JPH1187541A - Semiconductor device having pillar structure - Google Patents

Semiconductor device having pillar structure

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JPH1187541A
JPH1187541A JP9240030A JP24003097A JPH1187541A JP H1187541 A JPH1187541 A JP H1187541A JP 9240030 A JP9240030 A JP 9240030A JP 24003097 A JP24003097 A JP 24003097A JP H1187541 A JPH1187541 A JP H1187541A
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pillar structure
pillar
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和郎 中里
Hiroshi Mizuta
博 水田
Juichi Shimada
壽一 嶋田
Hideo Sunami
英夫 角南
Kiyoo Ito
清男 伊藤
Tatsuya Tejima
達也 手嶋
Toshiyuki Mine
利之 峰
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a controllable conduction device having an erecting pillar structure having a sidewall and a top surface and a side gate structure alongside the sidewall of a pillar structure. SOLUTION: An erecting pillar structure 20 comprising a sidewall 22 and a top surface 21 and a side gate structure 23 alongside the sidewall of a pillar structure is provided. The erecting pillar structure has regions 6 and 7 made of relatively conductive material and non-conductive material. Under a 1st condition, charge carrier flow can occur through the pillar structure. Under a 2nd condition, the regions present a tunnel barrier structure that inhibits the charge carrier flow through the pillar structure. A side gate structure controls charge carrier transport by applying a voltage to the pillar structure through the sidewall. The device can be used as a memory having a memory node 10 beneath the pillar structure. The memory node stores charges which are passed by a control electrode 11 on the top surface 21 of the pillar structure. The device can also be configured as a transistor with a source 5 on the pillar and a drain underneath the pillar.

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、メモリまたはトラ
ンジスタ構造に用いられる制御可能なコンダクションデ
バイス(伝導デバイス)に関する。
The present invention relates to a controllable conduction device for use in a memory or transistor structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】1996年11月15日に出願された我
々の欧州特許出願EP96308283.9号(EPC
54(3)条)には、制御電極からトンネル障壁構造を
介して電荷が書き込まれるメモリノードを備えたメモリ
デバイスが記載されている。この蓄積された電荷はソー
ス・ドレイン経路の伝導度に影響を与え、この経路の伝
導度を監視することによりデータが読み出される。この
電荷障壁構造(charge barrier configuration)は、多重
トンネル障壁(multiple tunnel barrier)により構成さ
れる。多重トンネル障壁は、シリコンの多結晶層を被覆
する5nm厚のポリシリコン層と2nm厚の窒化シリコ
ン層との交互層からなり、その一部がメモリノードとし
て機能する。他の障壁構造は、絶縁マトリクス内に分散
された、メモリノードとして機能する導電性のナノメー
タ・スケールの伝導島を有するものとして記載されてい
る。トンネル障壁構造の利点は、それがメモリの読み出
し書き込み時間を劣化させることなくメモリノードから
の漏れ電流を低減する、ということである。異なる型の
メモリデバイスが説明されている。第1の型では、制御
電極からの電荷キャリアは、制御電極に印加される電圧
に応じて、トンネル障壁構造を通過してメモリノードへ
達する。第2の型のデバイスでは、制御電極からメモリ
ノードへの電荷キャリアの移動を制御するために、トン
ネル障壁構造に対してゲートが追加されている。
2. Description of the Related Art Our European patent application EP 96308283.9, filed Nov. 15, 1996 (EPC
54 (3)) describes a memory device having a memory node into which electric charges are written from a control electrode via a tunnel barrier structure. This accumulated charge affects the conductivity of the source / drain path, and data is read out by monitoring the conductivity of this path. This charge barrier configuration is composed of multiple tunnel barriers. The multi-tunnel barrier consists of alternating layers of a 5 nm thick polysilicon layer and a 2 nm thick silicon nitride layer covering a polycrystalline silicon layer, some of which function as memory nodes. Other barrier structures have been described having conductive nanometer-scale conductive islands acting as memory nodes dispersed in an insulating matrix. The advantage of the tunnel barrier structure is that it reduces the leakage current from the memory node without degrading the read / write time of the memory. Different types of memory devices have been described. In the first type, charge carriers from the control electrode pass through the tunnel barrier structure to the memory node according to the voltage applied to the control electrode. In a second type of device, a gate is added to the tunnel barrier structure to control the transfer of charge carriers from the control electrode to the memory node.

