JPH1012895A - Monolithic electronic device - Google Patents
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Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は単一電子素子に係
り、特に単一電子の移動により動作する単一電子素子に
関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a single electronic device, and more particularly, to a single electronic device that operates by transferring single electrons.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より高温動作可能で、制御された微
細構造を持つ単一電子素子が知られている(Y.Takahash
i et.al.,IEDM Technical Digest,p.938,1994)。図5
はこの文献に記載された従来の単一電子素子の一例の構
成図を示し、同図(a)は上面図、同図(b)は図5
(a)のA−A’線断面図である。2. Description of the Related Art Conventionally, a single electronic device capable of operating at a high temperature and having a controlled microstructure is known (Y. Takahash
IE et al., IEDM Technical Digest, p.938, 1994). FIG.
5 shows a configuration diagram of an example of a conventional single electronic device described in this document, FIG. 5A is a top view, and FIG.
FIG. 3A is a sectional view taken along line AA ′ of FIG.
【0003】この構造の従来の単一電子素子を製造する
には、まず、半導体基板505の上に埋め込み絶縁膜5
06が形成され、更にその上に単結晶のシリコン膜が形
成された、厚さ50nmのSOI(Silicon On Insulat
or)基板を用いて、ソース501とドレイン503を公
知の方法で形成後、これらソース501及びドレイン5
03と、ソース501とドレイン503間の長さ50n
m、幅50nmの細線504をプラズマエッチングを用
いて加工した後に熱酸化を行う。この熱酸化はソース5
01とドレイン503間の細線中央部に対し細線端の幅
を細くするためと、後に形成するゲート502と細線5
04との間でのショートを防止するために行う。In order to manufacture a conventional single electronic device having this structure, first, a buried insulating film 5 is formed on a semiconductor substrate 505.
06, and a 50 nm thick SOI (Silicon On Insulat
or) A source 501 and a drain 503 are formed by a known method using a substrate, and then the source 501 and the drain 5 are formed.
03 and the length 50n between the source 501 and the drain 503
Thermal oxidation is performed after processing the thin wire 504 having a width of 50 nm and a width of 50 nm using plasma etching. This thermal oxidation is source 5
In order to reduce the width of the fine line end with respect to the central portion of the fine line between
This is performed in order to prevent a short circuit with the C.04.
【0004】この熱酸化によりソース501とドレイン
503間の細線中央部は、図5(a)、(b)に示すよ
うに熱酸化時の体積膨張に伴うストレスのため、酸化速
度が小さく、細線は中央が幅方向及び厚さ方向にそれぞ
れ膨らんだ形状のアイランド509となる。その後、公
知の方法により絶縁膜508を介してゲート502が形
成される。As shown in FIGS. 5A and 5B, due to this thermal oxidation, the central portion of the thin line between the source 501 and the drain 503 has a low oxidation rate due to stress accompanying volume expansion during thermal oxidation. Is an island 509 whose center swells in the width direction and the thickness direction, respectively. After that, the gate 502 is formed via the insulating film 508 by a known method.
【0005】この構造において、ゲート502に電圧を
印加して細線に反転層を誘起する場合、細線中央部に比
べ細線端の方が絶縁膜厚が厚いため、しきい値電圧が大
きくなる。また、細線中央部に比べて細線端の方が細線
幅が細くピンチオフし易い。このため、細線端は電位バ
リアとして働き、細線中央部に量子ドットが形成される
こととなる。この量子ドットのサイズは、数十nm程度
と小さいため、静電エネルギーは比較的大きく、室温に
おいてもクーロンブロッケイド振動が観測されている。In this structure, when a voltage is applied to the gate 502 to induce an inversion layer in the thin wire, the threshold voltage becomes large because the insulating film is thicker at the end of the thin wire than at the center of the thin wire. Further, the thin line end is thinner at the thin line end than the central portion of the thin line, and pinch-off is easy to occur. For this reason, the end of the thin line functions as a potential barrier, and a quantum dot is formed at the center of the thin line. Since the size of this quantum dot is as small as about several tens of nm, the electrostatic energy is relatively large, and Coulomb blockade oscillation is observed even at room temperature.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
の単一電子素子の構造は、トンネルバリアとして細線端
に形成される電位バリアを用いるが、細線中の不純物濃
度が小さく、低温でキャリアがフリーズアウトするた
め、幅の広いバリアになってしまう。動作温度の向上の
ためには、幅が小さく障壁の高いバリアが必要である
が、細線中の不純物濃度を大きくするなどの方法により
バリア高を大きくすると、同時にバリア幅も大きくなる
ため、トンネリング抵抗が大きくなり過ぎ、高温動作に
限界があるという問題がある。However, the structure of the above-mentioned conventional single-electron element uses a potential barrier formed at the end of the fine wire as a tunnel barrier. However, the impurity concentration in the fine wire is low, and carriers are generated at a low temperature. Because it freezes out, it becomes a wide barrier. In order to improve the operating temperature, a barrier with a small width and a high barrier is required.However, if the barrier height is increased by a method such as increasing the impurity concentration in the fine wire, the barrier width increases at the same time. Is too large, and there is a problem that the high-temperature operation is limited.
【0007】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
高温動作可能な単一電子素子を提供することを目的とす
る。[0007] The present invention has been made in view of the above points,
It is an object of the present invention to provide a single electronic device capable of operating at a high temperature.
【0008】また、本発明の他の目的は、作製が簡単な
単一電子素子を提供することにある。Another object of the present invention is to provide a single electronic device which can be easily manufactured.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は基板上に埋め込み絶縁膜及び半導体層が積
層され、半導体層がドレイン及びソースとそれらの間の
細線からなる構成とされた単一電子素子において、細線
を電気的に縮退する程度の不純物を導入し、かつ、複数
の電気的バリア領域に挟まれた少なくとも一つのアイラ
ンドが存在するように形成し、電気的バリア領域を細線
とは電気的に絶縁されたゲートに印加する電圧に基づき
空乏化する構成としたことを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention has a structure in which a buried insulating film and a semiconductor layer are laminated on a substrate, and the semiconductor layer comprises a drain and a source and a fine wire between them. In a single electronic device, an impurity is introduced so as to electrically degenerate the fine wire, and formed so that at least one island sandwiched by a plurality of electric barrier regions exists, and the electric barrier region is formed. The thin line is characterized in that it is depleted based on a voltage applied to an electrically insulated gate.
