JPH09331064A - Quantum effect element and its manufacturing method, semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Quantum effect element and its manufacturing method, semiconductor device and its manufacturing method

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JPH09331064A
JPH09331064A JP9064724A JP6472497A JPH09331064A JP H09331064 A JPH09331064 A JP H09331064A JP 9064724 A JP9064724 A JP 9064724A JP 6472497 A JP6472497 A JP 6472497A JP H09331064 A JPH09331064 A JP H09331064A
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清之 森田
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廉 森本
Sei Araki
聖 荒木
Yoshihiko Hirai
義彦 平井
Koichiro Yuki
康一郎 幸
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire the low power consumption element in the minimum exclusive element area by a method in which the element is provided with a quantum fine wire having an insular part made of silicon to be held by a pair of tunnel barrier parts as well as a gate electrode provided through the intermediary of a gate insulating film formed on the insular part. SOLUTION: A pair of tunnel barrier parts 12 are formed on a silicon made quantum fine wire 11 at a mutual interval in the extending direction of the quantum fine wire 11. Furthermore, a gate insulating film 13 is formed on the insular part 11a of the quantum fine wire 11 held by the pair of tunnel barrier parts 12 so as to form a gate electrode 14 on the opposite surface to the quantum fine wire 11 of the gate insulating film 13. For example, the width and the film thickness of the quantum fine wire 11 is specified to be about 10nm while the tunnel barrier parts 12 are formed by locally oxidizing the quantum fine wire 11 by 2nm-5nm in the film thickness direction. Furthermore, a potential controlling gate electrode 14 is provided on one side part of the silicon insular part 11a through the intermediary of the gate insulating film 13 made of a silicon oxide film.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、量子効果素子及びその製造方
法、並びに半導体細線を用いた単電子トランジスタによ
り二分決定グラフ回路を形成し該回路を簡潔化した半導
体装置及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, a quantum effect element and a method of manufacturing the same, and a binary decision graph circuit is formed by a single electron transistor using a semiconductor thin wire, and the circuit is simplified. Semiconductor device and its manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、パーソナル携帯機器に対するLS
Iの低消費電力化の強い要求がある。LSIの低消費電
力化は、携帯機器全体の低消費電力化をもたらすため、
電池駆動における動作時間の延長を可能にするからであ
り、このため、半導体素子の低消費電力化が着実に進め
られてきている。
2. Description of the Related Art In recent years, LS for personal portable devices
There is a strong demand for low power consumption of I. Since lower power consumption of LSI brings lower power consumption of the entire mobile device,
This is because it is possible to extend the operation time in battery driving, and for this reason, reduction in power consumption of semiconductor elements has been steadily promoted.

【0003】近年、半導体素子の主流となっているCM
OS型半導体素子にあっては、その消費電力PがP=f
・C・V2 で表わされる。ここで、fは回路の動作周波
数、Cは回路全体の等価容量、Vは動作電源電圧であ
る。これにより、動作周波数fを同一として比較した場
合に、消費電力Pを低減するには、回路全体の等価容量
Cを低減し、動作電源電圧Vを小さくすることが必要と
なる。容量を低減し、動作電圧を小さくすることは、即
ち、移動するキャリアの数を減少させることに対応す
る。
CM, which has become the mainstream of semiconductor devices in recent years,
In an OS type semiconductor element, the power consumption P is P = f
・ Represented by C · V 2 . Here, f is the operating frequency of the circuit, C is the equivalent capacitance of the entire circuit, and V is the operating power supply voltage. Therefore, when the operating frequencies f are the same and compared, in order to reduce the power consumption P, it is necessary to reduce the equivalent capacitance C of the entire circuit and reduce the operating power supply voltage V. Reducing the capacity and operating voltage corresponds to reducing the number of moving carriers.

【0004】従って、半導体素子の低消費電力化を図る
ためには、信号を伝達するキャリアの数を減少させるこ
とが必要である。単一電子素子はその究極の形であり、
信号を1つの電子で伝達する(Nakazato et al., IEDM
Tech. Digest, p487(1992))。この単一電子素子はポス
トSi−VLSIの最有力候補として注目を集めてい
る。近年の微細加工技術の進展に伴って、電子の波長と
同程度の微細構造を形成することが可能になり、数個の
電子を用いた素子でビット情報を表わし、今日の半導体
デバイスの概念の延長で単一電子素子を構築する試みが
なされている。
Therefore, in order to reduce the power consumption of the semiconductor element, it is necessary to reduce the number of carriers transmitting signals. The single electronic element is its ultimate form,
Transmission of signal by one electron (Nakazato et al., IEDM
Tech. Digest, p487 (1992)). This single-electron device is attracting attention as the most promising candidate for post-Si-VLSI. With the recent progress in microfabrication technology, it has become possible to form microstructures of the same order as the wavelength of electrons, and bit information is represented by an element using several electrons. Attempts have been made to build single electronic devices with extensions.

【0005】以下、従来の4端子単一電子素子を図面を
参照しながら説明する。
A conventional four-terminal single electronic device will be described below with reference to the drawings.

【0006】図9(a)は従来の疑似CMOS単一電子
回路に用いる4端子単一電子素子を示す概略回路図であ
る(Tucker JR : J. Appl. Phys. 72, 4399 (1992))。
図9(a)に示すように、従来の4端子単一電子素子
は、一方の電極が共通接続部101に接続され、他方の
電極がドレイン端子102に接続された第1のトンネル
接合103と、一方の電極が共通接続部101に接続さ
れ、他方の電極がソース端子104に接続された第2の
トンネル接合105と、一方の電極が共通接続部101
に接続され、他方の電極がゲート端子106に接続され
た第1のキャパシタ107と、一方の電極が共通接続部
101に接続され、他方の電極が電源端子108に接続
された第2のキャパシタ109とから構成されている。
FIG. 9A is a schematic circuit diagram showing a four-terminal single electronic device used in a conventional pseudo CMOS single electronic circuit (Tucker JR: J. Appl. Phys. 72, 4399 (1992)).
As shown in FIG. 9A, the conventional four-terminal single-electron element has a first tunnel junction 103 in which one electrode is connected to the common connection portion 101 and the other electrode is connected to the drain terminal 102. , A second tunnel junction 105 in which one electrode is connected to the common connection portion 101 and the other electrode is connected to the source terminal 104, and one electrode is connected to the common connection portion 101.
And a second capacitor 109 having one electrode connected to the common connection portion 101 and the other electrode connected to the power supply terminal 108. It consists of and.

【0007】4端子単一電子素子の動作は、例えば、電
源端子108を電源電圧VDDに設定し、ゲート端子10
6をゲート電極として動作させれば、n型素子となり、
電源端子108を接地し、ゲート端子106をゲート電
極として動作させれば、p型素子となる。従って、これ
らn型とp型との4端子単一電子素子を1つずつ組み合
わせれば、CMOS回路と同等な回路を構築することが
できる。図9(b)は従来の4端子単一電子素子の動作
のシミュレーション結果であり、MOSFETのVd−
Id特性と同様な特性が得られることが予測されてい
る。
The operation of the four-terminal single-electron element is performed, for example, by setting the power supply terminal 108 to the power supply voltage VDD and
If 6 is operated as a gate electrode, it becomes an n-type element,
If the power supply terminal 108 is grounded and the gate terminal 106 is operated as a gate electrode, a p-type element is obtained. Therefore, a circuit equivalent to a CMOS circuit can be constructed by combining these n-type and p-type 4-terminal single electronic elements one by one. FIG. 9B is a simulation result of the operation of the conventional four-terminal single electronic element, which is Vd− of the MOSFET.
It is predicted that a characteristic similar to the Id characteristic will be obtained.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の単一電子素子は、信号を1つの電子で伝達するもの
であり、低消費電力化の観点からは究極のデバイスの一
つと考えられるものの、以下に挙げるように2つの問題
を有している。
However, the above-mentioned conventional single-electron element transmits a signal by one electron and is considered to be one of the ultimate devices from the viewpoint of low power consumption. There are two problems as listed below.

【0009】第1の問題は加工技術にある。加工技術に
関しては、量産性及び材料安定性に優れたシリコンを用
いて図9(a)の素子を実現しようとする場合には、図
9(b)に示されているように、トンネル接合の容量を
数aF(アトファラッド:10-18 F)と極めて小さな
値にする必要があり、nmレベルの微細加工技術が不可
欠となる。従来の電子線リソグラフィー技術を用いた量
子効果素子の製造方法では、幅10nm程度の描画が限
界であり、顕著な量子効果が期待できる数nm以下の素
子形成は困難であるという問題を有している。また、電
子線を用いた場合には、シリコン基板表面にプロセスダ
メージが生じるため、素子特性を劣化させるという問題
を有している。
The first problem lies in processing technology. Regarding the processing technique, when it is attempted to realize the device of FIG. 9A using silicon, which is excellent in mass productivity and material stability, as shown in FIG. It is necessary to set the capacity to an extremely small value of several aF (at farad: 10 -18 F), and nano-scale fine processing technology is indispensable. The conventional method for manufacturing a quantum effect device using electron beam lithography has a problem that drawing with a width of about 10 nm is the limit, and it is difficult to form a device with a size of several nm or less where a remarkable quantum effect can be expected. There is. Further, when an electron beam is used, the surface of the silicon substrate is damaged, which causes a problem of deteriorating the device characteristics.

【0010】第2の問題は回路技術にある。回路技術に
関しては、単一電子素子は従来のVLSIの主流である
CMOS技術とは動作機構が異なっており、且つ、原理
的に入力電圧及び出力電圧が極めて小さいため、従来の
回路技術と異なった論理回路の技術を適用する必要があ
る。これに対して、単電子トランジスタを用いて二分決
定グラフ回路を構築するという提案が出ている(雨宮好
仁ら,応用物理,64,No.8, 765-768(1995))。
The second problem lies in circuit technology. Regarding the circuit technology, the single electronic device has a different operation mechanism from the CMOS technology, which is the mainstream of the conventional VLSI, and the input voltage and the output voltage are extremely small in principle, so that it differs from the conventional circuit technology. It is necessary to apply the technology of logic circuits. On the other hand, a proposal has been made to construct a BDD circuit using a single electron transistor (Yoshihito Amemiya et al., Applied Physics, 64, No.8, 765-768 (1995)).

【0011】本発明は、前記従来の問題を解決し、素子
専有面積が極めて小さく、且つ、低消費電力の量子効果
素子を実現できるようにすることを目的とする。
An object of the present invention is to solve the conventional problems described above and to realize a quantum effect device having an extremely small device-occupying area and low power consumption.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、既存のシリコン半導体技術に適合する、
走査型プローブ顕微鏡を用いた電界支援酸化プロセス及
び結晶異方性エッチングを応用したダメージフリープロ
セスを用いる構成とするものである。単一電子素子は、
原理的に入力電圧及び出力電圧が非常に小さいため、電
圧振幅を大きく扱える他のデバイスと結合させる必要が
あり、本発明を用いた製造方法を用いると、現在主流で
あるSi−CMOSデバイスと容易に且つ確実に結合さ
せることができる。
To achieve the above object, the present invention is compatible with existing silicon semiconductor technology,
The structure uses a field-assisted oxidation process using a scanning probe microscope and a damage-free process to which crystal anisotropic etching is applied. The single electronic device is
Since the input voltage and the output voltage are very small in principle, it is necessary to combine them with other devices capable of handling a large voltage amplitude, and using the manufacturing method according to the present invention, it is easy to obtain Si-CMOS devices which are currently the mainstream. And can be reliably connected.

【0013】具体的に請求項1の発明が講じた解決手段
は、量子効果素子を、シリコンよりなる量子細線と、前
記量子細線に、該量子細線が延びる方向に互いに間隔を
おいて形成された一対のトンネル障壁部と、前記量子細
線における前記一対のトンネル障壁部により挟まれてな
る島部に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜
の前記量子細線に対する反対側の面に形成されたゲート
電極とを備えている構成とするものである。
[0013] Specifically, in the solving means devised by the invention of claim 1, the quantum effect element is formed by a quantum wire made of silicon and formed on the quantum wire at intervals in a direction in which the quantum wire extends. A pair of tunnel barrier portions, a gate insulating film formed on an island portion of the quantum wire sandwiched by the pair of tunnel barrier portions, and a surface of the gate insulating film opposite to the quantum wire. A gate electrode is provided.

【0014】請求項1の構成により、シリコンよりな
り、一対のトンネル障壁部に挟まれてなる島部を有する
量子細線と、該島部に形成されたゲート絶縁膜を介して
設けられたゲート電極とを備えているため、量子細線の
一端部をソース電極とし、他端部をドレイン電極とする
と、疑似CMOS単一電子回路に用いる単一電子素子を
確実に実現できる。さらに、島部のゲート電極に対する
反対側の側部に絶縁膜を介して別のゲート電極を設けれ
ば、4端子単一電子素子を容易に実現することができ
る。
According to the structure of claim 1, a quantum wire made of silicon and having an island portion sandwiched between a pair of tunnel barrier portions, and a gate electrode provided via a gate insulating film formed on the island portion. Therefore, if one end of the quantum wire is used as the source electrode and the other end is used as the drain electrode, a single electronic element used in a pseudo CMOS single electronic circuit can be reliably realized. Furthermore, if another gate electrode is provided on the side of the island opposite to the gate electrode via an insulating film, a four-terminal single-electron device can be easily realized.

