JPH1093109A - Coulomb blockade element and manufacture thereof - Google Patents

Coulomb blockade element and manufacture thereof

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JPH1093109A
JPH1093109A JP8243088A JP24308896A JPH1093109A JP H1093109 A JPH1093109 A JP H1093109A JP 8243088 A JP8243088 A JP 8243088A JP 24308896 A JP24308896 A JP 24308896A JP H1093109 A JPH1093109 A JP H1093109A
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silicon
insulating film
island
side wall
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庸夫 高橋
Satoshi Fujiwara
聡 藤原
Yukinori Ono
行徳 小野
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To integrate conductor islands at a high density and realize various coupling structural elements. SOLUTION: On a step structure, composed of insulation films 2, 3, an Si layer 4 is formed and processed into a shape, having fine wire parts 20. The forming of this layer 4 on the step structure makes the layer 4 thinner at or near the step side walls than at the fine wire parts 20, thus forming tunnel barriers having energy higher than that of the fine wire parts 20 at both sides of the fine wire parts 20, resulting in Si islands for confining charges at the fine line parts 20 held between the tunnel barriers (tunnel capacitance).

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、クーロンブロッケ
イド現象を用いた素子とその製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device using the Coulomb blockade phenomenon and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】微小トンネル接合における電子トンネリ
ングのクーロンブロッケイド現象は、1個の電子のトン
ネルがそれに伴う帯電エネルギーに起因する自由エネル
ギーの増大により抑制される現象である。このようなク
ーロンブロッケイド現象を利用するクーロンブロッケイ
ド素子は、素子から流れ出るあるいは素子に蓄積する電
流や電荷を単電子の単位で制御することが可能になるた
め、1素子当たりの消費電力が極めて小さく、更にデバ
イス面積も極めて小さいという特徴を有し、既存のシリ
コン系集積回路の集積化限界をはるかに上回る集積化が
期待されている。そして、この素子の基本構造として
は、単電子トランジスタ(Single ElectronTransisto
r)や単電子メモリ(Single Electron Memory)が提案
されている。
2. Description of the Related Art The Coulomb blockade phenomenon of electron tunneling in a small tunnel junction is a phenomenon in which a tunnel of one electron is suppressed by an increase in free energy due to charging energy accompanying the tunneling. A Coulomb blockade device utilizing such a Coulomb blockade phenomenon can control the current or charge flowing out of the device or accumulated in the device in single electron units, so that the power consumption per device is extremely low. It is characterized by its small size and extremely small device area, and is expected to achieve integration far exceeding the integration limit of existing silicon-based integrated circuits. The basic structure of this device is a single electron transistor (Single Electron Transistor).
r) and Single Electron Memory.

【0003】従来のクーロンブロッケイド素子は、主
に、III−V族系の化合物半導体のヘテロ接合界面、ある
いは薄層単結晶シリコン層に形成される2次元電子ガス
を、その上に作製した電極による電界や半導体層の加工
形状などによって島状に閉じ込めて、この島とその両端
に形成された電極の間で電子をトンネルさせる構造で形
成されていた。図17は文献「フィジカル レビュー
レター、65巻、771〜774頁、1990年」に開
示されている従来のクーロンブロッケイド素子を斜め上
方から見た鳥かん図、図18はこのクーロンブロッケイ
ド素子の等価回路図である。71はn型GaAsからな
る基板、72はAlGaAs層、73はGaAs層、7
4はGaAs層73上に形成された電極である。
A conventional Coulomb blockade element mainly comprises an electrode formed on a two-dimensional electron gas formed on a heterojunction interface of a III-V group compound semiconductor or a thin single crystal silicon layer. And the semiconductor layer is confined in an island shape by the processed shape of the semiconductor layer and the like, and electrons are tunneled between the island and electrodes formed at both ends of the island. Figure 17 shows the document “Physical Review
Letter, Vol. 65, pp. 771-774, 1990 ", a bird's-eye view of the conventional Coulomb blockade element viewed from obliquely above, and FIG. 18 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade element. 71 is a substrate made of n-type GaAs, 72 is an AlGaAs layer, 73 is a GaAs layer, 7
Reference numeral 4 denotes an electrode formed on the GaAs layer 73.

【0004】このようなクーロンブロッケイド素子で
は、AlGaAs層72とGaAs層73のヘテロ界面
に2次元電子ガスが形成される。そして、電極74に水
平方向に細く絞ったくびれ75を設けることにより、こ
の部分に量子サイズ効果によるポテンシャル障壁が形成
され、これらに挟まれた領域76が電荷を閉じ込める伝
導体島となる。こうして、伝導体島76とソース電極7
7との間のポテンシャル障壁がトンネル容量Csとして
作用し、伝導体島76とドレイン電極78との間のポテ
ンシャル障壁がトンネル容量Cdとして作用し、図18
のような等価回路を有する素子となる。
In such a Coulomb blockade device, a two-dimensional electron gas is formed at the hetero interface between the AlGaAs layer 72 and the GaAs layer 73. By providing a narrowed narrow portion 75 in the horizontal direction in the electrode 74, a potential barrier is formed in this portion by a quantum size effect, and the region 76 sandwiched between these forms a conductive island for confining electric charges. Thus, the conductor island 76 and the source electrode 7
7 acts as a tunnel capacitance Cs, and a potential barrier between the conductor island 76 and the drain electrode 78 acts as a tunnel capacitance Cd.
An element having an equivalent circuit as shown in FIG.

【0005】このような構造では、単一のクーロンブロ
ッケイド素子を形成することは容易であるが、これを連
結して動作させるときに自由度が小さいという問題があ
る。すなわち、2次元平面状になる電子ガスを加工形状
(上部電極で島状閉じ込めする場合も電極パターンの加
工ということで同等と考える)で島状閉じ込めをするこ
とによって素子形成を行うため、素子を多数集積化して
用いる場合にも2次元状の配置に限られることになる。
With such a structure, it is easy to form a single Coulomb blockade element, but there is a problem that the degree of freedom is small when these elements are connected and operated. That is, the element is formed by confining the two-dimensional planar electron gas in a processed shape (the case where the upper electrode is confined to an island is considered to be equivalent to the processing of the electrode pattern), thereby forming the element. Even when a large number of devices are integrated, the arrangement is limited to a two-dimensional arrangement.

【0006】クーロンブロッケイド素子を集積化して用
いる場合には、島間の容量を制御することが重要である
ことはその原理からして言うまでもない。このとき、た
とえば隣り合う素子の島間の容量を大きくしたい場合に
は島間を接近させるか、島の面積を大きくするしかな
い。島の面積を大きくすると、島のチャージングエネル
ギーが小さくなって、動作可能な温度は極めて低い絶対
零度に近い領域に限られてしまうことになる。したがっ
て、島間の距離を小さくする必要があるが、2次元的な
距離の制御はリソグラフィに頼らざるをえない。これに
は、おのずと限界があって10nm以下にするのは極めて
困難である。このように、2次元的な配置では、作製さ
れる連結構造素子の種類に限界が生じるという問題があ
る。さらに、図17のクーロンブロッケイド素子の場合
は、伝導体島76の周囲を電極74で囲う必要が生じる
ので、電極配置に制限が生じ、複数の伝導体島を高密度
に集積したり、複数の伝導体島を連結して多様な素子を
作製したりするには極めて不利である。
When the Coulomb blockade elements are used in an integrated manner, it is needless to say that it is important to control the capacitance between the islands based on the principle. At this time, for example, when it is desired to increase the capacitance between the islands of adjacent elements, the only way is to make the islands closer or to increase the area of the islands. When the area of the island is increased, the charging energy of the island is reduced, and the operable temperature is limited to an extremely low region close to absolute zero. Therefore, it is necessary to reduce the distance between islands, but two-dimensional distance control must rely on lithography. This naturally has a limit, and it is extremely difficult to reduce the thickness to 10 nm or less. As described above, in the two-dimensional arrangement, there is a problem that there is a limit to the type of the connection structure element to be manufactured. Further, in the case of the Coulomb blockade element shown in FIG. 17, since it is necessary to surround the conductor island 76 with the electrode 74, the arrangement of the electrodes is limited, and a plurality of conductor islands can be integrated at a high density. It is extremely disadvantageous to connect various conductive islands to produce various devices.

【0007】また、2次元単結晶シリコン層を加工して
島状に閉じ込めるクーロンブロッケイド素子(特願平7
−275544号)では、基板シリコン81、埋め込み
酸化膜82、上層シリコン層83からなるSOIウエハ
(SIMOXや張り付けウエハ等がある)を用い、シリ
コン層83を細線部90と細線部90よりも幅の広い電
極部91、92を有する形状に加工する。次に、このウ
エハを熱酸化すると、パターン形状に依存した酸化が生
じ、電極部91、92の細線部近傍におけるシリコン層
83が細線部90のシリコン層83よりも薄くなる現象
が生じる。この現象を利用して、薄くなった部分をトン
ネル容量とし、細線部90を小さなシリコン島に変える
ものである。
Further, a Coulomb blockade device for processing a two-dimensional single-crystal silicon layer and confining it in an island shape (Japanese Patent Application No. Hei.
No.-275544), an SOI wafer (SIMOX, bonded wafer, or the like) including a substrate silicon 81, a buried oxide film 82, and an upper silicon layer 83 is used. It is processed into a shape having wide electrode portions 91 and 92. Next, when this wafer is thermally oxidized, oxidation depending on the pattern shape occurs, and a phenomenon occurs in which the silicon layer 83 near the thin line portions of the electrode portions 91 and 92 becomes thinner than the silicon layer 83 of the thin line portion 90. By utilizing this phenomenon, the thinned portion is used as a tunnel capacitance, and the thin line portion 90 is changed into a small silicon island.

【0008】この手法は、電極部91、92にトンネル
容量を介して接続された極めて小さなシリコン島を自動
的に形成することができる点で優れているが、図19の
構造から明らかなように、電極部91、92の構造が細
線部90より幅広にならざるを得ないので、島を高密度
に集積化することが困難であると共に、島間を接近させ
ることも難しいという問題がある。
This method is excellent in that an extremely small silicon island connected to the electrode portions 91 and 92 via a tunnel capacitor can be automatically formed. As is clear from the structure shown in FIG. Since the structure of the electrode portions 91 and 92 must be wider than that of the thin line portion 90, there is a problem that it is difficult to integrate the islands with high density and it is also difficult to make the islands close to each other.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来のク
ーロンブロッケイド素子では、伝導体島を複数有する連
結構造素子の種類に限界が生じ、多様な素子を作り出す
ことができないという問題点があった。また、伝導体島
を高密度に集積化することが困難で、島間を接近させる
ことも難しいという問題点があった。本発明は、上記課
題を解決するためになされたもので、伝導体島を高密度
に集積化すると共に、多様な連結構造素子を実現するこ
とを目的とする。
As described above, in the conventional Coulomb blockade device, there is a problem that the type of the connection structure device having a plurality of conductor islands is limited, and that various devices cannot be produced. Was. Further, there is a problem that it is difficult to integrate the conductive islands at a high density, and it is also difficult to make the islands close to each other. The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to integrate conductive islands at a high density and to realize various connection structure elements.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、請求項1に記
載のように、少なくとも2つの段差と段差に挟まれた平
坦部とを有する絶縁膜からなる段差構造の上に、半導体
からなる薄膜が形成され、この薄膜が、平坦部上に電荷
を閉じ込めるための伝導体島となる細線部を有し、段差
側壁あるいは側壁近傍の膜厚が細線部よりも薄いもので
ある。このように段差側壁あるいは側壁近傍の膜厚を細
線部よりも薄くすることにより、細線部の両端に細線部
よりエネルギーの高いトンネル障壁が形成され、細線部
に伝導体島が形成される。また、請求項2に記載のよう
に、少なくとも2つの段差と段差に挟まれた平坦部とを
有する金属膜又は半導体膜を絶縁膜で覆った段差構造の
上に、半導体からなる薄膜が形成され、この薄膜が、平
坦部上に電荷を閉じ込めるための伝導体島となる細線部
を有し、段差側壁あるいは側壁近傍の膜厚が細線部より
も薄いものである。このように段差側壁あるいは側壁近
傍の膜厚を細線部よりも薄くすることにより、細線部の
両端に細線部よりエネルギーの高いトンネル障壁が形成
され、細線部に伝導体島が形成される。そして、この伝
導体島と例えば電極となる金属膜又は電極若しくは伝導
体島となる半導体膜とが、非トンネル性容量若しくはト
ンネル性容量となる絶縁膜を介して接続された3次元的
な配置を実現することができる。また、請求項3に記載
のように、絶縁膜はトンネル性絶縁膜である。
According to a first aspect of the present invention, a semiconductor is formed on a step structure formed of an insulating film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps. A thin film is formed, and the thin film has a thin line portion serving as a conductor island for confining charges on a flat portion, and the film thickness on the step side wall or near the side wall is smaller than that of the thin line portion. By making the film thickness of the step side wall or the vicinity of the side wall smaller than that of the thin wire portion, a tunnel barrier having higher energy than the thin wire portion is formed at both ends of the thin wire portion, and a conductor island is formed in the thin wire portion. A thin film made of a semiconductor is formed on a step structure in which a metal film or a semiconductor film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps is covered with an insulating film. The thin film has a thin line portion serving as a conductive island for confining charges on the flat portion, and the film thickness on the step side wall or near the side wall is smaller than that of the thin line portion. By making the film thickness of the step side wall or the vicinity of the side wall smaller than that of the thin wire portion, a tunnel barrier having higher energy than the thin wire portion is formed at both ends of the thin wire portion, and a conductor island is formed in the thin wire portion. Then, a three-dimensional arrangement in which the conductor island is connected to, for example, a metal film serving as an electrode or a semiconductor film serving as an electrode or a conductor island via an insulating film serving as a non-tunneling capacitor or a tunneling capacitor. Can be realized. Further, as described in claim 3, the insulating film is a tunnel insulating film.