【0010】本発明では、ゲートにある程度以上の値の
電圧を印加した場合、細線の電気的バリア領域のみ完全
空乏化する。このゲート電圧を大きくしてバリア高を大
きくしても、細線の不純物濃度が電気的に縮退する程度
大きく、細線の長さ方向(長手方向)のバリア幅の増大
を小さくできる。In the present invention, when a voltage of a certain value or more is applied to the gate, only the electrical barrier region of the thin line is completely depleted. Even if the barrier height is increased by increasing the gate voltage, the impurity concentration of the fine wire is large enough to be electrically degenerated, and the increase in the barrier width in the length direction (longitudinal direction) of the fine wire can be reduced.
【0011】ここで、上記の電気的バリア領域は、細線
の幅を細線の他の領域の幅に比し小さくした領域か、細
線の厚さを細線の他の領域の厚さに比し小さくした領域
であることを特徴とする。Here, the above-mentioned electric barrier region is a region where the width of the thin line is smaller than the width of the other region of the thin line, or the thickness of the thin line is smaller than the thickness of the other region of the thin line. It is a featured area.
【0012】また、本発明において、ゲートは半導体層
によりアイランドの近傍に形成されるか、半導体層を被
覆する絶縁膜上で、かつ、アイランドの近傍に形成され
ていることを特徴とする。Further, in the present invention, the gate is formed near the island by the semiconductor layer, or is formed on the insulating film covering the semiconductor layer and near the island.
【0013】更に、本発明ではアイランドは複数形成さ
れ、互いに直列又は並列に接続されていることを特徴と
する。Further, the present invention is characterized in that a plurality of islands are formed and connected to each other in series or in parallel.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面と共に説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0015】(第1の実施の形態)図1は本発明になる
単一電子素子の第1の実施の形態の構成図を示し、同図
(a)は上面図、同図(b)は図1(a)のA−A’線
断面図である。(First Embodiment) FIGS. 1A and 1B show the configuration of a single electronic device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a top view, and FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
【0016】この実施の形態の単一電子素子では、半導
体基板105の上に埋め込み絶縁膜106が形成され、
更にその上に単結晶のシリコン膜が形成された、不純物
を1018〜1020cm-3程度含むSOI基板内の、厚さ
数Åから数百Åの半導体層107をパターニングし、プ
ラズマエッチングなどを用いてソース101及びドレイ
ン103を形成すると共に、これらソース101とドレ
イン103間に幅数Åから数百Å、長さ数Åから数百Å
程度の細線104を形成する。In the single electronic device of this embodiment, a buried insulating film 106 is formed on a semiconductor substrate 105,
Further, a semiconductor layer 107 having a thickness of several to several hundreds of millimeters in an SOI substrate having a single crystal silicon film formed thereon and containing impurities of about 10 18 to 10 20 cm −3 is patterned, and is subjected to plasma etching or the like. Is used to form a source 101 and a drain 103, and between the source 101 and the drain 103, a width of {Å to several hundreds} and a length of {Å to several hundreds}.
A thin line 104 of a degree is formed.
【0017】この細線中央部には104a、104bで
示す2か所に数Åから数百Å程度の幅の狭い領域を設
け、この2つの領域に挟まれた領域をアイランド109
とする。アイランド109上には絶縁膜108を介して
ゲート102が設けられる。In the center of the thin line, two narrow areas 104a and 104b are formed, each having a narrow width of several to several hundreds of squares.
And The gate 102 is provided over the island 109 with an insulating film 108 interposed therebetween.
【0018】次に、この実施の形態の動作について説明
する。半導体層107は不純物が1019cm-3程度導入
されているため、電気的に縮退しており、低温において
も金属的伝導を示す。しかしながら、ゲート102に電
圧を印加すると、細線104の表面を数nm程度空乏化
させることができる。このため、ゲート102にある程
度以上の値の電圧を印加した場合、細線幅の狭い前記2
か所の領域104a、104bのみ完全空乏化し、これ
らの領域に電位バリアが形成されることになる。Next, the operation of this embodiment will be described. Since the impurity is introduced into the semiconductor layer 107 at about 10 19 cm −3, the semiconductor layer 107 is electrically degenerated and exhibits metallic conduction even at a low temperature. However, when a voltage is applied to the gate 102, the surface of the thin wire 104 can be depleted by several nm. For this reason, when a voltage of a certain value or more is applied to the gate 102, the above-described 2 having a narrow thin line width
Only the regions 104a and 104b are completely depleted, and a potential barrier is formed in these regions.
【0019】ゲート102への印加電圧を更に高くして
いくと、上記の電位バリア高は大きくなっていくが、細
線104中の不純物濃度が高いので、細線104の長さ
方向(長手方向)のバリア幅の増大は小さい。このよう
に、この第1の実施の形態においては、ゲート102に
電圧を印加することにより、2つの狭い電位バリアに挟
まれたアイランド109を形成でき、単一電子素子構造
を実現することができる。As the voltage applied to the gate 102 is further increased, the potential barrier height is increased. However, since the impurity concentration in the fine wire 104 is high, the height of the fine wire 104 in the length direction (longitudinal direction) is increased. The increase in barrier width is small. As described above, in the first embodiment, by applying a voltage to the gate 102, the island 109 sandwiched between two narrow potential barriers can be formed, and a single electronic element structure can be realized. .