【0015】請求項2の発明が講じた解決手段は、量子
効果素子の製造方法を、SOI基板の上部シリコン層の
主面に対して全面エッチングを行なうことにより前記上
部シリコン層を薄膜化して薄膜シリコン層を形成する工
程と、前記薄膜シリコン層の主面に導電性プローブ針を
接近させると共に、該導電性プローブ針を前記SOI基
板の一辺に対して平行に且つ前記主面に沿って走査させ
て電界支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリコン
層の表面に電界支援酸化膜よりなる第1の直線パターン
を形成する工程と、前記第1の直線パターンの所定領域
に導電性プローブ針を接近させると共に、該導電性プロ
ーブ針を前記第1の直線パターンに対して垂直に且つ前
記主面に沿って走査させて電界支援酸化を行なうことに
より、前記薄膜シリコン層の表面に、電界支援酸化膜よ
りなり、前記第1の直線パターンと交差部を有する第2
の直線パターンを形成する工程と、前記第1の直線パタ
ーン及び第2の直線パターンをマスクにして前記薄膜シ
リコン層に対して異方性エッチングを行なうことによ
り、シリコンよりなり交差部を有する第1の量子細線及
び第2の量子細線を形成する工程と、前記第1の直線パ
ターン及び第2の直線パターンを除去した後、前記第1
の量子細線における交差部を挟む第1の領域及び第2の
領域に導電性プローブ針を順次接近させて電界支援酸化
を行なうことにより、前記第1の領域及び第2の領域に
電界支援酸化膜よりなるトンネル障壁をそれぞれ形成す
る工程と、前記第2の量子細線における交差部を挟む第
3の領域及び第4の領域に導電性プローブ針を順次接近
させて電界支援酸化を行なうことにより、前記第3の領
域及び第4の領域に電界支援酸化膜よりなる絶縁膜をそ
れぞれ形成する工程とを備えている構成とするものであ
る。
According to a second aspect of the present invention, the quantum effect device is manufactured by a method of manufacturing a quantum effect device, in which the main surface of the upper silicon layer of the SOI substrate is entirely etched to form a thin film of the upper silicon layer. A step of forming a silicon layer, and bringing a conductive probe needle close to the main surface of the thin film silicon layer, and scanning the conductive probe needle parallel to one side of the SOI substrate and along the main surface. Forming a first linear pattern of an electric field assisted oxide film on the surface of the thin film silicon layer by performing electric field assisted oxidation with the conductive thin film silicon layer, and bringing a conductive probe needle close to a predetermined region of the first linear pattern. At the same time, the conductive probe needle is scanned perpendicularly to the first linear pattern and along the main surface to perform electric field-assisted oxidation, whereby the thin film shield is formed. The surface of the con layer made of a field-assisted oxide film, first with crossed portion between the first linear pattern 2
Forming a straight line pattern, and anisotropically etching the thin film silicon layer using the first straight line pattern and the second straight line pattern as a mask, thereby forming a first cross-section made of silicon. Forming a quantum wire and a second quantum wire, and after removing the first straight line pattern and the second straight line pattern,
Field-assisted oxidation film is formed on the first region and the second region by sequentially approaching the conductive probe needles to the first region and the second region sandwiching the intersecting portion of the quantum wire and performing the field-assisted oxidation. By forming electric field assisted oxidation by sequentially making conductive probe needles approach the third region and the fourth region sandwiching the intersection in the second quantum wire, respectively. And a step of forming an insulating film made of an electric field assisting oxide film in the third region and the fourth region, respectively.

【0016】請求項2の構成により、上部シリコン層を
薄膜化して薄膜シリコン層を形成した後、導電性プロー
ブ針を薄膜シリコン層の主面に接近させ、且つ、該主面
に沿って走査させることにより、電界支援酸化膜よりな
る第1の直線パターン及び該第1の直線パターンと交差
する第2の直線パターンを形成し、その後、第1及び第
2の直線パターンをマスクにして薄膜シリコン層に対し
て異方性エッチングを行なうことにより、互いに交差す
る交差部を有する第1及び第2の量子細線とを形成し、
第1の量子細線の交差部を挟む第1の領域及び第2の領
域に導電性プローブ針を順次接近させて電界支援酸化膜
よりなるトンネル障壁をそれぞれ形成すると共に、第2
の量子細線の交差部を挟む第3の領域及び第4の領域に
導電性プローブ針を順次接近させて電界支援酸化膜より
なる絶縁膜をそれぞれ形成するため、第1の量子細線の
第1の領域側の端部をソース電極とし、第2の領域側の
端部をドレイン電極とし、第2の量子細線の第3の領域
側の端部を第1のゲート電極とし、第4の領域側の端部
を第2のゲート電極とすると、疑似CMOS単一電子回
路に用いる4端子単一電子素子を確実に実現することが
できる。
According to the structure of claim 2, after the upper silicon layer is thinned to form the thin film silicon layer, the conductive probe needle is brought close to the main surface of the thin film silicon layer and is scanned along the main surface. As a result, a first straight line pattern made of an electric field assisted oxide film and a second straight line pattern intersecting the first straight line pattern are formed, and then the first and second straight line patterns are used as masks to form a thin film silicon layer. Anisotropic etching is performed on the first and second quantum wires having intersecting portions that intersect each other,
Conductive probe needles are sequentially brought close to the first region and the second region sandwiching the intersection of the first quantum wires to form tunnel barriers made of an electric field assisting oxide film, respectively, and
The conductive probe needles are sequentially brought close to the third region and the fourth region sandwiching the intersection of the quantum wires to form the insulating film made of the electric field assisting oxide film, respectively. The end on the region side is the source electrode, the end on the second region side is the drain electrode, the end on the third region side of the second quantum wire is the first gate electrode, and the fourth region side. By using the end portion of the second gate electrode as the second gate electrode, it is possible to surely realize the 4-terminal single-electron element used in the pseudo CMOS single-electron circuit.

【0017】請求項3の発明が講じた解決手段は、半導
体装置を、SOI基板上に形成されたシリコンよりなる
島形状のキャリア転送部と、SOI基板上で且つ前記キ
ャリア転送部の一端部に第1のトンネル障壁を介して形
成されたシリコンよりなる第1の量子細線と、SOI基
板上で且つ前記キャリア転送部の他端部に第2のトンネ
ル障壁を介して形成されたシリコンよりなる第2の量子
細線と、SOI基板上で且つ前記キャリア転送部の前記
一端部と前記他端部との間に第3のトンネル障壁を介し
て形成されたシリコンよりなる第3の量子細線と、前記
キャリア転送部に絶縁膜を介して形成された第1の制御
電極と、前記第2の量子細線に絶縁膜を介して形成され
た第2の制御電極と、前記第3の量子細線に絶縁膜を介
して形成された第3の制御電極とを備えている構成とす
るものである。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device in which an island-shaped carrier transfer portion made of silicon formed on an SOI substrate and an end portion of the carrier transfer portion on the SOI substrate. A first quantum wire made of silicon formed via a first tunnel barrier, and a first quantum wire made of silicon formed on the SOI substrate and at the other end of the carrier transfer portion via a second tunnel barrier. 2 quantum wire, a third quantum wire made of silicon formed on the SOI substrate between the one end and the other end of the carrier transfer portion via a third tunnel barrier, and A first control electrode formed on the carrier transfer portion via an insulating film, a second control electrode formed on the second quantum wire via an insulating film, and an insulating film on the third quantum wire. Formed through It is an arrangement and a control electrode.

【0018】請求項3の構成により、第1の量子細線を
入力端子とし、第2の量子細線を第1の出力端子とし、
第3の量子細線を第2の出力端子とし、入力端子に入力
され、キャリア転送部に絶縁膜を介して形成された第1
の制御電極に電位を印加することにより該キャリア転送
部に転送されたキャリアを、第2の量子細線に絶縁膜を
介して形成された第2の制御電極、又は第3の量子細線
に絶縁膜を介して形成された第3の制御電極に電位を印
加することにより、第1の出力端子又は第2の出力端子
に出力する二分決定グラフ回路を確実に実現することが
できる。
According to the structure of claim 3, the first quantum wire is used as an input terminal and the second quantum wire is used as a first output terminal.
The third quantum wire is used as the second output terminal, the first terminal is input to the input terminal and is formed in the carrier transfer portion via the insulating film.
Carriers transferred to the carrier transfer unit by applying a potential to the control electrode of the second control electrode formed on the second quantum thin wire via the insulating film or the third quantum wire of the insulating film. By applying a potential to the third control electrode formed through the, it is possible to surely realize the BDD circuit which outputs to the first output terminal or the second output terminal.

【0019】請求項4の発明は、請求項3の構成に、前
記第1、第2及び第3のトンネル障壁は、量子細線の一
部分が他の部分よりも断面積が小さく形成された量子細
線コンストリクションよりなる構成を付加するものであ
る。
According to a fourth aspect of the present invention, in the structure of the third aspect, the first, second, and third tunnel barriers are formed of a quantum thin wire in which a part of the quantum thin wire has a smaller cross-sectional area than other portions. This is to add a configuration consisting of constriction.

【0020】請求項5の発明が講じた解決手段は、半導
体装置を、SOI基板上に形成されたシリコンよりなる
島形状の第1のキャリア転送部と、SOI基板上で且つ
前記第1のキャリア転送部の一端部に第1のトンネル障
壁を介して形成されたシリコンよりなる第1の量子細線
と、SOI基板上で且つ前記第1のキャリア転送部の他
端部に第2のトンネル障壁を介して形成されたシリコン
よりなる第2の量子細線と、SOI基板上で且つ前記第
1のキャリア転送部の前記一端部と前記他端部との間に
第3のトンネル障壁を介して形成されたシリコンよりな
る島形状の第2のキャリア転送部と、SOI基板上で且
つ前記第2のキャリア転送部における前記第2の量子細
線側の側部に第4のトンネル障壁を介して形成されたシ
リコンよりなる第3の量子細線と、前記第1のキャリア
転送部に絶縁膜を介して形成された第1の制御電極と、
前記第2の量子細線及び第3の量子細線に絶縁膜を介し
て形成された第2の制御電極と、前記第2のキャリア転
送部に絶縁膜を介して形成された第3の制御電極とを備
えている構成とするものである。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a semiconductor device, an island-shaped first carrier transfer portion formed of silicon, formed on an SOI substrate; A first quantum wire made of silicon is formed at one end of the transfer section through the first tunnel barrier, and a second tunnel barrier is provided on the SOI substrate and at the other end of the first carrier transfer section. And a second quantum thin line made of silicon formed on the SOI substrate and between the one end and the other end of the first carrier transfer unit via a third tunnel barrier. And an island-shaped second carrier transfer portion made of silicon and formed on the SOI substrate and on a side portion of the second carrier transfer portion on the side of the second quantum wire via a fourth tunnel barrier. No. 1 made of silicon And quantum wire, a first control electrode formed via an insulating film on the first carrier transfer portion,
A second control electrode formed on the second quantum wire and the third quantum wire via an insulating film; and a third control electrode formed on the second carrier transfer unit via an insulating film. Is provided.

【0021】請求項5の構成により、第1の量子細線を
入力端子とし、第2の量子細線を第1の出力端子とし、
第3の量子細線を第2の出力端子とし、入力端子に入力
され、第1のキャリア転送部に絶縁膜を介して形成され
た第1の制御電極に電位を印加することにより該第1の
キャリア転送部に転送されたキャリアを、第2の量子細
線及び第3の量子細線に絶縁膜を介して形成された第2
の制御電極、又は第2のキャリア転送部に絶縁膜を介し
て形成された第3の制御電極に電位を印加することによ
り、第1の出力端子又は第2の出力端子に出力する二分
決定グラフ回路を確実に実現することができる。
According to the structure of claim 5, the first quantum wire is used as an input terminal and the second quantum wire is used as a first output terminal.
The third quantum thin wire is used as the second output terminal, the potential is applied to the first control electrode which is input to the input terminal and is formed in the first carrier transfer portion via the insulating film. The carrier transferred to the carrier transfer unit is transferred to the second quantum wire and the third quantum wire through the second insulating film formed via the insulating film.
A binary decision graph output to the first output terminal or the second output terminal by applying an electric potential to the control electrode of the second control electrode or the third control electrode formed on the second carrier transfer portion via the insulating film. The circuit can be reliably realized.

【0022】請求項6の発明は、請求項5の構成に、前
記第1、第2、第3及び第4のトンネル障壁は、量子細
線の一部分が他の部分よりも断面積が小さく形成された
量子細線コンストリクションよりなる構成を付加するも
のである。
According to a sixth aspect of the present invention, in the structure of the fifth aspect, the first, second, third, and fourth tunnel barriers are formed such that a portion of the quantum wire has a smaller cross-sectional area than the other portions. In addition, a structure consisting of quantum wire constriction is added.