【0011】また、請求項4に記載のように、少なくと
も2つの段差と段差に挟まれた平坦部とを有する絶縁膜
からなる段差構造を形成する工程と、段差側壁あるいは
側壁近傍に形成される膜厚が平坦部に形成される膜厚よ
りも薄くなるように、半導体からなる薄膜を段差構造上
に形成する工程と、この薄膜を電荷を閉じ込めるための
伝導体島となる細線部を有する形状に加工する工程とを
有するものである。また、請求項5に記載のように、少
なくとも2つの段差と段差に挟まれた平坦部とを有する
金属膜又は半導体膜を絶縁膜で覆った段差構造を形成す
る工程と、段差側壁あるいは側壁近傍に形成される膜厚
が平坦部に形成される膜厚よりも薄くなるように、半導
体からなる薄膜を段差構造上に形成する工程と、この薄
膜を電荷を閉じ込めるための伝導体島となる細線部を有
する形状に加工する工程とを有するものである。
According to another aspect of the present invention, a step of forming a step structure made of an insulating film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps is formed, and the step structure is formed at or near the step side wall. Forming a thin film made of a semiconductor on a step structure so that the film thickness is thinner than a film thickness formed on a flat portion, and a shape having a thin line portion serving as a conductor island for confining charges in the thin film. And a step of processing into a. A step of forming a step structure in which a metal film or a semiconductor film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps is covered with an insulating film; Forming a thin film made of a semiconductor on a step structure so that the film thickness formed on the flat portion becomes smaller than the film thickness formed on the flat portion, and a thin wire serving as a conductor island for confining electric charge in the thin film. Processing into a shape having a portion.

【0012】また、請求項6に記載のように、段差側壁
が傾斜を有するものである。このように側壁に傾斜を付
けることにより、ほぼ傾斜に応じた膜厚比率で平坦部と
側壁に薄膜が形成される。また、請求項7に記載のよう
に、膜堆積形状に異方性をもって薄膜を形成するように
したものである。また、請求項8に記載のように、気相
から拡散される化学種を反応させて薄膜を形成するよう
にしたものである。
According to a sixth aspect of the present invention, the step side wall has an inclination. By giving the side wall an inclination in this manner, a thin film is formed on the flat portion and the side wall at a film thickness ratio substantially corresponding to the inclination. Further, as described in claim 7, a thin film is formed with anisotropic film deposition shape. Further, as described in claim 8, a thin film is formed by reacting chemical species diffused from a gas phase.

【0013】[0013]

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

実施の形態の1.図1(a)は本発明の第1の実施の形
態示すクーロンブロッケイド素子の平面図、図1(b)
は図1(a)のA−A線断面図である。なお、図1
(a)は、後述するシリコン層を細線部を有する形状に
加工したところまでを示している。まず、このクーロン
ブロッケイド素子の製造工程について説明する。最初
に、シリコン等の基板1の上に例えばシリコン窒化膜や
シリコン酸化膜等からなる絶縁膜2、絶縁膜3を順次形
成する。
1. Embodiment 1. FIG. 1A is a plan view of a Coulomb blockade device according to a first embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. FIG.
(A) shows up to the point where a silicon layer described later is processed into a shape having a fine line portion. First, a manufacturing process of the Coulomb blockade device will be described. First, an insulating film 2 made of, for example, a silicon nitride film or a silicon oxide film, and an insulating film 3 are sequentially formed on a substrate 1 made of silicon or the like.

【0014】そして、リソグラフィとエッチング等の手
法により、一定の幅(図1左右方向)の絶縁膜3を残し
て、その他の絶縁膜3を取り除く。これにより、位置P
1とP2にそれぞれ段差が形成される。この段差の高さ
(本実施の形態では絶縁膜3の厚さ)は、100nm程
度以下にすればよい。なお、絶縁膜2と絶縁膜3の材質
を変えて、下層の絶縁膜2にエッチングされない材質を
用いると、絶縁膜3の膜厚で段差の高さが正確に制御で
きる。また、エッチング量で段差の高さを制御する手法
でも良い。この場合は、絶縁膜2と絶縁膜3を同一の材
質としても良いことは言うまでもない。
Then, the other insulating films 3 are removed by a technique such as lithography and etching while leaving the insulating film 3 having a constant width (the horizontal direction in FIG. 1). Thereby, the position P
Steps are formed at 1 and P2, respectively. The height of this step (the thickness of the insulating film 3 in the present embodiment) may be set to about 100 nm or less. If the material of the insulating film 2 and the insulating film 3 is changed and a material that is not etched in the lower insulating film 2 is used, the height of the step can be accurately controlled by the thickness of the insulating film 3. Further, a method of controlling the height of the step by the etching amount may be used. In this case, it goes without saying that the insulating film 2 and the insulating film 3 may be made of the same material.

【0015】続いて、このような段差構造の上に、化学
気相堆積法(CVD)により多結晶シリコンあるいはア
モルファスシリコン等からなるシリコン層4を堆積す
る。このとき、反応性ガスとしてシランを用いてシラン
ガス分圧を低めに設定し(若しくは基板温度を高めに設
定して反応速度を速くする)、膜形成速度が表面の反応
速度ではなく反応性ガスの拡散によって律速される拡散
律速領域にするか、あるいは反応性ガスとしてジシラン
ガスを用いる等の手法により、段差側壁(絶縁膜3の側
壁)及び側壁近傍の段差下部(絶縁膜2の表面)でシリ
コン層4の膜厚が薄くなるように堆積させる。
Subsequently, a silicon layer 4 made of polycrystalline silicon or amorphous silicon is deposited on such a step structure by a chemical vapor deposition (CVD) method. At this time, silane is used as the reactive gas, and the silane gas partial pressure is set lower (or the substrate temperature is set higher to increase the reaction rate), and the film formation rate is not the surface reaction rate but the reactive gas. The silicon layer is formed on the step side wall (the side wall of the insulating film 3) and the lower part of the step near the side wall (the surface of the insulating film 2) by a method such as making the region a diffusion controlled region by diffusion or using disilane gas as a reactive gas. 4 is deposited so as to be thin.

【0016】段差下部におけるシリコン層4の膜厚は、
段差の高さと同程度(2倍程度まで)以下にする必要が
ある。CVD法を用いると、側壁近傍の段差下部ではシ
リコン層4の膜厚が側壁と同様に薄くなり、側壁から離
れるに従って段差上部(絶縁膜3の上面)のシリコン層
4と同程度の厚さとなるので、それを勘案して堆積膜厚
を設定する必要がある。
The thickness of the silicon layer 4 below the step is:
It is necessary to make the height equal to or less than the height of the step (up to about twice). When the CVD method is used, the thickness of the silicon layer 4 becomes thinner at the lower part of the step near the side wall as well as at the side wall, and becomes the same as the thickness of the silicon layer 4 at the upper part of the step (upper surface of the insulating film 3) as the distance from the side wall increases. Therefore, it is necessary to set the deposition film thickness in consideration of this.

【0017】次いで、リソグラフィとエッチング等の手
法により、シリコン層4を上から見たときに図1(a)
に示すパターンになるように加工する。こうして、シリ
コン層4が、段差と直交する細線部20と、細線部20
よりも幅(図1(a)上下方向)が広い、ソース側電極
部21及びドレイン側電極部22とを有する形状に加工
されたことになる。なお、電極部21、22の幅を細線
部20よりも広くしているのは、電極として機能させる
ために抵抗値を下げることを目的としているので、伝導
体島を集積化する際に電極部21、22の幅を必ずしも
広くする必要はない。
Next, when the silicon layer 4 is viewed from above by a technique such as lithography and etching, FIG.
Is processed so as to obtain the pattern shown in FIG. In this manner, the silicon layer 4 includes the thin line portion 20 orthogonal to the step and the thin line portion 20.
That is, it is processed into a shape having a source-side electrode portion 21 and a drain-side electrode portion 22 having a wider width (the vertical direction in FIG. 1A). The reason that the width of the electrode portions 21 and 22 is made wider than that of the thin wire portion 20 is to lower the resistance value so as to function as an electrode. It is not always necessary to increase the width of 21 and 22.

【0018】このような構造の上に、シリコン酸化膜等
からなるゲート絶縁膜5を形成し、段差上部に形成され
たシリコン層4を覆うようにゲート電極6をポリシリコ
ン等で形成する。最後に、従来のMOSトランジスタと
同様に、ソース側電極部21、ドレイン側電極部22上
のゲート絶縁膜5の一部に電極用の窓をあけ、この部分
にアルミニウム、タングステン又はチタン等からなる金
属を引き出し電極に用いてソース電極、ドレイン電極を
形成する。これで、クーロンブロッケイド素子の製造工
程が終了する。
A gate insulating film 5 made of a silicon oxide film or the like is formed on such a structure, and a gate electrode 6 is formed of polysilicon or the like so as to cover the silicon layer 4 formed above the step. Lastly, like a conventional MOS transistor, a window for an electrode is opened in a part of the gate insulating film 5 on the source-side electrode part 21 and the drain-side electrode part 22, and this part is made of aluminum, tungsten, titanium or the like. A source electrode and a drain electrode are formed using metal as a lead electrode. Thus, the manufacturing process of the Coulomb blockade device is completed.

【0019】前述のように、段差上部に形成されたシリ
コン層4よりも段差側壁及び側壁近傍の段差下部に形成
されたシリコン層4が薄くなると、この薄くなった領域
のシリコンの伝導帯が量子化されることにより、基底エ
ネルギーが段差上部のシリコン層よりも大きくなる。こ
のため、段差上部のシリコン層中の電子から見ると、こ
のシリコン層は両端をエネルギー障壁で挟まれ、あたか
も孤立した島のようになる。
As described above, when the silicon layer 4 formed on the step side wall and the lower part of the step near the side wall becomes thinner than the silicon layer 4 formed on the upper part of the step, the conduction band of silicon in the thinned region becomes quantum. As a result, the ground energy becomes larger than that of the silicon layer above the step. Therefore, when viewed from the electrons in the silicon layer above the step, this silicon layer is sandwiched between both ends by an energy barrier, and looks like an isolated island.