【0003】電荷障壁構造は、1997年7月18日に
出願された我々の欧州特許出願EP97305399.
4号に記載のように、トランジスタのようなコントロー
ルドコンダクションデバイスに利用することもできる。
このトンネル障壁構造を用いて、ソースとドレインとの
間に伝導経路が設けられる。スイッチオンされたとき、
電荷キャリアはこのソース・ドレイン間を流れることが
できるが、スイッチオフされたときには、障壁構造が当
該経路を通る電荷漏れを阻止する。よって、大きいオン
/オフ電流比が得られる。
The charge barrier structure is described in our European patent application EP 97305399.
As described in No. 4, it can be used for a controlled conduction device such as a transistor.
Using this tunnel barrier structure, a conduction path is provided between the source and the drain. When switched on,
Charge carriers can flow between the source and drain, but when switched off, the barrier structure prevents charge leakage through the path. Therefore, a large on / off current ratio can be obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したデ
バイスに対する種々の独創的な改良および変形に関する
ものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to various inventive improvements and modifications to the device described above.

【0005】上記した我々の欧州特許出願EP9630
8283.9号に記載の第2の型のメモリデバイスにつ
いて考えるに、そのトンネル障壁構造は、直立するピラ
ー(柱)と、これを被覆する制御電極として構成され
る。前記追加されたゲートは、メモリノードに電荷を書
き込むために、ピラー構造を介して、主として上部から
下方へ電界を印加する。上記EP97305399.4
号に記載のトランジスタのゲートの構造は、同様の方法
で、ピラー構造に対して下方へ電界を印加するように構
成されている。この構造では、メモリデバイスの場合に
はゲートとメモリノードとの間に、また、トランジスタ
の場合にはゲートとドレインとの間に、高電界が印加さ
れる。この高電界により電子・正孔の対が生成され、ゲ
ート構造の近傍に電荷が蓄積される。これにより、閉じ
込めポテンシャル(confinement potential)が遮蔽され
る。
[0005] Our European patent application EP9630 mentioned above.
Considering the second type of memory device described in U.S. Pat. No. 8283.9, the tunnel barrier structure is configured as upstanding pillars and control electrodes covering the pillars. The added gate applies an electric field, mainly from top to bottom, via pillar structures to write charge to the memory nodes. The above-mentioned EP 97305399.4
The structure of the gate of the transistor described in the above item is configured to apply an electric field downward to the pillar structure in a similar manner. In this structure, a high electric field is applied between the gate and the memory node in the case of a memory device, and between the gate and the drain in the case of a transistor. This high electric field generates electron-hole pairs, and charges are stored near the gate structure. This shields the confinement potential.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】これらの問題を克服する
ために、本発明は、その第1の見地において、側壁と頂
部表面とを有する直立ピラー構造と、このピラー構造の
側壁に沿ったサイドゲート構造とを備える制御可能な伝
導デバイスを提供する。直立ピラー構造は、比較的導電
性の材料の領域と非導電性の材料の領域とを有し、第1
の状態では、ピラー構造を通して電荷キャリアフローが
発生可能であり、第2の状態では、それらの領域が、ピ
ラー構造を通る電荷キャリアフローを阻止するトンネル
障壁構造を呈する。サイドゲート構造は、側壁を通して
ピラー構造に対して電界を印加することによりその電気
伝導度を制御するよう構成される。
SUMMARY OF THE INVENTION To overcome these problems, the present invention, in a first aspect, provides an upright pillar structure having a sidewall and a top surface, and a side wall along the sidewall of the pillar structure. A gated structure. The upright pillar structure has a region of a relatively conductive material and a region of a non-conductive material,
In the state, charge carrier flow can occur through the pillar structure, and in the second state, those regions exhibit a tunnel barrier structure that blocks charge carrier flow through the pillar structure. The side gate structure is configured to control its electrical conductivity by applying an electric field to the pillar structure through the sidewall.

