印加時のポテンシャル分布と共
鳴準位を示す。量子井戸様ポテンシャル12内で形成さ
れる量子化準位(或いは共鳴準位)は、図9に示すよう
に、量子井戸幅LZ と次数nとの関数で決定される固有
エネルギ準位En を有する。したがって、適切な量子井
戸幅LZ1、LZ2を決定することによって、第一の量子井
戸及び第二の量子井戸にそれぞれ異なる量子化準位
n1、En2を形成することができる。
In the fourth embodiment, the quantum well layer is formed by using the barrier layer 6 shown in FIG. 8 as an ultrathin heterostructure having two different thicknesses. Other configurations are similar to those of the third embodiment. The operation of the semiconductor device having the multiple quantum well structure according to the fourth embodiment will be described below. FIG. 9 is a potential diagram of the multiple quantum well structure. In FIG. 9, the solid line shows the potential distribution and the resonance level at zero bias,
The dotted line shows the potential distribution and resonance level when an external bias voltage is applied. As shown in FIG. 9, the quantized level (or resonance level) formed in the quantum well-like potential 12 is an intrinsic energy level E n determined by a function of the quantum well width L Z and the order n. Have. Therefore, by determining the appropriate quantum well widths L Z1 and L Z2 , different quantization levels E n1 and E n2 can be formed in the first quantum well and the second quantum well, respectively.

【0071】初期状態ではEn1(図9の14で示す量子
化準位)とEn2(図9の16で示す量子化準位)は一致
しないから、トンネル遷移確率はほとんどなく、キャリ
アの流れは生じない。例えば、正の書き込み電圧パルス
を表面金属電極3に印加して表面金属電極のポテンシャ
ル10を下げることによって、静電誘導効果で障壁層6
のポテンシャル12を下げると、それぞれの量子井戸に
形成されている量子化準位En1(図9の14で示す量子
化準位)とEn2(図9の18で示す共鳴準位)とが一致
し、ポテンシャル10のトンネル遷移確率が増大して、
ソース領域から表面蓄積領域へ電子が流れて蓄積され、
書き込み動作が完了する。書き込み動作が完了し、表面
に電子蓄積が生じる結果、表面ポテンシャルが上昇して
も、それぞれの量子井戸に形成される量子化準位E
n1(図9の14で示す量子化準位)とEn2(図9の16
で示す量子化準位)とが一致しないから、障壁層6を流
れるリーク電流はほとんどなく、良好な保持特性が得ら
れる。
In the initial state, E n1 (quantization level shown by 14 in FIG. 9) and E n2 (quantization level shown by 16 in FIG. 9) do not match, so that there is almost no tunnel transition probability and carrier flow. Does not occur. For example, by applying a positive write voltage pulse to the surface metal electrode 3 to lower the potential 10 of the surface metal electrode, the barrier layer 6 is electrostatically induced.
When the potential 12 of is reduced, the quantized levels E n1 (quantized level shown by 14 in FIG. 9) and E n2 (resonated level shown by 18 in FIG. 9) formed in each quantum well are Coincidence, the tunnel transition probability of potential 10 increases,
Electrons flow from the source region to the surface accumulation region and accumulate,
The write operation is complete. Even if the surface potential rises as a result of the completion of the write operation and the accumulation of electrons on the surface, the quantized level E formed in each quantum well
n1 (quantization level indicated by 14 in FIG. 9) and E n2 (16 in FIG. 9)
Quantization level (1) does not match, so that there is almost no leak current flowing through the barrier layer 6 and good retention characteristics can be obtained.