【0020】図2はこの様子を模式的に示すエネルギー
バンド図、図3は図1のクーロンブロッケイド素子の等
価回路図である。このクーロンブロッケイド素子は、単
電子トランジスタと呼ばれるものである。なお、図2は
伝導帯についてのみ記載している。
FIG. 2 is an energy band diagram schematically showing this state, and FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG. This Coulomb blockade element is called a single electron transistor. FIG. 2 shows only the conduction band.

【0021】段差側壁及び側壁近傍の段差下部に形成さ
れた薄いシリコン領域は、上記基底エネルギーの増加に
より、図2のようなポテンシャル障壁(トンネル障壁)
30となる。この2つのポテンシャル障壁30が段差上
部のシリコン層に電荷を閉じ込める作用をすると共に、
トンネル容量Cs(ソース側容量)、Cd(ドレイン側
容量)として作用する。こうして、段差上部に形成され
たシリコン層4が微小シリコン島(伝導体島)となる。
また、このシリコン島には、ゲート絶縁膜5によるゲー
ト容量Cgを介してゲート電極6が接続され、絶縁膜
2、3によるバックゲート容量Cbを介して基板(バッ
クゲート電極)1が接続されている。
The thin silicon region formed on the step side wall and under the step near the side wall has a potential barrier (tunnel barrier) as shown in FIG.
It will be 30. These two potential barriers 30 function to confine charges in the silicon layer above the step, and
It acts as a tunnel capacitance Cs (source-side capacitance) and Cd (drain-side capacitance). Thus, the silicon layer 4 formed above the step becomes a small silicon island (conductor island).
A gate electrode 6 is connected to this silicon island via a gate capacitance Cg formed by a gate insulating film 5, and a substrate (back gate electrode) 1 is connected to the silicon island via a back gate capacitance Cb formed by the insulating films 2 and 3. I have.

【0022】このようなクーロンブロッケイド素子で
は、ソース側電極部21とドレイン側電極部22間に小
さな電圧を印加して、ゲート電圧を増加させると、ソー
ス・ドレイン間のコンダクタンスが周期的に増減する。
この動作を図2を用いて説明すると、シリコン島が小さ
い容量で囲まれているため、電子1個が島に入ることに
よるエネルギー増加分が大きくなって、シリコン島にエ
ネルギー準位ができる(図2では、クーロンギャップの
上下にある2つの準位のみを示す)。
In such a Coulomb blockade element, when a small voltage is applied between the source-side electrode portion 21 and the drain-side electrode portion 22 to increase the gate voltage, the conductance between the source and the drain periodically increases and decreases. I do.
This operation will be described with reference to FIG. 2. Since the silicon island is surrounded by a small capacitance, the energy increase due to one electron entering the island increases, and an energy level is generated in the silicon island (see FIG. 2). 2, only two levels above and below the Coulomb gap are shown).

【0023】ゲート電極6に印加するゲート電圧Vgを
変化させると、ゲート電極6と島との容量的な接続によ
り、このエネルギー準位が一定のギャップを保ったまま
上下する。そして、ソース・ドレイン間の電圧Vdがこ
のクーロンギャップより小さいときに、ギャップ内にソ
ース、ドレインの準位が入ると、ソース・ドレイン間に
電流が流れないブロッケイド状態となる。また、ソース
・ドレインのエネルギー準位の間にシリコン島の準位の
何れかが入ると、この準位を介してソースからドレイン
に電流が流れる状態となる。
When the gate voltage Vg applied to the gate electrode 6 is changed, the energy level rises and falls while maintaining a constant gap due to the capacitive connection between the gate electrode 6 and the island. Then, when the source-drain voltage Vd is smaller than this Coulomb gap, if a source or drain level enters the gap, a blockade state is formed in which no current flows between the source and drain. Further, when any one of the levels of the silicon island enters between the energy levels of the source and the drain, a current flows from the source to the drain via this level.

【0024】よって、あるゲート電圧ではブロッケイド
の効果でシリコン島内の電子個数がn(整数)個で安定
になり、電流が流れない(コンダクタンスが小さい)
が、ゲート電圧が増加すると、ブロッケイドが破れもう
1個電子が増えることが可能になる。この領域にゲート
電圧が入ると、シリコン島内の電子数がn個とn+1個
の両方の値がとれるので、電子が1個シリコン島に入
り、次に1個出ていく(島内の電子数はn個とn+1個
の間を往復する)ことで電流が流れるようになり、コン
ダクタンスが増大する。つまり、ゲート電圧Vgを変化
させると、この2つの状態が交互に現れるので、ソース
・ドレイン間のコンダクタンスが脈動する。
Therefore, at a certain gate voltage, the number of electrons in the silicon island becomes stable at n (integer) due to the effect of the blockade, and no current flows (the conductance is small).
However, when the gate voltage increases, the blockade is broken and another electron can be increased. When a gate voltage is applied to this region, the number of electrons in the silicon island can take both values of n and n + 1, so one electron enters the silicon island and then exits one (the number of electrons in the island is By reciprocating between n and n + 1), a current flows and the conductance increases. In other words, when the gate voltage Vg is changed, these two states appear alternately, so that the conductance between the source and the drain pulsates.

【0025】このコンダクタンスの脈動は、絶対零度以
外の温度では、熱エネルギーでぼやけてしまう。高い温
度までコンダクタンスの振動を観測できるようにする、
すなわち高い動作温度を確保するためには、シリコン島
を取り巻く総容量をCtotal(=Cg+Cs+Cd+C
b)としたとき、温度Tによる熱揺らぎkT(kはボル
ツマン定数)が島の1電子のチャージングエネルギーe
2 /2Ctotal より十分小さいことが必要とされる。し
たがって、高い動作温度を確保するためにはCtotal を
小さくする必要があり、これはシリコン島の大きさを小
さくすることと等価である。
This pulsation of conductance is blurred by thermal energy at a temperature other than absolute zero. To be able to observe conductance oscillations up to high temperatures,
That is, in order to secure a high operating temperature, the total capacity surrounding the silicon island is Ctotal (= Cg + Cs + Cd + C
b), the thermal fluctuation kT (k is Boltzmann constant) due to the temperature T is the charging energy e of one electron on the island.
It is required to be sufficiently smaller than 2 / 2Ctotal. Therefore, in order to ensure a high operating temperature, it is necessary to reduce Ctotal, which is equivalent to reducing the size of the silicon island.

【0026】シリコン島を小さくするためには、段差間
の距離を小さくすることと、細線部20の幅(図1
(a)上下方向)を小さくすることと、細線部20の厚
さ(段差上部のシリコン層4の厚さ)を薄くすることが
要請される。これらは、いずれも100nm程度以下に
することが望ましい。これらの大きさの最小値は初期の
加工サイズで制限されるが、細線部20を形成した後
に、細線部20を熱酸化して、シリコンをシリコン酸化
膜に変えることでシリコン島の大きさを小さくすること
ができる。
In order to reduce the size of the silicon island, the distance between the steps is reduced and the width of the thin line portion 20 (FIG. 1) is reduced.
It is required to reduce (a) the vertical direction) and to reduce the thickness of the thin line portion 20 (the thickness of the silicon layer 4 above the step). It is desirable that each of them is about 100 nm or less. Although the minimum value of these sizes is limited by the initial processing size, after forming the fine wire portion 20, the fine wire portion 20 is thermally oxidized to convert silicon into a silicon oxide film, thereby reducing the size of the silicon island. Can be smaller.

【0027】実施の形態の2.実施の形態の1では、堆
積シリコン層4の形成方法としてCVD法を用いた例を
示した。段差側壁あるいは側壁近傍の膜厚が薄くなれば
同様の効果が得られるので、CVD法以外にも例えばス
パッタ法、真空蒸着法やECR(電子サイクロトロン共
鳴プラズマ)−CVD法等を用いることもできる。
Embodiment 2 In the first embodiment, an example in which a CVD method is used as a method for forming the deposited silicon layer 4 has been described. The same effect can be obtained by reducing the film thickness on the step side wall or in the vicinity of the side wall. Therefore, for example, a sputtering method, a vacuum evaporation method, an ECR (Electron Cyclotron Resonance Plasma) -CVD method or the like can be used in addition to the CVD method.

【0028】図4(a)は本発明の他の実施の形態を示
すクーロンブロッケイド素子の平面図、図4(b)は図
4(a)のA−A線断面図である。なお、図4(a)
は、シリコン層を細線部を有する形状に加工したところ
までを示している。まず、このクーロンブロッケイド素
子の製造工程について説明する。最初に、基板1の上に
実施の形態の1と同様に絶縁膜2、絶縁膜3aを順次形
成し、リソグラフィとエッチング等の手法により、位置
P3とP4の間の絶縁膜3a、位置P5から右側の絶縁
膜3aを取り除く。これにより、位置P3、P4、P5
にそれぞれ段差が形成される。
FIG. 4A is a plan view of a Coulomb blockade device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a sectional view taken along line AA of FIG. 4A. FIG. 4 (a)
Shows the portion up to the point where the silicon layer is processed into a shape having a fine line portion. First, a manufacturing process of the Coulomb blockade device will be described. First, the insulating film 2 and the insulating film 3a are sequentially formed on the substrate 1 in the same manner as in the first embodiment, and the insulating film 3a between the positions P3 and P4 and the position P5 are formed by a technique such as lithography and etching. The right insulating film 3a is removed. Thereby, the positions P3, P4, P5
Are formed respectively.

【0029】そして、このような段差構造の上に、EC
R−CVD法により多結晶シリコンあるいはアモルファ
スシリコン等からなるシリコン層4aを形成する。この
手法では、気相中にシランガスを低い圧力で流した状態
で、アルゴンなどの不活性ガスのECRプラズマ流を基
板上方から照射することによって、気相中のシランを活
性化させ絶縁膜2、3aの表面にシリコン層4aを堆積
させる。
Then, on such a step structure, EC
A silicon layer 4a made of polycrystalline silicon or amorphous silicon is formed by the R-CVD method. In this method, the silane in the gas phase is activated by irradiating an ECR plasma flow of an inert gas such as argon from above the substrate with the silane gas flowing at a low pressure in the gas phase to activate the insulating film 2, A silicon layer 4a is deposited on the surface of 3a.

【0030】したがって、通常のCVD法とは異なり、
シリコン層4aが膜堆積形状に異方性をもって堆積され
る。すなわち、基板1の上方向からシリコンが堆積され
る。シリコンが方向性を持って堆積されるので、段差側
壁にはシリコンがわずかに形成されるだけである。ま
た、ECR−CVD法では、平坦部であれば、段差上部
(絶縁膜3aの上面)でも段差下部(絶縁膜2の上面)
でも同じ程度の厚さにシリコンが堆積されるので、段差
下部にもトンネル障壁に挟まれたシリコン島ができると
いう特徴がある。
Therefore, unlike the ordinary CVD method,
The silicon layer 4a is deposited with anisotropic film deposition shape. That is, silicon is deposited from above the substrate 1. Since silicon is deposited in a directional manner, only a small amount of silicon is formed on the step side wall. Further, in the ECR-CVD method, if it is a flat portion, the upper portion of the step (the upper surface of the insulating film 3a) or the lower portion of the step (the upper surface of the insulating film 2).
However, since silicon is deposited to the same thickness, there is a feature that a silicon island sandwiched between tunnel barriers is formed below the step.

【0031】ただし、側壁直下の段差下部では、側壁に
形成された膜によって遮られるため、側壁に堆積した分
だけ堆積量が少なくなり、膜厚が薄くなることを考慮す
る必要がある。適正な構造を得るための段差高さと堆積
膜厚の設定は、側壁及び側壁直下の段差下部の膜厚を勘
案して決定することになるが、概して堆積膜厚は段差高
さの2倍以下にする必要がある。
However, since the film is formed on the side wall under the step just below the side wall, the film is formed on the side wall. The setting of the step height and the thickness of the deposited film for obtaining an appropriate structure is determined in consideration of the thickness of the side wall and the film thickness under the step immediately below the side wall, but the deposited film thickness is generally twice or less the height of the step. Need to be

【0032】次に、リソグラフィとエッチング等の手法
により、シリコン層4aを上から見たときに図4(a)
に示すパターンになるように加工する。こうして、シリ
コン層4aが、段差と直交する細線部20aと、抵抗値
を下げるために細線部20aよりも幅(図4(a)上下
方向)が広い、ソース側電極部21a及びドレイン側電
極部22aとを有する形状に加工されたことになる。最
後に、この構造の上に、実施の形態の1と同様にゲート
絶縁膜及びゲート電極(不図示)を形成する。
Next, when the silicon layer 4a is viewed from above by a technique such as lithography and etching, FIG.
Is processed so as to obtain the pattern shown in FIG. In this manner, the silicon layer 4a has a thin line portion 20a perpendicular to the step and a source-side electrode portion 21a and a drain-side electrode portion having a width (vertical direction in FIG. 4A) wider than the thin line portion 20a to reduce the resistance value. 22a. Finally, a gate insulating film and a gate electrode (not shown) are formed on this structure in the same manner as in the first embodiment.