【0023】請求項7の発明が講じた解決手段は、半導
体装置の製造方法を、SOI基板の上部シリコン層の主
面に対して全面エッチングを行なうことにより前記上部
シリコン層を薄膜化して薄膜シリコン層を形成する工程
と、前記上部シリコン層の主面に導電性プローブ針を接
近させると共に、該導電性プローブ針を前記SOI基板
の一辺に対して平行に且つ前記主面に沿って走査させて
電界支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリコン層
の表面に電界支援酸化膜よりなる第1の直線パターンを
形成する工程と、前記第1の直線パターンの所定領域に
導電性プローブ針を接近させると共に、該導電性プロー
ブ針を前記第1の直線パターンに対して垂直に且つ前記
主面に沿って走査させて電界支援酸化を行なうことによ
り、前記薄膜シリコン層の表面に、電界支援酸化膜より
なり、前記第1の直線パターンと第1の分岐部により接
続される第2の直線パターンを形成する工程と、前記第
2の直線パターンの所定領域に導電性プローブ針を接近
させると共に、該導電性プローブ針を前記第2の直線パ
ターンに対して垂直に且つ前記主面に沿って走査させて
電界支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリコン層
の表面に、電界支援酸化膜よりなり、前記第2の直線パ
ターンと第2の分岐部により接続される第3の直線パタ
ーンを形成する工程と、前記第1の直線パターン、第2
の直線パターン及び第3の直線パターンをマスクにして
前記薄膜シリコン層に対して異方性エッチングを行なう
ことにより、シリコンよりなり、第1の分岐部において
互いに接続される第1の量子細線及び第2の量子細線
と、該第2の量子細線と第2の分岐部において接続され
る第3の量子細線とを形成する工程と、前記第1の量子
細線における前記第1の分岐部に対する前記第3の量子
細線の反対側の第1の領域に導電性プローブ針を接近さ
せて電界支援酸化を行なうことにより、前記第1の領域
に電界支援酸化膜よりなる第1のトンネル障壁を形成す
る工程と、前記第1の量子細線における前記第1の分岐
部に対する前記第3の量子細線側の第2の領域に導電性
プローブ針を接近させて電界支援酸化を行なうことによ
り、前記第2の領域に電界支援酸化膜よりなる第2のト
ンネル障壁を形成する工程と、前記第2の量子細線にお
ける前記第2の分岐部に対する前記第1の分岐部側の第
3の領域に導電性プローブ針を接近させて電界支援酸化
を行なうことにより、前記第3の領域に電界支援酸化膜
よりなる第3のトンネル障壁を形成する工程と、前記第
3の量子細線における前記第2の分岐部側の第4の領域
に導電性プローブ針を接近させて電界支援酸化を行なう
ことにより、前記第4の領域に電界支援酸化膜よりなる
第4のトンネル障壁を形成する工程と、前記SOI基板
の上に全面にわたって層間絶縁膜を堆積する工程と、前
記層間絶縁膜の上で且つ前記第1の分岐部の上方の領域
に第1の制御電極を形成する工程と、前記層間絶縁膜の
上であって、前記第1の量子細線における前記第2のト
ンネル障壁に対する前記第3の量子細線側の上方の領域
及び前記第3の量子細線の上方の領域に第2の制御電極
を形成する工程と、前記層間絶縁膜の上で且つ前記第2
の分岐部の上方の領域に第3の制御電極を形成する工程
とを備えている構成とするものである。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, wherein a main surface of an upper silicon layer of an SOI substrate is entirely etched to reduce the thickness of the upper silicon layer to form a thin film silicon. Forming a layer, bringing a conductive probe needle close to the main surface of the upper silicon layer, and scanning the conductive probe needle parallel to one side of the SOI substrate and along the main surface. Performing a field-assisted oxidation to form a first linear pattern of the field-assisted oxide film on the surface of the thin film silicon layer; and bringing a conductive probe needle close to a predetermined region of the first linear pattern. , The conductive probe needle is scanned perpendicularly to the first linear pattern and along the main surface to perform electric field-assisted oxidation, whereby the thin film silicon Forming a second straight line pattern, which is formed of an electric field assisted oxide film and is connected to the first straight line pattern by the first branch portion, on a surface of the conductive layer; and in a predetermined region of the second straight line pattern. The electric field assisted oxidation is performed by bringing the conductive probe needle close to the conductive probe needle and scanning the conductive probe needle perpendicularly to the second linear pattern and along the main surface to perform the electric field assisted oxidation. A step of forming a third straight line pattern made of an electric field assisting oxide film and connected to the second straight line pattern by the second branch portion; the first straight line pattern;
Anisotropic etching is performed on the thin film silicon layer using the linear pattern and the third linear pattern as a mask to form a first quantum wire and a first quantum wire made of silicon and connected to each other at the first branch portion. Forming a second quantum wire and a third quantum wire connected to the second quantum wire at a second branch; and the first quantum wire for the first branch in the first quantum wire. A step of forming a first tunnel barrier made of an electric field assisted oxide film in the first region by bringing a conductive probe needle close to the first region opposite to the quantum wire of No. 3 to perform electric field assisted oxidation. And a second region on the side of the third quantum wire with respect to the first branch of the first quantum wire by bringing the conductive probe needle close to perform electric field-assisted oxidation, thereby forming the second area. Forming a second tunnel barrier made of an electric field assisting oxide film, and bringing a conductive probe needle close to a third region of the second quantum wire on the side of the first branch with respect to the second branch. And performing field-assisted oxidation to form a third tunnel barrier made of an field-assisted oxide film in the third region, and a fourth branch on the second branch portion side of the third quantum wire. Forming a fourth tunnel barrier made of an electric field assisted oxide film in the fourth region by bringing a conductive probe needle close to the region to perform electric field assisted oxidation; and covering the entire surface of the SOI substrate with the fourth tunnel barrier. A step of depositing an interlayer insulating film; a step of forming a first control electrode on the interlayer insulating film and in a region above the first branch portion; On the first quantum wire Forming a second control electrode in a region above the third quantum wire side with respect to the second tunnel barrier and in a region above the third quantum wire, and on the interlayer insulating film, The second
And a step of forming a third control electrode in a region above the branch portion of the above.

【0024】請求項7の構成により、第1の量子細線に
おける第1の領域側の端部を入力端子とし、第1の量子
細線における第2の領域側の端部を第1の出力端子と
し、第3の量子細線の端部を第2の出力端子とし、入力
端子に入力され、層間絶縁膜を介して第1の分岐部の上
方の領域に形成された第1の制御電極に電位を印加する
ことにより第1の分岐部に転送されたキャリアを、層間
絶縁膜を介して第1の量子細線における第2のトンネル
障壁に対する第3の量子細線側の上方の領域及び第3の
量子細線の上方の領域に形成された第2の制御電極に、
又は層間絶縁膜を介して第2の分岐部の上方の領域に形
成された第3の制御電極に電位を印加することにより、
第1の出力端子又は第2の出力端子に出力する二分決定
グラフ回路を確実に実現することができる。
According to the structure of claim 7, the end portion of the first quantum wire on the side of the first region is an input terminal, and the end portion of the first quantum wire on the side of the second region is a first output terminal. , The end of the third quantum wire is used as the second output terminal, the potential is applied to the input terminal, and the potential is applied to the first control electrode formed in the region above the first branch through the interlayer insulating film. The carriers transferred to the first branch portion by applying the third quantum wire and the region above the third quantum wire side with respect to the second tunnel barrier in the first quantum wire through the interlayer insulating film. To the second control electrode formed in the region above
Alternatively, by applying a potential to the third control electrode formed in the region above the second branch portion via the interlayer insulating film,
It is possible to reliably realize the BDD circuit which outputs to the first output terminal or the second output terminal.

【0025】請求項8の発明は、請求項7の構成に、前
記第1、第2、第3及び第4のトンネル障壁は、量子細
線の断面が完全に酸化されることにより形成されている
構成を付加するものである。
According to an eighth aspect of the present invention, in the structure of the seventh aspect, the first, second, third and fourth tunnel barriers are formed by completely oxidizing the cross section of the quantum wire. The configuration is added.

【0026】請求項9の発明は、請求項7の構成に、前
記第1、第2、第3及び第4のトンネル障壁は、量子細
線の断面の一部が酸化されることにより形成されている
構成を付加するものである。
According to a ninth aspect of the present invention, in the structure according to the seventh aspect, the first, second, third and fourth tunnel barriers are formed by oxidizing a part of a cross section of the quantum wire. The configuration is added.

【0027】請求項10の発明は、請求項8又は9の構
成に、前記SOI基板における薄膜シリコン層の膜厚は
50nm以下である構成を付加するものである。
According to a tenth aspect of the invention, in addition to the constitution of the eighth or ninth aspect, a constitution in which the film thickness of the thin film silicon layer in the SOI substrate is 50 nm or less is added.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(第1の実施形態)本発明の第1の実施形態を図面に基
づいて説明する。
(First Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0029】図1(a)は本発明の第1の実施形態に係
る量子効果素子を示す模式斜視図である。図1(a)に
示すように、シリコンよりなる量子細線11に、シリコ
ン酸化膜よりなる一対のトンネル障壁部12に挟まれて
なるシリコン島部11aが形成されている。シリコン島
部11aの側部の一方にはシリコン酸化膜よりなるゲー
ト絶縁膜13を介して電位制御用のゲート電極14が設
けられ、シリコン島11aの側部の他方にはシリコン酸
化膜よりなる絶縁膜15を介して電位制御用の制御電極
16が設けられている。
FIG. 1A is a schematic perspective view showing a quantum effect element according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, a quantum island 11 made of silicon is provided with a silicon island portion 11a sandwiched between a pair of tunnel barrier portions 12 made of a silicon oxide film. A gate electrode 14 for potential control is provided on one side of the silicon island 11a via a gate insulating film 13 made of a silicon oxide film, and an insulation made of a silicon oxide film is provided on the other side of the silicon island 11a. A control electrode 16 for controlling the potential is provided via the film 15.

【0030】量子細線11の幅及び膜厚は、トンネル障
壁部12の容量値が十分に小さくなるように10nm程
度が好ましい。トンネル障壁部12は、量子細線11を
局所的に膜厚方向に2nm〜5nm酸化させることによ
り形成されている。ゲート絶縁膜13及び絶縁膜15は
共にシリコン酸化膜よりなり、その幅は200nm以下
であり、好ましくは数10nmである。また、シリコン
島部11aは幅は10nmであり、長さは200nm以
下であり、数10nmが好ましい。ゲート電極14及び
制御電極16はn型不純物が高濃度に添加された単結晶
シリコンであるが、これに限らず金属であっても多結晶
シリコンであってもよい。
The width and the film thickness of the quantum wire 11 are preferably about 10 nm so that the capacitance value of the tunnel barrier portion 12 is sufficiently small. The tunnel barrier portion 12 is formed by locally oxidizing the quantum wires 11 in the film thickness direction by 2 nm to 5 nm. The gate insulating film 13 and the insulating film 15 are both made of a silicon oxide film and have a width of 200 nm or less, preferably several tens of nm. The silicon island portion 11a has a width of 10 nm and a length of 200 nm or less, preferably several tens of nm. The gate electrode 14 and the control electrode 16 are single crystal silicon to which n-type impurities are added at a high concentration, but are not limited to this and may be metal or polycrystalline silicon.

【0031】本実施形態に係る量子効果素子は、各端子
が図9(a)に示す疑似CMOS単一電子回路の4端子
単一電子素子の端子にそれぞれ対応している。すなわ
ち、量子細線11の一端11bがソース端子104に、
量子細線11の他端11cがドレイン端子102に、ゲ
ート電極14がゲート端子106に、制御電極16が電
源端子108にそれぞれ対応している。従って、制御電
極16に電源電位VDDを印加するとnチャンネルトラン
ジスタとして機能し、制御電極16に接地電位を印加す
るとpチャンネルトランジスタとして機能する。
In the quantum effect element according to this embodiment, each terminal corresponds to the terminal of the four-terminal single electronic element of the pseudo CMOS single electronic circuit shown in FIG. 9A. That is, one end 11b of the quantum wire 11 is connected to the source terminal 104,
The other end 11 c of the quantum wire 11 corresponds to the drain terminal 102, the gate electrode 14 corresponds to the gate terminal 106, and the control electrode 16 corresponds to the power supply terminal 108. Therefore, when the power supply potential VDD is applied to the control electrode 16, it functions as an n-channel transistor, and when the ground potential is applied to the control electrode 16, it functions as a p-channel transistor.

【0032】図1(b)は図1(a)に示すソース・ド
レイン方向の断面図である。シリコン島部11aはトン
ネル障壁部12を形成する一対のシリコン酸化膜17が
量子細線11が延びる方向に互いに間隔をおいて形成さ
れている。ここで、各シリコン酸化膜17は量子細線1
1の表面からそのほぼ中心部にまで形成されており、量
子細線11の底部にまでは達していない。この構造を量
子細線コンストリクション(=くびれ)構造と呼ぶ。そ
の結果、トンネル電流が流れる際に、駆動力が低下せ
ず、また、キャリアの速度も大きくなる。
FIG. 1B is a sectional view in the source / drain direction shown in FIG. In the silicon island portion 11a, a pair of silicon oxide films 17 forming the tunnel barrier portion 12 are formed at intervals in the direction in which the quantum wires 11 extend. Here, each silicon oxide film 17 is a quantum wire 1.
It is formed from the surface of 1 to almost the center thereof, and does not reach the bottom of the quantum wire 11. This structure is called a quantum wire constriction (= constriction) structure. As a result, when the tunnel current flows, the driving force does not decrease and the carrier velocity also increases.

【0033】図1(c)は図1(a)に示すソース・ド
レイン方向の断面のエネルギー準位を示す図である。図
1(c)に示すように、シリコン酸化膜17による量子
細線コンストリクション構造を有しているため、トンネ
ル障壁部12のエネルギーバンドギャップEg2が量子細
線11のエネルギーバンドギャップEg1よりも大きくな
っていることがわかる。ここで、C.B.は伝導帯、
V.B.は価電子帯をそれぞれ表わしている。
FIG. 1 (c) is a diagram showing the energy levels of the cross section in the source / drain direction shown in FIG. 1 (a). As shown in FIG. 1C, the energy band gap Eg2 of the tunnel barrier portion 12 becomes larger than the energy band gap Eg1 of the quantum wire 11 because of the quantum wire constriction structure formed by the silicon oxide film 17. You can see that Here, C.I. B. Is the conduction band,
V. B. Each represents a valence band.

【0034】このように、本実施形態の量子効果素子に
よると、電子数個でビット情報が記述でき、且つ、疑似
CMOS構造を形成できるため、極めて消費電力が小さ
い電力素子を実現できる。
As described above, according to the quantum effect element of this embodiment, bit information can be described by a few electrons and a pseudo CMOS structure can be formed, so that a power element with extremely low power consumption can be realized.

【0035】さらに、本量子効果素子は、シリコン島部
11aを含めても原理的に一辺が数10nmの素子面積
で収まるため超高集積化が可能となる。
Further, in principle, the present quantum effect device can be made highly integrated because the device area of one side is several tens of nm even if the silicon island portion 11a is included.