【0020】(第2の実施の形態)次に、本発明の第2
の実施の形態について説明する。図2は本発明になる単
一電子素子の第2の実施の形態の構成図を示し、同図
(a)は上面図、同図(b)は図2(a)のA−A’線
断面図である。(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the present invention will be described.
An embodiment will be described. 2A and 2B show the configuration of a second embodiment of a single electronic device according to the present invention, wherein FIG. 2A is a top view, and FIG. 2B is a line AA ′ in FIG. It is sectional drawing.
【0021】この実施の形態の単一電子素子では、半導
体基板205の上に埋め込み絶縁膜206が形成され、
更にその上に単結晶のシリコン膜が形成された、不純物
を1018〜1020cm-3程度含むSOI基板内の、厚さ
数Åから数百Åの半導体層207をパターニングし、プ
ラズマエッチングなどを用いてソース201及びドレイ
ン203を形成すると共に、これらソース201とドレ
イン203間に幅数Åから数百Å、長さ数Åから数百Å
程度の細線204を形成する。In the single electronic device of this embodiment, a buried insulating film 206 is formed on a semiconductor substrate 205,
Further, a semiconductor layer 207 having a thickness of several to several hundreds of millimeters in an SOI substrate on which a single crystal silicon film is formed and containing impurities of about 10 18 to 10 20 cm −3 is patterned, and plasma etching is performed. Is used to form a source 201 and a drain 203, and a width {Å to several hundreds} and a length {Å to several hundreds} between the source 201 and the drain 203.
A thin line 204 of a degree is formed.
【0022】この細線中央部には204a、204bで
示す2か所に数Åから数百Å程度の厚さの小さい領域を
設け、この2つの領域に挟まれた領域をアイランド20
9とする。アイランド209上には絶縁膜208を介し
てゲート202が設けられる。At the center of the thin line, two small areas 204a and 204b are formed, each having a small thickness of several tens to several hundreds of millimeters.
9 is assumed. The gate 202 is provided over the island 209 via the insulating film 208.
【0023】次に、この実施の形態の動作について説明
する。半導体層207は不純物が1019cm-3程度導入
されているため、電気的に縮退しており、低温において
も金属的伝導を示す。しかしながら、ゲート202に電
圧を印加すると、細線204の表面を数nm程度空乏化
させることができる。このため、ゲート202にある程
度以上の値の電圧を印加した場合、細線の厚さの小さい
領域204a、204bのみ完全空乏化し、これらの領
域に電位バリアが形成されることになる。Next, the operation of this embodiment will be described. Since the impurity is introduced into the semiconductor layer 207 at about 10 19 cm −3, the semiconductor layer 207 is electrically degenerated and shows metallic conduction even at a low temperature. However, when a voltage is applied to the gate 202, the surface of the thin wire 204 can be depleted by about several nm. For this reason, when a voltage of a certain value or more is applied to the gate 202, only the regions 204a and 204b having a small thin line thickness are completely depleted, and a potential barrier is formed in these regions.
【0024】ゲート202への印加電圧を更に高くして
いくと、上記の電位バリア高は大きくなっていくが、細
線204中の不純物濃度が高いので、細線204の長さ
方向(長手方向)のバリア幅の増大は小さい。このよう
に、この第2の実施の形態においては、ゲート202に
電圧を印加することにより、2つの狭い電位バリアに挟
まれたアイランド209を形成でき、単一電子素子構造
を実現することができる。As the voltage applied to the gate 202 is further increased, the potential barrier height is increased. However, since the impurity concentration in the thin wire 204 is high, the height of the thin wire 204 in the longitudinal direction (longitudinal direction) is increased. The increase in barrier width is small. As described above, in the second embodiment, by applying a voltage to the gate 202, the island 209 sandwiched between the two narrow potential barriers can be formed, and a single electronic element structure can be realized. .
【0025】(第3の実施の形態)次に、本発明の第3
の実施の形態について説明する。図3は本発明になる単
一電子素子の第3の実施の形態の構成図を示し、同図
(a)は上面図、同図(b)は図3(a)のA−A’線
断面図である。(Third Embodiment) Next, a third embodiment of the present invention will be described.
An embodiment will be described. 3A and 3B show a configuration of a third embodiment of a single electronic device according to the present invention. FIG. 3A is a top view, and FIG. 3B is an AA ′ line of FIG. 3A. It is sectional drawing.
【0026】この実施の形態の単一電子素子では、半導
体基板305の上に埋め込み絶縁膜306が形成され、
更にその上に単結晶のシリコン膜が形成された、不純物
を1018〜1020cm-3程度含むSOI基板内の、厚さ
数Åから数百Åの半導体層307をパターニングし、プ
ラズマエッチングなどを用いてソース301及びドレイ
ン303を形成すると共に、これらソース301とドレ
イン303間に幅数Åから数百Å、長さ数Åから数百Å
程度の細線304を形成する。In the single electronic device of this embodiment, a buried insulating film 306 is formed on a semiconductor substrate 305,
Further, a semiconductor layer 307 having a thickness of several to several hundreds of millimeters in an SOI substrate having a single crystal silicon film formed thereon and containing impurities of about 10 18 to 10 20 cm −3 is patterned, and plasma etching is performed. Is used to form a source 301 and a drain 303, and between the source 301 and the drain 303, the width is several hundreds of mm and the length is several hundreds of mm.
A thin line 304 of a degree is formed.
【0027】この細線中央部には304a、304bで
示す2か所に数Åから数百Å程度の幅の狭い領域が設け
られ、この2つの領域に挟まれた領域がアイランド30
9とされる。また、細線304形成と同時に半導体層3
07をパターニングすることにより、図3(a)に示す
ように、アイランド309から100nmの距離にゲー
ト302を形成する。アイランド309はパッシベーシ
ョンのために絶縁膜308で被覆される。At the center of the thin line, there are provided two narrow areas 304a and 304b each having a narrow width of about several to several hundreds of millimeters.
9 is assumed. The semiconductor layer 3 is formed at the same time as the formation of the thin wire 304.