【0072】次に、表面金属電極3に負の読み出し電圧
パルスを印加するか、或いはソース電極に正の読み込み
電圧パルスを印加して、表面金属電極3のポテンシャル
10を半導体側に対して相対的に上げると、再びそれぞ
れの量子井戸に形成される量子化準位En1(図9の14
で示す量子化準位)とEn2(図9の18で示す共鳴準
位)とが一致し、障壁層6のポテンシャル9のトンネル
遷移確率が生じるから、電荷蓄積領域からソース側への
電子の移動がトンネル現象で生じ、極めて高速で読み出
し動作が行なえる。
Next, a negative read voltage pulse is applied to the surface metal electrode 3 or a positive read voltage pulse is applied to the source electrode so that the potential 10 of the surface metal electrode 3 is relative to the semiconductor side. , The quantization level E n1 (14 in FIG. 9) formed in each quantum well again.
Quantization level) and E n2 (resonance level 18 in FIG. 9) coincide with each other, and the tunnel transition probability of the potential 9 of the barrier layer 6 is generated. The movement occurs due to the tunnel phenomenon, and the read operation can be performed at extremely high speed.

【0073】次に、第5の実施例について説明する。図
8に示す障壁層6をホモ接合として三端子のトランジス
タを構成する。ホモ接合は第1の実施例と同様である。
本実施例では、図8に示すドレイン蓄積領域2とトンネ
ル障壁層6で形成される真性ゲート領域のポテンシャル
9(図10を参照)の鞍部の距離Lをキャリアの平均自
由行程以下程度に構成する。n- チャンネル層5及び
5’は不純物等の散乱を受けないように、なるべく高純
度で欠陥がないことが望ましい。GaAsの場合、ドレ
イン蓄積層2とトンネル障壁層の距離はその間のn-
ャンネル層5’のキャリア密度で変わるが、キャリア密
度が1×1014/cc以下程度から1×1017/cc程
度で数十〜数百Å程度である。
Next, a fifth embodiment will be described. The barrier layer 6 shown in FIG. 8 is a homojunction to form a three-terminal transistor. The homozygosity is the same as in the first embodiment.
In this embodiment, the saddle portion distance L of the potential 9 (see FIG. 10) of the intrinsic gate region formed by the drain accumulation region 2 and the tunnel barrier layer 6 shown in FIG. 8 is set to be equal to or less than the mean free path of carriers. . It is desirable that the n - channel layers 5 and 5'be as pure as possible and have no defects so as not to be scattered by impurities and the like. In the case of GaAs, the distance between the drain storage layer 2 and the tunnel barrier layer changes depending on the carrier density of the n channel layer 5 ′ between them, but the carrier density is about 1 × 10 14 / cc or less to about 1 × 10 17 / cc. It is about tens to hundreds of Å.

【0074】次に、この第5の実施例の動作を説明す
る。図10にその動作を示すポテンシャル分布図と電子
のエネルギー分布を示す。図10において、斜線で示す
領域22は電子のエネルギーと運動量の関係を示すもの
である。ゲート電極11に電圧を印加するとポテンシャ
ル9の高さと幅を制御でき、蓄積電子20がポテンシャ
ル9の山を越えて移動する。蓄積領域に蓄積されたキャ
リアは真性ゲート領域まで拡散現象で到達するのではな
く、バリスティック伝導によって到達するので、書き込
み・読み出し速度は更に向上する。本実施例の場合、ト
ンネルによりバリア層を通過する構造でなくても、ポテ
ンシャルバリア高さの変化による電流値の変化量が通常
のバイポーラトランジスタ(BPT:bipolar transist
or) に比べて格段に大きくできるから、集積化が進み、
単位メモリセルに蓄積されるキャリアの数が減少しても
十分な信号を得ることが出来る。
Next, the operation of the fifth embodiment will be described. FIG. 10 shows a potential distribution diagram showing the operation and energy distribution of electrons. In FIG. 10, a hatched region 22 shows the relationship between electron energy and momentum. When a voltage is applied to the gate electrode 11, the height and width of the potential 9 can be controlled, and the accumulated electrons 20 move over the peak of the potential 9. Since the carriers accumulated in the accumulation region do not reach the intrinsic gate region by a diffusion phenomenon but reach by the ballistic conduction, the writing / reading speed is further improved. In the case of this embodiment, even if the structure does not pass through the barrier layer by the tunnel, the amount of change in the current value due to the change in the height of the potential barrier is a normal bipolar transistor (BPT).
It can be made much larger than
A sufficient signal can be obtained even if the number of carriers stored in the unit memory cell is reduced.