【0036】なお、ゲート絶縁膜13及びゲート電極1
4と、絶縁膜15及び制御電極16とは便宜上の名称で
あり、互いに対応する部材が同一であるので、ゲート絶
縁膜13側を電源端子108とし、制御電極16側をゲ
ート端子106として扱えることは明らかである。
The gate insulating film 13 and the gate electrode 1
4 and the insulating film 15 and the control electrode 16 are names for convenience, and since the corresponding members are the same, it is possible to treat the gate insulating film 13 side as the power supply terminal 108 and the control electrode 16 side as the gate terminal 106. Is clear.

【0037】以下、本発明の第1の実施形態に係る量子
効果素子の製造方法を図面に基づいて説明する。
The method of manufacturing the quantum effect device according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0038】図2(a)〜(c)及び図3は本発明の第
1の実施形態に係る量子効果素子の製造方法を示す工程
順斜視図及び断面図である。まず、図2(a)に示すよ
うに、面方位が(001)のシリコン基板21と、該シ
リコン基板21の上に形成され厚さが100nmの埋め
込み酸化膜22と、該埋め込み酸化膜22の上に形成さ
れ厚さが140nmの上部シリコン層(図示せず)とか
らなるSOI基板20を、温度が1000℃の度酸素雰
囲気中で約120分間酸化し、上部シリコン層の上部に
酸化して形成された酸化膜をフッ化水素(HF)水溶液
中で除去することにより上部シリコン層を薄膜化して、
膜厚が10nmの薄膜シリコン層23を形成する。表面
に金(Au)等をコートした導電性プローブ針(図1
(b)の符号18にその先端部のみを示す。)を有す
る、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネ
ル顕微鏡(STM)のような走査型プローブ顕微鏡を用
いて、該導電性プローブ針を薄膜化された薄膜シリコン
層23の所定領域に接近させた後、導電性プローブ針に
−10Vのバイアス電圧を印加しながら<110>結晶
軸方向に垂直、又は平行に走査して電界支援酸化を行な
うことにより、電界支援酸化膜としてのシリコン酸化膜
よりなり、交差部24Cで互いに直行する第1の直線パ
ターン24Aと第2の直線パターン24Bとを形成す
る。
2 (a) to 2 (c) and FIG. 3 are a perspective view and a sectional view in order of the steps, showing the method for manufacturing the quantum effect element according to the first embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 2A, a silicon substrate 21 having a plane orientation of (001), a buried oxide film 22 formed on the silicon substrate 21 and having a thickness of 100 nm, and the buried oxide film 22 are formed. The SOI substrate 20, which is formed on the upper silicon layer (not shown) having a thickness of 140 nm and is oxidized in an oxygen atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for about 120 minutes, is oxidized on the upper silicon layer. By removing the formed oxide film in a hydrogen fluoride (HF) aqueous solution, the upper silicon layer is thinned,
A thin film silicon layer 23 having a film thickness of 10 nm is formed. Conductive probe needle whose surface is coated with gold (Au) etc. (Fig. 1
Reference numeral 18 in (b) shows only the tip portion. ), For example, using a scanning probe microscope such as an atomic force microscope (AFM) or a scanning tunneling microscope (STM), the conductive probe needle is applied to a predetermined region of the thinned thin film silicon layer 23. After they are brought close to each other, while applying a bias voltage of −10 V to the conductive probe needle, the electric field assisted oxidation is performed by scanning in a direction perpendicular to or parallel to the <110> crystal axis direction, thereby performing silicon oxidation as an electric field assisted oxide film. A first linear pattern 24A and a second linear pattern 24B made of a film and orthogonal to each other are formed at the intersection 24C.

【0039】次に、図2(b)に示すように、エチレン
ジアミンが1000ml、ピロカテコールが144g及
び純水が290mlの混合溶液をエッチング液に用い
て、該エッチング液を温度80℃に保ちつつ、SOI基
板20に対して1分間のシリコン結晶異方性エッチング
を行なう。シリコン結晶異方性エッチングは、(11
1)面のエッチングレートが約8nm/minであるの
に対し、(100)及び(110)方向は約100nm
/minのエッチングレートを持つ。図2(b)におけ
るI−I線断面図である図2(c)に示すように、この
特性と、シリコン酸化膜よりなる第1及び第2の直線パ
ターン24A,24Bの耐エッチング性とにより、該ウ
エットエッチング後には、埋め込み酸化膜22上に、
(111)面を側面に持ち、互いに交差部23cを有し
シリコンよりなる第1の量子細線23aと第2の量子細
線23bとからなるシリコン微構造が形成される。この
後、第1の直線パターン24A及び第2の直線パターン
24Bをフッ酸等で除去する。
Then, as shown in FIG. 2B, a mixed solution of 1000 ml of ethylenediamine, 144 g of pyrocatechol and 290 ml of pure water was used as an etching solution, and the etching solution was kept at a temperature of 80 ° C. The SOI crystal 20 is subjected to silicon crystal anisotropic etching for 1 minute. Silicon crystal anisotropic etching is (11
The etching rate of the 1) plane is about 8 nm / min, while the (100) and (110) directions are about 100 nm.
Has an etching rate of / min. As shown in FIG. 2C, which is a cross-sectional view taken along the line I-I in FIG. 2B, due to this characteristic and the etching resistance of the first and second linear patterns 24A and 24B made of a silicon oxide film. After the wet etching, on the buried oxide film 22,
A silicon microstructure including a first quantum wire 23a and a second quantum wire 23b made of silicon, having a (111) plane as a side surface and having intersections 23c with each other, is formed. Then, the first linear pattern 24A and the second linear pattern 24B are removed with hydrofluoric acid or the like.

【0040】次に、図3に示すように、走査型プローブ
顕微鏡を用いて、埋め込み酸化膜22の上における第1
の量子細線23a及び第2の量子細線23bを含む領域
を段差測定して、後工程の描画の位置合わせ用データを
求める。その後、第1の量子細線23aにおける交差部
23cを挟む第1の領域及び第2の領域に、(−10)
Vのバイアス電圧が印加された導電性プローブ針を順次
接近させて電界支援酸化を行なうことにより、第1の領
域及び第2の領域に電界支援酸化膜よりなるトンネル障
壁25a,25aをそれぞれ形成する。電界支援酸化に
よって生じた、導体であるシリコンの膜厚の差がバンド
ギャップの差に反映され、これにより、ポテンシャル障
壁が形成されることになる。その結果、第1の量子細線
23aは、交差部23cが2つのトンネル障壁25aに
挟まれるため、第1の量子細線23aの一端部にソース
端子が、他端部にドレイン端子がそれぞれ形成される。
各トンネル障壁25aは、顕微鏡の導電性プローブ針の
バイアス電圧値等を変化させることにより、電界支援酸
化膜の膜厚等を変化させることができるので、該膜厚に
応じて容量値やトンネル抵抗値を変化させることができ
る。
Next, as shown in FIG. 3, by using a scanning probe microscope, the first oxide film on the buried oxide film 22 is removed.
The region including the quantum thin line 23a and the second quantum thin line 23b is subjected to step measurement to obtain alignment data for drawing in a subsequent process. After that, in the first region and the second region sandwiching the intersection portion 23c in the first quantum wire 23a, (-10)
Conductive probe needles to which a bias voltage of V is applied are sequentially brought close to each other to perform electric field assisted oxidation, thereby forming tunnel barriers 25a and 25a made of an electric field assisted oxide film in the first region and the second region, respectively. . The difference in the film thickness of silicon, which is a conductor, caused by the electric field assisted oxidation is reflected in the difference in the band gap, thereby forming a potential barrier. As a result, since the intersection 23c of the first quantum wire 23a is sandwiched between the two tunnel barriers 25a, a source terminal is formed at one end of the first quantum wire 23a and a drain terminal is formed at the other end thereof. .
Each tunnel barrier 25a can change the film thickness and the like of the electric field assisting oxide film by changing the bias voltage value and the like of the conductive probe needle of the microscope. Therefore, the capacitance value and the tunnel resistance can be changed according to the film thickness. The value can be changed.

【0041】次に、第2の量子細線23bにおける交差
部23cを挟む第3の領域及び第4の領域に、(−3
0)Vのバイアス電圧が印加された導電性プローブ針を
順次接近させて電界支援酸化を行なって、第3の領域及
び第4の領域に電界支援酸化膜よりなる絶縁膜25b,
25bをそれぞれ形成することにより、一対のトンネル
障壁25a,25a及び一対の絶縁膜25b,25bに
囲まれてなるシリコン島部としての交差部23cが形成
される。これにより、第2の量子細線23bは2つの絶
縁膜25b、25bにより絶縁分離されるため、一端に
電位制御用のゲート電極が形成され、他端に電位制御用
の制御電極が形成されることになる。
Next, in the third and fourth regions sandwiching the intersection 23c in the second quantum wire 23b, (-3
0) Conductive probe needles to which a bias voltage of V is applied are sequentially approached to perform electric field assisted oxidation, and an insulating film 25b made of an electric field assisted oxide film is formed in the third region and the fourth region.
By forming 25b respectively, an intersection 23c as a silicon island portion surrounded by a pair of tunnel barriers 25a, 25a and a pair of insulating films 25b, 25b is formed. As a result, the second quantum wire 23b is insulated and separated by the two insulating films 25b and 25b, so that the gate electrode for potential control is formed at one end and the control electrode for potential control is formed at the other end. become.

【0042】このように、本実施形態に係る製造方法に
よると、走査型プローブ顕微鏡をパターン描画に用いて
いるため、数nmレベルの微細加工を容易に行なえる。
As described above, according to the manufacturing method of this embodiment, since the scanning probe microscope is used for pattern drawing, fine processing at a level of several nm can be easily performed.

【0043】また、電界支援酸化プロセスにおける導電
性プローブ針のバイアス条件を適当に選ぶことにより、
素子特性や動作温度に大きく関係するトンネル障壁の容
量値や抵抗値を最適化することができ、シリコン島部を
形成する交差部23cを挟む一対のトンネル障壁25
a,25aを非対称に形成することも可能である。この
一対のトンネル障壁25a,25aを非対称に形成する
ことにより、所望の回路に合わせて、例えば、出力側の
トンネル障壁の容量を入力側のトンネル障壁の容量より
も小さくすることにより、出力時のスピードを大きくで
きるというメリットが生じる。
Further, by appropriately selecting the bias condition of the conductive probe needle in the electric field assisted oxidation process,
It is possible to optimize the capacitance value and the resistance value of the tunnel barrier, which are largely related to the device characteristics and the operating temperature, and the pair of tunnel barriers 25 sandwiching the intersection portion 23c forming the silicon island portion.
It is also possible to form a and 25a asymmetrically. By forming the pair of tunnel barriers 25a, 25a asymmetrically, the capacitance of the tunnel barrier on the output side is made smaller than the capacitance of the tunnel barrier on the input side in accordance with a desired circuit. The advantage is that you can increase the speed.

【0044】さらに、電界支援酸化プロセスはシリコン
原子表面のみを改質し、結晶異方性エッチングプロセス
もウエットプロセスであるため、プロセスダメージフリ
ーであるので、単一電子素子の誤動作原因となる界面準
位等のオフセット電荷を極めて低いレベルに抑制するこ
とができる。
Further, since the electric field assisted oxidation process modifies only the silicon atom surface and the crystal anisotropic etching process is also a wet process, it is free from process damage, so that the interface level which causes malfunction of a single electron element is not affected. It is possible to suppress the offset charge such as the position to an extremely low level.

【0045】また、結晶異方性エッチングを用いている
ため、量子細線の側面は原子レベルで平坦であるので、
長手方向の幅均一性、直線性に極めて優れており、従っ
て、量子力学的な効果によって電子移動度の向上が期待
できるので、高速動作が可能となる。
Since the crystal anisotropic etching is used, the side surface of the quantum wire is flat at the atomic level.
The width uniformity in the longitudinal direction and the linearity are extremely excellent. Therefore, since the electron mobility can be expected to be improved by the quantum mechanical effect, high-speed operation is possible.

【0046】(第2の実施形態)以下、本発明の第2の
実施形態を図面に基づいて説明する。
(Second Embodiment) A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0047】図4(a)は本発明の第2の実施形態に係
る半導体装置を示す部分平面図である。図4(a)にお
いて、SOI基板の上に、シリコンよりなるキャリア転
送部30と、該キャリア転送部30の一端部に第1のト
ンネル障壁41を介して電気的に接続されたシリコンよ
りなる第1の量子細線31と、キャリア転送部30の他
端部に第2のトンネル障壁42を介して電気的に接続さ
れたシリコンよりなる第2の量子細線32と、キャリア
転送部30の前記一端部と前記他端部との間に第3のト
ンネル障壁43を介して電気的に接続されたシリコンよ
りなる第3の量子細線33とが形成されている。
FIG. 4A is a partial plan view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4A, a carrier transfer section 30 made of silicon is provided on an SOI substrate, and a first transfer layer 30 made of silicon electrically connected to one end of the carrier transfer section 30 via a first tunnel barrier 41. 1 quantum wire 31, a second quantum wire 32 made of silicon electrically connected to the other end of the carrier transfer unit 30 via a second tunnel barrier 42, and the one end of the carrier transfer unit 30. A third quantum wire 33 made of silicon and electrically connected via a third tunnel barrier 43 is formed between the third quantum wire 33 and the other end.