【0033】このようなクーロンブロッケイド素子の等
価回路を図5に示す。位置P3、P4、P5の段差によ
ってそれぞれ形成された薄いシリコン領域は、実施の形
態の1と同様にトンネル障壁となり、それぞれトンネル
容量Cs、Cc、Cdとして作用する。こうして、位置
P3、P4の段差に挟まれた段差下部のシリコン層4
a、位置P4、P5の段差に挟まれた段差上部のシリコ
ン層4aがそれぞれシリコン島となる。
FIG. 5 shows an equivalent circuit of such a Coulomb blockade element. The thin silicon regions formed by the steps at the positions P3, P4, and P5 serve as tunnel barriers as in the first embodiment, and act as tunnel capacitors Cs, Cc, and Cd, respectively. Thus, the silicon layer 4 below the step sandwiched between the steps P3 and P4
a, the silicon layer 4a above the step between the steps P4 and P5 becomes a silicon island.

【0034】また、P3、P4間のシリコン島には、ゲ
ート絶縁膜によるゲート容量Cg1を介してゲート電極
が接続され、絶縁膜2、3aによるバックゲート容量C
b1を介して基板1が接続されている。同様に、P4、
P5間のシリコン島には、ゲート絶縁膜によるゲート容
量Cg2を介してゲート電極が接続され、絶縁膜2、3
aによるバックゲート容量Cb2を介して基板1が接続
されている。
A gate electrode is connected to the silicon island between P3 and P4 via a gate capacitance Cg1 made of a gate insulating film, and a back gate capacitance Cg formed by the insulating films 2, 3a.
The substrate 1 is connected via b1. Similarly, P4,
A gate electrode is connected to the silicon island between P5 via a gate capacitance Cg2 formed by a gate insulating film.
The substrate 1 is connected via the back gate capacitance Cb2 by a.

【0035】なお、本実施の形態では、トンネル容量を
介して2個のシリコン島が直列に接続された構造になっ
ているが、段差を連続して作製することにより、何個で
もつなぐことができるのは言うまでもない。また、本実
施の形態では、ECR−CVD法を用いてシリコン層を
形成したクーロンブロッケイド素子について述べたが、
同様な方向性を有した薄膜堆積手法であれば、他の手法
であっても同様な構造が得られる。例えば、真空蒸着法
(高真空での分子線蒸着等の手法も含む)やスパッタ法
等を用いても良い。
Although the present embodiment has a structure in which two silicon islands are connected in series via a tunnel capacitor, it is possible to connect any number of silicon islands by continuously forming steps. It goes without saying that you can do it. Further, in the present embodiment, the Coulomb blockade element in which the silicon layer is formed by using the ECR-CVD method has been described.
A similar structure can be obtained by other methods as long as the thin film deposition method has a similar directionality. For example, a vacuum deposition method (including a technique such as molecular beam deposition under high vacuum) or a sputtering method may be used.

【0036】ところで、ECR−CVD法やスパッタ
法、真空蒸着法では、段差による立体的な効果で側壁と
側壁直下のみシリコン膜厚が薄くなるので、段差下部で
も側壁から離れれば、その膜厚は段差上部と同等にな
る。しかし、実施の形態の1で示したCVD法では、表
面反応、気相反応と拡散現象によって側壁及び側壁直下
でシリコン膜厚が薄くなるのは前に説明した通りである
が、段差下部では側壁から離れるに従って膜厚がゆっく
りと回復する。このため、ECR−CVD法やスパッタ
法、真空蒸着法と比較すると、膜厚の回復が遅い。
By the way, in the ECR-CVD method, the sputtering method, and the vacuum evaporation method, the silicon film becomes thin only on the side wall and immediately below the side wall due to the three-dimensional effect of the step. It is equivalent to the upper part of the step. However, in the CVD method described in the first embodiment, as described above, the silicon film becomes thinner at the side wall and immediately below the side wall due to a surface reaction, a gas phase reaction, and a diffusion phenomenon. The film thickness slowly recovers as the distance from the lens increases. Therefore, the recovery of the film thickness is slow as compared with the ECR-CVD method, the sputtering method, and the vacuum evaporation method.

【0037】よって、CVD法を用いても段差下部にシ
リコン島を作ることはできるが、膜厚の制御をより厳密
に行う必要が生じる。これに対してECR−CVD法で
は、膜堆積の方向性が極めて良いので、側壁が垂直の場
合は、側壁に形成されるシリコンが極めて薄くなる。し
たがって、シリコンを薄くするという点では効果的であ
るが、堆積形状の制御性を高く保たないと、段差の高さ
が高い場合に断線になってしまう可能性が高くなる。ま
た、熱酸化などによって島のサイズを縮小する手法を用
いた際に断線してしまう。これを避ける最も単純な手法
は、段差の高さと堆積膜厚を同じ程度にすればよい。
Thus, although a silicon island can be formed below the step by using the CVD method, it is necessary to control the film thickness more strictly. On the other hand, in the ECR-CVD method, since the direction of film deposition is extremely good, when the side wall is vertical, the silicon formed on the side wall becomes extremely thin. Therefore, although it is effective in reducing the thickness of silicon, if the controllability of the deposition shape is not kept high, the possibility of disconnection increases when the height of the step is high. In addition, disconnection occurs when a method of reducing the size of the island by thermal oxidation or the like is used. The simplest way to avoid this is to make the height of the step and the deposited film thickness the same.

【0038】実施の形態の3.図6は本発明の他の実施
の形態を示すクーロンブロッケイド素子の断面図であ
る。実施の形態の2では、段差側壁を垂直な形状とした
が、図6の絶縁膜3bのように、側壁に傾斜を付ける
と、ほぼ傾斜に応じた膜厚比率で平坦部(絶縁膜2、3
bの上面)と側壁にシリコン層4bが堆積される。した
がって、シリコン島あるいは電極部となる平坦部とトン
ネル障壁となる側壁との膜厚比率が側壁の傾斜角度で制
御できるという効果がある。
Embodiment 3 FIG. 6 is a sectional view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention. In the second embodiment, the step side wall is formed in a vertical shape. However, when the side wall is inclined as in the insulating film 3b of FIG. 6, the flat portion (the insulating film 2, 3
The silicon layer 4b is deposited on the upper surface of the silicon layer 4b) and the side walls. Therefore, there is an effect that the film thickness ratio between the silicon island or the flat portion serving as the electrode portion and the sidewall serving as the tunnel barrier can be controlled by the inclination angle of the sidewall.

【0039】実施の形態の4.実施の形態の2では、2
つのシリコン島全体を覆うようにゲート電極を形成した
が、各シリコン島ごとにゲート電極を分割して形成する
ようにしてもよい。図7(a)は本発明の他の実施の形
態を示すクーロンブロッケイド素子の平面図、図7
(b)は図7(a)のA−A線断面図である。なお、図
7(a)では、ゲート電極の下の構造を表すために、ゲ
ート絶縁膜を透明としている。
Fourth Embodiment In the second embodiment, 2
Although the gate electrodes are formed so as to cover the entire silicon islands, the gate electrodes may be formed separately for each silicon island. FIG. 7A is a plan view of a Coulomb blockade device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8B is a sectional view taken along line AA of FIG. Note that in FIG. 7A, the gate insulating film is transparent to show the structure below the gate electrode.

【0040】本実施の形態では、実施の形態の3と同様
にして形成したシリコン層4bを、段差と直交する細線
部と、細線部よりも幅が広いソース側電極部21b及び
ドレイン側電極部22bとを有する形状に加工する。こ
のような構造の上に、ゲート絶縁膜5bを形成し、段差
下部に形成されたシリコン層4bを覆うようにゲート電
極6aを形成し、同様に段差上部に形成されたシリコン
層4bを覆うようにゲート電極6bを形成する。
In the present embodiment, a silicon layer 4b formed in the same manner as in the third embodiment is provided with a thin line portion orthogonal to the step, a source-side electrode portion 21b and a drain-side electrode portion wider than the thin line portion. 22b. On such a structure, a gate insulating film 5b is formed, a gate electrode 6a is formed so as to cover the silicon layer 4b formed below the step, and similarly, a silicon layer 4b formed above the step is covered. Then, a gate electrode 6b is formed.

【0041】こうして、ゲート電極を分割して形成する
ことにより、各シリコン島毎に独立してゲート電位が調
整できる。図8にこのクーロンブロッケイド素子の等価
回路を示す。これはポンプと呼ばれる素子で、ゲート電
極6aとゲート電極6bに正弦波あるいは三角波等を位
相をずらして印加する事により、ソースからドレインに
あるいはドレインからソースに向かって(位相のずれの
程度で向きを変えることができる)1サイクルで電子を
1個づつ流すことができる作用を持つ。したがって、周
波数に比例した電流(周波数に電子の素電荷を掛けた量
の電流)が流れる。
In this manner, by dividing the gate electrode, the gate potential can be adjusted independently for each silicon island. FIG. 8 shows an equivalent circuit of the Coulomb blockade element. This is an element called a pump. By applying a sine wave or a triangular wave with a phase shift to the gate electrode 6a and the gate electrode 6b, a direction from the source to the drain or from the drain to the source (depending on the degree of phase shift). Has the effect of allowing electrons to flow one by one in one cycle. Therefore, a current proportional to the frequency (a current obtained by multiplying the elementary electric charge by the frequency) flows.

【0042】実施の形態の5.さらに、上記の実施の形
態を応用し、上で説明した段差構造を2次元的に配置す
れば各種の単電子素子が作製できる。図9は本発明の他
の実施の形態を示すクーロンブロッケイド素子の平面
図、図10はこのクーロンブロッケイド素子の等価回路
図である。なお、図9はシリコン層の下の絶縁膜のみを
示している。
Embodiment 5 Furthermore, various single-electron elements can be manufactured by applying the above-described embodiment and arranging the above-described step structure two-dimensionally. FIG. 9 is a plan view of a Coulomb blockade device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device. FIG. 9 shows only the insulating film below the silicon layer.

【0043】本実施の形態では、絶縁膜2上に絶縁膜3
cを図9のように配置する。絶縁膜2と絶縁膜3cの間
の領域は、絶縁膜3cによる段差側壁である。これによ
り、絶縁膜3cの上面による段差上部と絶縁膜2の上面
による段差下部とが市松模様状に配置された形状とな
る。
In this embodiment, the insulating film 3 is formed on the insulating film 2.
c is arranged as shown in FIG. A region between the insulating film 2 and the insulating film 3c is a step sidewall formed by the insulating film 3c. Thus, the upper portion of the step formed by the upper surface of the insulating film 3c and the lower portion of the step formed by the upper surface of the insulating film 2 are arranged in a checkered pattern.

【0044】そして、このような構造の上にシリコン層
(不図示)を形成すると、段差上部と段差下部にそれぞ
れ形成されるシリコン島がアレイ状に並ぶことになり、
かつ隣り合う島との間にある段差側壁のシリコン層が薄
くなってトンネル障壁として作用するので、これにより
隣り合う島間がトンネル容量Ctで接続された図10の
ような等価回路の素子が作製できる。なお、図10で
は、黒丸が段差上部に形成されたシリコン島を示し、白
丸が段差下部に形成されたシリコン島を示す。
When a silicon layer (not shown) is formed on such a structure, the silicon islands formed on the upper and lower steps are arranged in an array.
In addition, since the silicon layer on the step side wall between the adjacent islands becomes thinner and functions as a tunnel barrier, an element of an equivalent circuit as shown in FIG. 10 in which the adjacent islands are connected by the tunnel capacitance Ct can be manufactured. . In FIG. 10, black circles indicate silicon islands formed above the steps, and white circles indicate silicon islands formed below the steps.