【0075】つまり、本実施例の構成では、障壁層6は
空乏化しており、半導体メモリ動作中の書き込み・読み
出し動作でソース領域から蓄積領域へのキャリアの蓄積
及び蓄積領域からソース領域へのキャリアの引出しの際
に、電子等のキャリアは障壁層を内部電界によるドリフ
トで移動するから、高速動作が可能である。さらに、障
壁層のポテンシャル9の高さ及び幅は静電誘導効果によ
って制御できる。以上はトランジスタとしての動作であ
るが、半導体メモリは蓄積容量とトランジスタとの組合
せで構成され、その動作速度は蓄積容量のトランジスタ
による充放電時定数で決まるから、半導体メモリの高速
動作が可能となる。
That is, in the structure of this embodiment, the barrier layer 6 is depleted, and carriers are accumulated from the source region to the accumulation region and carriers are accumulated from the accumulation region to the source region in the write / read operation during the operation of the semiconductor memory. At the time of drawing out, carriers such as electrons move in the barrier layer due to drift due to the internal electric field, so that high speed operation is possible. Further, the height and width of the potential 9 of the barrier layer can be controlled by the electrostatic induction effect. The above is the operation as a transistor, but the semiconductor memory is composed of a combination of a storage capacitor and a transistor, and the operation speed thereof is determined by the charge / discharge time constant of the storage capacity of the transistor, enabling high-speed operation of the semiconductor memory. .

【0076】本実施例の構成による半導体デバイスは、
読み出し・書き込みがトンネル現象によって伝達される
から、究極的には不確定性原理で観察可能な時間範囲ま
で高速に伝達される。メモリセルとして熱電子放射型S
ITを用いると、低バイアス電圧でゲートポテンシャル
変化による電流変化量が大きいため、動作に寄与する電
子数が微細化によって減少しても、ノイズレベルそのも
のも従来のバイポーラトランジスタ(BPT:bipolar
transistor)等より小さいが、ノイズレベルに埋もれる
ことなく動作する。また、ビット情報を破壊的に読み出
し・書き込みするダイナミックメモリも構成できるし、
ビット情報を保持したまま読み出し・書き込みできるス
タティックメモリも構成できる。
The semiconductor device having the structure of this embodiment is
Since reading and writing are transmitted by the tunnel phenomenon, they are ultimately transmitted at high speed within the observable time range by the uncertainty principle. Thermionic emission type S as a memory cell
When IT is used, the amount of change in current due to a change in gate potential is large at a low bias voltage. Therefore, even if the number of electrons contributing to the operation is reduced by miniaturization, the noise level itself is the same as that of a conventional bipolar transistor (BPT: bipolar).
transistor)), but operates without being buried in the noise level. Also, a dynamic memory that destructively reads and writes bit information can be configured,
A static memory that can read and write while holding bit information can also be configured.

【0077】次に第6の実施例を説明する。この実施例
は、第3の実施例における障壁層6を極薄の絶縁層で構
成したものであり、その他の構成は第3の実施例と同様
である。この極薄の絶縁層は1〜150Å程度に形成す
る。その際には特に界面欠陥密度を低減することが肝要
である。この程度の極薄層であれば、ゲート電極11に
電圧を印加することによって、絶縁層におけるポテンシ
ャル分布を制御することができる。したがって、この実
施例における作用・効果は第5の実施例と同様の作用・
効果を有する。
Next, a sixth embodiment will be described. In this embodiment, the barrier layer 6 in the third embodiment is composed of an extremely thin insulating layer, and the other structures are the same as those in the third embodiment. This ultra-thin insulating layer is formed to have a thickness of about 1 to 150 Å. In that case, it is particularly important to reduce the interface defect density. With an ultrathin layer of this degree, the potential distribution in the insulating layer can be controlled by applying a voltage to the gate electrode 11. Therefore, the operation / effect in this embodiment is similar to that in the fifth embodiment.
Have an effect.