By patterning 07, as shown in FIG. 3A, a gate 302 is formed at a distance of 100 nm from the island 309. The island 309 is covered with an insulating film 308 for passivation.
【0028】次に、この実施の形態の動作について説明
する。半導体層307は不純物が1019cm-3程度導入
されているため、電気的に縮退しており、低温において
も金属的伝導を示す。しかしながら、ゲート302に電
圧を印加すると、細線304の表面を数nm程度空乏化
させることができる。このため、ゲート302にある程
度以上の値の電圧を印加した場合、細線の幅の狭い領域
304a、304bのみ完全空乏化し、これらの領域に
電位バリアが形成されることになる。Next, the operation of this embodiment will be described. Since the impurity is introduced into the semiconductor layer 307 at about 10 19 cm −3, the semiconductor layer 307 is electrically degenerated and shows metallic conduction even at a low temperature. However, when a voltage is applied to the gate 302, the surface of the thin wire 304 can be depleted by several nm. For this reason, when a voltage of a certain value or more is applied to the gate 302, only the regions 304a and 304b having a small thin line width are completely depleted, and a potential barrier is formed in these regions.
【0029】ゲート302への印加電圧を更に高くして
いくと、上記の電位バリア高は大きくなっていくが、細
線304中の不純物濃度が高いので、細線304の長さ
方向(長手方向)のバリア幅の増大は小さい。このよう
に、この第3の実施の形態においては、ゲート302に
電圧を印加することにより、2つの狭い電位バリアに挟
まれたアイランド309を形成でき、単一電子素子構造
を実現することができる。As the voltage applied to the gate 302 is further increased, the potential barrier height is increased. However, since the impurity concentration in the thin wire 304 is high, the height of the thin wire 304 in the longitudinal direction (longitudinal direction) is increased. The increase in barrier width is small. As described above, in the third embodiment, by applying a voltage to the gate 302, an island 309 sandwiched between two narrow potential barriers can be formed, and a single electronic element structure can be realized. .
【0030】(第4の実施の形態)次に、本発明の第4
の実施の形態について説明する。図4は本発明になる単
一電子素子の第4の実施の形態の構成図を示し、同図
(a)は上面図、同図(b)は図3(a)のA−A’線
断面図である。(Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
An embodiment will be described. 4A and 4B show a configuration of a fourth embodiment of a single electronic device according to the present invention. FIG. 4A is a top view, and FIG. 4B is a line AA ′ in FIG. It is sectional drawing.
【0031】この実施の形態の単一電子素子では、半導
体基板405の上に埋め込み絶縁膜406が形成され、
更にその上に単結晶のシリコン膜が形成された、不純物
を1018〜1020cm-3程度含むSOI基板内の、厚さ
数Åから数百Åの半導体層307をパターニングし、プ
ラズマエッチングなどを用いてソース401及びドレイ
ン403を形成すると共に、これらソース401とドレ
イン403間に幅数Åから数百Å、長さ数Åから数百Å
程度の細線404を形成する。In the single electronic device of this embodiment, a buried insulating film 406 is formed on a semiconductor substrate 405,
Further, a semiconductor layer 307 having a thickness of several to several hundreds of millimeters in an SOI substrate having a single crystal silicon film formed thereon and containing impurities of about 10 18 to 10 20 cm −3 is patterned, and plasma etching is performed. Is used to form a source 401 and a drain 403, and between the source 401 and the drain 403, a width {Å to several hundreds} and a length {Å to several hundreds}.
A thin line 404 of the order is formed.
【0032】この細線中央部には404a、404b、
404cで示す3か所に数Åから数百Å程度の幅の狭い
領域が設けられ、この3つの領域に挟まれた2領域がア
イランド409とされる。アイランド409上には絶縁
膜408を介してゲート402が形成される。At the center of the thin line, 404a, 404b,
At three places indicated by reference numeral 404c, narrow areas of about several to several hundreds of squares are provided, and two areas sandwiched between these three areas are islands 409. A gate 402 is formed over the island 409 with an insulating film 408 therebetween.
【0033】次に、この実施の形態の動作について説明
する。半導体層407は不純物が1019cm-3程度導入
されているため、電気的に縮退しており、低温において
も金属的伝導を示す。しかしながら、ゲート402に電
圧を印加すると、細線404の表面を数nm程度空乏化
させることができる。このため、ゲート402にある程
度以上の値の電圧を印加した場合、細線の幅の狭い領域
404a、404b、404cのみ完全空乏化し、これ
らの領域に電位バリアが形成されることになる。Next, the operation of this embodiment will be described. Since the impurity is introduced into the semiconductor layer 407 at about 10 19 cm −3, the semiconductor layer 407 is electrically degenerated and shows metallic conduction even at a low temperature. However, when a voltage is applied to the gate 402, the surface of the thin wire 404 can be depleted by about several nm. For this reason, when a voltage of a certain value or more is applied to the gate 402, only the regions 404a, 404b, and 404c having a small thin line width are completely depleted, and a potential barrier is formed in these regions.
【0034】ゲート402への印加電圧を更に高くして
いくと、上記の電位バリア高は大きくなっていくが、細
線404中の不純物濃度が高いので、細線404の長さ
方向(長手方向)のバリア幅の増大は小さい。When the voltage applied to the gate 402 is further increased, the above-mentioned potential barrier height is increased. However, since the impurity concentration in the thin wire 404 is high, the height of the thin wire 404 in the longitudinal direction (longitudinal direction) is increased. The increase in barrier width is small.
