JPH1145992A - Fine-structure semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Fine-structure semiconductor device and manufacture thereof

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JPH1145992A
JPH1145992A JP19878497A JP19878497A JPH1145992A JP H1145992 A JPH1145992 A JP H1145992A JP 19878497 A JP19878497 A JP 19878497A JP 19878497 A JP19878497 A JP 19878497A JP H1145992 A JPH1145992 A JP H1145992A
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JP
Japan
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semiconductor
hydrogen
impurity
electron
channel
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JP19878497A
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Japanese (ja)
Inventor
Shigeki Takahashi
橋 茂 樹 高
Riichi Kato
藤 理 一 加
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH1145992A publication Critical patent/JPH1145992A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003Nitride compounds

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a stable operation even at a room temperature or higher by forming fine structure, in which a specific quantity or more of hydrogen are contained in a conductive region consisting of an impurity semiconductor and a multiple tunnel coupling is formed by potential distribution by impurities inactivated by the hydrogen. SOLUTION: A semiconductor device has fine structure, in which 10<17> cm<-3> or more of hydrogen is contained in a conductive region composed of an impurity semiconductor, and a multiple tunnel coupling is formed by potential distribution by impurities 47 inactivated by the hydrogen. An impurity semiconductor, into which an impurity element selected from a IV semiconductor, preferably Si, Ge, SiGe, etc., or a III-V compound semiconductor, preferably GaAs, InP, GaN, AlGaAs, etc., or II-VI elements, preferably Ga, As, C, Si, Ge, Sn, S, Se, Be, Zn, Cd, etc., is introduced, is cited as the impurity semiconductor. Hydrogen at that time comprises hydrogen atoms or hydrogen ions.

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、極微細構造を持
つ、論理素子、記憶素子、測定素子、およびその他に適
用することのできる半導体装置、およびその製造法に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having an extremely fine structure and applicable to a logic element, a storage element, a measurement element, and others, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体素子の高集積化、高性能化を目的
として、電子1個に対応する電荷変化で動作する単電子
素子の検討が多くなされている。このような単電子素子
は、そのような素子を実装したデバイス類の消費電力の
低減が、期待できるために、今後の実用化が望まれるも
のである。しかし、このような単電子素子を実用化する
ためには、高温、すなわち室温以上の温度、でも安定し
た動作が得られることが重要である。
2. Description of the Related Art For the purpose of higher integration and higher performance of semiconductor devices, many studies have been made on single-electron devices that operate with a charge change corresponding to one electron. Such single-electron elements are expected to be put to practical use in the future because reduction in power consumption of devices mounted with such elements can be expected. However, in order to put such a single-electron device to practical use, it is important that a stable operation can be obtained even at a high temperature, that is, a temperature higher than room temperature.

【0003】単電子素子では、電子間のクーロン斥力を
用いて電子1個単位で制御する、いわゆるクーロンブロ
ッケードと呼ばれる方法が用いられる。この方法を用い
て高温動作可能な単電子素子をつくるためには、非常に
微細なトンネル接合や電子チャネルを形成させることが
重要となっている。この例として、半導体にGaイオン
を注入し、高抵抗化させて、多重トンネル接合を形成さ
せた単電子ダイオード素子の例(S.W.Hwang et al., Sup
erlattices and Microstructures, vol 17, 297(1995))
を簡単に説明する。
[0003] In a single-electron element, a so-called Coulomb blockade method is used in which control is performed on an electron-by-electron basis using Coulomb repulsion between electrons. In order to fabricate a single-electron device that can operate at high temperature using this method, it is important to form a very fine tunnel junction and an electron channel. As an example of this, an example of a single-electron diode device in which Ga ions are implanted into a semiconductor to increase the resistance and form a multiple tunnel junction (SWHwang et al., Sup
erlattices and Microstructures, vol 17 , 297 (1995))
Will be described briefly.

【0004】この単電子ダイオード素子は、GaAs/
AlGaAs系変調ドープ構造を用いて、図1に示す通
り、幅1μmの細線チャネル11をソース12、ドレイ
ン13間に形成させ、さらに集束イオンビームを用いて
130keVのGaイオンを線状に照射して形成させ
た、幅約100nmの損傷領域14を有するダイオード
構造をとっている。GaAs/AlGaAs系変調ドー
プ構造の細線チャネル11にGaイオンを注入すると、
その領域には点欠陥が導入されることによりフェルミ準
位が禁制帯の内部にピニングされ、その結果キャリアが
枯渇して高抵抗化する。
This single-electron diode element is composed of GaAs /
As shown in FIG. 1, a thin channel 11 having a width of 1 μm is formed between the source 12 and the drain 13 by using an AlGaAs-based modulation doping structure, and Ga ions of 130 keV are linearly irradiated by using a focused ion beam. The diode structure has a formed damaged region 14 having a width of about 100 nm. When Ga ions are implanted into the fine wire channel 11 having the GaAs / AlGaAs modulation doping structure,
When a point defect is introduced into the region, the Fermi level is pinned inside the forbidden band, and as a result, carriers are depleted and the resistance is increased.