【0048】さらに、キャリア転送部30の上に絶縁膜
(図示せず)を介して形成された制御電極としての第1
のゲート電極51と、第2の量子細線32の上に絶縁膜
(図示せず)を介して形成された第2のゲート電極52
と、第3の量子細線33の上に絶縁膜(図示せず)を介
して形成された第3のゲート電極53とが形成されてい
る。
Further, a first control electrode is formed on the carrier transfer portion 30 via an insulating film (not shown).
Gate electrode 51 and a second gate electrode 52 formed on the second quantum wire 32 via an insulating film (not shown).
And a third gate electrode 53 formed on the third quantum wire 33 via an insulating film (not shown).

【0049】キャリア転送部30及び第1〜第3の量子
細線31〜33はそれぞれ幅100nm以下で且つ導電
性を有しておればよい。第1〜第3のトンネル障壁41
〜43はエネルギー的な障壁として動作し、トンネル電
流が流れればその材料を問わない。また、第1〜第3の
ゲート電極51〜53は電位を伝達できるものであれば
その材料を問わない。
The carrier transfer section 30 and the first to third quantum wires 31 to 33 may each have a width of 100 nm or less and have conductivity. First to third tunnel barriers 41
˜43 operates as an energy barrier, and the material is not limited as long as a tunnel current flows. The first to third gate electrodes 51 to 53 may be made of any material as long as they can transfer a potential.

【0050】第1の量子細線31を信号入力部とし、そ
の入力電圧をAとする。第2の量子細線32を第1の出
力検知部とし、その出力電圧をY0 とする。第3の量子
細線33を第2の出力検知部とし、その出力電圧をY1
とする。第3のゲート電極53を信号用制御電極とし、
その制御電位をX0 とする。第1のゲート電極51及び
第2のゲート電極52をクロック用制御電極とし、その
制御電位をそれぞれφ1 及びφ2 とする。
The first quantum wire 31 is used as a signal input section, and its input voltage is A. The second quantum wire 32 is used as the first output detector, and its output voltage is Y0. The third quantum wire 33 is used as the second output detector, and its output voltage is Y1.
And The third gate electrode 53 is used as a signal control electrode,
The control potential is X0. The first gate electrode 51 and the second gate electrode 52 are used as clock control electrodes, and their control potentials are φ1 and φ2, respectively.

【0051】図4(b)は本発明の第2の実施形態の第
1変形例に係る半導体装置を示す部分平面図である。図
4(b)において、SOI基板の上に、シリコンよりな
る第1のキャリア転送部30Aと、該第1のキャリア転
送部30Aの一端部に第1のトンネル障壁41を介して
電気的に接続されたシリコンよりなる第1の量子細線3
1と、第1のキャリア転送部30Aの他端部に第2のト
ンネル障壁42を介して電気的に接続されたシリコンよ
りなる第2の量子細線32と、第1のキャリア転送部3
0Aの前記一端部と前記他端部との間に第3のトンネル
障壁43を介して電気的に接続されたシリコンよりなる
第2のキャリア転送部33Aと、該第2のキャリア転送
部33Aにおける第2の量子細線32側の側部に第4の
トンネル障壁44を介して電気的に接続されたシリコン
よりなる第3の量子細線34とが形成されている。
FIG. 4B is a partial plan view showing a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention. In FIG. 4B, a first carrier transfer section 30A made of silicon is electrically connected to an SOI substrate, and one end of the first carrier transfer section 30A is electrically connected via a first tunnel barrier 41. First quantum wire 3 made of doped silicon
1, the second quantum wire 32 made of silicon electrically connected to the other end of the first carrier transfer section 30A through the second tunnel barrier 42, and the first carrier transfer section 3
In the second carrier transfer portion 33A made of silicon electrically connected between the one end portion and the other end portion of 0A through the third tunnel barrier 43, and in the second carrier transfer portion 33A. A third quantum wire 34 made of silicon and electrically connected via a fourth tunnel barrier 44 is formed on the side of the second quantum wire 32 side.

【0052】さらに、第1のキャリア転送部30Aの上
に絶縁膜(図示せず)を介して形成された第1のゲート
電極51と、第2の量子細線32及び第3の量子細線3
4の上に絶縁膜(図示せず)を介して形成された第2の
ゲート電極52と、第2のキャリア転送部33Aの上に
絶縁膜(図示せず)を介して形成された第3のゲート電
極53とが形成されている。
Further, the first gate electrode 51 formed on the first carrier transfer portion 30A via an insulating film (not shown), the second quantum wire 32 and the third quantum wire 3 are formed.
Second gate electrode 52 formed on the fourth carrier via an insulating film (not shown), and a third gate electrode formed on the second carrier transfer portion 33A via an insulating film (not shown). Gate electrode 53 is formed.

【0053】第1及び第2のキャリア転送部30A,3
3A及び第1〜第3の量子細線31,32,34はそれ
ぞれ幅0.1μm以下で且つ導電性を有しておればよ
い。第1〜第4のトンネル障壁41〜44はエネルギー
的な障壁として動作し、トンネル電流が流れればその材
料を問わない。また、第1〜第3のゲート電極51〜5
3は電位を伝達できるものであればその材料を問わな
い。
First and second carrier transfer units 30A, 3
Each of 3A and the first to third quantum wires 31, 32, and 34 may have a width of 0.1 μm or less and have conductivity. The first to fourth tunnel barriers 41 to 44 operate as energetic barriers, and any material may be used as long as a tunnel current flows. In addition, the first to third gate electrodes 51 to 5
3 may be made of any material as long as it can transmit a potential.

【0054】第1の量子細線31を信号入力部とし、そ
の入力電圧をAとする。第2の量子細線32を第1の出
力検知部Y0 とし、第3の量子細線34を第2の出力検
知部Y1 とする。第3のゲート電極53を信号用制御電
極とし、その制御電位をX0とする。第1のゲート電極
51及び第2のゲート電極52をクロック用制御電極と
し、その制御電位をそれぞれφ1 及びφ2 とする。
The first quantum wire 31 is used as a signal input section, and its input voltage is A. The second quantum wire 32 is used as the first output detector Y0, and the third quantum wire 34 is used as the second output detector Y1. The third gate electrode 53 is used as a signal control electrode, and its control potential is X0. The first gate electrode 51 and the second gate electrode 52 are used as clock control electrodes, and their control potentials are φ1 and φ2, respectively.

【0055】図5は本発明の第2の実施形態の第1変形
例に係る半導体装置の等価回路図である。第1のキャリ
ア転送部30Aは第1のトンネル障壁41、第2のトン
ネル障壁42及び第3のトンネル障壁43により囲まれ
ており、第2のキャリア転送部33Aは第3のトンネル
障壁43及び第4のトンネル障壁44により囲まれてい
るため、第1のキャリア転送部30A又は第2のキャリ
ア転送部33Aに電子が格納されると、電子間のクーロ
ン相互作用により他の電子は格納できなくなる。また、
第1のゲート電極51又は第3のゲート電極53に適当
な低い電位を印加しておくと、第1のキャリア転送部3
0A又は第2のキャリア転送部33Aから電子が流出す
ることもない。第1の量子細線31に電子が存在する場
合に、第1のゲート電極51に適当な高い電位を印加す
ると、該第1の量子細線31中の電子は第1のキャリア
転送部30Aに移動する。このとき、第3のゲート電極
53にさらに高い電位を印加すると、第1のキャリア転
送部30Aに移動した電子は、さらに第2のキャリア転
送部33Aに移動する。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention. The first carrier transfer unit 30A is surrounded by the first tunnel barrier 41, the second tunnel barrier 42, and the third tunnel barrier 43, and the second carrier transfer unit 33A is surrounded by the third tunnel barrier 43 and the third tunnel barrier 43. Since the electrons are stored in the first carrier transfer unit 30A or the second carrier transfer unit 33A because they are surrounded by the tunnel barrier 44 of No. 4, other electrons cannot be stored due to Coulomb interaction between the electrons. Also,
When an appropriate low potential is applied to the first gate electrode 51 or the third gate electrode 53, the first carrier transfer unit 3
Electrons do not flow out of 0A or the second carrier transfer unit 33A. When an appropriately high potential is applied to the first gate electrode 51 when electrons exist in the first quantum wire 31, the electrons in the first quantum wire 31 move to the first carrier transfer unit 30A. . At this time, when a higher potential is applied to the third gate electrode 53, the electrons that have moved to the first carrier transfer unit 30A further move to the second carrier transfer unit 33A.

【0056】図6は本発明の第2の実施形態の第1変形
例に係る半導体装置における各制御電圧を示すタイミン
グチャートである。図6に示すタイミングで、第1〜第
3のゲート電極51〜53に対応する制御電位φ1,φ
2,X0 をそれぞれ印加すると、第1の出力検知部の出
力電圧Y0 、及び第2の出力検知部の出力電圧Y1 にそ
れぞれ排他的に電荷が出力される。
FIG. 6 is a timing chart showing each control voltage in the semiconductor device according to the first modification of the second embodiment of the present invention. At the timings shown in FIG. 6, control potentials φ1 and φ corresponding to the first to third gate electrodes 51 to 53 are generated.
When 2 and X0 are applied, electric charges are exclusively output to the output voltage Y0 of the first output detector and the output voltage Y1 of the second output detector.

【0057】これにより、本実施形態に係る回路は、制
御電位X0 がH(ハイ)であるならば、入力電圧Aの電
荷を第2の出力検知部に出力電圧Y1 として転送するこ
とができる一方、制御電位X0 がL(ロー)であるなら
ならば、第1の出力検知部に出力電圧Y0 として転送す
ることができるので、二分決定グラフ回路が構成される
ことになる。
Thus, the circuit according to the present embodiment can transfer the charge of the input voltage A to the second output detector as the output voltage Y1 if the control potential X0 is H (high). If the control potential X0 is L (low), it can be transferred as the output voltage Y0 to the first output detector, so that a BDD circuit is constructed.

【0058】従って、本実施形態によると、量子細線を
用いた単電子トランジスタによって二分決定グラフ回路
が容易に且つ確実に形成される。
Therefore, according to the present embodiment, the BDD circuit can be easily and reliably formed by the single-electron transistor using the quantum wire.

【0059】なお、量子細線を構成する材料にシリコン
を用いたが、導電性を有する材料であればよい。トンネ
ル障壁はエネルギー的な障壁として動作し、トンネル電
流が流れればよく、例えば、薄いシリコン酸化膜や、量
子細線の周辺酸化による量子細線コンストリクション構
造等を用いるとよい。ゲート電極の材料としては、通
常、シリコン多層配線プロセスとの整合性を図るために
アルミニウム等が考えられるが、電位を伝達することが
できる材料であればよい。
Although silicon is used as the material forming the quantum wires, any material having conductivity may be used. It suffices that the tunnel barrier operates as an energy barrier and allows a tunnel current to flow. For example, a thin silicon oxide film or a quantum wire constriction structure by peripheral oxidation of the quantum wire may be used. As the material of the gate electrode, aluminum or the like is usually considered in order to achieve compatibility with the silicon multilayer wiring process, but any material capable of transmitting a potential may be used.

【0060】(第3の実施形態)以下、本発明の第3の
実施形態を図面に基づいて説明する。
(Third Embodiment) A third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0061】図7は本発明の第3の実施形態に係る半導
体装置を示す部分平面図である。図8(a)〜(f)は
本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を
示し、図7のIII−III線における工程順断面図である。
まず、図8(a)に示すように、例えば、SIMOX法
を用いて、シリコン基板61と、該シリコン基板61の
上に形成され厚さが80nmの埋め込み酸化膜62と、
該埋め込み酸化膜62の上に形成され厚さが180nm
で主面の面方位が<100>である上部シリコン層63
AとからなるSOI基板60を形成する。
FIG. 7 is a partial plan view showing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 8A to 8F show a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, which is a sectional view taken along the line III-III in FIG.
First, as shown in FIG. 8A, a silicon substrate 61 and a buried oxide film 62 having a thickness of 80 nm formed on the silicon substrate 61 are formed by using, for example, the SIMOX method.
180 nm thick formed on the buried oxide film 62
The upper silicon layer 63 whose main surface has a plane orientation of <100>
An SOI substrate 60 composed of A and A is formed.

【0062】次に、図8(b)に示すように、SOI基
板60を温度が1000℃の度酸素雰囲気中で約120
分間酸化し、上部シリコン層63Aの上部に酸化して形
成された酸化膜をフッ化水素(HF)水溶液中で除去す
ることにより上部シリコン層63Aを薄膜化して、膜厚
が50nmの薄膜シリコン層63Bを形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, the SOI substrate 60 is heated to about 120 ° C. in an oxygen atmosphere at a temperature of about 120 ° C.
The upper silicon layer 63A is thinned by oxidizing for 5 minutes and then removing the oxide film formed by oxidation on the upper silicon layer 63A in a hydrogen fluoride (HF) aqueous solution to form a thin silicon layer having a thickness of 50 nm. 63B is formed.