【0078】次に、第7の実施例を説明する。これまで
の構成は、図2及び図8に示すように、蓄積容量が薄い
絶縁膜4を介した高濃度不純物添加層であるドレイン領
域2と金属電極3のMOSキャパシタで構成されてい
る。しかし、金属電極に限らず半導体/絶縁膜/高濃度
不純物添加ドレイン層の構成による電界効果によって、
ビット情報を蓄積することが可能である。いずれの構成
でも蓄積されたビット情報の書き込み・読み込み動作は
蓄積層直近に配置された極薄トンネル障壁層を介してト
ンネル現象によって極めて高速に行われ、且つトンネル
障壁層によって良好な保持特性が得られる。
Next, a seventh embodiment will be described. As shown in FIG. 2 and FIG. 8, the structure so far is composed of a MOS capacitor having a drain region 2 which is a high-concentration impurity-added layer and a metal electrode 3 with an insulating film 4 having a thin storage capacitance interposed therebetween. However, not only the metal electrode but also the electric field effect due to the structure of the semiconductor / insulating film / drain layer with high concentration
It is possible to store bit information. In either configuration, the writing / reading operation of the accumulated bit information is performed at an extremely high speed by the tunnel phenomenon through the ultra-thin tunnel barrier layer arranged in the immediate vicinity of the accumulation layer, and the tunnel barrier layer obtains good retention characteristics. To be

【0079】[0079]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体デバイスでは、極薄障壁層に空乏化領域が生じて
おり、外部電界によって極薄障壁層のポテンシャルの高
さと幅を制御でき、また極薄障壁層がトンネル現象を生
じるトンネル障壁層となる。これによって、キャリアが
トンネル障壁層で形成される真性ゲート領域をトンネル
現象で移動するので、高速の読み出し・書き込みができ
るという効果を有する。しかもトンネル現象を用いてい
るので低雑音であるから、動作に寄与する電子数が減少
していっても動作できるという効果を有する。さらに、
トンネル現象でキャリア移動を行なうから、本質的に低
消費電力動作が可能になる。
As is clear from the above description, in the semiconductor device of the present invention, the depletion region is formed in the ultrathin barrier layer, and the height and width of the potential of the ultrathin barrier layer can be controlled by the external electric field. Also, the ultra-thin barrier layer becomes a tunnel barrier layer that causes a tunnel phenomenon. As a result, carriers move in the intrinsic gate region formed by the tunnel barrier layer by a tunnel phenomenon, so that high-speed read / write can be performed. Moreover, since the tunnel phenomenon is used, the noise is low, so that the device can operate even if the number of electrons contributing to the operation is reduced. further,
Since the carrier is moved by the tunnel phenomenon, it is possible to operate with low power consumption.

【0080】キャリアを蓄積する半導体メモリを構成し
た場合、極薄障壁層のポテンシャルによって蓄積された
キャリアのリーク電流をなくすことができるという効果
を有する。また、極薄障壁層のポテンシャルの高さと幅
を制御でき、トンネル現象を生じさせるので、蓄積キャ
リアがトンネル障壁層で形成される真性ゲート領域をト
ンネル現象で移動するため、高速の読み込み・書き込み
ができるという効果を有する。
When the semiconductor memory for accumulating carriers is constructed, there is an effect that the leak current of the accumulated carriers can be eliminated by the potential of the ultrathin barrier layer. Further, since the height and width of the potential of the ultra-thin barrier layer can be controlled to cause a tunnel phenomenon, the accumulated carriers move in the intrinsic gate region formed in the tunnel barrier layer by the tunnel phenomenon, and thus high-speed read / write is possible. It has the effect that it can.