【0005】細線チャネル11の損傷領域14における
高抵抗領域の分布は図2に示す通りである。図に示すと
おり、Gaイオン注入により生じた点欠陥による高抵抗
領域21の損傷領域14中における分布はランダムであ
るため、細線チャネルの損傷領域では様々なエネルギー
状態を有する部分が散在するエネルギー状態(ランダム
ポテンシャル)となる。電子は高いエネルギー状態の部
分の間に自然に形成される低いエネルギー状態の部分を
図中に示した矢印の様に流れるようになって、微細な電
子チャネルが実現される。この時の微細電子チャネルに
おいて、低いエネルギー状態の部分の幅が狭い領域は微
細トンネル接合として働き、低いエネルギー状態の部分
の幅が広い領域は導体島として働くため、結果として多
重トンネル接合の活性領域が形成される。
The distribution of the high resistance region in the damaged region 14 of the thin wire channel 11 is as shown in FIG. As shown in the figure, the distribution of the high-resistance region 21 in the damaged region 14 due to the point defect caused by the Ga ion implantation is random, so that in the damaged region of the fine wire channel, the energy state where portions having various energy states are scattered ( Random potential). The electrons flow through the low energy state portion that is naturally formed during the high energy state portion as shown by the arrow in the figure, and a fine electron channel is realized. At this time, in the fine electron channel, the region where the width of the low energy state portion is small acts as a fine tunnel junction, and the region where the low energy state portion is wide acts as a conductor island. Is formed.

【0006】このGaイオン注入による高抵抗化を用い
た単電子ダイオード素子は液体窒素温度での単電子動作
が得られているが、本発明者らの知る限り、室温以上で
の安定な動作が期待できないこと、または、Gaイオン
注入による点欠陥をもとにしたランダムポテンシャルの
多重トンネル接合を利用したものであるため、点欠陥に
おける電子の捕獲・放出の繰り返しが避けられず、捕獲
電子によるクーロン散乱により微細電子チャネルの経路
が変更を受け易く、素子動作が時間的に安定しないとい
う問題があった。
The single-electron diode device using the high resistance by Ga ion implantation has achieved single-electron operation at the temperature of liquid nitrogen, but as far as the present inventors know, stable operation at room temperature or higher is possible. Because it is not expected, or because it uses a multiple tunnel junction of random potential based on point defects due to Ga ion implantation, repeated capture and emission of electrons at point defects is inevitable, and Coulomb due to captured electrons is inevitable. There is a problem that the path of the fine electron channel is easily changed due to the scattering, and the element operation is not stable with time.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記した単電子ダイオ
ードによれば素子動作を電子1個の単位で制御すること
が可能であるが、室温以上で安定な動作が得られないこ
と、または、Gaイオン注入による点欠陥を高抵抗化に
用いているため、電子が欠陥に捕獲され易く、従って素
子動作が不安定なものになる問題があるようである。本
発明は、このような問題点を改良すべく、室温以上でも
安定な動作をする高機能な微細構造半導体装置を提供す
ることを目的とするものである。
According to the above-described single-electron diode, the operation of the device can be controlled in units of one electron. However, stable operation cannot be obtained at room temperature or higher. Since a point defect due to ion implantation is used for increasing the resistance, electrons tend to be trapped by the defect, and therefore, there seems to be a problem that the operation of the device becomes unstable. An object of the present invention is to provide a high-performance microstructure semiconductor device that operates stably even at room temperature or higher in order to improve such problems.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

[発明の概要] <要旨>本発明の微細構造半導体装置は、不純物半導体
からなる導電領域に1017cm-3個以上の水素を含み、
その水素により不活性化された不純物によるポテンシャ
ル分布が多重トンネル接合を形成させる微細構造を持つ
こと、を特徴とするものである。
[Summary of the Invention] <Summary> A microstructure semiconductor device of the present invention includes a conductive region made of an impurity semiconductor containing 10 17 cm -3 or more hydrogen,
It is characterized in that the potential distribution due to the impurities inactivated by hydrogen has a fine structure for forming a multiple tunnel junction.

【0009】また、本発明の微細構造半導体装置の製造
法は、不純物半導体からなる導電領域に水素原子または
水素イオンを導入することにより高抵抗領域を形成さ
せ、その高抵抗領域上にゲート電極を形成させること、
を特徴とするものである。
Further, according to the method of manufacturing a microstructure semiconductor device of the present invention, a high resistance region is formed by introducing hydrogen atoms or hydrogen ions into a conductive region made of an impurity semiconductor, and a gate electrode is formed on the high resistance region. Forming
It is characterized by the following.

【0010】<効果>本発明によれば、従来の単電子素
子で問題であった、欠陥による電子捕獲などが低減され
て、高温においても安定な動作をする単電子素子やメモ
リ素子が提供される。
<Effects> According to the present invention, there is provided a single-electron element or a memory element which can stably operate even at a high temperature by reducing electron capture due to defects, which is a problem in the conventional single-electron element. You.