【0063】次に、図8(c)に示すように、表面に金
(Au)等をコートした導電性プローブ針90を有す
る、例えば、原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネ
ル顕微鏡(STM)のような走査型プローブ顕微鏡を用
いて、該導電性プローブ針90を薄膜化された薄膜シリ
コン層63Bの主面の第1の直線パターンを形成する所
定領域に接近させる。その後、導電性プローブ針90を
接地電位とし、薄膜シリコン層63Bに+9Vのバイア
ス電圧を印加したまま、該導電性プローブ針90を毎秒
約0.25μmの速度で薄膜シリコン層63Bの主面に
沿って直線状に移動させ、薄膜シリコン層63Bに印加
した電界による電界支援酸化を行なって、薄膜シリコン
層63Bの表面に、線幅が約100nmで膜厚が5nm
の電界支援酸化膜であり、第1の直線パターンとしての
シリコン酸化膜65Aを形成する。続いて、第1の直線
パターンにおける第1のキャリア転送部としての第1の
分岐部(図7に示す符号81)から、主面内で該第1の
直線パターンに垂直に延びる第2の直線パターンを同じ
く電界支援酸化法を用いて形成すると共に、第2の直線
パターンにおける第2のキャリア転送部としての第2の
分岐部(図7に示す符号82)から、主面内で該第2の
直線パターンに垂直且つ第1の直線パターンに平行に延
びる第3の直線パターンとしてのシリコン酸化膜65C
とを同様に形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, for example, an atomic force microscope (AFM) or a scanning tunneling microscope (STM) having a conductive probe needle 90 whose surface is coated with gold (Au) or the like is used. ) Is used to bring the conductive probe needle 90 close to a predetermined region forming the first linear pattern on the main surface of the thinned thin film silicon layer 63B. After that, the conductive probe needle 90 is set to the ground potential, and while the bias voltage of +9 V is applied to the thin film silicon layer 63B, the conductive probe needle 90 is moved along the main surface of the thin film silicon layer 63B at a speed of about 0.25 μm per second. And linearly move it to perform electric field assisted oxidation by the electric field applied to the thin film silicon layer 63B, so that the line width is about 100 nm and the film thickness is 5 nm on the surface of the thin film silicon layer 63B.
Forming a silicon oxide film 65A as a first linear pattern, which is an electric field assisting oxide film. Then, a second straight line extending perpendicularly to the first straight line pattern in the main surface from the first branching portion (reference numeral 81 shown in FIG. 7) as the first carrier transfer portion in the first straight line pattern. The pattern is also formed using the electric field assisted oxidation method, and the second branch portion (reference numeral 82 shown in FIG. 7) as the second carrier transfer portion in the second linear pattern is used to form the second Oxide film 65C as a third linear pattern extending perpendicular to the linear pattern and extending parallel to the first linear pattern.
Are similarly formed.

【0064】次に、図8(d)に示すように、エチレン
ジアミンが300ml、ピロカテコールが48g及び純
水が98mlの混合溶液をエッチング液に用いて、該エ
ッチング液を温度80℃に保ちつつ、SOI基板60に
対して30秒間の異方性エッチングを行なう。このエッ
チング液はシリコンに対してエッチングを行なうが、エ
ッチング速度が面方位によって異なっており、<111
>方向は他の面方位と比較して非常に遅い。従って、こ
のエッチング液中に30秒間浸した後の薄膜シリコン層
63Bはシリコン酸化膜65A,65C等の下側部分の
みが残るので、第1の量子細線63a、第2の量子細線
(図7に示す符号63b)及び第3の量子細線63cが
それぞれ形成される。各量子細線63a,63b、63
cの側面はそれぞれ<111>面となっている。ここ
で、各量子細線63a,63b,63cの上面はシリコ
ン酸化膜65A等によって保護されているためエッチン
グされない。
Next, as shown in FIG. 8D, a mixed solution of 300 ml of ethylenediamine, 48 g of pyrocatechol and 98 ml of pure water was used as an etching solution, and the etching solution was kept at a temperature of 80 ° C. The SOI substrate 60 is anisotropically etched for 30 seconds. This etching solution etches silicon, but the etching rate is different depending on the plane orientation.
The> direction is very slow compared to other plane orientations. Therefore, since only the lower parts of the silicon oxide films 65A, 65C, etc. remain in the thin film silicon layer 63B after being immersed in this etching solution for 30 seconds, the first quantum wires 63a and the second quantum wires (see FIG. 7). Reference numeral 63b) and the third quantum wire 63c are formed, respectively. Each quantum wire 63a, 63b, 63
The side faces of c are <111> faces, respectively. Here, the upper surfaces of the quantum wires 63a, 63b, 63c are not etched because they are protected by the silicon oxide film 65A and the like.

【0065】次に、図8(e)に示すように、第1の量
子細線63aにおける第1の分岐部81に対する第3の
量子細線63cの反対側の第1の領域に導電性プローブ
針90を接近させると共に、該導電性プローブ針90を
接地電位に印加し且つ第1の量子細線63aに+15V
のバイアス電圧を印加しつつ、該導電性プローブ針90
を第1の量子細線63aに対して垂直に毎秒約0.25
μmの速度で第1の量子細線63aの表面に沿って移動
させる。これにより、印加した電界による電界支援酸化
を用いて、該第1の領域に線幅及び膜厚が約10nmの
第1のトンネル障壁としての障壁酸化膜(図7に示す符
号66A)を形成する。同様に、第1の量子細線63a
における第1の分岐部81に対する第3の量子細線63
c側の第2の領域に導電性プローブ針90を接近させて
電界支援酸化を行なうことにより、該第2の領域に電界
支援酸化膜よりなる第2のトンネル障壁としての障壁酸
化膜66Bを形成する。続いて、同様に、第2の量子細
線63bにおける第2の分岐部82に対する第1の分岐
部81側の第3の領域に導電性プローブ針90を接近さ
せて電界支援酸化を行なうことにより、該第3の領域に
電界支援酸化膜よりなる第3のトンネル障壁としての障
壁酸化膜(図7に示す符号66C)を形成すると共に、
第3の量子細線63cにおける第2の分岐部82側の第
4の領域に導電性プローブ針90を接近させて電界支援
酸化を行なうことにより、該第4の領域に電界支援酸化
膜よりなる第4のトンネル障壁としての障壁酸化膜(図
7に示す符号66D)を形成する。
Next, as shown in FIG. 8E, the conductive probe needle 90 is provided in the first region on the opposite side of the third quantum wire 63c to the first branch 81 in the first quantum wire 63a. And the conductive probe needle 90 is applied to the ground potential and +15 V is applied to the first quantum wire 63a.
Of the conductive probe needle 90 while applying the bias voltage of
About 0.25 per second perpendicular to the first quantum wire 63a.
It is moved along the surface of the first quantum wire 63a at a speed of μm. As a result, a barrier oxide film (reference numeral 66A shown in FIG. 7) as a first tunnel barrier having a line width and a film thickness of about 10 nm is formed in the first region by using the electric field assisted oxidation by the applied electric field. . Similarly, the first quantum wire 63a
The third quantum wire 63 for the first branch 81 in
By conducting the electric field assisted oxidation by bringing the conductive probe needle 90 close to the second region on the c side, a barrier oxide film 66B as a second tunnel barrier made of the electric field assisted oxide film is formed in the second region. To do. Subsequently, similarly, the conductive probe needle 90 is brought close to the third region on the first branch 81 side with respect to the second branch 82 in the second quantum wire 63b to perform electric field assisted oxidation, A barrier oxide film (reference numeral 66C shown in FIG. 7) as a third tunnel barrier made of an electric field assisted oxide film is formed in the third region, and
By conducting the electric field assisted oxidation by bringing the conductive probe needle 90 close to the fourth region of the third quantum wire 63c on the second branch portion 82 side, the fourth region formed of the electric field assisted oxide film is formed. A barrier oxide film (reference numeral 66D shown in FIG. 7) as a tunnel barrier of No. 4 is formed.

【0066】次に、図8(f)に示すように、例えば、
常圧CVD法を用いて、SOI基板60の上に全面にわ
たって厚さが100nmの層間絶縁膜としてのシリコン
酸化膜67を堆積した後、スパッタ法を用いて該シリコ
ン酸化膜67の上に全面にわたって厚さが500nmの
アルミニウム薄膜を堆積する。その後、フォトリソグラ
フィーを用いて該アルミニウム薄膜に対して選択的にエ
ッチングを行なって、第1の分岐部81の上方に第1の
ゲート電極(図7に示す符号68A)と、第1の量子細
線63aにおける障壁酸化膜66Bの第3の量子細線6
3c側の上方及び第3の量子細線63cの上方に第2の
ゲート電極(図7に示す符号68B)と、第2の分岐部
82の上方に第3のゲート電極68Cとをそれぞれ形成
する。
Next, as shown in FIG. 8 (f), for example,
After depositing a 100-nm-thick silicon oxide film 67 as an interlayer insulating film over the entire surface of the SOI substrate 60 by using the atmospheric pressure CVD method, the entire surface of the silicon oxide film 67 is formed by using the sputtering method. An aluminum thin film with a thickness of 500 nm is deposited. After that, the aluminum thin film is selectively etched by using photolithography, and the first gate electrode (reference numeral 68A shown in FIG. 7) and the first quantum wire are provided above the first branch portion 81. The third quantum wire 6 of the barrier oxide film 66B in 63a.
A second gate electrode (reference numeral 68B shown in FIG. 7) is formed above the 3c side and above the third quantum wire 63c, and a third gate electrode 68C is formed above the second branch portion 82.

【0067】このように、本実施形態によると、第2の
実施形態の第1の変形例に示した二分決定グラフ回路を
実現する半導体装置と同一構成の、量子細線を用いた単
電子トランジスタにより構成される半導体装置を確実に
製造することができる。
As described above, according to this embodiment, the single electron transistor using the quantum wire having the same structure as the semiconductor device realizing the BDD circuit shown in the first modification of the second embodiment is used. The configured semiconductor device can be reliably manufactured.

【0068】また、走査型プローブ顕微鏡をパターン描
画に用いているため、数nmレベルの微細加工を容易に
行なえると共に、電界支援酸化プロセスにおける導電性
プローブ針のバイアス条件を適当に選ぶことにより、素
子特性や動作温度に大きく関係するトンネル障壁の容量
値や抵抗値を最適化することができる。
Further, since the scanning probe microscope is used for pattern drawing, fine processing at a level of several nm can be easily performed, and by appropriately selecting the bias condition of the conductive probe needle in the electric field assisted oxidation process, It is possible to optimize the capacitance value and the resistance value of the tunnel barrier, which are largely related to the device characteristics and the operating temperature.

【0069】さらに、電界支援酸化プロセスはシリコン
原子表面のみを改質し、結晶異方性エッチングプロセス
もウエットプロセスであるため、プロセスダメージフリ
ーであるので、単一電子素子の誤動作原因となる界面準
位等のオフセット電荷を極めて低いレベルに抑制するこ
とができる。
Further, since the electric field assisted oxidation process modifies only the silicon atom surface and the crystal anisotropic etching process is also a wet process, it is process damage-free, so that the interface level which causes malfunction of the single-electron element is not affected. It is possible to suppress the offset charge such as the position to an extremely low level.

【0070】また、結晶異方性エッチングを用いている
ため、量子細線の側面は原子レベルで平坦であるので、
長手方向の幅均一性、直線性に極めて優れており、従っ
て、量子力学的な効果によって電子移動度の向上が期待
できるので、高速動作が可能となる。
Further, since the crystal anisotropic etching is used, the side surface of the quantum wire is flat at the atomic level.
The width uniformity in the longitudinal direction and the linearity are extremely excellent. Therefore, since the electron mobility can be expected to be improved by the quantum mechanical effect, high-speed operation is possible.

【0071】なお、量子細線の材料としてシリコンを用
いたが、導電性を有すればその材料を問わない。
Although silicon is used as the material for the quantum wires, any material may be used as long as it has conductivity.

【0072】また、障壁酸化膜は各量子細線を完全に酸
化しない、いわゆる、量子細線の周辺部酸化による量子
細線コンストリクション構造によって障壁を形成した
が、各量子細線の線幅をさらに微細化できれば、各量子
細線を完全に酸化してもよい。このようにすると、装置
のリーク電流が抑制されると共に、装置の冷却温度を比
較的高温にすることができる。なお、各障壁酸化膜はエ
ネルギー的な障壁として動作し、トンネル電流を流すこ
とができるものであればその材料を問わない。例えば、
薄いシリコン酸化膜や量子細線の周辺酸化による量子細
線コンストリクション構造等を用いるとよい。
Although the barrier oxide film does not completely oxidize each quantum wire, that is, the barrier is formed by a so-called quantum wire constriction structure due to oxidation of the peripheral portion of the quantum wire, the line width of each quantum wire is further miniaturized. If possible, each quantum wire may be completely oxidized. In this way, the leakage current of the device can be suppressed and the cooling temperature of the device can be made relatively high. Each barrier oxide film may be made of any material as long as it operates as an energy barrier and allows a tunnel current to flow. For example,
It is preferable to use a thin silicon oxide film or a quantum wire constriction structure by peripheral oxidation of the quantum wires.

【0073】また、ゲート電極の材料としては、シリコ
ン多層配線プロセスとの整合性を図るためアルミニウム
を用いたが、電位を伝達することができればその材料を
問わないことはいうまでもない。
Although aluminum was used as the material of the gate electrode in order to achieve compatibility with the silicon multilayer wiring process, it goes without saying that any material may be used as long as it can transfer a potential.

【0074】また、 導電性プローブ針の材料には、一
般に、金をコーティングしたシリコンが用いられるが、
この他にタングステンや不純物拡散を行なったシリコン
等を用いてもよい。
In general, gold-coated silicon is used as the material of the conductive probe needle.
In addition to this, tungsten, impurity-diffused silicon, or the like may be used.

【0075】また、異方性エッチングにエチレンジアミ
ンとプロカテコールとの混合水溶液を用いたが、エッチ
ング速度が面方位により異なり、特定の面方位のエッチ
ング速度が他の面方位のエッチング速度よりも非常に遅
ければ、水酸化カリウム(KOH)やテトラメチルアン
モニウムハイドロオキサイド(TMAH)等の他の溶液
を用いてもよい。この場合には、主面の面方位を溶液の
異方性によって変更する必要があることはいうまでもな
い。
Although a mixed aqueous solution of ethylenediamine and procatechol was used for anisotropic etching, the etching rate differs depending on the plane orientation, and the etching rate of a specific plane orientation is much higher than the etching rates of other plane orientations. At a later time, another solution such as potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) may be used. In this case, needless to say, it is necessary to change the plane orientation of the main surface depending on the anisotropy of the solution.