【0007】本発明によるデバイスは、ピラー構造を通
過する経路に沿って流れる電荷キャリアを受け取るメモ
リノードを備えたメモリに用いることができる。当該経
路に沿った電荷キャリアフローを制御するようサイドゲ
ートを操作することにより、ノードに蓄積された電荷を
制御することができる。
The device according to the invention can be used in a memory with a memory node for receiving charge carriers flowing along a path through a pillar structure. By manipulating the side gate to control the charge carrier flow along the path, the charge stored at the node can be controlled.

【0008】このデバイスは、また、トランジスタとし
て動作させることもできる。トランジスタでは、ピラー
構造を通ってソース・ドレイン電荷キャリアフロー経路
が設けられるよう、ソース領域およびドレイン領域が設
けられ、サイドゲートが当該経路の電荷キャリアフロー
を制御するように操作される。
[0008] The device can also be operated as a transistor. In the transistor, a source region and a drain region are provided such that a source-drain charge carrier flow path is provided through the pillar structure, and the side gate is operated to control the charge carrier flow in the path.

【0009】サイドゲート構造はショットキゲートまた
は接合ゲートにより構成してもよい。
The side gate structure may be constituted by a Schottky gate or a junction gate.

【0010】上記EP96308283.9号に記載さ
れたメモリデバイスの一実施例は不揮発性のものであ
る。その障壁構造は、30nm厚の非ドープシリコン層
間に配置された5nm厚の絶縁窒化シリコン障壁を有す
る。その結果得られるエネルギーバンドプロファイル
は、次のようなものとなる。すなわち、メモリノードに
蓄積された電荷は、メモリデバイスに対して制御電荷が
印加されないときに、当該障壁構造により保持される。
[0010] One embodiment of the memory device described in the above-mentioned EP 96308283.9 is non-volatile. The barrier structure has a 5 nm thick insulating silicon nitride barrier located between 30 nm thick undoped silicon layers. The resulting energy band profile is as follows: That is, the charge stored in the memory node is held by the barrier structure when no control charge is applied to the memory device.

【0011】本発明は、改良された不揮発性の構造を提
供する。本発明の他の見地によれば、次のようなメモリ
デバイスが提供される。すなわち、このメモリデバイス
は、比較的導電性の材料の領域と非導電性の材料の領域
とを有し、第1の状態ではピラー構造を通って電荷キャ
リアフローが発生可能であり、第2の状態では当該構造
の電荷キャリアフローを阻止するトンネル障壁構造を当
該領域が呈する障壁構造と、当該構造を通る経路に沿っ
て移動する電荷キャリアを受け取るメモリノードと、当
該構造を通過して前記ノードに蓄積されるように前記経
路に対して電荷キャリアを供給する制御電極とを備え、
それぞれメモリノードと制御電極に隣接した寸法的に比
較的狭い障壁成分と、当該狭い障壁成分間の寸法的に比
較的広い障壁成分とからなり、この障壁成分が当該ノー
ドでの不揮発性電荷蓄積をもたらすよう構成されたエネ
ルギープロファイルをもたらすよう前記非導電性の材料
の領域が構成される。
The present invention provides an improved non-volatile structure. According to another aspect of the present invention, there is provided the following memory device. That is, the memory device has a region of relatively conductive material and a region of non-conductive material, wherein a charge carrier flow can occur through the pillar structure in a first state and a second state. In this state, the region presents a tunnel barrier structure that blocks charge carrier flow in the structure, a memory node that receives charge carriers moving along a path through the structure, and a node that passes through the structure. A control electrode for supplying charge carriers to said path to be stored,
Each has a dimensionally relatively narrow barrier component adjacent to the memory node and the control electrode, and a dimensionally relatively wide barrier component between the narrow barrier components, and this barrier component causes non-volatile charge accumulation at the node. The region of non-conductive material is configured to provide an energy profile configured to provide.