【0011】[発明の具体的説明]本発明では、半導体
中のキャリアを生成する不純物が注入された水素と結合
して不活性化が起こることを用いて半導体中にポテンシ
ャル分布を生じさせ、その結果として微小な多重トンネ
ル接合を有する微細電子チャネルを形成させる。半導体
材料中の不純物原子と水素原子が結合した領域は、真性
半導体的であり、キャリアの捕獲中心となることはない
ため、微細電子チャネルに余計な影響を与えることはな
く、安定な動作をする単電子素子やメモリ素子を作製す
ることが出来る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the present invention, a potential distribution is generated in a semiconductor by utilizing the fact that impurities that generate carriers in the semiconductor are combined with implanted hydrogen to cause inactivation, thereby producing a potential distribution in the semiconductor. As a result, a fine electron channel having a small multi-tunnel junction is formed. The region where the impurity atoms and the hydrogen atoms in the semiconductor material are bonded is an intrinsic semiconductor and does not become a carrier capture center, so that it does not have an unnecessary effect on the fine electron channel and operates stably. A single-electron element or a memory element can be manufactured.

【0012】<不純物半導体>本発明の半導体装置に
は、任意の不純物半導体を用いることができる。ここで
いう不純物半導体とは、いわゆるアンインテショナルな
不純物半導体と、真性半導体またはアンインテンショナ
ルな不純物半導体に不純物をドーピングしたインテンシ
ョナルな不純物半導体とが包含される。本発明に用いる
不純物半導体は、1017cm-3以上の不純物を含有してい
ることが好ましく、1018cm-3以上の不純物を含有して
いるがより好ましい。本発明においては、このような半
導体の不純物含有量をコントロールできるという点か
ら、インテンショナルな不純物半導体を用いることが好
ましい。このようなインテンショナルな不純物半導体と
しては、(1)IV族半導体、好ましくはSi、Ge、
SiGe、およびその他、もしくは、(2)III−V
族化合物半導体、好ましくはGaAs、InP、Ga
N、AlGaAs、およびその他、に(3)II〜VI
族元素、好ましくはGa、As、C、Si、Ge、S
n、S、Se、Be、Zn、Cd、およびその他、から
選ばれる不純物元素が導入されたものが挙げられる。
<Impurity Semiconductor> Any impurity semiconductor can be used in the semiconductor device of the present invention. The impurity semiconductor here includes a so-called unintentional impurity semiconductor and an intentional impurity semiconductor in which an intrinsic semiconductor or an unintentional impurity semiconductor is doped with an impurity. The impurity semiconductor used in the present invention preferably contains 10 17 cm −3 or more impurities, and more preferably 10 18 cm −3 or more impurities. In the present invention, it is preferable to use an intentional impurity semiconductor from the viewpoint that the impurity content of such a semiconductor can be controlled. Examples of such intentional impurity semiconductors include (1) Group IV semiconductors, preferably Si, Ge,
SiGe and others, or (2) III-V
Group compound semiconductor, preferably GaAs, InP, Ga
N, AlGaAs, and others, (3) II to VI
Group elements, preferably Ga, As, C, Si, Ge, S
n, S, Se, Be, Zn, Cd, and others into which an impurity element selected from the group is introduced.

【0013】本発明の半導体装置において、インテンシ
ョナルな不純物半導体を用いる場合、そのようなインテ
ンショナルな不純物半導体の製造法は任意であるが、具
体的にはCZ法またはFZ法などによる単結晶製造時に
原料半導体中に不純物を混合しておく方法、合金法また
は拡散法などにより半導体結晶中に不純物を拡散させる
方法、イオン注入法により、半導体結晶中に不純物イオ
ンを注入する方法、エピタキシャル法による結晶成長に
おいて、その雰囲気中に不純物を導入しておく方法、お
よびその他が挙げられる。
In the semiconductor device of the present invention, when an intentional impurity semiconductor is used, a method of manufacturing such an intentional impurity semiconductor is optional. Specifically, a single crystal is manufactured by a CZ method or an FZ method. Sometimes a method of mixing impurities in a source semiconductor, a method of diffusing impurities in a semiconductor crystal by an alloy method or a diffusion method, a method of implanting impurity ions in a semiconductor crystal by an ion implantation method, and a crystal by an epitaxial method. In the growth, there is a method of introducing an impurity into the atmosphere, and others.

【0014】<水素の導入>本発明に用いる不純物半導
体には、水素が導入される。ここでいう水素とは、水素
原子または水素イオンを包含するものである。水素の導
入は、任意の方法により行うことができるが、不純物半
導体に、水素原子を含むプラズマを照射する方法、また
は水素イオンを含むイオンを注入する方法、または、不
純物半導体をエピタキシャル成長させる際に、雰囲気中
に水素ガスを導入する方法、およびその他が挙げられ
る。
<Introduction of Hydrogen> Hydrogen is introduced into the impurity semiconductor used in the present invention. The term "hydrogen" as used herein includes a hydrogen atom or a hydrogen ion. The introduction of hydrogen can be performed by any method, but a method of irradiating the impurity semiconductor with plasma containing hydrogen atoms, or a method of implanting ions containing hydrogen ions, or when epitaxially growing the impurity semiconductor, A method of introducing a hydrogen gas into an atmosphere, and others.

【0015】導入する水素の数は、不純物半導体に含ま
れる不純物原子の数およびその他に依存するが、本発明
の半導体は、通常、不純物半導体に含まれる不純物原子
の数の1/10〜10倍程度の水素を含んでなる。具体
的には、本発明に用いられる不純物半導体は、1017
-3以上、好ましくは1018cm-3、の水素を含んでな
る。
Although the number of hydrogen to be introduced depends on the number of impurity atoms contained in the impurity semiconductor and others, the semiconductor of the present invention is usually 1/10 to 10 times the number of impurity atoms contained in the impurity semiconductor. Of hydrogen. Specifically, the impurity semiconductor used in the present invention is 10 17 c
m -3 or more, preferably 10 18 cm -3 of hydrogen.