【0035】このように、この第4の実施の形態におい
ては、ゲート402に電圧を印加することにより、狭い
電位バリアに挟まれた2つのアイランド409を形成で
き、アイランド409が直列に接続された単一電子素子
構造を実現することができる。また、この実施の形態で
は、アイランド409が直列に2つ接続されているた
め、コ・トンネリング(Co-Tunnelling)が起こりにく
く、明瞭なクーロンブロッケイド振動の観測ができる。As described above, in the fourth embodiment, by applying a voltage to the gate 402, two islands 409 sandwiched between narrow potential barriers can be formed, and the islands 409 are connected in series. A single electronic device structure can be realized. In this embodiment, since two islands 409 are connected in series, co-tunneling hardly occurs and clear Coulomb blockade oscillation can be observed.
【0036】[0036]
【実施例】次に、上記の各実施の形態の実施例について
説明する。図1の実施の形態の実施例について説明す
る。図1の構造の単一電子素子を製造する方法として
は、まず、リンを5×1019cm-3程度含むシリコン基
板を用いて、そのシリコン基板中に酸素を高濃度イオン
注入し、シリコン基板中に酸化膜を形成するSIMOX
(Separation by Implanted Oxygen)法によりSOI基
板を形成する。埋め込み絶縁膜106の膜厚は300n
m、半導体層107の膜厚は50nm程度である。更
に、熱酸化を行うことにより、半導体層107の薄膜化
を行い、最終的に10nm程度の膜厚が実現できる。Next, examples of the above embodiments will be described. An example of the embodiment of FIG. 1 will be described. As a method for producing a single electronic device of the structure of FIG. 1, first, a silicon substrate containing about 5 × 10 19 cm -3 phosphorus, oxygen is implanted high concentration ions to the silicon substrate, a silicon substrate SIMOX forming oxide film inside
(Separation by Implanted Oxygen) method to form an SOI substrate. The thickness of the buried insulating film 106 is 300 n
m, the thickness of the semiconductor layer 107 is about 50 nm. Further, by performing thermal oxidation, the thickness of the semiconductor layer 107 is reduced, and finally a film thickness of about 10 nm can be realized.
【0037】続いて、HFで表面のシリコン酸化膜を除
去した後、電子線露光と反応性イオンエッチング(RI
E)技術により、半導体層107を加工してソース40
1及びドレイン403を形成すると共に、それらの間を
幅10nm、長さ100nmの細線状に加工する。細線
中央部に隣接して2か所104a、104bに幅の狭い
領域を設け、この領域に挟まれた領域をアイランド10
9とする。細線幅の狭い領域は、電子線露光の際に細線
104に幅の狭い領域を設けることにより形成可能であ
る。この幅の狭い領域の幅は5nm、長さは10nm程
度のものが実現可能である。また、アイランド109の
長さは約10nm程度である。Subsequently, after removing the silicon oxide film on the surface with HF, electron beam exposure and reactive ion etching (RI
E) The semiconductor layer 107 is processed by the technique to
1 and the drain 403 are formed, and a space between them is processed into a thin line having a width of 10 nm and a length of 100 nm. Narrow areas are provided at two places 104a and 104b adjacent to the center of the thin line, and the area sandwiched between these areas is referred to as an island 10.
9 is assumed. The narrow region of the fine line width can be formed by providing a narrow region in the fine line 104 at the time of electron beam exposure. A narrow region having a width of about 5 nm and a length of about 10 nm can be realized. The length of the island 109 is about 10 nm.
【0038】次に、デバイス上に化学気相成長(CV
D)法により100nm程度の厚さのシリコン酸化膜を
成長し、絶縁膜108を形成する。続いて、光リソグラ
フィ技術とRIEエッチング技術とにより、ソース10
1及びドレイン103の各領域上の絶縁膜108にコン
タクトホールを開口し、この後アルミニウムを300n
m程度蒸着する。光リソグラフィ技術とRIEエッチン
グ技術によりアルミニウムの加工を行い、ソース10
1、ドレイン103への電極形成及びゲート102の形
成を絶縁膜108上に同時に行う。Next, chemical vapor deposition (CV) is performed on the device.
A silicon oxide film having a thickness of about 100 nm is grown by the method D), and an insulating film 108 is formed. Subsequently, the source 10 is formed by photolithography and RIE etching.
A contact hole is opened in the insulating film 108 on each region of the first and drain 103, and then aluminum
about m. The aluminum is processed by the optical lithography technology and the RIE etching technology.
1. The formation of an electrode on the drain 103 and the formation of the gate 102 are simultaneously performed on the insulating film 108.
【0039】以上のようにして形成された単一電子素子
において、ゲート102に−3V以上の負電圧を印加し
た場合、温度4Kにおいて明瞭なクーロンブロッケイド
振動が観測された。また、この振動は77Kにおいても
観測され、高温動作可能であることが確認できた。In the single electron device formed as described above, when a negative voltage of −3 V or more was applied to the gate 102, clear Coulomb blockade oscillation was observed at a temperature of 4K. This vibration was also observed at 77K, confirming that high-temperature operation was possible.
【0040】次に、図2の第2の実施の形態の実施例に
ついて説明する。図2の構造の単一電子素子を製造する
方法としては、まず、リンを5×1019cm-3程度含む
シリコン基板を用いて、SIMOX法によりSOI基板
を形成する。埋め込み絶縁膜206の膜厚は300n
m、半導体層207の膜厚は50nm程度である。更
に、熱酸化を行うことにより、半導体層207の薄膜化
を行い、最終的に10nm程度の膜厚が実現できる。Next, an example of the second embodiment shown in FIG. 2 will be described. As a method of manufacturing a single electronic device having the structure shown in FIG. 2, first, an SOI substrate is formed by a SIMOX method using a silicon substrate containing about 5 × 10 19 cm −3 of phosphorus. The thickness of the buried insulating film 206 is 300 n
m, the thickness of the semiconductor layer 207 is about 50 nm. Further, by performing thermal oxidation, the thickness of the semiconductor layer 207 is reduced, and finally a film thickness of about 10 nm can be realized.