【0081】量子井戸様ポテンシャル分布を形成する構
成ではゲートバイアス電圧によってゲートポテンシャル
を制御でき、ゲート領域に形成される量子化準位を一致
させると、トンネル遷移確率が生じ、電荷の移動を行う
ことができるという効果を有する。これは量子現象であ
るので、原理的には不確定性原理によって観察可能な時
間範囲の限界まで応答時間を短縮できる。トンネル現象
で電荷の受け渡しを行なうので、ゲート領域の量子化準
位が一致しない場合は、非常に小さなリーク電流でビッ
ト情報を遮断・保持できるという効果を有する。
In the configuration in which the quantum well-like potential distribution is formed, the gate potential can be controlled by the gate bias voltage, and when the quantization levels formed in the gate region are matched with each other, tunnel transition probability occurs and charge transfer occurs. It has the effect that Since this is a quantum phenomenon, in principle, the response time can be shortened to the limit of the observable time range by the uncertainty principle. Since charges are transferred by the tunnel phenomenon, when the quantization levels in the gate regions do not match, there is an effect that bit information can be blocked / held with a very small leak current.

【0082】極薄障壁層を挟んだ、ドレイン領域と障壁
層とソース領域のnpnまたはpnp接合を有する半導
体デバイスでは、チャンネル層がなくても電荷中性条件
を満たす空乏層が存在し、この空乏化領域を実質的なチ
ャンネル層にできる。この空乏化領域は外部電界によっ
て、そのポテンシャルの高さと幅を制御できるから、超
高速動作するとともに、高集積化が可能になる。
In a semiconductor device having an npn or pnp junction of a drain region, a barrier layer, and a source region with an ultrathin barrier layer sandwiched between them, there is a depletion layer satisfying the charge neutrality condition even without a channel layer. The converted region can be a substantial channel layer. Since the height and width of the potential of the depletion region can be controlled by an external electric field, the depletion region can operate at a very high speed and can be highly integrated.

【0083】ドレイン領域を例えば電荷の蓄積領域にし
て、このドレイン蓄積領域とトンネル障壁層で形成され
る真性ゲートポテンシャル鞍部の距離をキャリアの平均
自由行程以下程度にした半導体デバイスでは、蓄積領域
に蓄積されたキャリアは真性ゲート領域まで拡散現象で
到達するのではなく、例えばバリステイック伝導によっ
て到達させることができる。これによって、トンネル現
象で障壁層のポテンシャルを通過する構造でなくても、
障壁層のポテンシャル高さの変化による電流値の変化量
を大きくでき、半導体デバイスの動作速度を向上させる
ことができるという効果を有する。また、半導体デバイ
スの高集積化ができるとともに、蓄積されるキャリアの
数が現象しても十分な信号を得ることができるという効
果を有する。
In a semiconductor device in which the drain region is, for example, a charge storage region, and the distance between the drain storage region and the intrinsic gate potential saddle formed by the tunnel barrier layer is about the mean free path of carriers or less, the charge is stored in the storage region. The generated carriers can reach the intrinsic gate region by diffusion conduction, for example, instead of reaching by diffusion phenomenon. By this, even if the structure does not pass through the potential of the barrier layer by the tunnel phenomenon,
This has the effect that the amount of change in the current value due to the change in the potential height of the barrier layer can be increased and the operating speed of the semiconductor device can be improved. In addition, the semiconductor device can be highly integrated, and a sufficient signal can be obtained even if the number of accumulated carriers occurs.

【0084】半導体デバイスの製造方法では、電極を形
成する工程を成長装置から取り出さないで、その場で選
択的に金属堆積及び低抵抗半導体堆積、或いは両方を行
うので、空気に晒す工程をなくすことができる。これに
よって、結晶成長した表面に酸化膜ができず、良質の電
極半導体接触を形成できるという効果を有する。
In the method of manufacturing a semiconductor device, the step of forming an electrode is not taken out from the growth apparatus, and the metal deposition and / or the low-resistance semiconductor deposition are selectively performed on the spot, so that the step of exposing to air is eliminated. You can This has the effect that no oxide film is formed on the crystal-grown surface and a good-quality electrode semiconductor contact can be formed.