【0016】なお、本発明に用いる、水素を導入されて
不純物が不活性化された不純物半導体は、400℃以上
の熱処理により、可逆的に活性化することが可能であ
る。従って、製造工程において、不純物半導体の特性の
揺らぎを、熱処理により制御することも可能である。
The impurity semiconductor used in the present invention in which impurities are inactivated by introducing hydrogen can be reversibly activated by a heat treatment at 400 ° C. or higher. Therefore, in the manufacturing process, the fluctuation of the characteristics of the impurity semiconductor can be controlled by the heat treatment.

【0017】<半導体装置>本発明の半導体装置は、前
記の不純物半導体に水素を導入した半導体を含んでな
る。この半導体は、不活性化した不純物原子の分布に起
因するポテンシャル分布を有しており、このポテンシャ
ル分布により、半導体中に微小なトンネルが複数結合し
た多重トンネル接合を形成されている。
<Semiconductor Device> The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor in which hydrogen is introduced into the impurity semiconductor. This semiconductor has a potential distribution resulting from the distribution of inactivated impurity atoms, and a multi-tunnel junction in which a plurality of small tunnels are coupled in the semiconductor is formed by the potential distribution.

【0018】本発明の半導体装置は、この多重トンネル
接合を有する半導体を有するものであるが、その典型的
な例は、ソースとドレインを結ぶ細線チャネル中に多重
トンネル接合を有する半導体を具備してなる電界効果ト
ランジスタ(FET)である。電界効果トランジスタに
は、製造法により、接合型電界効果トランジスタおよび
MOS型電界効果トランジスタがあるが、本発明の半導
体装置においては、その用途により任意のものを用いる
ことができる。また、それらに用いられるゲートには、
通常のPN接合ゲートの他に、ショットキーゲートやイ
ンプレインゲートを用いることもできる。
The semiconductor device of the present invention has the semiconductor having the multiple tunnel junction. A typical example of the semiconductor device includes the semiconductor having the multiple tunnel junction in the thin wire channel connecting the source and the drain. Field effect transistor (FET). The field-effect transistor includes a junction field-effect transistor and a MOS field-effect transistor depending on the manufacturing method. In the semiconductor device of the present invention, any one can be used depending on the application. Also, the gates used for them include:
In addition to a normal PN junction gate, a Schottky gate or an in-plane gate can be used.

【0019】この半導体装置の水素を導入した部分にお
ける多重トンネル構造は、図1(b)に示した、従来技
術における多重トンネル構造とは、そのポテンシャル分
布を生じさせる不純物の特性において異なっている。す
なわち、従来の技術においては、エネルギーポテンシャ
ルの分布は点欠陥によるものであり、その点欠陥がトラ
ップとして作用してしまうという欠点があったのに対し
て、本発明の半導体における不活性化された不純物はト
ラップとして作用しないのである。このため本発明の半
導体装置には捕獲電子が発生せず、素子として安定した
動作を期待することができるものである。
The multi-tunnel structure in the portion of the semiconductor device into which hydrogen has been introduced differs from the multi-tunnel structure of the prior art shown in FIG. 1B in the characteristics of the impurities causing the potential distribution. That is, in the prior art, the energy potential distribution is due to a point defect, and there is a defect that the point defect acts as a trap. The impurities do not act as traps. Therefore, trapped electrons are not generated in the semiconductor device of the present invention, and stable operation as an element can be expected.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下は本発明を具体的に説明する
ためのものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The following is a detailed description of the present invention.