【0012】我々の上記EP97305399.4号に
記載されたトランジスタの一実施例は、ラテラル構造(l
ateral structure)を有する。ソースとドレインとは横
方向に離れ、これらの間にゲートが配置される。
One embodiment of the transistor described in our above EP 97305399.4 has a lateral structure (l
ateral structure). The source and the drain are laterally separated, and a gate is arranged between them.

【0013】他の見地による本発明は、この汎用のラテ
ラル構造の改良されたデバイスを提供する。さらに他の
見地による本発明によれば、制御可能な伝導デバイスを
提供するものであり、これは、基板と、この基板上に横
方向に離れて配置された複数の制御素子と、これらの制
御素子の間に延びてこれらに電気的に接続されたチャン
ネル構造と、ゲート領域とを備え、このチャンネル構造
は、比較的導電性の材料の領域と非導電性の材料の領域
とからなり、第1の状態で電荷キャリアフローは当該構
造を通って発生可能であり、第2の状態では、当該領域
が電荷キャリアフローを阻止するトンネル障壁構造を呈
し、前記ゲート領域はチャンネル構造に電界を印加して
その電気伝導度を制御するように構成され、前記チャン
ネル構造は基板上で前記制御素子の一方の下に重なると
ともに、前記制御素子の他方の上に重なるよう構成され
る。
The present invention in another aspect provides an improved device with this universal lateral structure. According to yet another aspect of the present invention, there is provided a controllable conducting device comprising a substrate, a plurality of control elements laterally spaced on the substrate, and a control device for controlling the same. A channel structure extending between and electrically connected to the elements, and a gate region, the channel structure comprising a region of relatively conductive material and a region of non-conductive material; In the first state, charge carrier flow can occur through the structure, and in the second state, the region presents a tunnel barrier structure that blocks charge carrier flow, and the gate region applies an electric field to the channel structure. And wherein the channel structure is configured to overlap below one of the control elements on the substrate and over the other of the control elements.

【0014】本デバイスは、トランジスタまたはメモリ
デバイスとして構成することができる。よって、前記制
御素子はソース領域およびドレイン領域であってよく、
または、それらの一方はメモリモードであってもよい。
The device can be configured as a transistor or a memory device. Therefore, the control element may be a source region and a drain region,
Alternatively, one of them may be in memory mode.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明のより一層の理解のため
に、以下、本発明の実施例について添付図面を参照しな
がら例示的に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION For better understanding of the present invention, embodiments of the present invention will be illustratively described below with reference to the accompanying drawings.

【0016】図1は、我々の上記EP9730539
9.4号に記載されたトランジスタデバイスの一例をそ
の断面として示す。このデバイスは基板1を有し、ドレ
イン領域2はnドープされたポリシリコンの層からな
り、この上に多層構造3が設けられる。この多層構造3
が多重トンネル接合構造をもたらす。層構造3は、ポリ
シリコンと窒化シリコンのような比較的導電性の材料と
非導電性の材料との交互の層からなる。この多重層構造
3上にはゲート領域4a,4bが設けられ、両ゲート領
域間にソース領域5が配置される。ソースおよびゲート
領域4,5は、nドープされたポリシリコンにより構成
しうる。使用時、この構造の層の面を横切って、ドレイ
ン2からソース5への経路Pに沿って電流が流れる。ゲ
ート4a,4bに印加される電圧はドレイン/ソース電
流を制御する。
FIG. 1 illustrates our above EP 9730539.
An example of the transistor device described in No. 9.4 is shown as a cross section thereof. The device has a substrate 1, on which a drain region 2 consists of a layer of n-doped polysilicon, on which a multilayer structure 3 is provided. This multilayer structure 3
Results in a multiple tunnel junction structure. The layer structure 3 consists of alternating layers of relatively conductive and non-conductive materials such as polysilicon and silicon nitride. Gate regions 4a and 4b are provided on the multilayer structure 3, and a source region 5 is arranged between the two gate regions. The source and gate regions 4, 5 can be made of n-doped polysilicon. In use, current flows along the path P from the drain 2 to the source 5 across the plane of the layers of the structure. The voltage applied to the gates 4a, 4b controls the drain / source current.