【0076】[0076]

【発明の効果】請求項1の発明に係る量子効果素子によ
ると、シリコンよりなり、一対のトンネル障壁部に挟ま
れてなる島部を有する量子細線と、該島部に形成された
ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを備えて
いるため、量子細線の一端部をソース電極とし、他端部
をドレイン電極とすると、電子数個でビット情報が記述
できる疑似CMOS単一電子回路に用いる単一電子素子
を確実に実現できる。さらに、島部のゲート電極に対す
る反対側の側部に絶縁膜を介して別のゲート電極を接続
すれば、4端子単一電子素子を容易に且つ確実に実現す
ることができる。これにより、極めて低消費電力の素子
が実現可能となり、さらに、島部を含めても原理的に一
辺が数10nmの素子面積で収まるため、超高集積化が
可能となる。
According to the quantum effect element of the first aspect of the present invention, a quantum wire having an island portion made of silicon and sandwiched by a pair of tunnel barrier portions, and a gate insulating film formed on the island portion. Since the quantum wire has one end as a source electrode and the other end as a drain electrode, a pseudo CMOS single electronic circuit in which bit information can be described by a few electrons is provided. The single electronic element to be used can be surely realized. Furthermore, if another gate electrode is connected to the side portion of the island portion opposite to the gate electrode via an insulating film, a four-terminal single electronic device can be easily and surely realized. As a result, an element with extremely low power consumption can be realized, and in principle, even if the island portion is included, the element area of one side is several tens of nm, so that ultra-high integration can be achieved.

【0077】請求項2の発明に係る量子効果素子の製造
方法によると、第1の量子細線の第1の領域側の端部を
ソース電極とし、第2の領域側の端部をドレイン電極と
し、第2の量子細線の第3の領域側の端部を第1のゲー
ト電極とし、第4の領域側の端部を第2のゲート電極と
すると疑似CMOS単一電子回路に用いる4端子単一電
子素子を確実に実現することができる。
According to the method of manufacturing a quantum effect element of the second aspect, the end of the first quantum wire on the side of the first region is used as the source electrode and the end on the side of the second region is used as the drain electrode. , A third terminal side of the second quantum wire as a first gate electrode and an end portion of the fourth area side as a second gate electrode are used for a pseudo CMOS single electronic circuit. One electronic element can be surely realized.

【0078】請求項3又は5の発明に係る半導体装置に
よると、第1の量子細線を入力端子とし、第2の量子細
線を第1の出力端子とし、第3の量子細線を第2の出力
端子とし、入力端子に入力され、キャリア転送部に絶縁
膜を介して形成された第1の制御電極に電位を印加する
ことにより該キャリア転送部に転送されたキャリアを、
第2の制御電極又は第3の制御電極に電位を印加するこ
とにより、第1の出力端子又は第2の出力端子に出力す
る二分決定グラフ回路を容易に且つ確実に実現すること
ができる。
According to the semiconductor device of the third or fifth aspect of the invention, the first quantum wire is the input terminal, the second quantum wire is the first output terminal, and the third quantum wire is the second output. The carriers that are input to the input terminal and are transferred to the carrier transfer unit by applying a potential to the first control electrode formed on the carrier transfer unit via the insulating film,
By applying a potential to the second control electrode or the third control electrode, a BDD circuit for outputting to the first output terminal or the second output terminal can be easily and reliably realized.

【0079】請求項4又は6の発明に係る半導体装置に
よると、第1〜第4の各トンネル障壁は、量子細線の一
部が他の部分よりも断面積が小さく形成された量子細線
コンストリクション構造よりなるため、キャリアに対し
て確実にトンネル障壁が形成されると共に、キャリア速
度を大きくできる。
According to the semiconductor device of the fourth or sixth aspect of the present invention, in each of the first to fourth tunnel barriers, a quantum thin wire constellation is formed in which a part of the quantum thin wire has a smaller cross-sectional area than the other portion. Since it has a junction structure, a tunnel barrier can be reliably formed for carriers and the carrier velocity can be increased.

【0080】請求項7の発明に係る半導体装置の製造方
法によると、第1の量子細線における第1のトンネル障
壁側の端部を入力端子とし、第1の量子細線の第2のト
ンネル障壁側の端部を第1の出力端子とし、第3の量子
細線の端部を第2の出力端子とし、入力端子に入力さ
れ、第1の分岐部の上方の領域に形成された第1の制御
電極に電位を印加することにより第1の分岐部に転送さ
れたキャリアを、第1の量子細線における第2のトンネ
ル障壁に対する第3の量子細線側の上方の領域及び第3
の量子細線の上方の領域に形成された第2の制御電極
に、又は第2の分岐部の上方の領域に形成された第3の
制御電極に電位を印加することにより、第1の出力端子
又は第2の出力端子に出力する二分決定グラフ回路を容
易に且つ確実に実現することができる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the seventh aspect, the end of the first quantum wire on the side of the first tunnel barrier is used as an input terminal, and the first quantum wire on the side of the second tunnel barrier is formed. Of the third quantum wire as the second output terminal, and the first control terminal formed in the region above the first branch portion is input to the input terminal. Carriers transferred to the first branch portion by applying a potential to the electrode are transferred to the region above the third quantum wire side with respect to the second tunnel barrier in the first quantum wire and the third quantum wire.
The first output terminal by applying a potential to the second control electrode formed in the region above the quantum wire or in the region above the second branch. Alternatively, the BDD circuit for outputting to the second output terminal can be realized easily and reliably.

【0081】請求項8の発明に係る半導体装置の製造方
法によると、各量子細線におけるトンネル障壁は量子細
線の断面を完全に酸化して構成されているため、リーク
電流が抑制されると共に、装置の冷却温度を比較的高温
にすることができる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the tunnel barrier in each quantum wire is formed by completely oxidizing the cross section of the quantum wire, the leakage current is suppressed and the device is reduced. The cooling temperature of can be set to a relatively high temperature.

【0082】請求項9の発明に係る半導体装置の製造方
法によると、各量子細線におけるトンネル障壁は量子細
線の断面の一部を酸化して形成されるため、トンネル障
壁が容易に形成されると共に、キャリア速度を大きくで
きる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the ninth aspect, the tunnel barrier in each quantum wire is formed by oxidizing a part of the cross section of the quantum wire, so that the tunnel barrier is easily formed. The carrier speed can be increased.

【0083】請求項10の発明に係る半導体装置の製造
方法によると、SOI基板における薄膜シリコン層の膜
厚は50nm以下であるため、量子細線を確実に形成す
ることができる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the tenth aspect of the present invention, the thin film silicon layer on the SOI substrate has a film thickness of 50 nm or less, so that the quantum wires can be formed reliably.

【0084】また、該膜厚が2nm〜10nmの場合に
は、請求項8の発明に係る半導体装置の製造方法の効果
が得られることになり、該膜厚が10nm〜50nmの
場合には、請求項9の発明に係る半導体装置の製造方法
の効果が得られることになる。
Further, when the film thickness is 2 nm to 10 nm, the effect of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention can be obtained, and when the film thickness is 10 nm to 50 nm, The effect of the method for manufacturing a semiconductor device according to the invention of claim 9 can be obtained.

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

【図1】(a)は本発明の第1の実施形態に係る量子効
果素子を示す模式斜視図である。(b)はソース・ドレ
イン方向の断面図である。(c)はソース・ドレイン方
向の断面のエネルギー準位を示す図である。
FIG. 1A is a schematic perspective view showing a quantum effect element according to a first embodiment of the present invention. (B) is a sectional view in the source / drain direction. (C) is a diagram showing an energy level in a cross section in the source / drain direction.

【図2】本発明の第1の実施形態に係る量子効果素子の
製造方法を示す工程順斜視図及び断面図である。
2A to 2C are perspective views and cross-sectional views in order of the steps, showing the method for manufacturing the quantum effect element according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施形態に係る量子効果素子の
製造方法を示す工程順斜視図である。
3A to 3C are perspective views in order of the steps, showing the method for manufacturing the quantum effect element according to the first embodiment of the present invention.

【図4】(a)は本発明の第2の実施形態に係る半導体
装置を示す部分平面図である。(b)は本発明の第2の
実施形態の第1変形例に係る半導体装置を示す部分平面
図である。
FIG. 4A is a partial plan view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 9B is a partial plan view showing a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る半
導体装置の等価回路図である。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る半
導体装置における各制御電圧を示すタイミングチャート
である。
FIG. 6 is a timing chart showing each control voltage in the semiconductor device according to the first modification of the second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置を示
す部分平面図である。
FIG. 7 is a partial plan view showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示し、図7のIII−III線における工程順断面図
である。
FIG. 8 is a process order cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 7, showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the invention.

【図9】(a)は従来の疑似CMOS単一電子回路に用
いる4端子単一電子素子を示す概略回路図である。
(b)は従来の4端子単一電子素子の動作のシミュレー
ション結果を表わすグラフである。
FIG. 9A is a schematic circuit diagram showing a 4-terminal single electronic device used in a conventional pseudo CMOS single electronic circuit.
(B) is a graph showing the simulation result of the operation of the conventional 4-terminal single electronic device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 量子細線 11a シリコン島部 12 トンネル障壁部 13 ゲート絶縁膜 14 ゲート電極 15 絶縁膜 16 制御電極 17 シリコン酸化膜 18 導電性プローブ針 20 SOI基板 21 シリコン基板 22 埋め込み酸化膜 23 薄膜シリコン層 23a 第1の量子細線 23b 第2の量子細線 23c 交差部 24A 第1の直線パターン 24B 第2の直線パターン 24C 交差部 25a トンネル障壁 25b 絶縁膜 30 キャリア転送部 30A 第1のキャリア転送部 31 第1の量子細線 32 第2の量子細線 33 第3の量子細線 33A 第2のキャリア転送部 41 第1のトンネル障壁 42 第2のトンネル障壁 43 第3のトンネル障壁 44 第4のトンネル障壁 51 第1のゲート電極 52 第2のゲート電極 53 第3のゲート電極 60 SOI基板 61 シリコン基板 62 埋め込み酸化膜 63A 上部シリコン層 63B 薄膜シリコン層 63a 第1の量子細線 63b 第2の量子細線 63c 第3の量子細線 65A シリコン酸化膜(第1の直線パターン) 65C シリコン酸化膜(第2の直線パターン) 66A 障壁酸化膜(第1のトンネル障壁) 66B 障壁酸化膜(第2のトンネル障壁) 66C 障壁酸化膜(第3のトンネル障壁) 66D 障壁酸化膜(第4のトンネル障壁) 67 シリコン酸化膜(層間絶縁膜) 68A 第1のゲート電極 68B 第2のゲート電極 68C 第3のゲート電極 81 第1の分岐部(第1のキャリア転送部) 82 第2の分岐部(第2のキャリア転送部) 90 プローブ針 11 quantum wire 11a silicon island part 12 tunnel barrier part 13 gate insulating film 14 gate electrode 15 insulating film 16 control electrode 17 silicon oxide film 18 conductive probe needle 20 SOI substrate 21 silicon substrate 22 embedded oxide film 23 thin film silicon layer 23a 1st Quantum wire 23b second quantum wire 23c crossing portion 24A first straight line pattern 24B second straight line pattern 24C crossing portion 25a tunnel barrier 25b insulating film 30 carrier transfer portion 30A first carrier transfer portion 31 first quantum thin wire 32 2nd quantum wire 33 3rd quantum wire 33A 2nd carrier transfer part 41 1st tunnel barrier 42 2nd tunnel barrier 43 3rd tunnel barrier 44 4th tunnel barrier 51 1st gate electrode 52 Second gate electrode 53 Third gate electrode 6 SOI substrate 61 Silicon substrate 62 Embedded oxide film 63A Upper silicon layer 63B Thin film silicon layer 63a First quantum wire 63b Second quantum wire 63c Third quantum wire 65A Silicon oxide film (first linear pattern) 65C Silicon oxide film (Second linear pattern) 66A Barrier oxide film (first tunnel barrier) 66B Barrier oxide film (second tunnel barrier) 66C Barrier oxide film (third tunnel barrier) 66D Barrier oxide film (fourth tunnel barrier) ) 67 silicon oxide film (interlayer insulating film) 68A first gate electrode 68B second gate electrode 68C third gate electrode 81 first branch portion (first carrier transfer portion) 82 second branch portion (first 2 carrier transfer part) 90 probe needle