【0021】実施例1 本発明の第1の実施例である素子の平面図は図3に示す
通りである。この例は、FET構造を持つ単電子トラン
ジスタ型電荷検出素子を例示するものである。この素子
は、図2(a)に示すように、GaAs/AlGaAs
変調ドープ構造によって細線チャネル11、ソース1
2、ドレイン13が形成されており、さらにインプレイ
ンゲート構造のゲート31を有するFET構造をとって
いる。ここで、GaAs/AlGaAs変調ドープ構造
として、図4に示すとおりの構造を用いる。すなわち、
半絶縁性GaAs基板41上に、アンドープGaAsバ
ッファ層42、アンドープAlGaAsスペーサ層4
3、Siドープn−AlGaAs電子供給層44、Si
ドープn−GaAsキャップ層45を順次形成させたも
のを用いる。ここでは、Si原子が不純物として作用す
る。まず、チャネル11、ソース12、ドレイン13、
ゲート31以外の領域をエッチング除去して高抵抗化さ
せた後、ソース12、ドレイン13、ゲート31にオー
ミック電極を形成させる。次に、チャネル幅を含む長さ
100nm程度のイオン照射領域32をレジスト開口部
によって指定する。その後、窓の開口部から水素を原料
ガスに用いた2.45GHzの電子サイクロトロン共鳴
による水素プラズマを基板を250℃に加熱した状態で
約30分間照射すると、n−AlGaAs電子供給層4
4中には1018cm-3オーダーの水素原子が導入され、
その結果として不純物Siの一部が不活性化される。す
ると図5に示すように、イオン注入領域内では不活性不
純物47と活性不純物51とがランダムに分布するよう
になる。ここで、アンドープGaAsバッファ層42中
に形成される2次元電子ガス層に対して、不活性不純物
は真性半導体的にエネルギーの高い領域、つまり高抵抗
領域、を与え、イオン化された活性不純物はエネルギー
的に低い領域を与える。これは、電子にとってはあたか
も様々な高さの山が連なるようなランダムポテンシャル
分布となり、電子はそれらの山々の間に自然に形成され
るエネルギー的に低い峡谷状の部分を矢印の様に流れる
ようになり、実質的に微細な電子チャネルが形成されて
いることになる。適当なゲートバイアス条件では、この
構造は峡谷を流れる川としての電子の流れが所々狭くな
ったものとなるが、電気的には多くの微細な導体の島を
微小な接合容量を持つトンネル接合で繋いだ多重トンネ
ル接合に相当する。このような多重トンネル接合ではク
ーロンブロッケード効果のため近傍に存在する電荷によ
ってそのコンダクタンスが大きな変化を受ける。つま
り、ゲートにかかる微小な電圧変化、つまり電荷変化、
をコンダクタンス変化として精度良く検出する電荷検出
装置的なトランジスタ動作を行うことが出来る。ここ
で、電子にとっての高抵抗領域を形成する要因となる不
活性不純物は電子の捕獲中心となることは無いため、電
子の捕獲・放出に伴うクーロン散乱の変化と微細電子チ
ャネルの経路変化といった、素子動作を不安定化させる
要因を持たないものである。
Embodiment 1 A plan view of an element according to a first embodiment of the present invention is as shown in FIG. This example illustrates a single-electron transistor type charge detection element having an FET structure. As shown in FIG. 2A, this element is made of GaAs / AlGaAs.
Fine channel 11, source 1 due to modulation doping structure
2, a drain 13 is formed, and an FET structure having a gate 31 of an in-plane gate structure is adopted. Here, a structure as shown in FIG. 4 is used as the GaAs / AlGaAs modulation doped structure. That is,
An undoped GaAs buffer layer 42 and an undoped AlGaAs spacer layer 4 are formed on a semi-insulating GaAs substrate 41.
3, Si-doped n-AlGaAs electron supply layer 44, Si
A structure in which a doped n-GaAs cap layer 45 is sequentially formed is used. Here, Si atoms act as impurities. First, the channel 11, the source 12, the drain 13,
After regions other than the gate 31 are removed by etching to increase the resistance, ohmic electrodes are formed on the source 12, the drain 13, and the gate 31. Next, an ion irradiation region 32 having a length of about 100 nm including a channel width is specified by a resist opening. Then, when hydrogen plasma by electron cyclotron resonance of 2.45 GHz using hydrogen as a source gas is irradiated from the opening of the window for about 30 minutes while the substrate is heated to 250 ° C., the n-AlGaAs electron supply layer 4 is irradiated.
In 4, hydrogen atoms of the order of 10 18 cm -3 are introduced,
As a result, part of the impurity Si is inactivated. Then, as shown in FIG. 5, the inert impurities 47 and the active impurities 51 are randomly distributed in the ion implantation region. Here, the inert impurity gives a region having a high energy as an intrinsic semiconductor, that is, a high resistance region, to the two-dimensional electron gas layer formed in the undoped GaAs buffer layer 42, and the ionized active impurity gives the energy Gives a very low area. This results in a random potential distribution for the electrons as if mountains of various heights are continuous, and the electrons flow as arrows in the low energy canyons that are naturally formed between the mountains. And a substantially fine electron channel is formed. Under appropriate gate bias conditions, this structure results in a narrow stream of electrons as a river flowing through the canyon, but electrically, many fine conductor islands are formed by tunnel junctions with very small junction capacitance. This corresponds to a connected multiple tunnel junction. In such a multi-tunnel junction, the conductance is greatly changed by charges existing in the vicinity due to the Coulomb blockade effect. In other words, a small change in voltage applied to the gate, that is, a change in charge,
Can be performed as a charge detection device that accurately detects as a change in conductance. Here, inactive impurities that form a high-resistance region for electrons do not become a center for capturing electrons. Therefore, changes in Coulomb scattering due to capture and emission of electrons and changes in the path of a fine electron channel occur. It does not have a factor that makes the device operation unstable.