【0017】多層構造3を参照するに、これは、電気絶
縁性の窒化シリコン材料の層7の間に配置された導電性
のポリシリコン層6からなる。絶縁層7は、典型的には
3nmのオーダーの厚さであり、図2(a)に示すよう
なエネルギーバンド図をもたらす。絶縁層7は、個々の
層7の幅に対応した比較的狭い幅寸法w、かつ高さBの
比較的高い障壁8をもたらす。この例では、幅寸法wは
3nmのオーダーである。個々の障壁8の間隔は、導電
性シリコン材料の層6の厚さによって決まる。層構造3
の頂部および底部の近くでは、層6は50nmのオーダ
ーの厚さW1を有し、その積層体(stack)の中央領域で
は、層6は5nmのオーダーの厚さW2を有する。
Referring to the multilayer structure 3, it consists of a conductive polysilicon layer 6 arranged between layers 7 of electrically insulating silicon nitride material. The insulating layer 7 is typically on the order of 3 nm in thickness and provides an energy band diagram as shown in FIG. The insulating layer 7 provides a relatively high barrier 8 with a relatively narrow width dimension w and a height B corresponding to the width of the individual layers 7. In this example, the width dimension w is on the order of 3 nm. The spacing between the individual barriers 8 depends on the thickness of the layer 6 of conductive silicon material. Layer structure 3
Near the top and bottom of the layer 6, the layer 6 has a thickness W1 on the order of 50 nm, and in the central region of the stack, the layer 6 has a thickness W2 on the order of 5 nm.

【0018】層構造3の層は、集合として、障壁高さb
をもたらす。この障壁高さbは、個々の層の障壁高さB
に比べて低いが全体の多層構造3の幅WTに対応するそ
の物理的な寸法に関連して比較的広い。
The layers of the layer structure 3 collectively form a barrier height b
Bring. This barrier height b is the barrier height B of the individual layers.
, But relatively wide in relation to its physical dimensions corresponding to the width WT of the entire multilayer structure 3.

【0019】本デバイスに対してソース・ドレイン電圧
が印加されると、多層構造3のエネルギー図は、図2
(b)に示す構造となる。電子は、比較的狭い障壁wを
トンネリングしながら、ソース・ドレイン電圧により与
えられたポテンシャル勾配を降下し、ソース5からドレ
イン2へ通過することができることが分かる。
When a source-drain voltage is applied to the device, the energy diagram of the multilayer structure 3 is shown in FIG.
The structure shown in FIG. It can be seen that, while tunneling through the relatively narrow barrier w, the electrons can drop the potential gradient provided by the source-drain voltage and pass from the source 5 to the drain 2.

【0020】図2(a)に示した構造において、ソース
・ドレイン電圧が0の場合、層構造3により集合的に与
えられる比較的広いが低い障壁bは、比較的高いが狭い
高さBの障壁8と相まって、ドレイン2とソース5との
間の電荷キャリア導通を阻止する障壁構造をもたらす。
広い障壁bは、ソース・ドレイン間の電子のトンネリン
グを阻止し、さらに、離隔した個々の障壁8は、巨視的
な(macroscopic)量子トンネリングを阻止する電子トラ
ップをもたらす。積層体の頂部および底部の障壁が積層
体の内側の層の間隔W2より広い間隔W1で離隔されてい
るという事実は、広い障壁の高さbに寄与する。
In the structure shown in FIG. 2A, when the source / drain voltage is 0, the relatively wide but low barrier b provided collectively by the layer structure 3 has a relatively high but narrow height B. In combination with the barrier 8, a barrier structure is provided that prevents charge carrier conduction between the drain 2 and the source 5.
The wide barrier b prevents tunneling of electrons between the source and the drain, and the separate individual barriers 8 provide electron traps that prevent macroscopic quantum tunneling. The fact that the top and bottom barriers of the stack are separated by a spacing W1 that is greater than the spacing W2 of the layers inside the stack contributes to the wide barrier height b.