【0085】また、ゲートメサ部を形成する半導体デバ
イスの製造方法では、ゲートメサ部を形成する工程を成
長装置から取り出さないで、その場で選択的に光照射低
温エッチングをすることにより、分子層程度のnpn構
造にも損傷を与えず、また、形成されている側壁にも損
傷を与えないという効果を有する。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device for forming the gate mesa portion, the step of forming the gate mesa portion is not taken out from the growth apparatus, and light irradiation low temperature etching is selectively performed in-situ to obtain a layer of about a molecular layer. This has an effect of not damaging the npn structure and damaging the formed sidewall.

【0086】さらに、ソース領域を形成する工程の前工
程として、AsH3 雰囲気で表面を処理することによ
り、分子層程度の極薄npn構造を破壊することなく良
好な成長界面を得ることができるという効果を有する。
Further, by treating the surface in an AsH 3 atmosphere as a pre-step of the step of forming the source region, it is possible to obtain a good growth interface without destroying the ultra-thin npn structure of about molecular layer. Have an effect.

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

【図1】npn型バイポーラトランジスタのポテンシャ
ル分布図である。
FIG. 1 is a potential distribution diagram of an npn-type bipolar transistor.

【図2】本発明の第1の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view showing the configuration of the first exemplary embodiment of the present invention.

【図3】図2のチャンネル中央A−A’断面及びドレイ
ン領域を通るB−B’断面のポテンシャル分布を半導体
領域で重ねて示した概略図である。
3 is a schematic diagram showing potential distributions of a channel center AA ′ cross section and a BB ′ cross section passing through a drain region in FIG.

【図4】(a)は二端子メモリのバイアス電圧がゼロの
初期状態のポテンシャル分布を示す概念図、(b)は二
端子メモリの書き込み動作時におけるポテンシャル分布
の変化を示す概略図、(c)は二端子メモリの電荷蓄積
状態のポテンシャル分布を示す概略図、(d)は二端子
メモリの読み出し動作時におけるポテンシャル分布の変
化を示す概略図である。
4A is a conceptual diagram showing a potential distribution of a two-terminal memory in an initial state in which a bias voltage is zero, FIG. 4B is a schematic diagram showing changes in the potential distribution during a write operation of the two-terminal memory, and FIG. 6A is a schematic diagram showing a potential distribution of a charge accumulation state of the two-terminal memory, and FIG. 9D is a schematic diagram showing a change of the potential distribution during a read operation of the two-terminal memory.

【図5】本発明の第2の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 5 is a sectional view showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.

【図6】第2の実施例における極薄ヘテロバリアでトン
ネル障壁層を形成した場合のポテンシャル分布を示す概
略図である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a potential distribution when a tunnel barrier layer is formed of an ultrathin hetero barrier in the second embodiment.

【図7】チャンネルのないデバイス構造の断面図であ
る。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a device structure without channels.

【図8】本発明の第3の実施例の構成を示す断面図であ
る。
FIG. 8 is a sectional view showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第4の実施例のゼロバイアスと外部バ
イアス印加時の量子井戸構造のポテンシャル分布の変化
を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing changes in the potential distribution of the quantum well structure when a zero bias and an external bias are applied according to the fourth embodiment of the present invention.