【0022】ところで、実施例1の半導体装置における
半導体の構造は、積層方向には図4に示す構造となって
おり、水素注入による不純物原子の不活性化は、表面か
らn一AlGaAs電子供給層44迄行われ、その結果
として2次元電子ガス層46にランダムなポテンシャル
が形成されて、多重トンネル接合として働く構造が形成
される。このような構造以外にも、図6に示すような積
層構造によっても同様な効果を得ることが出来る。つま
りこの構造は、GaAs基板41上にGaAsバッファ
層42、AlGaAs層43、n−GaAsチャネル層
61、n−AlGaAs層44、n−GaAsキャップ
層45を順次形成させたものである。この構造ではn一
GaAsチャネル層61が電子チャネルとなるが、上記
の水素注入による不純物原子の不活性化は、この場合表
面からn−GaAsチャネル層61迄行われ、n一Ga
Asチャネル層61中の不純物原子の状態が直接的に変
調されて不活性不純物47となり、その結果としてラン
ダムポテンシャルが形成される。このとき、下層のAl
GaAs層43は、ノンドープであってもn型不純物添
加であっても構わないが、n−AlGaAs層である場
合は、下側からの電子供給層として働き、素子に印加す
るバイアスを調整することによりn一GaAsチャネル
層61中に不足した電子を供給することが出来る。
By the way, the structure of the semiconductor in the semiconductor device of the first embodiment is as shown in FIG. 4 in the laminating direction, and inactivation of impurity atoms by hydrogen implantation is performed by n-AlGaAs electron supply layer from the surface. 44, and as a result, a random potential is formed in the two-dimensional electron gas layer 46, and a structure that functions as a multiple tunnel junction is formed. In addition to such a structure, a similar effect can be obtained by a laminated structure as shown in FIG. That is, in this structure, a GaAs buffer layer 42, an AlGaAs layer 43, an n-GaAs channel layer 61, an n-AlGaAs layer 44, and an n-GaAs cap layer 45 are sequentially formed on a GaAs substrate 41. In this structure, the n-GaAs channel layer 61 serves as an electron channel. In this case, the above-described inactivation of impurity atoms by hydrogen implantation is performed from the surface to the n-GaAs channel layer 61, and the n-GaAs channel layer 61 is formed.
The state of the impurity atoms in the As channel layer 61 is directly modulated to become the inert impurities 47, and as a result, a random potential is formed. At this time, the lower Al
The GaAs layer 43 may be non-doped or n-type doped, but if it is an n-AlGaAs layer, it functions as an electron supply layer from below and adjusts the bias applied to the device. Accordingly, it is possible to supply insufficient electrons into the n-type GaAs channel layer 61.

【0023】実施例2 本発明の第2の実施例であるFET素子の平面図は図7
に示す通りである。この素子は、図7に示すように、G
aAs/AlGaAs変調ドープ構造によって細線チャ
ネル11、ソース12、ドレイン13が形成されてお
り、さらにショットキーゲート71を有する。この素子
の積層方向の構造は図8に示す通りであり、半絶縁性G
aAs基板41上に、アンドープGaAsバッファ層4
2、アンドープAlGaAsスペーサ層43、Siドー
プn−AlGaAs電子供給層44、Siドープn一G
aAsキャップ層45を順次形成させたものに、チャネ
ル11、ソース12、ドレイン13以外の領域をエッチ
ング除去して高抵抗化させた後、ソース11、ドレイン
12、ゲート71にオーミック電極を形成させる。次
に、細線チャネル11上のショットキーゲート71を形
成する長さ100nm程度のイオン照射領域をレジスト
開口部によって指定する。レジスト開口部から水素を原
料ガスに用いた2.45GHzの電子サイクロトロン共
鳴による水素プラズマを基板を250℃に加熱した状態
で約30分間照射すると、細線チャネル11内の2次元
電子ガス層46にはほとんど影響を与えずに、n一Ga
Asキャップ45層中の不純物Siのほとんどが不活性
不純物47となることにより、ショットキーゲート71
下の領域は真性半導体的に高抵抗化される。その後にシ
ョットキー金属を蒸着し、レジストリフトオフによりパ
ターンを抜き出す。こうして形成されたショットキーゲ
ート電極は、最表面のn−GaAsキャップ層45のキ
ャリアが十分に枯渇して高抵抗化しているために十分な
ショットキー障壁高さを持ち、良好なショットキー特性
を持ったショットキーゲート得ることができる。このと
き、従来のショットキーゲート形成の際に行われていた
リセスエッチングといった制御の難しいウエットエッチ
ングプロセスを行う必要がなく、微細な電子チャネルに
おいても容易に大面積の良好なゲート電極形成を行うこ
とが出来る。
Embodiment 2 FIG. 7 is a plan view of an FET device according to a second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. As shown in FIG.
A fine channel 11, a source 12, and a drain 13 are formed by an aAs / AlGaAs modulation doping structure, and a Schottky gate 71 is further provided. The structure of this element in the stacking direction is as shown in FIG.
an undoped GaAs buffer layer 4 on an aAs substrate 41;
2, undoped AlGaAs spacer layer 43, Si-doped n-AlGaAs electron supply layer 44, Si-doped n-G
After the aAs cap layer 45 is sequentially formed, regions other than the channel 11, the source 12, and the drain 13 are removed by etching to increase the resistance, and then an ohmic electrode is formed on the source 11, the drain 12, and the gate 71. Next, an ion irradiation region having a length of about 100 nm for forming the Schottky gate 71 on the fine wire channel 11 is specified by a resist opening. When the substrate is heated to 250 ° C. for about 30 minutes with hydrogen plasma by electron cyclotron resonance of 2.45 GHz using hydrogen as a source gas from the resist opening, the two-dimensional electron gas layer 46 in the fine wire channel 11 N-Ga
Since most of the impurity Si in the As cap 45 layer becomes the inactive impurity 47, the Schottky gate 71
The lower region has a high resistance as an intrinsic semiconductor. Thereafter, a Schottky metal is deposited, and the pattern is extracted by registry lift-off. The Schottky gate electrode thus formed has a sufficient Schottky barrier height because carriers in the outermost n-GaAs cap layer 45 are sufficiently depleted and have a high resistance, and have good Schottky characteristics. You can get a Schottky Gate that you have. At this time, it is not necessary to perform a difficult-to-control wet etching process such as recess etching which has been performed when forming a conventional Schottky gate, and a large-area good gate electrode can be easily formed even in a fine electron channel. Can be done.