【0045】ここでは、この素子の上にゲート電極を形
成していないが、絶縁膜を介してゲート電極を所望の位
置に形成することによって、作製できる回路構成の自由
度が増える。
Here, the gate electrode is not formed on this element, but by forming the gate electrode at a desired position via an insulating film, the degree of freedom of the circuit configuration that can be manufactured is increased.

【0046】実施の形態の6.実施の形態の5を応用す
ると、より複雑に接続された回路を実現することもでき
る。図11は本発明の他の実施の形態を示すクーロンブ
ロッケイド素子の平面図、図12はこのクーロンブロッ
ケイド素子の等価回路図である。なお、図11はシリコ
ン層の下の絶縁膜のみを示している。
6. Embodiment 6 By applying the fifth embodiment, a more complicatedly connected circuit can be realized. FIG. 11 is a plan view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention, and FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device. FIG. 11 shows only the insulating film below the silicon layer.

【0047】本実施の形態では、絶縁膜2上に絶縁膜3
dを形成してその一部(絶縁膜2が見えるところ)を除
去し、さらに絶縁膜3d上に絶縁膜7を図11のように
形成する。各絶縁膜の間の領域は、絶縁膜3d、7によ
る段差側壁である。これにより、絶縁膜7の上面による
段差最上部と絶縁膜3dの上面による段差中段部と絶縁
膜2の上面による段差最下部とが図11のように配置さ
れた形状となる。
In this embodiment, the insulating film 3 is formed on the insulating film 2.
d is formed, a part thereof (where the insulating film 2 is visible) is removed, and an insulating film 7 is formed on the insulating film 3d as shown in FIG. A region between the insulating films is a step side wall formed by the insulating films 3d and 7. As a result, the uppermost portion of the step formed by the upper surface of the insulating film 7, the middle portion of the step formed by the upper surface of the insulating film 3d, and the lowermost portion of the step formed by the upper surface of the insulating film 2 are arranged as shown in FIG.

【0048】そして、このような構造の上にシリコン層
(不図示)を形成すると、段差最上部、段差中段部、段
差最下部にそれぞれ形成されるシリコン島が並ぶことに
なり、かつ隣り合う島との間にある段差側壁のシリコン
層が薄くなってトンネル障壁として作用するので、これ
により隣り合う島間がトンネル容量Ct1〜Ct3で接
続された図12のような等価回路の素子が作製できる。
なお、図12では、黒丸が段差最上部に形成されたシリ
コン島を示し、二重丸が段差中段部に形成されたシリコ
ン島を示し、白丸が段差最下部に形成されたシリコン島
を示す。
When a silicon layer (not shown) is formed on such a structure, silicon islands formed at the top of the step, the middle of the step, and the bottom of the step are lined up, and the adjacent islands are formed. Since the silicon layer on the side wall of the step between them becomes thinner and functions as a tunnel barrier, an element of an equivalent circuit as shown in FIG. 12 in which adjacent islands are connected by tunnel capacitances Ct1 to Ct3 can be manufactured.
In FIG. 12, black circles indicate silicon islands formed at the top of the step, double circles indicate silicon islands formed at the middle of the step, and white circles indicate silicon islands formed at the bottom of the step.

【0049】このように各シリコン島は、隣り合う6つ
の島とトンネル容量でそれぞれ接続された構造になる
が、さらに段差の高さあるいは側壁の形状が3種類存在
するので、トンネル容量も3種類存在することになる。
すなわち、最上部と中段部の間の段差によるトンネル容
量Ct1、中段部と最下部の間の段差によるトンネル容
量Ct2、最上部と最下部の間の段差によるトンネル容
量Ct3の3種類である。
As described above, each silicon island has a structure in which it is connected to six adjacent islands by a tunnel capacitance. However, since there are three types of step heights or side wall shapes, there are three types of tunnel capacitances. Will exist.
That is, there are three types: a tunnel capacitance Ct1 due to a step between the uppermost part and the middle part, a tunnel capacitance Ct2 due to a step between the middle part and the lower part, and a tunnel capacitance Ct3 due to a step between the uppermost part and the lowermost part.

【0050】これらのトンネル抵抗と容量の大きさは段
差の高さと側壁の形状によって変えることができるの
で、例えば最上部と中段部の間だけトンネル容量として
作用させ、その他はトンネルしない容量(トンネル抵抗
が極めて高いトンネル容量と等価)とすることもでき
る。また、言うまでもないが、段差の段数、シリコン島
(平坦部)の配置、段差の高さの組み合わせを工夫する
ことによって、各種の連結島構造を作製することができ
る。
The magnitude of the tunnel resistance and the capacitance can be changed depending on the height of the step and the shape of the side wall. For example, only the uppermost part and the middle part act as a tunnel capacitance, and the other parts do not tunnel (the tunnel resistance). Is equivalent to a very high tunnel capacity). Needless to say, various connection island structures can be manufactured by devising a combination of the number of steps, the arrangement of silicon islands (flat portions), and the height of the steps.

【0051】実施の形態の7.以上の実施の形態では、
2次元的なシリコン島の配置例、つまり各シリコン島が
高さ方向については重ならない例について説明したが、
次にシリコン島を3次元的に配置する手法について説明
する。図13(a)は本発明の他の実施の形態を示すク
ーロンブロッケイド素子の平面図、図13(b)は図1
3(a)のA−A線断面図、図13(c)は図13
(a)のB−B線断面図である。なお、図13(a)で
は、後述する第2のシリコン層の下の絶縁膜を透明とし
ている。
7. Embodiment 7 In the above embodiment,
Although an example of a two-dimensional arrangement of silicon islands, that is, an example in which each silicon island does not overlap in the height direction, has been described,
Next, a method for arranging silicon islands three-dimensionally will be described. FIG. 13A is a plan view of a Coulomb blockade device according to another embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3A is a sectional view taken along line AA, and FIG.
It is a BB sectional view taken on the line of (a). In FIG. 13A, an insulating film below a second silicon layer described later is transparent.

【0052】本実施の形態では、まず絶縁膜2上に図7
と同様の絶縁膜3bを形成する。さらに、段差構造の上
に形成したシリコン層4bを、図7と同様に段差と直交
する細線部と、ソース側電極部21b及びドレイン側電
極部22bとを有する形状に加工する。続いて、このシ
リコン層4bを薄く酸化して、トンネル性の絶縁膜8を
形成する。この絶縁膜8は、他のトンネル性絶縁膜、例
えばシリコン窒化膜などで置き換えることができ、酸化
ではなく膜堆積で形成することもできる。シリコン層4
bを熱酸化させてトンネル性絶縁膜を形成する場合に
は、1〜3nm程度の厚さとする。
In the present embodiment, first, FIG.
An insulating film 3b similar to that described above is formed. Further, the silicon layer 4b formed on the step structure is processed into a shape having a thin line portion orthogonal to the step and a source-side electrode portion 21b and a drain-side electrode portion 22b as in FIG. Subsequently, the silicon layer 4b is thinly oxidized to form a tunnel insulating film 8. The insulating film 8 can be replaced with another tunnel insulating film, for example, a silicon nitride film, and can be formed by film deposition instead of oxidation. Silicon layer 4
When b is thermally oxidized to form a tunnel insulating film, the thickness is about 1 to 3 nm.

【0053】次いで、このような構造の上に、第1のシ
リコン層4bの細線部と直交する細線部とソース側電極
部21c及びドレイン側電極部22cとを有する第2の
シリコン層4c、同じく細線部とソース側電極部21d
及びドレイン側電極部22dとを有する第2のシリコン
層4dを形成する。
Next, on such a structure, a second silicon layer 4c having a thin line portion orthogonal to the thin line portion of the first silicon layer 4b and a source-side electrode portion 21c and a drain-side electrode portion 22c. Fine line part and source side electrode part 21d
And a second silicon layer 4d having a drain-side electrode portion 22d.

【0054】このようなクーロンブロッケイド素子の等
価回路を図14に示す。絶縁膜3bによる位置P6、P
7、P8の段差によって形成されたシリコン層4bの薄
い領域は、上記と同様にトンネル障壁となり、それぞれ
トンネル容量Csd、Cc1、Cddとして作用する。
こうして、位置P6、P7の段差に挟まれたシリコン層
4b、位置P7、P8の段差に挟まれたシリコン層4b
がそれぞれシリコン島31、32となる。そして、シリ
コン島31には、絶縁膜2、3bによるバックゲート容
量Cb1を介して基板1が接続され、同様にシリコン島
32には、バックゲート容量Cb2を介して基板1が接
続されている。
FIG. 14 shows an equivalent circuit of such a Coulomb blockade element. Positions P6 and P by insulating film 3b
The thin region of the silicon layer 4b formed by the step of P7 and P8 serves as a tunnel barrier similarly to the above, and acts as tunnel capacitances Csd, Cc1 and Cdd, respectively.
Thus, the silicon layer 4b sandwiched between the steps P6 and P7, and the silicon layer 4b sandwiched between the steps P7 and P8
Are silicon islands 31 and 32, respectively. The substrate 1 is connected to the silicon island 31 via a back gate capacitance Cb1 formed by the insulating films 2 and 3b, and similarly, the substrate 1 is connected to the silicon island 32 via a back gate capacitance Cb2.

【0055】一方、図13(c)に示すように、シリコ
ン層4bの細線部および絶縁膜8によって位置P9、P
10に段差が形成されるため、この段差構造の上に第2
のシリコン層4dを形成すると、段差側壁あるいは側壁
近傍でシリコン層4dが薄くなる。これにより、位置P
9、P10の段差によって形成された薄いシリコン領域
がトンネル障壁となり、トンネル容量Csu2、Cdu
2として作用し、位置P9、P10の段差に挟まれたシ
リコン層4dがシリコン島33となる。
On the other hand, as shown in FIG. 13C, the positions P9 and P9 are formed by the thin line portion of the silicon layer 4b and the insulating film 8.
Since a step is formed in the step 10, the second step
When the silicon layer 4d is formed, the silicon layer 4d becomes thinner at or near the step side wall. Thereby, the position P
9, the thin silicon region formed by the step of P10 becomes a tunnel barrier, and the tunnel capacitances Csu2 and Cdu.
2, the silicon layer 4d sandwiched between the steps P9 and P10 becomes the silicon island 33.

【0056】同様に、第2のシリコン層4cを形成する
と、シリコン層4bの細線部と絶縁膜8による段差側壁
あるいは側壁近傍でシリコン層4cが薄くなる。この薄
いシリコン領域がトンネル障壁となり、トンネル容量C
su1、Cdu1として作用し、これらに挟まれたシリ
コン層4cがシリコン島34となる。また、シリコン島
33、34間は、絶縁膜8による容量Cc2によって接
続される。そして、上下に重なった島31と島34、島
32と島33の間は、絶縁膜8によるトンネル容量Ci
1、Ci2によってそれぞれ接続される。
Similarly, when the second silicon layer 4c is formed, the silicon layer 4c becomes thinner at or near the step side wall formed by the thin line portion of the silicon layer 4b and the insulating film 8. This thin silicon region becomes a tunnel barrier, and the tunnel capacitance C
The silicon layer 4c acts as su1 and Cdu1, and the silicon layer 4c sandwiched between them serves as a silicon island 34. The silicon islands 33 and 34 are connected by a capacitor Cc2 formed by the insulating film 8. The tunnel capacitance Ci by the insulating film 8 is provided between the islands 31 and 34 and the islands 32 and 33 which are vertically overlapped.
1 and Ci2.