【0041】続いて、HFで表面のシリコン酸化膜を除
去した後、電子線露光とRIEエッチング技術により、
半導体層207を加工してソース201及びドレイン2
03を形成すると共に、それらの間を幅10nm、長さ
100nmの細線状に加工する。細線中央部に隣接して
2か所204a、204bに厚さの小さい領域を設け、
この領域に挟まれた領域をアイランド209とする。細
線の厚さの小さい領域の長さは20nm、厚さは5nm
程度のものが実現可能である。また、アイランド209
の領域の長さは、約20nm程度である。Subsequently, after removing the silicon oxide film on the surface with HF, the film is subjected to electron beam exposure and RIE etching technology.
The semiconductor layer 207 is processed to form the source 201 and the drain 2
No. 03 is formed and a space between them is processed into a thin line having a width of 10 nm and a length of 100 nm. A region having a small thickness is provided at two places 204a and 204b adjacent to the center of the thin line,
The region sandwiched between these regions is referred to as an island 209. The length of the region where the thickness of the thin wire is small is 20 nm, and the thickness is 5 nm.
Some degree is feasible. Island 209
Is about 20 nm in length.
【0042】次に、デバイス上にCVD法により100
nm程度の厚さのシリコン酸化膜を成長し、絶縁膜20
8を形成する。続いて、光リソグラフィ技術とRIEエ
ッチング技術とにより、ソース201及びドレイン20
3の各領域上の絶縁膜208にコンタクトホールを開口
し、この後アルミニウムを300nm程度蒸着する。光
リソグラフィ技術とRIEエッチング技術によりアルミ
ニウムの加工を行い、ソース201、ドレイン203へ
の電極形成及びゲート202の形成を絶縁膜208上に
同時に行う。Next, 100 Å is formed on the device by the CVD method.
A silicon oxide film having a thickness of about nm is grown, and an insulating film 20 is formed.
8 is formed. Subsequently, the source 201 and the drain 20 are formed by photolithography and RIE etching.
A contact hole is opened in the insulating film 208 on each of the regions 3 and aluminum is then evaporated to a thickness of about 300 nm. Aluminum is processed by a photolithography technique and an RIE etching technique, and an electrode is formed on the source 201 and the drain 203 and a gate 202 is formed on the insulating film 208 at the same time.
【0043】以上のようにして形成された単一電子素子
において、ゲート202に−2.5V以上の負電圧を印
加した場合、温度4Kにおいて明瞭なクーロンブロッケ
イド振動が観測された。また、この振動は50Kにおい
ても観測され、高温動作可能であることが確認できた。In the single electron device formed as described above, when a negative voltage of -2.5 V or more was applied to the gate 202, clear Coulomb blockade oscillation was observed at a temperature of 4K. This vibration was also observed at 50 K, and it was confirmed that high-temperature operation was possible.
【0044】次に、図3の第3の実施の形態の実施例に
ついて説明する。図3の構造の単一電子素子を製造する
方法としては、まず、リンを5×1019cm-3程度含む
シリコン基板を用いて、SIMOX法によりSOI基板
を形成する。埋め込み絶縁膜306の膜厚は300n
m、半導体層307の膜厚は50nm程度である。更
に、熱酸化を行うことにより、半導体層307の薄膜化
を行い、最終的に10nm程度の膜厚が実現できる。Next, an example of the third embodiment shown in FIG. 3 will be described. As a method of manufacturing a single electronic device having the structure shown in FIG. 3, first, an SOI substrate is formed by a SIMOX method using a silicon substrate containing about 5 × 10 19 cm −3 of phosphorus. The thickness of the buried insulating film 306 is 300 n.
m, the thickness of the semiconductor layer 307 is about 50 nm. Further, by performing thermal oxidation, the thickness of the semiconductor layer 307 is reduced, and finally a film thickness of about 10 nm can be realized.
【0045】続いて、HFで表面のシリコン酸化膜を除
去した後、電子線露光とRIEエッチング技術により、
半導体層307を加工してソース301及びドレイン3
03を形成すると共に、それらの間を幅10nm、長さ
100nmの細線状に加工する。細線中央部には隣接し
て2か所304a、304bに細線幅の狭い領域を設
け、この領域に挟まれた領域をアイランド309とす
る。細線幅の狭い領域は電子線露光の際、パターン形成
を行う。この細線幅の狭い領域の幅は5nm、長さは1
0nm程度のものが実現可能である。また、アイランド
309の領域の長さは、約20nm程度である。Subsequently, after removing the silicon oxide film on the surface with HF, by electron beam exposure and RIE etching technology,
The semiconductor layer 307 is processed to form the source 301 and the drain 3
No. 03 is formed and a space between them is processed into a thin line having a width of 10 nm and a length of 100 nm. A narrow line width area is provided at two places 304a and 304b adjacent to the center of the thin line, and an area sandwiched between these areas is referred to as an island 309. A pattern is formed in an area having a small fine line width at the time of electron beam exposure. The width of the narrow region is 5 nm and the length is 1
A thickness of about 0 nm can be realized. The length of the region of the island 309 is about 20 nm.
【0046】また、細線304の形成と同時に半導体層
307の加工を行うことにより、ゲート302を形成す
る。次に、デバイス上にCVD法により100nm程度
の厚さのシリコン酸化膜を成長し、絶縁膜308を形成
する。続いて、光リソグラフィ技術とRIEエッチング
技術とにより、ソース301及びドレイン303とゲー
ト302の各領域上の絶縁膜308にコンタクトホール
を開口し、この後アルミニウムを300nm程度蒸着す
る。光リソグラフィ技術とRIEエッチング技術により
アルミニウムの加工を行い、ソース301、ドレイン3
03及びゲート302への電極形成を絶縁膜308上に
同時に行う。The gate 302 is formed by processing the semiconductor layer 307 simultaneously with the formation of the thin wire 304. Next, a silicon oxide film having a thickness of about 100 nm is grown on the device by a CVD method, and an insulating film 308 is formed. Subsequently, a contact hole is opened in the insulating film 308 on each of the source 301, the drain 303, and the gate 302 by the photolithography technique and the RIE etching technique, and then aluminum is deposited to a thickness of about 300 nm. Aluminum is processed by optical lithography technology and RIE etching technology, and source 301 and drain 3
03 and the gate 302 are simultaneously formed on the insulating film 308.