【0024】実施例3 本発明の第3の実施例であるSi系単電子トランジスタ
の構造は、図9に示すとおりである。この素子は、図9
に示すように、SOI構造のSiによって細線チャネル
11、ソース12、ドレイン13が形成されており、さ
らにポリシリコンによるゲート91を有するFET構造
をとっている。この素子の積層方向の構造は図10に示
す通りであり、Si基板101上に、埋め込み酸化膜1
02、Siチャネル層103、ゲート酸化膜104、ポ
リシリコンゲート91が形成されている。この素子の場
合にも、第1の実施例と同様に、細線チャネル11中に
導入された水素により、細線チャネル11中に不活性不
純物105と活性不純物106がランダムに分布する。
これらの不活性不純物105と活性不純物106により
細線チャネル11中にはランダムポテンシャル分布が形
成され、適当なゲートバイアス条件では電気的には多く
の微細な導体の島を微小な接合容量を持つトンネル接合
で繋いだ多重トンネル接合からなる微細電子チャネルが
実現される。このような多重トンネル接合の微細電子チ
ャネルを持つトランジスタは、ゲート91にかかる微小
な電圧変化を素電荷以上の程度の精度で検出し動作する
ことが出来る。この素子の製作工程としてはまず、10
18cm-3オーダのP(リン)をドープしたn型Siチャ
ネル層の細線チャネル11、ソース12、ドレイン13
以外の領域を反応性ドライエッチングにより除去した
後、全体を熱酸化してゲート酸化膜104を形成させ
る。次に、細線チャネル幅を含む長さ100nm程度の
レジスト開口部を電子ビームリソグラフィによって形成
させ、その開口部から水素を原料ガスに用いた2.45
GHzの電子サイクロトロン共鳴による水素プラズマを
基板を250℃に加熱した状態で約30分間照射する。
すると、水素プラズマの効果によりゲート酸化膜104
を通してSiチャネル層103中には1018cm-3オー
ダーの水素が導入され、その結果として細線チャネル1
1中の不純物であるリン原子の一部が不活性化される。
さらに、プラズマ励起型CVDによりゲート電極として
のポリシリコンを形成させた後、ソース12、ドレイン
13、ゲート91にリンイオン注入を行い、オーミック
電極を形成させて素子構造は完成する。こうして作製さ
れたSi系単電子トランジスタにおいては、細線チャネ
ル11中に高抵抗領域となる不活性不純物105のラン
ダムな分布を持つが、この不活性不純物105は電子の
捕獲中心となることは無いため、電子の捕獲・放出に伴
うクーロン散乱の変化と微細電子チャネルの経路変化と
いった、素子動作を不安定化させる要因を持たない。よ
ってこの方法により、単電子相当の電荷量の変化によっ
て動作出来る超低消費電力の特性を長期間にわたって安
定に得ることのできるSi系単電子トランジスタを得る
ことが出来る。
Embodiment 3 The structure of a Si-based single-electron transistor according to a third embodiment of the present invention is as shown in FIG. This element is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, a thin line channel 11, a source 12, and a drain 13 are formed by Si having an SOI structure, and an FET structure having a gate 91 made of polysilicon is adopted. The structure of this element in the stacking direction is as shown in FIG.
02, a Si channel layer 103, a gate oxide film 104, and a polysilicon gate 91 are formed. In the case of this element as well, as in the first embodiment, the inert impurities 105 and the active impurities 106 are randomly distributed in the fine wire channel 11 due to the hydrogen introduced into the fine wire channel 11.
A random potential distribution is formed in the fine wire channel 11 by the inert impurities 105 and the active impurities 106. Under an appropriate gate bias condition, many fine conductor islands are electrically connected to a tunnel junction having a small junction capacitance. Thus, a fine electron channel composed of multiple tunnel junctions connected with each other is realized. Such a transistor having a multiple electron channel of a multi-tunnel junction can operate by detecting a minute change in voltage applied to the gate 91 with an accuracy of an elementary charge or more. First, as a manufacturing process of this element, 10
N-type Si channel layer doped with P (phosphorus) on the order of 18 cm -3 , fine channel 11, source 12 and drain 13
After removing the other regions by reactive dry etching, the whole is thermally oxidized to form a gate oxide film 104. Next, a resist opening having a length of about 100 nm including a fine line channel width was formed by electron beam lithography, and hydrogen was used as a source gas from the opening through 2.45.
The substrate is irradiated with hydrogen plasma generated by electron cyclotron resonance of GHz for about 30 minutes while the substrate is heated to 250 ° C.
Then, the gate oxide film 104 is formed by the effect of the hydrogen plasma.
Through the Si channel layer 103, hydrogen of the order of 10 18 cm −3 is introduced, and as a result, the fine channel 1
Part of the phosphorus atoms, which are impurities in 1, are inactivated.
Further, after polysilicon as a gate electrode is formed by plasma-excited CVD, phosphorus ions are implanted into the source 12, the drain 13, and the gate 91 to form an ohmic electrode, thereby completing an element structure. The Si-based single-electron transistor manufactured in this manner has a random distribution of the inactive impurity 105 which becomes a high-resistance region in the fine wire channel 11, but this inactive impurity 105 does not become a center for capturing electrons. In addition, there are no factors that destabilize the operation of the device, such as a change in Coulomb scattering due to capture and emission of electrons and a change in the path of a fine electron channel. Therefore, by this method, it is possible to obtain a Si-based single-electron transistor that can stably obtain an ultra-low power consumption characteristic that can operate by a change in the amount of charge corresponding to a single electron for a long period of time.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によれば、高温においても安定な
動作をする単電子素子やメモリ素子が得られることは、
[発明の概要]の項に前記したとおりである。
According to the present invention, it is possible to obtain a single-electron element or a memory element that operates stably even at a high temperature.
It is as described in the section of [Summary of the Invention].