【0057】本実施の形態のクーロンブロッケイド素子
の特徴としては、上下のシリコン島間をつなぐトンネル
障壁(絶縁膜8)として障壁の高さが高いシリコン酸化
膜あるいはシリコン窒化膜が使えるので、その膜厚が薄
いにもかかわらずトンネル抵抗が高くできることであ
る。単電子素子ではトンネル抵抗は量子抵抗(約25k
Ω)より高い必要があるので、絶縁膜8の膜厚を薄くで
きる。すなわち、上下のシリコン島間の容量を大きくす
ることができる。これは、上下のそれぞれの島への単一
の電子の出入りに大きな相関が現れるようにできること
を意味する。
A feature of the Coulomb blockade device of the present embodiment is that a silicon oxide film or a silicon nitride film having a high barrier height can be used as a tunnel barrier (insulating film 8) connecting upper and lower silicon islands. That is, the tunnel resistance can be increased even though the thickness is small. In a single electron device, the tunnel resistance is a quantum resistance (about 25 k).
Ω), the thickness of the insulating film 8 can be reduced. That is, the capacitance between the upper and lower silicon islands can be increased. This means that a large correlation can appear between the entry and exit of a single electron into each of the upper and lower islands.

【0058】上記の実施の形態で示した2次元的な配置
では、シリコン層が薄いことによる量子閉じ込め効果に
起因した電子又は正孔に対する基底エネルギーの上昇を
トンネル障壁としている。障壁高さは、ほぼくびれ部の
膜厚の2乗分の1に比例するが、周辺がシリコン酸化膜
に囲まれていることに起因した閉じ込めであるので、シ
リコン酸化膜自身による障壁高さを超えることは有り得
ない。通常は、くびれによるトンネル障壁は、シリコン
酸化膜の障壁高さよりずっと低い値となる。
In the two-dimensional arrangement shown in the above embodiment, the tunnel barrier is an increase in the base energy for electrons or holes due to the quantum confinement effect due to the thin silicon layer. The barrier height is almost proportional to one square of the thickness of the constricted portion. However, since the confinement is caused by the surrounding being surrounded by the silicon oxide film, the barrier height by the silicon oxide film itself is reduced. It cannot be exceeded. Normally, the constricted tunnel barrier is much lower than the barrier height of the silicon oxide film.

【0059】なお、本実施の形態では、上下の島間に形
成した絶縁膜8をトンネル性絶縁膜としたが、これを通
常の絶縁膜(例えばトンネルしない程度の厚い絶縁膜)
とすることもできる。この場合は上下の島間には容量的
な接続のみが生じ、島間での直接の電子のやりとりは起
きない(容量Ci1、Ci2がトンネル容量ではなく、
通常の非トンネル性容量となる)。
In this embodiment, the insulating film 8 formed between the upper and lower islands is used as a tunnel insulating film. However, this is an ordinary insulating film (for example, a thick insulating film that does not tunnel).
It can also be. In this case, only capacitive connection occurs between the upper and lower islands, and no direct exchange of electrons occurs between the islands (capacitances Ci1 and Ci2 are not tunnel capacitances,
Normal non-tunneling capacity).

【0060】また、本実施の形態では、シリコン層4b
に形成されたシリコン島31、32の上に、これと交差
するようにシリコン層4c、4dを形成し、上下のシリ
コン島を薄いトンネル性絶縁膜8を介して接続した。し
かし、第2のシリコン層4c、4dは、必ずしもシリコ
ン層4bに島が形成されている領域と交差する必要はな
く、電極あるいは次の島に向かってのリード部になって
いるシリコン層上に形成してもかまわない。この場合
も、シリコン層間の絶縁膜の厚さに応じて、リード部と
トンネル容量あるいは非トンネル性容量を介して接続さ
れたシリコン島が第2のシリコン層にできる。
In this embodiment, the silicon layer 4b
Silicon layers 4c and 4d were formed on the silicon islands 31 and 32 formed in such a manner as to intersect with them, and the upper and lower silicon islands were connected via a thin tunnel insulating film 8. However, the second silicon layers 4c and 4d do not necessarily need to intersect with the region where the island is formed in the silicon layer 4b. It may be formed. In this case as well, a silicon island connected to the lead portion via a tunnel capacitor or a non-tunnel capacitor can be formed in the second silicon layer according to the thickness of the insulating film between the silicon layers.

【0061】実施の形態の8.次に、上記の手法を用い
たもう一つの応用例である単電子メモリー素子について
説明する。図15(a)は本発明の他の実施の形態を示
すクーロンブロッケイド素子の平面図、図15(b)は
図15(a)のA−A線断面図、図15(c)は図15
(a)のB−B線断面図である。なお、図15(a)で
は、各絶縁膜を透明としている。
8. Embodiment 8 Next, a single-electron memory element which is another application example using the above method will be described. 15A is a plan view of a Coulomb blockade device according to another embodiment of the present invention, FIG. 15B is a sectional view taken along line AA of FIG. 15A, and FIG. Fifteen
It is a BB sectional view taken on the line of (a). In FIG. 15A, each insulating film is transparent.

【0062】本実施の形態では、まず絶縁膜2上に半導
体あるいは金属等の導電性材料からなるゲート電極9を
形成する。このゲート電極9は、途中で止まる終端(図
15(a)上側)を有する形状にしておく。また、反対
側の端(図15(a)下端)は、必要に応じて外部の電
極に接続する。このゲート電極9は、後述する読み取り
用の単電子トランジスタ(以下、SETとする)の調整
用ゲートとなる。
In this embodiment, first, a gate electrode 9 made of a conductive material such as a semiconductor or a metal is formed on the insulating film 2. The gate electrode 9 has a shape having a terminal end (the upper side in FIG. 15A) that stops halfway. The opposite end (the lower end in FIG. 15A) is connected to an external electrode as necessary. The gate electrode 9 serves as an adjustment gate of a reading single-electron transistor (hereinafter, referred to as SET) to be described later.

【0063】なお、このゲート電極9は必ずしも必要で
はない。必要でない場合は、同様の形状の絶縁膜を形成
すればよい。また、基板1にシリコン等の導電性の材料
を使用することで、このゲート電極9の効果を代用する
こともできる。この場合には、ゲート電極9のような上
に凸の段差ではなく、絶縁膜2を窪ませた段差を形成す
ると、導電性の基板1はその上に形成された読み取り用
SETの単電子島にのみ強く容量的にカップルするので
有効である。
The gate electrode 9 is not always necessary. When not necessary, an insulating film having a similar shape may be formed. Further, by using a conductive material such as silicon for the substrate 1, the effect of the gate electrode 9 can be substituted. In this case, when a step having a recessed insulating film 2 is formed instead of a step having an upward protrusion like the gate electrode 9, the conductive substrate 1 becomes a single-electron island of the reading SET formed thereon. It is effective only because it couples strongly and capacitively.

【0064】次に、ゲート電極9の上にゲート絶縁膜1
0を形成した後に、これらの構造の上にゲート電極9と
直交する細線部とソース側電極部21e及びドレイン側
電極部22eとを有するシリコン層4eを形成する。な
お、細線部の位置は、上記終端よりわずかに離れた位置
とする。これは、後述する第2のシリコン層を形成した
ときに、バリア島が形成できるスペースをとれるように
するためである。
Next, the gate insulating film 1 is formed on the gate electrode 9.
After forming 0, a silicon layer 4e having a thin line portion orthogonal to the gate electrode 9, a source-side electrode portion 21e, and a drain-side electrode portion 22e is formed on these structures. Note that the position of the thin line portion is a position slightly away from the terminal. This is to allow a space for forming a barrier island when a second silicon layer described later is formed.

【0065】続いて、このような構造の上に薄い絶縁膜
11を形成した後に、シリコン層4eの細線部と直交す
る細線部とソース電極部21fとを有するシリコン層4
fを形成する。さらに、ゲート絶縁膜12を形成した後
に、ゲート電極13a、13bを形成する。
Subsequently, after a thin insulating film 11 is formed on such a structure, the silicon layer 4 having a thin line portion orthogonal to the thin line portion of the silicon layer 4e and the source electrode portion 21f is formed.
Form f. Further, after forming the gate insulating film 12, gate electrodes 13a and 13b are formed.

【0066】このようなクーロンブロッケイド素子の等
価回路を図16に示す。ゲート電極9及び絶縁膜10に
よる位置P11、P12の段差によって形成されたシリ
コン層4eの薄い領域は、上記と同様にトンネル障壁と
なり、それぞれトンネル容量Cst、Cdtとして作用
する。こうして、位置P11、P12の段差に挟まれた
シリコン層4eがシリコン島35となる。このシリコン
島35には、ゲート絶縁膜10によるゲート容量Cb3
を介してゲート電極9が接続されている。これらの構成
が後述するメモリー島内の電子の有無を出力として取り
出す読み取り用SETを構成しており、シリコン島35
が読み取り用SETの単電子島となる。
FIG. 16 shows an equivalent circuit of such a Coulomb blockade element. The thin region of the silicon layer 4e formed by the step between the positions P11 and P12 formed by the gate electrode 9 and the insulating film 10 becomes a tunnel barrier similarly to the above, and acts as tunnel capacitances Cst and Cdt, respectively. Thus, the silicon layer 4e sandwiched between the steps of the positions P11 and P12 becomes the silicon island 35. The silicon island 35 has a gate capacitance Cb3 formed by the gate insulating film 10.
Is connected to the gate electrode 9 via. These configurations constitute a reading SET for extracting the presence or absence of electrons in the memory island, which will be described later, as an output.
Is a single electron island of the reading SET.

【0067】一方、図15(c)に示すように、電極
9、絶縁膜10、11によって位置P13に段差が形成
され、シリコン層4e及び絶縁膜11によって位置P1
4に段差が形成されるため、これらの段差構造の上に第
2のシリコン層4fを形成すると、段差側壁あるいは側
壁近傍でシリコン層4fが薄くなる。これにより、位置
P13、P14の段差によって形成された薄いシリコン
領域がトンネル障壁となり、トンネル容量Cm1、Cm
2として作用する。
On the other hand, as shown in FIG. 15C, a step is formed at the position P13 by the electrode 9, the insulating films 10 and 11, and the position P1 is formed by the silicon layer 4e and the insulating film 11.
Since a step is formed in the step 4, when the second silicon layer 4f is formed on these step structures, the silicon layer 4f becomes thinner at or near the step side wall. Thus, the thin silicon region formed by the step between the positions P13 and P14 becomes a tunnel barrier, and the tunnel capacitances Cm1 and Cm
Acts as 2.

【0068】そして、位置P14より右側のシリコン層
4f、すなわち島35となるシリコン層4eの上に形成
されたシリコン層4fがシリコン島36となり、位置P
13、P14の段差に挟まれたシリコン層4fがシリコ
ン島37となる。ここでは、、島36を単電子のメモリ
ーノード(メモリー島)として用い、それに隣接する島
37をバリア島(メモリー島内の単電子が出ていくのを
防ぐ、あるいはメモリー島内に電子が入ってくるのを防
ぐ)として用いる。
Then, the silicon layer 4f on the right side of the position P14, that is, the silicon layer 4f formed on the silicon layer 4e to be the island 35 becomes the silicon island 36, and the position P
The silicon layer 4f sandwiched between the steps 13 and P14 becomes the silicon island 37. Here, the island 36 is used as a single-electron memory node (memory island), and the adjacent island 37 is used as a barrier island (to prevent single electrons in the memory island from leaving, or electrons enter the memory island). Is used to prevent

【0069】また、シリコン島36には絶縁膜12によ
るゲート容量Cb4を介してゲート電極13aが接続さ
れ、同様にシリコン島37には絶縁膜12によるゲート
容量Cb5を介してゲート電極13bが接続される。ゲ
ート電極13aは、メモリーノードへの単電子の書き込
みあるいは消去を行うためのものであり、ゲート電極1
3bは、バリア島が最適に作用するように調整するため
のものである。なお、電極13a、13bを金属性材料
で形成する場合は問題ないが、半導体で形成する際に
は、その膜厚を厚くして、段差を越える際にトンネル容
量が形成されないように注意する必要がある。
The gate electrode 13a is connected to the silicon island 36 via the gate capacitance Cb4 of the insulating film 12, and the gate electrode 13b is connected to the silicon island 37 similarly via the gate capacitance Cb5 of the insulating film 12. You. The gate electrode 13a is for writing or erasing a single electron to or from a memory node.
3b is for adjusting the barrier islands to work optimally. It should be noted that there is no problem when the electrodes 13a and 13b are formed of a metallic material. However, when the electrodes 13a and 13b are formed of a semiconductor, it is necessary to increase the film thickness so that a tunnel capacitance is not formed when the electrode crosses a step. There is.