【0047】以上のようにして形成された単一電子素子
において、ゲート302に−1.1V以上の負電圧を印
加した場合、温度4Kにおいて明瞭なクーロンブロッケ
イド振動が観測された。また、この振動は77Kにおい
ても観測され、高温動作可能であることが確認できた。In the single electron device formed as described above, when a negative voltage of -1.1 V or more was applied to the gate 302, clear Coulomb blockade oscillation was observed at a temperature of 4K. This vibration was also observed at 77K, confirming that high-temperature operation was possible.
【0048】次に、図4の第4の実施の形態の実施例に
ついて説明する。図4の構造の単一電子素子を製造する
方法としては、まず、リンを5×1019cm-3程度含む
シリコン基板を用いて、SIMOX法によりSOI基板
を形成する。埋め込み絶縁膜406の膜厚は300n
m、半導体層407の膜厚は50nm程度である。更
に、熱酸化を行うことにより、半導体層407の薄膜化
を行い、最終的に10nm程度の膜厚が実現できる。Next, an example of the fourth embodiment shown in FIG. 4 will be described. As a method of manufacturing a single electronic device having the structure of FIG. 4, first, an SOI substrate is formed by a SIMOX method using a silicon substrate containing about 5 × 10 19 cm −3 of phosphorus. The thickness of the buried insulating film 406 is 300 n.
m, the thickness of the semiconductor layer 407 is about 50 nm. Further, by performing thermal oxidation, the thickness of the semiconductor layer 407 is reduced, and finally a film thickness of about 10 nm can be realized.
【0049】続いて、HFで表面のシリコン酸化膜を除
去した後、電子線露光とRIEエッチング技術により、
半導体層407を加工してソース401及びドレイン4
03を形成すると共に、それらの間を幅10nm、長さ
100nmの細線状に加工する。細線中央部には隣接し
て3か所404a、404b、404cに細線幅の狭い
領域を設け、この領域に挟まれた2つの領域をアイラン
ド409とする。細線幅の狭い領域は電子線露光の際、
パターン形成を行う。この細線幅の狭い領域の幅は5n
m、長さは10nm程度のものが実現可能である。ま
た、アイランド409の領域の長さは、約10nm程度
である。Subsequently, after removing the silicon oxide film on the surface with HF, by electron beam exposure and RIE etching technology,
The semiconductor layer 407 is processed to form the source 401 and the drain 4
No. 03 is formed and a space between them is processed into a thin line having a width of 10 nm and a length of 100 nm. In the center of the thin line, three narrow regions are provided at three places 404a, 404b, and 404c adjacent to each other. Two regions sandwiched between these regions are referred to as islands 409. The area where the fine line width is narrow is
Perform pattern formation. The width of this narrow region is 5n.
m and a length of about 10 nm can be realized. The length of the region of the island 409 is about 10 nm.
【0050】次に、デバイス上にCVD法により100
nm程度の厚さのシリコン酸化膜を成長し、絶縁膜40
8を形成する。続いて、光リソグラフィ技術とRIEエ
ッチング技術とにより、ソース401及びドレイン40
3の各領域上の絶縁膜408にコンタクトホールを開口
し、この後アルミニウムを300nm程度蒸着する。光
リソグラフィ技術とRIEエッチング技術によりアルミ
ニウムの加工を行い、ソース401、ドレイン403へ
の電極形成及びゲート402の形成を絶縁膜408上に
同時に行う。Next, 100 Å is formed on the device by the CVD method.
A silicon oxide film having a thickness of about nm is grown, and an insulating film 40 is formed.
8 is formed. Subsequently, the source 401 and the drain 40 are formed by photolithography and RIE etching.
A contact hole is opened in the insulating film 408 on each of the regions 3, and thereafter, aluminum is deposited by about 300 nm. Aluminum is processed by a photolithography technique and an RIE etching technique, and an electrode is formed on the source 401 and the drain 403 and a gate 402 is formed on the insulating film 408 at the same time.
【0051】以上のようにして形成された単一電子素子
において、ゲート402に−3V以上の負電圧を印加し
た場合、温度4Kにおいて明瞭なクーロンブロッケイド
振動が観測された。また、この振動は77Kにおいても
観測され、高温動作可能であることが確認できた。In the single electron device formed as described above, when a negative voltage of −3 V or more was applied to the gate 402, clear Coulomb blockade oscillation was observed at a temperature of 4K. This vibration was also observed at 77K, confirming that high-temperature operation was possible.
【0052】以上、4つの実施の形態の実施例について
説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
以下の変形例が考えられるものである。すなわち、SO
I基板の代わりにSOS(Silicon On Sapphire)基板
を用いてもよい。また、酸化膜上のポリシリコンあるい
はそのポリシリコンをアニールすることにより、単結晶
化した半導体を半導体層107、207、307、40
7として用いてもよい。Although the embodiments of the four embodiments have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
The following modifications are conceivable. That is, SO
An SOS (Silicon On Sapphire) substrate may be used instead of the I substrate. Also, by annealing the polysilicon on the oxide film or the polysilicon, the single crystallized semiconductor is converted into the semiconductor layers 107, 207, 307, and 40.
7 may be used.