【0021】ソース・ドレイン電圧が印加されると、従
来のトランジスタの様式でドレインからソースへへ伝導
が生じ、毎秒〜1013乗個からなる従来の電流が流れ
る。経路に沿った伝導は、ゲート4に対してゲート電圧
を印加することにより制御できる。ゲート電圧は、ゲー
ト電圧に依存した量だけ、ソース・ドレイン間の伝導経
路Pの幅を”ピンチ”させる電界を生じさせる。しか
し、この構成における問題は、ゲート4とドレイン2の
間に比較的高い電界が印加されるということである。こ
の高い電界は電界誘起された電子・正孔対を生成させ、
ゲート4近くでのキャリアの蓄積により閉じ込めポテン
シャルを遮蔽する。
When a source-drain voltage is applied, conduction occurs from the drain to the source in the manner of a conventional transistor, and a conventional current of 10-13 powers per second flows. Conduction along the path can be controlled by applying a gate voltage to the gate 4. The gate voltage produces an electric field that "pinches" the width of the source-drain conduction path P by an amount that depends on the gate voltage. However, a problem with this configuration is that a relatively high electric field is applied between the gate 4 and the drain 2. This high electric field creates an electron-hole pair induced by the electric field,
The confinement potential is shielded by the accumulation of carriers near the gate 4.

【0022】我々の上記EP96308283.9号の
図29に対応するメモリデバイスの実施例について、図
3を参照しながら以下に説明する。このメモリデバイス
は、断面で示され、シリコン基板1上に形成される。こ
のデバイスは、5nmのポリシリコン層としてメモリノ
ード10を有し、その上に図1に示したものとほぼ同
じ、多重トンネル障壁構造をもたらす層構造3が設けら
れる。層構造3は、前述した方法で、シリコンと窒化シ
リコンとの交互層で形成される。n型シリコンの30n
mの厚さの層11としての制御電極から、層構造3を介
して、メモリノード10へ電荷キャリアを書き込むこと
ができる。制御電極11は、30nm厚の真性(intrins
ic)シリコンの導電性層12上に形成される。制御電極
11は、電気絶縁性の二酸化シリコン層13,14内に
密閉される。
An embodiment of the memory device corresponding to FIG. 29 of our EP 96308283.9 is described below with reference to FIG. This memory device is shown in cross section and is formed on a silicon substrate 1. This device has a memory node 10 as a 5 nm layer of polysilicon, on which a layer structure 3 is provided, which provides a multi-tunnel barrier structure, much like that shown in FIG. The layer structure 3 is formed by alternating layers of silicon and silicon nitride in the manner described above. 30n of n-type silicon
Charge carriers can be written to the memory node 10 from the control electrode as layer m with a thickness of m via the layer structure 3. The control electrode 11 has an intrinsic (intrinsic) thickness of 30 nm.
ic) formed on the conductive layer 12 of silicon; The control electrode 11 is sealed in the electrically insulating silicon dioxide layers 13 and 14.

【0023】ポリシリコン材料のゲート電極15は、層
構造に対して主として下方へ電界を印加するように、層
構造3を被覆し、これにより、層3により与えられたポ
テンシャル障壁構造を選択的に上下させて、メモリノー
ド10に電荷を選択的に書き込むことができる。ポリシ
リコンゲート15は、二酸化シリコン13,14により
制御電極11から電気的に絶縁される。このゲート15
は、また、厚い酸化層16により層構造3の側縁から絶
縁される。層構造3の側縁を通して、ゲート15からは
有為な電界は入らず、伝導度を制御する電界(the condu
ction controlling field)は層構造の最頂部表面から下
方へ入る。
The gate electrode 15 of polysilicon material covers the layer structure 3 so as to apply an electric field mainly downward to the layer structure, thereby selectively removing the potential barrier structure provided by the layer 3. Up and down, charges can be selectively written to the memory node 10. Polysilicon gate 15 is electrically insulated from control electrode 11 by silicon dioxides 13 and 14. This gate 15
Is also insulated from the side edges of the layer structure 3 by the thick oxide layer 16. A significant electric field does not enter from the gate 15 through the side edge of the layer structure 3, and an electric field (the condu
The ction controlling field goes down from the top surface of the layer structure.