【0070】また、上下に重なった島35と島36は、
絶縁膜11による容量Ciによって接続される。こうし
て、図16のような等価回路のクーロンブロッケイド素
子(単電子メモリー素子)が作製できる。この回路の基
本的な動作は、以下のようになる。まず、バリア調整用
ゲート電極13bに電圧を印加してバリア島37がクー
ロンブロッケイド状態になるようにしておく(通常はゼ
ロバイアス下でクーロンブロッケイド状態であるが、周
辺の導電性材料との仕事関数差や浮遊の電荷の影響など
でずれることがある)。
The islands 35 and 36 which are vertically overlapped are
The connection is established by the capacitance Ci of the insulating film 11. Thus, a Coulomb blockade device (single-electron memory device) having an equivalent circuit as shown in FIG. 16 can be manufactured. The basic operation of this circuit is as follows. First, a voltage is applied to the barrier adjustment gate electrode 13b so that the barrier island 37 is in the Coulomb blockade state (usually in the Coulomb blockade state under zero bias, but is not in contact with the surrounding conductive material). It may deviate due to the work function difference or the influence of floating charge).

【0071】メモリー用ゲート電極13aに正の電圧を
印加していくと(初期値はソース電極21fとの電位差
がほぼゼロとなる電圧とする)、バリア島37のクーロ
ンブロッケイドが破れ、ソース電極21fよりバリア島
37を通って単電子がメモリー島36に供給される。ゲ
ート電極13aに与える電圧を初期値に戻すと、バリア
島37がクーロンブロッケイド状態になるので、メモリ
ー島36の電子は出ていくことができない。よって、単
電子がメモリー島36に記憶された状態(書き込み状
態)になる。
When a positive voltage is applied to the memory gate electrode 13a (the initial value is a voltage at which the potential difference from the source electrode 21f becomes substantially zero), the Coulomb blockade of the barrier island 37 is broken, and the source electrode Single electrons are supplied to the memory island 36 through the barrier island 37 from 21f. When the voltage applied to the gate electrode 13a is returned to the initial value, the barrier island 37 enters the Coulomb blockade state, so that the electrons on the memory island 36 cannot exit. Therefore, a state is reached in which a single electron is stored in the memory island 36 (writing state).

【0072】これを消去するためには、ゲート電極13
aに負の電圧を印加して、バリア島37のクーロンブロ
ッケイドが破れてメモリー島36からバリア島37を経
由してソース電極21fに電子が放出されるようにすれ
ば良い。ここでは、メモリー用ゲート電極13aの電位
調整で書き込み、消去を行ったが、ソース電極21fの
電位調整でこれを行うこともできる。また、バリア調整
用ゲート電極13bの電位をゲート電極13a又はソー
ス電極21fの電位の昇降と併せて操作することによっ
て、より小さな電位変化で単電子の書き込み、消去がで
きる。
To erase this, the gate electrode 13
A negative voltage may be applied to a so that the Coulomb blockade of the barrier island 37 is broken and electrons are emitted from the memory island 36 to the source electrode 21f via the barrier island 37. Here, writing and erasing are performed by adjusting the potential of the memory gate electrode 13a, but this can also be performed by adjusting the potential of the source electrode 21f. In addition, by controlling the potential of the barrier adjustment gate electrode 13b together with the rise and fall of the potential of the gate electrode 13a or the source electrode 21f, single electron writing and erasing can be performed with a smaller potential change.

【0073】このようなメモリー島36への書き込み、
消去による単電子の増減は、メモリー島36と容量Ci
を介して接続された読み取り用SETのコンダクタンス
の変化として読み取ることができる。この読み取り用S
ETのコンダクタンスの変化は、メモリー島36の電位
が読み取り用SETのクーロンブロッケイドが破れる前
後に来たときに最大になる。この位置は、読み取り用S
ETに取り付けられた調整用ゲート電極9の電位によっ
て調整できる。すなわち、メモリー島36への単電子の
書き込み、消去による単電子の増減で、読み取り用SE
Tのクーロンブロッケイドが破れてコンダクタンスが大
きく変化するように調整すればよい。
Writing to such a memory island 36,
The increase / decrease of single electrons due to erasure is caused by the memory island 36 and the capacity Ci.
Can be read as a change in the conductance of the reading SET connected via the. This reading S
The change in the conductance of the ET becomes maximum when the potential of the memory island 36 comes before and after the Coulomb blockade of the reading SET has broken. This position is for reading S
It can be adjusted by the potential of the adjustment gate electrode 9 attached to the ET. In other words, the reading SE increases or decreases due to the writing or erasing of a single electron on the memory island 36.
It may be adjusted so that the Coulomb blockade of T is broken and the conductance changes greatly.

【0074】また、実施の形態の7、8の手法を応用す
ると、図19に示した従来のクーロンブロッケイド素子
において、細線部90と交差する堆積シリコン細線を細
線部90上に堆積させることで、細線部90に形成され
たシリコン島とトンネル容量あるいは非トンネル性容量
を介して接続された上部シリコン島を堆積シリコン細線
に形成することができる。
By applying the methods 7 and 8 of the embodiment, in the conventional Coulomb blockade device shown in FIG. 19, a deposited silicon fine wire crossing the fine wire portion 90 is deposited on the fine wire portion 90. The upper silicon island connected to the silicon island formed in the thin wire portion 90 via a tunnel capacitance or a non-tunneling capacitance can be formed in the deposited silicon fine wire.

【0075】また言うまでもないが、図9、図11のよ
うに2次元配置したシリコン島上に絶縁膜(トンネル性
絶縁膜も含む)を介してシリコン層を形成することによ
り、3次元的に容量あるいはトンネル容量で接続された
シリコン島アレイができることになる。さらに、絶縁膜
を介したシリコン層の積層を繰り返してもよいことは言
うまでもない。
Needless to say, by forming a silicon layer on a two-dimensionally arranged silicon island via an insulating film (including a tunnel insulating film) as shown in FIGS. The result is a silicon island array connected by tunnel capacitance. Furthermore, it goes without saying that the stacking of the silicon layer via the insulating film may be repeated.

【0076】実施の形態の9.以上の実施の形態では、
絶縁膜上にアモルファスシリコンあるいは多結晶シリコ
ンを形成し、これを単電子島にする手法について説明し
たが、その上層に形成する絶縁膜として熱酸化膜を用い
る際などは、単結晶シリコンであった方が酸化膜の均一
性、再現性が良好な点で有利である。
9. Embodiment 9 In the above embodiment,
The method of forming amorphous silicon or polycrystalline silicon on an insulating film and converting it to a single-electron island was described. However, when a thermal oxide film was used as an insulating film to be formed thereon, the single-crystal silicon was used. This is advantageous in that the uniformity and reproducibility of the oxide film are better.

【0077】そこで、アモルファスシリコンを堆積する
際に、下層の基板シリコンと接する点を前もってリソグ
ラフィとエッチングなどにより形成しておき、膜形成後
に比較的低い温度(600℃±150°)で、長時間ア
ニールすることによって、アモルファスシリコンを単結
晶シリコンにすることができる。このような処理を多層
にわたって繰り返すことにより、単結晶シリコンからな
る単電子島を積層構成で作製することができる。また、
以上の実施の形態では、シリコンを島あるいは電極に用
いる例について説明したが、他の半導体、例えばゲルマ
ニウムやシリコンとゲルマニウムの混晶等を用いてもよ
い。
Therefore, when depositing amorphous silicon, a point in contact with the underlying substrate silicon is formed in advance by lithography and etching, and after forming the film, the film is formed at a relatively low temperature (600 ° C. ± 150 °) for a long time. By annealing, amorphous silicon can be made into single crystal silicon. By repeating such a process over multiple layers, single-electron islands made of single-crystal silicon can be manufactured in a stacked structure. Also,
In the above embodiment, an example in which silicon is used for an island or an electrode has been described. However, another semiconductor, for example, germanium or a mixed crystal of silicon and germanium may be used.

【0078】[0078]

【発明の効果】本発明によれば、請求項1に記載のよう
に、段差側壁あるいは側壁近傍の膜厚を細線部よりも薄
くすることにより、細線部の両端に細線部よりエネルギ
ーの高いトンネル障壁が形成され、細線部に伝導体島が
形成されるので、従来のクーロンブロッケイド素子のよ
うに、伝導体島の周囲を電極で囲ったり、電極の幅を広
くして熱酸化によってトンネル障壁を形成したりする必
要がなく、伝導体島を任意に配置することができる。そ
の結果、伝導体島を高密度に集積化することができ、島
間を接近させることができると共に、伝導体島を連結し
て多様な素子を容易に作り出すことができる。
According to the present invention, the thickness of the step side wall or the vicinity of the side wall is made thinner than that of the thin wire portion as described in claim 1, so that a tunnel having higher energy than the thin wire portion is formed at both ends of the thin wire portion. A barrier is formed, and a conductor island is formed in the thin wire portion. Therefore, as in the conventional Coulomb blockade element, the periphery of the conductor island is surrounded by an electrode, or the width of the electrode is widened and a tunnel barrier is formed by thermal oxidation. And the conductor islands can be arbitrarily arranged. As a result, the conductor islands can be integrated at a high density, the islands can be made closer, and various elements can be easily created by connecting the conductor islands.

【0079】また、請求項2に記載のように、金属膜又
は半導体膜を絶縁膜で覆った段差構造の上に、細線部を
有する薄膜を形成して、段差側壁あるいは側壁近傍の膜
厚を細線部よりも薄くすることにより、細線部の両端に
細線部よりエネルギーの高いトンネル障壁が形成され、
細線部に伝導体島が形成され、この伝導体島が非トンネ
ル性容量若しくはトンネル性容量となる絶縁膜を介して
例えば電極となる金属膜又は電極若しくは伝導体島とな
る半導体膜と接続されるので、伝導体島、非トンネル性
容量、トンネル性容量及び電極が3次元的に配置された
クーロンブロッケイド素子を実現することができる。そ
の結果、伝導体島を高密度に集積化することができると
共に、伝導体島を連結して更に多様な素子を容易に作り
出すことができる。
Further, a thin film having a thin line portion is formed on a step structure in which a metal film or a semiconductor film is covered with an insulating film, and the thickness of the step side wall or the vicinity of the side wall is reduced. By making it thinner than the thin wire part, a tunnel barrier with higher energy than the thin wire part is formed at both ends of the thin wire part,
A conductor island is formed in the thin wire portion, and the conductor island is connected to a metal film serving as an electrode or a semiconductor film serving as an electrode or a conductor island via an insulating film serving as a non-tunneling capacitor or a tunneling capacitor. Therefore, it is possible to realize a Coulomb blockade element in which the conductor island, the non-tunneling capacitor, the tunneling capacitor, and the electrodes are three-dimensionally arranged. As a result, the conductor islands can be integrated at a high density, and the conductor islands can be connected to easily create more various elements.

【0080】また、請求項4に記載のように、段差構造
を形成し、段差側壁あるいは側壁近傍に形成される膜厚
が平坦部に形成される膜厚よりも薄くなるように半導体
からなる薄膜を段差構造上に形成し、この薄膜を細線部
を有する形状に加工することにより、細線部の両端に細
線部よりエネルギーの高いトンネル障壁が自動的に形成
され、細線部に伝導体島が形成されるので、従来のクー
ロンブロッケイド素子のように、伝導体島の周囲を電極
で囲ったり、電極の幅を広くして熱酸化によってトンネ
ル障壁を形成したりする必要がなく、伝導体島を任意に
配置することができる。その結果、伝導体島が高密度に
集積化された多様な連結構造素子を簡単な製造工程で実
現することができる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a thin film formed of a semiconductor such that a step structure is formed and a film thickness formed on or near a step wall is smaller than a film thickness formed on a flat portion. Is formed on a stepped structure, and this thin film is processed into a shape with a fine wire portion. At both ends of the thin wire portion, a tunnel barrier having higher energy than the fine wire portion is automatically formed, and a conductor island is formed in the fine wire portion. Therefore, unlike the conventional Coulomb blockade device, there is no need to surround the conductor island with an electrode, or to form a tunnel barrier by thermal oxidation by widening the electrode. They can be arranged arbitrarily. As a result, various connection structure elements in which the conductor islands are integrated at a high density can be realized by a simple manufacturing process.