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

【図1】従来のGaイオン注入単電子ダイオードの構造
示す平面図。
FIG. 1 is a plan view showing the structure of a conventional Ga ion-implanted single-electron diode.

【図2】従来のGaイオン注入単電子ダイオードの損傷
領域における電子の流れを示す模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a flow of electrons in a damaged region of a conventional Ga ion-implanted single-electron diode.

【図3】本発明の第1の実施例の素子構造の平面図。FIG. 3 is a plan view of an element structure according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例の素子の積層方向構造の
断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a stacking direction structure of the element according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施例の素子の水素注入部にお
ける電子の流れを示す模式図。
FIG. 5 is a schematic view showing a flow of electrons in a hydrogen injection portion of the device according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1の実施例のもう一つの素子の積層
方向構造の断面図。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the structure in the stack direction of another element according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第2の実施例の素子構造の平面図。FIG. 7 is a plan view of an element structure according to a second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2の実施例の素子の積層方向構造の
断面図。
FIG. 8 is a sectional view of a structure in a stacking direction of a device according to a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施例の素子構造の平面図。FIG. 9 is a plan view of an element structure according to a third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第3の実施例の素子の積層方向構造
の断面図。
FIG. 10 is a sectional view of a structure in a stacking direction of a device according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 細線チャネル 12 ソース 13 ドレイン 14 損傷領域 21 高抵抗領域 31 ゲート 32 イオン注入領域 41 GaAs基板 42 GaAsバッファ層 43 AlGaAsスペーサ層 44 n一AlGaAs電子供給層 45 n一GaAsキャップ層 46 2次元電子ガス層 47 不活性不純物 51 活性不純物 61 n−GaAsチャネル層 71 ショットキーゲート 91 ゲート 101 Si基板 102 埋め込み酸化膜 103 Siチャネル層 104 ゲート酸化膜 105 不活性不純物 106 活性不純物 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Fine wire channel 12 Source 13 Drain 14 Damaged area 21 High resistance area 31 Gate 32 Ion implantation area 41 GaAs substrate 42 GaAs buffer layer 43 AlGaAs spacer layer 44 n-AlGaAs electron supply layer 45 n-GaAs cap layer 46 2-dimensional electron gas layer 47 Inactive impurity 51 Active impurity 61 n-GaAs channel layer 71 Schottky gate 91 Gate 101 Si substrate 102 Embedded oxide film 103 Si channel layer 104 Gate oxide film 105 Inactive impurity 106 Active impurity

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/338 29/812 Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 21/338 29/812

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】不純物半導体からなる導電領域に1017
-3個以上の水素を含み、その水素により不活性化され
た不純物によるポテンシャル分布が多重トンネル接合を
形成する微細構造を持つことを特徴とする微細構造半導
体装置。
1. The method according to claim 1, wherein the conductive region made of the impurity semiconductor is 10 17 c.
A microstructured semiconductor device including m- 3 or more hydrogen and having a microstructure in which a potential distribution due to impurities inactivated by the hydrogen forms a multi-tunnel junction.
【請求項2】半導体材料が、IV族半導体またはIII
−V族化合物半導体であり、不純物原子が II〜VI
族元素の原子であることを特徴とする請求項1記載の微
細構造半導体装置。
2. The semiconductor material according to claim 1, wherein said semiconductor material is a group IV semiconductor or III.
A group V compound semiconductor, wherein the impurity atoms are II to VI
2. The microstructure semiconductor device according to claim 1, wherein the device is an atom of a group III element.
【請求項3】導電領域における個数基準の水素の濃度
が、不純物の濃度の1/10〜10倍である、請求項1
または2に記載の微細構造半導体装置。
3. The number-based hydrogen concentration in the conductive region is 1/10 to 10 times the impurity concentration.
Or the microstructure semiconductor device according to 2.
【請求項4】不純物半導体からなる導電領域に水素原子
または水素イオンを導入することにより高抵抗領域を形
成させ、その高抵抗領域上にゲート電極を形成させるこ
とを特徴とする微細構造半導体装置の製造法。
4. A microstructure semiconductor device according to claim 1, wherein a high resistance region is formed by introducing hydrogen atoms or hydrogen ions into a conductive region made of an impurity semiconductor, and a gate electrode is formed on the high resistance region. Manufacturing method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006253224A (en) * 2005-03-08 2006-09-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Semiconductor device and its manufacturing method
US8421120B2 (en) 2006-06-13 2013-04-16 Renesas Electronics Corporation Field effect transistor capable of reducing shift of threshold voltage

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