【図10】ドレイン蓄積領域とトンネル障壁層で形成さ
れる真性ゲートポテンシャル鞍部の距離をキャリアの平
均自由行程以下程度にした場合のポテンシャル分布図で
ある。
FIG. 10 is a potential distribution diagram when the distance between the intrinsic gate potential saddle portion formed by the drain accumulation region and the tunnel barrier layer is set to about the average free path of carriers or less.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 n+ ドレイン領域 3 金属 4 絶縁膜 5、5’ n- チャンネル 6 障壁層 7 n+ ソース領域 8 n+ 基板結晶 9 真性ゲート領域のポテンシャル 10 ソース電極 11 ゲート電極 11’ ゲート領域2 n + drain region 3 metal fourth insulating film 5,5 'n - channel 6 barrier layer 7 n + source regions 8 n + substrate crystal 9 intrinsic gate region of the potential 10 source electrode 11 gate electrode 11' gate region

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に、ソース領域と、チャン
ネル領域と、ドレイン領域と、絶縁層と、電極とを有す
る半導体デバイスにおいて、ソース領域とドレイン領域
間のチャンネル領域に、外部電圧の供給によってポテン
シャルを制御できる極薄障壁層を挟んだことを特徴とす
る半導体デバイス。
1. In a semiconductor device having a source region, a channel region, a drain region, an insulating layer and an electrode on a semiconductor substrate, a channel region between the source region and the drain region is supplied with an external voltage. A semiconductor device having an extremely thin barrier layer sandwiched between potentials.
【請求項2】 半導体基板上に、ソース領域と、チャン
ネル領域と、ドレイン領域と、電荷蓄積層と、絶縁層
と、電極とを有する半導体メモリにおいて、ソース領域
とドレイン領域間のチャンネル領域に、外部電圧の供給
によってポテンシャルを制御できる極薄障壁層を挟んだ
ことを特徴とする半導体デバイス。
2. In a semiconductor memory having a source region, a channel region, a drain region, a charge storage layer, an insulating layer, and an electrode on a semiconductor substrate, a channel region between the source region and the drain region, A semiconductor device having an ultrathin barrier layer sandwiched between potentials which can be controlled by supplying an external voltage.
【請求項3】 ドレイン領域と障壁層とソース領域とが
積層された構造を有する半導体デバイスであって、障壁
層を極薄層で形成し、上記積層された構造に金属学的な
チャンネル領域のないことを特徴とする半導体デバイ
ス。
3. A semiconductor device having a structure in which a drain region, a barrier layer, and a source region are stacked, wherein the barrier layer is formed of an extremely thin layer, and a metallurgical channel region is formed in the stacked structure. A semiconductor device characterized by the absence thereof.
【請求項4】 半導体基板上に、順次、ソース領域と、
第一のチャンネル領域と、極薄障壁層と、第二のチャン
ネル領域と、ドレイン領域と、絶縁層と、電極とを有
し、ドレイン領域と極薄障壁層で形成される真性ゲート
ポテンシャル鞍部の距離を平均自由行程以下に形成した
ことを特徴とする半導体デバイス。
4. A source region is sequentially formed on the semiconductor substrate,
The intrinsic gate potential saddle portion having the first channel region, the ultra-thin barrier layer, the second channel region, the drain region, the insulating layer, and the electrode, and the intrinsic gate potential saddle portion formed by the drain region and the ultra-thin barrier layer. A semiconductor device characterized in that the distance is formed to be less than the mean free path.
【請求項5】 前記障壁層が、極薄ホモ接合構造である
ことを特徴とする請求項1,2,3又は4記載の半導体
デバイス。
5. The semiconductor device according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the barrier layer has an ultrathin homojunction structure.
【請求項6】 前記障壁層が、極薄ヘテロ接合構造であ
ることを特徴とする請求項1,2,3又は4記載の半導
体デバイス。
6. The semiconductor device according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the barrier layer has an ultrathin heterojunction structure.
【請求項7】 前記障壁層が、極薄絶縁層で形成されて
いることを特徴とする請求項1,2,3又は4記載の半
導体デバイス。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the barrier layer is formed of an extremely thin insulating layer.
【請求項8】 前記障壁層が、極薄ヘテロ接合で形成さ
れ、量子井戸ポテンシャルを形成することを特徴とする