【0081】また、請求項5に記載のように、金属膜又
は半導体膜を絶縁膜で覆った段差構造を形成し、段差側
壁あるいは側壁近傍に形成される膜厚が平坦部に形成さ
れる膜厚よりも薄くなるように半導体からなる薄膜を段
差構造上に形成し、この薄膜を細線部を有する形状に加
工することにより、細線部の両端に細線部よりエネルギ
ーの高いトンネル障壁が自動的に形成され、細線部に伝
導体島が形成され、この伝導体島が非トンネル性容量若
しくはトンネル性容量となる絶縁膜を介して例えば電極
となる金属膜又は電極若しくは伝導体島となる半導体膜
と接続されるので、伝導体島、非トンネル性容量、トン
ネル性容量及び電極が3次元的に配置されたクーロンブ
ロッケイド素子を実現することができる。その結果、伝
導体島が高密度に集積化されたより多様な連結構造素子
を簡単な製造工程で実現することができ、多層構造の形
成を繰り返すことによって更に多様な素子を実現するこ
とができる。
According to a fifth aspect of the present invention, a step structure in which a metal film or a semiconductor film is covered with an insulating film is formed, and a film formed on the step side wall or in the vicinity of the side wall is formed in a flat portion. A thin film made of semiconductor is formed on the step structure so as to be thinner than the thickness, and this thin film is processed into a shape having a thin line portion. At both ends of the thin line portion, a tunnel barrier having higher energy than the thin line portion is automatically formed. A conductor island is formed in the thin wire portion, and the conductor island is formed, for example, with a metal film serving as an electrode or a semiconductor film serving as an electrode or a conductor island via an insulating film serving as a non-tunneling capacitor or a tunneling capacitor. Since the connection is made, a Coulomb blockade element in which the conductor island, the non-tunneling capacitor, the tunneling capacitor and the electrode are three-dimensionally arranged can be realized. As a result, it is possible to realize a more diverse connection structure element in which conductor islands are integrated at a high density by a simple manufacturing process, and to realize more various elements by repeating formation of a multilayer structure.

【0082】また、請求項6に記載のように、段差側壁
に傾斜を付けることにより、ほぼ傾斜に応じた膜厚比率
で平坦部と側壁に薄膜が形成されるので、伝導体島ある
いは電極となる平坦部とトンネル障壁となる側壁との膜
厚比率を側壁の傾斜角度で制御することができる。
Further, by forming a slope on the step side wall as described in claim 6, a thin film is formed on the flat portion and the side wall at a film thickness ratio substantially corresponding to the slope. The film thickness ratio between the flat portion and the sidewall serving as a tunnel barrier can be controlled by the inclination angle of the sidewall.

【0083】また、請求項7に記載のように、膜堆積形
状に異方性をもって薄膜を形成することにより、段差側
壁あるいは側壁近傍に形成される膜厚が平坦部に形成さ
れる膜厚よりも薄くなる構造を容易に実現することがで
きる。
Further, by forming the thin film with anisotropic film deposition shape, the thickness formed on the step side wall or the vicinity of the side wall is larger than the film thickness formed on the flat portion. A structure that is also thin can be easily realized.

【0084】また、請求項8に記載のように、気相から
拡散される化学種を反応させて薄膜を形成することによ
り、段差側壁あるいは側壁近傍に形成される膜厚が平坦
部に形成される膜厚よりも薄くなる構造を容易に実現す
ることができる。
Further, by forming a thin film by reacting chemical species diffused from the gas phase, the film thickness formed on the step side wall or in the vicinity of the side wall is formed on the flat portion. It is possible to easily realize a structure that is thinner than the film thickness.

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

【図1】 本発明の第1の実施の形態を示すクーロンブ
ロッケイド素子の平面図及び断面図である。
FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view of a Coulomb blockade device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1のクーロンブロッケイド素子の原理を模
式的に示すエネルギーバンド図である。
FIG. 2 is an energy band diagram schematically showing the principle of the Coulomb blockade device of FIG.

【図3】 図1のクーロンブロッケイド素子の等価回路
図である。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG.

【図4】 本発明の他の実施の形態を示すクーロンブロ
ッケイド素子の平面図及び断面図である。
FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention.

【図5】 図4のクーロンブロッケイド素子の等価回路
図である。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG.

【図6】 本発明の他の実施の形態を示すクーロンブロ
ッケイド素子の断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention.

【図7】 本発明の他の実施の形態を示すクーロンブロ
ッケイド素子の平面図及び断面図である。
FIG. 7 is a plan view and a cross-sectional view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention.

【図8】 図7のクーロンブロッケイド素子の等価回路
図である。
8 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG.

【図9】 本発明の他の実施の形態を示すクーロンブロ
ッケイド素子の平面図である。
FIG. 9 is a plan view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention.

【図10】 図9のクーロンブロッケイド素子の等価回
路図である。
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG. 9;

【図11】 本発明の他の実施の形態を示すクーロンブ
ロッケイド素子の平面図である。
FIG. 11 is a plan view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention.

【図12】 図11のクーロンブロッケイド素子の等価
回路図である。
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG.

【図13】 本発明の他の実施の形態を示すクーロンブ
ロッケイド素子の平面図及び断面図である。
FIG. 13 is a plan view and a cross-sectional view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention.

【図14】 図13のクーロンブロッケイド素子の等価
回路図である。
14 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG.

【図15】 本発明の他の実施の形態を示すクーロンブ
ロッケイド素子の平面図及び断面図である。
FIG. 15 is a plan view and a cross-sectional view of a Coulomb blockade device showing another embodiment of the present invention.

【図16】 図15のクーロンブロッケイド素子の等価
回路図である。
16 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG.

【図17】 従来のクーロンブロッケイド素子を斜め上
方から見た鳥かん図である。
FIG. 17 is a bird's-eye view of a conventional Coulomb blockade element viewed from obliquely above.

【図18】 図17のクーロンブロッケイド素子の等価
回路図である。
18 is an equivalent circuit diagram of the Coulomb blockade device of FIG.

【図19】 従来の他のクーロンブロッケイド素子を斜
め上方から見た鳥かん図である。
FIG. 19 is a bird's-eye view of another conventional Coulomb blockade element viewed obliquely from above.

【符号の説明】 1…基板、2、3、3a〜3d、7、8、11…絶縁
膜、4、4a〜4f…シリコン層、5、5b、10、1
2…ゲート絶縁膜、6、6a、6b、9、13a、13
b…ゲート電極、20、20a…細線部、21、22、
21a〜21f、22a〜22e…電極部。
[Description of Signs] 1 ... Substrate, 2, 3, 3a-3d, 7, 8, 11 ... Insulating film, 4, 4a-4f ... Silicon layer, 5, 5b, 10, 1
2 .... gate insulating film, 6, 6a, 6b, 9, 13a, 13
b: gate electrode, 20, 20a: thin line portion, 21, 22,
21a to 21f, 22a to 22e ... electrode portions.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも2つの段差と段差に挟まれた
平坦部とを有する絶縁膜からなる段差構造の上に、半導
体からなる薄膜が形成されたクーロンブロッケイド素子
であって、 段差構造上に形成された薄膜が、前記平坦部上に電荷を
閉じ込めるための伝導体島となる細線部を有し、段差側
壁あるいは側壁近傍の膜厚が細線部よりも薄いことを特
徴とするクーロンブロッケイド素子。
1. A Coulomb blockade element having a thin film made of a semiconductor formed on a step structure made of an insulating film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps. A Coulomb blockade device, wherein the formed thin film has a thin line portion serving as a conductor island for confining charges on the flat portion, and a film thickness on a step side wall or near the side wall is smaller than that of the thin line portion. .
【請求項2】 少なくとも2つの段差と段差に挟まれた
平坦部とを有する金属膜又は半導体膜を絶縁膜で覆った
段差構造の上に、半導体からなる薄膜が形成されたクー
ロンブロッケイド素子であって、 段差構造上に形成された薄膜が、前記平坦部上に電荷を
閉じ込めるための伝導体島となる細線部を有し、段差側
壁あるいは側壁近傍の膜厚が細線部よりも薄いことを特
徴とするクーロンブロッケイド素子。
2. A Coulomb blockade element in which a thin film made of a semiconductor is formed on a step structure in which a metal film or a semiconductor film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps is covered with an insulating film. The thin film formed on the step structure has a thin line portion serving as a conductor island for confining charges on the flat portion, and the film thickness on the step side wall or near the side wall is smaller than that of the thin line portion. Coulomb blockade element.
【請求項3】 請求項2記載のクーロンブロッケイド素
子において、 前記絶縁膜がトンネル性絶縁膜であることを特徴とする
クーロンブロッケイド素子。
3. The Coulomb blockade device according to claim 2, wherein the insulating film is a tunnel insulating film.
【請求項4】 少なくとも2つの段差と段差に挟まれた
平坦部とを有する絶縁膜からなる段差構造を形成する工
程と、 段差側壁あるいは側壁近傍に形成される膜厚が平坦部に
形成される膜厚よりも薄くなるように、半導体からなる
薄膜を段差構造上に形成する工程と、 この薄膜を電荷を閉じ込めるための伝導体島となる細線
部を有する形状に加工する工程とを有することを特徴と
するクーロンブロッケイド素子の製造方法。
4. A step of forming a step structure made of an insulating film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps, and a film thickness formed on the step side wall or in the vicinity of the side wall is formed on the flat part. A step of forming a thin film made of a semiconductor on the step structure so as to be thinner than the film thickness, and a step of processing the thin film into a shape having a thin wire portion serving as a conductive island for confining electric charges. A method for manufacturing a Coulomb blockade element.
【請求項5】 少なくとも2つの段差と段差に挟まれた
平坦部とを有する金属膜又は半導体膜を絶縁膜で覆った
段差構造を形成する工程と、 段差側壁あるいは側壁近傍に形成される膜厚が平坦部に
形成される膜厚よりも薄くなるように、半導体からなる
薄膜を段差構造上に形成する工程と、 この薄膜を電荷を閉じ込めるための伝導体島となる細線
部を有する形状に加工する工程とを有することを特徴と
するクーロンブロッケイド素子の製造方法。
5. A step of forming a step structure in which a metal film or a semiconductor film having at least two steps and a flat portion sandwiched between the steps is covered with an insulating film, and a film thickness formed on the step side wall or in the vicinity of the side wall. Forming a thin film made of a semiconductor on a step structure so that the film becomes thinner than the film thickness formed on the flat portion, and processing the thin film into a shape having a thin wire portion serving as a conductor island for confining electric charges. And a method of manufacturing a Coulomb blockade device.
【請求項6】 請求項4又は5記載のクーロンブロッケ
イド素子の製造方法において、 前記段差側壁が傾斜を有することを特徴とするクーロン
ブロッケイド素子の製造方法。
6. The method for manufacturing a Coulomb blockade device according to claim 4, wherein said stepped side wall has an inclination.
【請求項7】 請求項4又は5記載のクーロンブロッケ
イド素子の製造方法において、 膜堆積形状に異方性をもって前記薄膜を形成することを
特徴とするクーロンブロッケイド素子の製造方法。
7. The method for manufacturing a Coulomb blockade device according to claim 4, wherein the thin film is formed with an anisotropic film deposition shape.
【請求項8】 請求項4又は5記載のクーロンブロッケ
イド素子の製造方法において、 気相から拡散される化学種を反応させて前記薄膜を形成
することを特徴とするクーロンブロッケイド素子の製造
方法。
8. The method for manufacturing a Coulomb blockade device according to claim 4, wherein the thin film is formed by reacting a chemical species diffused from a gas phase. .
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