【0053】また、実施例において半導体層中のドーパ
ントはn型不純物のリンを用いたが、ホウ素等のp型不
純物でもよい。ただし、この場合は、ソース、ドレイン
の導電型はp型となる。また、絶縁膜108、208、
308、408としてシリコン酸化膜以外に、シリコン
窒化膜やSiON膜を用いてもよい。また、第3の実施
の形態においては、幅の狭い領域を持つ細線304の構
造について説明したが、第2の実施の形態のように、厚
さの小さい領域を持つ細線についても半導体層でゲート
を形成することは容易に可能である。In the embodiment, the dopant in the semiconductor layer is n-type impurity phosphorus, but may be a p-type impurity such as boron. However, in this case, the conductivity type of the source and the drain is p-type. Further, the insulating films 108, 208,
As 308 and 408, a silicon nitride film or a SiON film may be used other than the silicon oxide film. In the third embodiment, the structure of the thin line 304 having a narrow region is described. However, as in the second embodiment, a thin line having a thin region is also formed with a gate in a semiconductor layer. It is easily possible to form
【0054】更に、第4の実施の形態では、2つのアイ
ランド409を形成するように説明したが、3つ以上の
アイランドが直列に接続された構造とすることも容易に
実現可能である。また、更に、2つ以上のアイランドが
並列に接続された構造(例えばソース401とドレイン
403の間に細線404を複数本並列に形成する)も同
様に実現可能である。In the fourth embodiment, two islands 409 have been described. However, a structure in which three or more islands are connected in series can be easily realized. Further, a structure in which two or more islands are connected in parallel (for example, a plurality of fine wires 404 are formed in parallel between the source 401 and the drain 403) can be similarly realized.
【0055】[0055]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バリア高を大きくしても、細線の不純物濃度が電気的に
縮退する程度大きく、細線の長さ方向(長手方向)のバ
リア幅の増大を小さくでき、アイランドを幅の狭くエネ
ルギー障壁の高いバリアで電気的に閉じ込めることがで
きるため、デバイスの数十K以上の高温動作を可能にで
きる。As described above, according to the present invention,
Even if the barrier height is increased, the impurity concentration of the fine wire is large enough to degenerate electrically, and the increase in the barrier width in the length direction (longitudinal direction) of the fine wire can be reduced. Since the device can be electrically confined, the device can operate at a high temperature of several tens of K or more.
【0056】また、本発明によれば、ゲートを半導体層
によりアイランドの近傍に形成されるようにすることに
より、ゲートを細線と同一のプロセスで形成できるた
め、デバイス作製工程を簡略化できる。Further, according to the present invention, since the gate is formed in the vicinity of the island by the semiconductor layer, the gate can be formed in the same process as the thin wire, and the device manufacturing process can be simplified.
【0057】更に、本発明によればアイランドは複数形
成され、互いに直列接続ことにより、コ・トンネリング
の影響を低減でき、よって明瞭なクーロンブロッケイド
振動を観測できる。また、互いに並列接続することによ
り特性ぱらつきを低減できる。Further, according to the present invention, a plurality of islands are formed and connected in series with each other, so that the influence of co-tunneling can be reduced and clear Coulomb blockade oscillation can be observed. Further, by connecting them in parallel with each other, it is possible to reduce variation in characteristics.
【図1】本発明の第1の実施の形態の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施の形態の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第3の実施の形態の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第4の実施の形態の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the present invention.
【図5】従来の一例の構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional example.
101、201、301、401 ソース 102、202、302、402 ゲート 103、203、303、403 ドレイン 104、204、304、404 細線 105、205、305、405 基板 106、206、306、406 埋め込み絶縁膜 107、207、307、407 半導体層 108、208、308、408 絶縁膜 109、209、309、409 アイランド 101, 201, 301, 401 Source 102, 202, 302, 402 Gate 103, 203, 303, 403 Drain 104, 204, 304, 404 Fine wire 105, 205, 305, 405 Substrate 106, 206, 306, 406 Buried insulating film 107, 207, 307, 407 Semiconductor layer 108, 208, 308, 408 Insulating film 109, 209, 309, 409 Island
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 49/00 H01L 29/78 301J ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01L 49/00 H01L 29/78 301J
Claims (6)
積層され、該半導体層がドレイン及びソースとそれらの
間の細線からなる構成とされた単一電子素子において、 前記細線を電気的に縮退する程度の不純物を導入し、か
つ、複数の電気的バリア領域に挟まれた少なくとも一つ
のアイランドが存在するように形成し、前記電気的バリ
ア領域を前記細線とは電気的に絶縁されたゲートに印加
する電圧に基づき空乏化する構成としたことを特徴とす
る単一電子素子。1. A single electronic device in which a buried insulating film and a semiconductor layer are laminated on a substrate, and wherein the semiconductor layer has a structure including a drain, a source, and a fine wire between the drain and the source, wherein the fine wire is electrically degenerated. Doping, and formed so that at least one island sandwiched between a plurality of electrical barrier regions is present, and the electrical barrier region is formed into a gate that is electrically insulated from the fine wire. A single electronic device characterized by being depleted based on an applied voltage.
を該細線の他の領域の幅に比し小さくした領域であるこ
とを特徴とする請求項1記載の単一電子素子。2. The single electronic device according to claim 1, wherein the electric barrier region is a region in which the width of the fine line is smaller than the width of another region of the fine line.
さを該細線の他の領域の厚さに比し小さくした領域であ
ることを特徴とする請求項1記載の単一電子素子。3. The single electronic device according to claim 1, wherein the electric barrier region is a region in which the thickness of the fine wire is smaller than the thickness of another region of the fine wire.
アイランドの近傍に形成されていることを特徴とする請
求項1乃至3のうちいずれか一項記載の単一電子素子。4. The single electronic device according to claim 1, wherein the gate is formed near the island by the semiconductor layer.
絶縁膜上で、かつ、前記アイランドの近傍に形成されて
いることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか一
項記載の単一電子素子。5. The single gate according to claim 1, wherein the gate is formed on an insulating film covering the semiconductor layer and near the island. One electronic element.
直列又は並列に接続されていることを特徴とする請求項
1乃至3のうちいずれか一項記載の単一電子素子。6. The single electronic device according to claim 1, wherein a plurality of said islands are formed and connected in series or in parallel with each other.
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- 1996-06-25 JP JP8163959A patent/JP2760345B2/en not_active Expired - Fee Related
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