請求項1,2,3又は4記載の半導体デバイス。
8. The semiconductor device according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the barrier layer is formed of an ultrathin heterojunction and forms a quantum well potential.
【請求項9】 半導体基板上に、ソース領域を形成する
第1の工程と、第一のチャンネル領域を形成する第2の
工程と、障壁層を形成する第3の工程と、第二のチャン
ネル領域を形成する第4の工程と、ドレイン領域を形成
する第5の工程と、絶縁層を形成する第6の工程と、ド
レイン領域に対応する表面電極を形成する第7の工程
と、ソース電極を形成する第8の工程を有する半導体デ
バイスの製造方法であって、 電極を形成する上記第7の工程と第9の工程が、成長装
置から取り出さないでその場で選択的に金属堆積及び低
抵抗半導体堆積、或いは両方を行う工程としたことを特
徴とする半導体デバイスの製造方法。
9. A first step of forming a source region, a second step of forming a first channel region, a third step of forming a barrier layer, and a second channel on a semiconductor substrate. A fourth step of forming a region, a fifth step of forming a drain region, a sixth step of forming an insulating layer, a seventh step of forming a surface electrode corresponding to the drain region, and a source electrode A method of manufacturing a semiconductor device having an eighth step of forming an electrode, wherein the seventh step and the ninth step of forming an electrode selectively perform metal deposition and low deposition in-situ without taking out from the growth apparatus. A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that a step of performing resistance semiconductor deposition or both of them is performed.
【請求項10】 前記ソース領域を形成する第1の工程
が、GaAs結晶基板を特定温度の下、AsH3 雰囲気
中で表面処理を行う前工程を有する工程であることを特
徴とする請求項9記載の半導体デバイスの製造方法。
10. The first step of forming the source region is a step having a pre-step of performing a surface treatment on the GaAs crystal substrate in an AsH 3 atmosphere at a specific temperature. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
【請求項11】 半導体基板上に、ソース領域を形成す
る第1の工程と、第一のチャンネル領域を形成する第2
の工程と、障壁層を形成する第3の工程と、第二のチャ
ンネル領域を形成する第4の工程と、ドレイン領域を形
成する第5の工程と、絶縁層を形成する第6の工程と、
ゲートメサ部を形成する第7の工程と、ゲート領域を形
成する第8の工程と、ドレイン領域に対応する表面電極
を形成する第9の工程と、ソース電極を形成する第10
の工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、 上記ゲートメサ部を形成する工程が、その場で光照射低
温エッチングである工程としたことを特徴とする半導体
デバイスの製造方法。
11. A first step of forming a source region and a second step of forming a first channel region on a semiconductor substrate.
Step, a third step of forming a barrier layer, a fourth step of forming a second channel region, a fifth step of forming a drain region, and a sixth step of forming an insulating layer. ,
A seventh step of forming a gate mesa portion, an eighth step of forming a gate region, a ninth step of forming a surface electrode corresponding to the drain region, and a tenth step of forming a source electrode.
A method of manufacturing a semiconductor device, which comprises the step of, wherein the step of forming the gate mesa portion is a step of in-situ light irradiation low temperature etching.
【請求項12】 前記光照射低温エッチングが、GaA
s結晶基板の表面に吸着させた塩素ガスによる分子層エ
ッチング工程としたことを特徴とする請求項11記載の
半導体デバイスの製造方法。
12. The light irradiation low temperature etching is GaA.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein a molecular layer etching step using chlorine gas adsorbed on the surface of the s crystal substrate is performed.
【請求項13】 前記ソース領域を形成する第1の工程
が、GaAs結晶基板を特定温度の下、AsH3 雰囲気
中で表面処理を行う前工程を有する工程であることを特
徴とする請求項11記載の半導体デバイスの製造方法。
13. The first step of forming the source region is a step having a pre-step of performing a surface treatment on the GaAs crystal substrate in an AsH 3 atmosphere at a specific temperature. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
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