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平井 義彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 幸 康一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yoshihiko Hirai 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Koichiro Ko, 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコンよりなる量子細線と、 前記量子細線に、該量子細線が延びる方向に互いに間隔
をおいて形成された一対のトンネル障壁部と、 前記量子細線における前記一対のトンネル障壁部により
挟まれてなる島部に形成されたゲート絶縁膜と、 前記ゲート絶縁膜の前記量子細線に対する反対側の面に
形成されたゲート電極とを備えていることを特徴とする
量子効果素子。
1. A quantum wire made of silicon, a pair of tunnel barrier portions formed in the quantum wire at intervals in a direction in which the quantum wire extends, and a pair of tunnel barrier portions in the quantum wire. A quantum effect element comprising: a gate insulating film formed on the sandwiched island portion; and a gate electrode formed on a surface of the gate insulating film opposite to the quantum wires.
【請求項2】 SOI基板の上部シリコン層の主面に対
して全面エッチングを行なうことにより前記上部シリコ
ン層を薄膜化して薄膜シリコン層を形成する工程と、 前記薄膜シリコン層の主面に導電性プローブ針を接近さ
せると共に、該導電性プローブ針を前記SOI基板の一
辺に対して平行に且つ前記主面に沿って走査させて電界
支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリコン層の表
面に電界支援酸化膜よりなる第1の直線パターンを形成
する工程と、 前記第1の直線パターンの所定領域に導電性プローブ針
を接近させると共に、該導電性プローブ針を前記第1の
直線パターンに対して垂直に且つ前記主面に沿って走査
させて電界支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリ
コン層の表面に、電界支援酸化膜よりなり、前記第1の
直線パターンと交差部を有する第2の直線パターンを形
成する工程と、 前記第1の直線パターン及び第2の直線パターンをマス
クにして前記薄膜シリコン層に対して異方性エッチング
を行なうことにより、シリコンよりなり交差部を有する
第1の量子細線及び第2の量子細線を形成する工程と、 前記第1の直線パターン及び第2の直線パターンを除去
した後、前記第1の量子細線における交差部を挟む第1
の領域及び第2の領域に導電性プローブ針を順次接近さ
せて電界支援酸化を行なうことにより、前記第1の領域
及び第2の領域に電界支援酸化膜よりなるトンネル障壁
をそれぞれ形成する工程と、 前記第2の量子細線における交差部を挟む第3の領域及
び第4の領域に導電性プローブ針を順次接近させて電界
支援酸化を行なうことにより、前記第3の領域及び第4
の領域に電界支援酸化膜よりなる絶縁膜をそれぞれ形成
する工程とを備えていることを特徴とする量子効果素子
の製造方法。
2. A step of forming a thin film silicon layer by thinning the upper silicon layer by etching the entire main surface of the upper silicon layer of the SOI substrate, and forming a conductive film on the main surface of the thin film silicon layer. Electric field assist is performed on the surface of the thin film silicon layer by approaching the probe needle and scanning the conductive probe needle parallel to one side of the SOI substrate and along the main surface to perform electric field assisted oxidation. Forming a first linear pattern made of an oxide film, bringing a conductive probe needle close to a predetermined region of the first linear pattern, and making the conductive probe needle perpendicular to the first linear pattern. And performing electric field assisted oxidation by scanning along the main surface, the surface of the thin film silicon layer is formed of an electric field assisted oxide film, and the first linear pattern is formed. A step of forming a second linear pattern having an intersection with an edge, and performing anisotropic etching on the thin film silicon layer using the first linear pattern and the second linear pattern as a mask, Forming a first quantum wire and a second quantum wire made of silicon and having an intersecting portion; and removing the first straight line pattern and the second straight line pattern, and then forming an intersecting portion in the first quantum thin wire. First to sandwich
Forming a tunnel barrier made of an electric field assisted oxide film in each of the first region and the second region by performing electric field assisted oxidation by sequentially approaching the conductive probe needle to the region and the second region. , A third region and a fourth region sandwiching the intersection of the second quantum wire are sequentially brought closer to the third region and the fourth region to perform electric field assisted oxidation, thereby performing the third region and the fourth region.
And a step of forming an insulating film made of an electric field assisting oxide film in each region.
【請求項3】 SOI基板上に形成されたシリコンより
なる島形状のキャリア転送部と、 SOI基板上で且つ前記キャリア転送部の一端部に第1
のトンネル障壁を介して形成されたシリコンよりなる第
1の量子細線と、 SOI基板上で且つ前記キャリア転送部の他端部に第2
のトンネル障壁を介して形成されたシリコンよりなる第
2の量子細線と、 SOI基板上で且つ前記キャリア転送部の前記一端部と
前記他端部との間に第3のトンネル障壁を介して形成さ
れたシリコンよりなる第3の量子細線と、 前記キャリア転送部に絶縁膜を介して形成された第1の
制御電極と、 前記第2の量子細線に絶縁膜を介して形成された第2の
制御電極と、 前記第3の量子細線に絶縁膜を介して形成された第3の
制御電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。
3. An island-shaped carrier transfer section made of silicon formed on an SOI substrate and a first carrier transfer section on the SOI substrate at one end of the carrier transfer section.
A first quantum wire made of silicon formed through the tunnel barrier of the second carrier, and a second quantum wire on the SOI substrate and at the other end of the carrier transfer part.
A second quantum wire made of silicon formed through the tunnel barrier of the above, and formed on the SOI substrate and between the one end and the other end of the carrier transfer unit through the third tunnel barrier. A third quantum wire made of silicon, a first control electrode formed on the carrier transfer portion via an insulating film, and a second control wire formed on the second quantum wire via an insulating film. A semiconductor device comprising: a control electrode; and a third control electrode formed on the third quantum wire via an insulating film.
【請求項4】 前記第1、第2及び第3のトンネル障壁
は、量子細線の一部分が他の部分よりも断面積が小さく
形成された量子細線コンストリクションよりなることを
特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
4. The first, second, and third tunnel barriers are formed by a quantum wire constriction in which a part of the quantum wire has a smaller cross-sectional area than the other part. 3. The semiconductor device according to item 3.
【請求項5】 SOI基板上に形成されたシリコンより
なる島形状の第1のキャリア転送部と、 SOI基板上で且つ前記第1のキャリア転送部の一端部
に第1のトンネル障壁を介して形成されたシリコンより
なる第1の量子細線と、 SOI基板上で且つ前記第1のキャリア転送部の他端部
に第2のトンネル障壁を介して形成されたシリコンより
なる第2の量子細線と、 SOI基板上で且つ前記第1のキャリア転送部の前記一
端部と前記他端部との間に第3のトンネル障壁を介して
形成されたシリコンよりなる島形状の第2のキャリア転
送部と、 SOI基板上で且つ前記第2のキャリア転送部における
前記第2の量子細線側の側部に第4のトンネル障壁を介
して形成されたシリコンよりなる第3の量子細線と、 前記第1のキャリア転送部に絶縁膜を介して形成された
第1の制御電極と、 前記第2の量子細線及び第3の量子細線に絶縁膜を介し
て形成された第2の制御電極と、 前記第2のキャリア転送部に絶縁膜を介して形成された
第3の制御電極とを備えていることを特徴とする半導体
装置。
5. An island-shaped first carrier transfer portion made of silicon formed on an SOI substrate, and on the SOI substrate and at one end of the first carrier transfer portion via a first tunnel barrier. A first quantum wire made of silicon and a second quantum wire made of silicon formed on the SOI substrate and at the other end of the first carrier transfer portion via a second tunnel barrier; An island-shaped second carrier transfer part made of silicon formed on the SOI substrate and between the one end and the other end of the first carrier transfer part via a third tunnel barrier; A third quantum wire made of silicon formed on the SOI substrate and on a side of the second carrier transfer section on the side of the second quantum wire via a fourth tunnel barrier; No carrier transfer A first control electrode formed via a film; a second control electrode formed on the second quantum wire and the third quantum wire via an insulating film; and a second carrier transfer unit. A semiconductor device, comprising: a third control electrode formed via an insulating film.
【請求項6】 前記第1、第2、第3及び第4のトンネ
ル障壁は、量子細線の一部分が他の部分よりも断面積が
小さく形成された量子細線コンストリクションよりなる
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
6. The first, second, third, and fourth tunnel barriers are formed by a quantum wire constriction in which a part of the quantum wire has a smaller cross-sectional area than the other part. The semiconductor device according to claim 5.
【請求項7】 SOI基板の上部シリコン層の主面に対
して全面エッチングを行なうことにより前記上部シリコ
ン層を薄膜化して薄膜シリコン層を形成する工程と、 前記上部シリコン層の主面に導電性プローブ針を接近さ
せると共に、該導電性プローブ針を前記SOI基板の一
辺に対して平行に且つ前記主面に沿って走査させて電界
支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリコン層の表
面に電界支援酸化膜よりなる第1の直線パターンを形成
する工程と、 前記第1の直線パターンの所定領域に導電性プローブ針
を接近させると共に、該導電性プローブ針を前記第1の
直線パターンに対して垂直に且つ前記主面に沿って走査
させて電界支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリ
コン層の表面に、電界支援酸化膜よりなり、前記第1の
直線パターンと第1の分岐部により接続される第2の直
線パターンを形成する工程と、 前記第2の直線パターンの所定領域に導電性プローブ針
を接近させると共に、該導電性プローブ針を前記第2の
直線パターンに対して垂直に且つ前記主面に沿って走査
させて電界支援酸化を行なうことにより、前記薄膜シリ
コン層の表面に、電界支援酸化膜よりなり、前記第2の
直線パターンと第2の分岐部により接続される第3の直
線パターンを形成する工程と、 前記第1の直線パターン、第2の直線パターン及び第3
の直線パターンをマスクにして前記薄膜シリコン層に対
して異方性エッチングを行なうことにより、シリコンよ
りなり、第1の分岐部において互いに接続される第1の
量子細線及び第2の量子細線と、該第2の量子細線と第
2の分岐部において接続される第3の量子細線とを形成
する工程と、 前記第1の量子細線における前記第1の分岐部に対する
前記第3の量子細線の反対側の第1の領域に導電性プロ
ーブ針を接近させて電界支援酸化を行なうことにより、
前記第1の領域に電界支援酸化膜よりなる第1のトンネ
ル障壁を形成する工程と、 前記第1の量子細線における前記第1の分岐部に対する
前記第3の量子細線側の第2の領域に導電性プローブ針
を接近させて電界支援酸化を行なうことにより、前記第
2の領域に電界支援酸化膜よりなる第2のトンネル障壁
を形成する工程と、 前記第2の量子細線における前記第2の分岐部に対する
前記第1の分岐部側の第3の領域に導電性プローブ針を
接近させて電界支援酸化を行なうことにより、前記第3
の領域に電界支援酸化膜よりなる第3のトンネル障壁を
形成する工程と、 前記第3の量子細線における前記第2の分岐部側の第4
の領域に導電性プローブ針を接近させて電界支援酸化を
行なうことにより、前記第4の領域に電界支援酸化膜よ
りなる第4のトンネル障壁を形成する工程と、 前記SOI基板の上に全面にわたって層間絶縁膜を堆積
する工程と、 前記層間絶縁膜の上で且つ前記第1の分岐部の上方の領
域に第1の制御電極を形成する工程と、 前記層間絶縁膜の上であって、前記第1の量子細線にお
ける前記第2のトンネル障壁に対する前記第3の量子細
線側の上方の領域及び前記第3の量子細線の上方の領域
に第2の制御電極を形成する工程と、 前記層間絶縁膜の上で且つ前記第2の分岐部の上方の領
域に第3の制御電極を形成する工程とを備えていること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
7. A step of forming a thin film silicon layer by thinning the upper silicon layer by etching the entire main surface of the upper silicon layer of an SOI substrate, and forming a thin film silicon layer on the main surface of the upper silicon layer with conductivity. Electric field assist is performed on the surface of the thin film silicon layer by approaching the probe needle and scanning the conductive probe needle parallel to one side of the SOI substrate and along the main surface to perform electric field assisted oxidation. Forming a first linear pattern made of an oxide film, bringing a conductive probe needle close to a predetermined region of the first linear pattern, and making the conductive probe needle perpendicular to the first linear pattern. And performing electric field assisted oxidation by scanning along the main surface, the surface of the thin film silicon layer is formed of an electric field assisted oxide film, and the first linear pattern is formed. Forming a second straight line pattern connected by the first branch portion to the conductive line, and bringing the conductive probe needle close to a predetermined region of the second straight line pattern, The electric field assisted oxidation is performed by scanning perpendicularly to the second linear pattern and along the main surface to form an electric field assisted oxide film on the surface of the thin film silicon layer. Forming a third straight line pattern connected by two branch portions, the first straight line pattern, the second straight line pattern and the third straight line pattern
Anisotropic etching is performed on the thin film silicon layer using the linear pattern as a mask, the first quantum wire and the second quantum wire made of silicon and connected to each other at the first branch portion; Forming a second quantum wire and a third quantum wire connected at a second branch, and opposing the third quantum wire to the first branch in the first quantum wire. By conducting the electric field assisted oxidation by bringing the conductive probe needle close to the first region on the side,
Forming a first tunnel barrier made of an electric field assisting oxide film in the first region, and forming a second tunnel barrier in the second region on the side of the third quantum wire with respect to the first branch portion of the first quantum wire. Forming a second tunnel barrier made of an electric field assisted oxide film in the second region by performing electric field assisted oxidation by bringing a conductive probe needle close to the second region; and the second tunnel wire in the second quantum wire. By conducting the electric field assisted oxidation by bringing the conductive probe needle close to the third region on the side of the first branch portion with respect to the branch portion, the third region is formed.
Forming a third tunnel barrier made of an electric field assisting oxide film in the region of 4), and forming a third tunnel barrier in the third quantum wire on the side of the second branch portion.
Forming a fourth tunnel barrier made of an electric field assisted oxide film in the fourth region by bringing a conductive probe needle close to the region to perform electric field assisted oxidation, and covering the entire surface of the SOI substrate. Depositing an interlayer insulating film, forming a first control electrode on the interlayer insulating film and in a region above the first branch portion, on the interlayer insulating film, Forming a second control electrode in a region above the third quantum wire side with respect to the second tunnel barrier in the first quantum wire and in a region above the third quantum wire; And a step of forming a third control electrode on the film and in a region above the second branch portion.
【請求項8】 前記第1、第2、第3及び第4のトンネ
ル障壁は、量子細線の断面が完全に酸化されることによ
り形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半
導体装置の製造方法。
8. The semiconductor according to claim 7, wherein the first, second, third and fourth tunnel barriers are formed by completely oxidizing the cross section of the quantum wire. Device manufacturing method.
【請求項9】 前記第1、第2、第3及び第4のトンネ
ル障壁は、量子細線の断面の一部が酸化されることによ
り形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半
導体装置の製造方法。
9. The method according to claim 7, wherein the first, second, third, and fourth tunnel barriers are formed by oxidizing a part of a cross section of the quantum wire. Manufacturing method of semiconductor device.
【請求項10】 前記SOI基板における薄膜シリコン
層の膜厚は50nm以下であることを特徴とする請求項
8又は9に記載の半導体装置の製造方法。
10. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the film thickness of the thin film silicon layer on the SOI substrate is 50 nm or less.
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