【0024】メモリノード10は、従来のドーピング技
術により基板内に打ち込まれたソース17およびドレイ
ン18の間の電流フローを制御するための電界効果(fie
ld effect)ゲートとして機能する。伝導経路19はソー
ス17とドレイン18の間に延び、その伝導度は、メモ
リノード10に蓄積された電荷のレベルに依存して変化
する。制御電極11とメモリノード10の間に多重トン
ネル接合を設けるために多層構造3を用いることは、ノ
ード10からの漏れ電流を極端に小さくする。しかし、
両ゲート電極15は制御電極11の下で効果的にポテン
シャル障壁構造を上げたり下げたりせず、ゲート領域と
メモリノード10との間の領域の電界を上げる。
Memory node 10 has a field effect (fie) for controlling current flow between source 17 and drain 18 implanted in the substrate by conventional doping techniques.
ld effect) acts as a gate. Conduction path 19 extends between source 17 and drain 18, the conductivity of which varies depending on the level of charge stored on memory node 10. Using the multilayer structure 3 to provide a multiple tunnel junction between the control electrode 11 and the memory node 10 significantly reduces leakage current from the node 10. But,
Both gate electrodes 15 do not effectively raise or lower the potential barrier structure below control electrode 11, but increase the electric field in the region between the gate region and memory node 10.

【0025】本発明は、図1の原理に従うトランジスタ
として、または、図4(a)(b)を参照して以下に説
明する図3の原理に従うメモリデバイスとして利用でき
る改良されたゲートを提供する。図4(a)は、図1を
参照して説明した原理に従って動作するトランジスタに
関する改良されたゲート構造を示し、図4(b)は、図
3のメモリの原理に従って動作するメモリデバイスに適
用される同じゲート構造を示す。
The present invention provides an improved gate that can be used as a transistor according to the principle of FIG. 1 or as a memory device according to the principle of FIG. 3 described below with reference to FIGS. . FIG. 4 (a) shows an improved gate structure for a transistor operating according to the principles described with reference to FIG. 1, and FIG. 4 (b) is applied to a memory device operating according to the memory principle of FIG. 2 shows the same gate structure.

【0026】図4(a)(b)に示された層構造3は、
基板1から直立したピラー20として構成され、ピラー
の回りに拡がった頂部表面21および周囲側壁22を有
する。本発明によれば、サイドゲート23は、側壁22
に沿って形成され、選択的に障壁構造を上下させること
により、側壁を介してピラー構造内に電界を生成してそ
の伝導度を制御する。サイドゲート23により、頂部表
面21から有為な制御電界が印加されることはない。
The layer structure 3 shown in FIGS.
It is configured as a pillar 20 upstanding from the substrate 1 and has a top surface 21 and a peripheral sidewall 22 extending around the pillar. According to the present invention, the side gate 23 is
And by selectively raising and lowering the barrier structure, an electric field is generated in the pillar structure through the side wall to control its conductivity. No significant control electric field is applied from the top surface 21 by the side gate 23.

【0027】使用時、頂部表面21上に形成された電極
から垂直にピラー構造を通って電荷キャリアが流れる。
図4(a)に示した本発明によるトランジスタでは、頂
部電極は、図1を参照して前述した方法で動作可能なソ
ース5からなり、ピラーの下面にドレイン2が設けられ
る。しかし、本デバイスが図4(b)に示したようなメ
モリとして構成される場合、頂部電極は図3で前述した
制御電極11として動作し、ピラー構造の下面にはメモ
リノード10が配置される。メモリノード10に蓄積さ
れた電荷は、図3で説明した方法で、基板1に形成され
たソース領域17とドレイン領域18との間の経路19
の伝導度を制御する。
In use, charge carriers flow vertically from the electrodes formed on the top surface 21 through the pillar structure.
In the transistor according to the invention shown in FIG. 4 (a), the top electrode comprises a source 5 operable in the manner described above with reference to FIG. 1, and a drain 2 is provided on the lower surface of the pillar. However, when the device is configured as a memory as shown in FIG. 4B, the top electrode operates as the control electrode 11 described above with reference to FIG. 3, and the memory node 10 is arranged on the lower surface of the pillar structure. . The electric charge stored in the memory node 10 is transferred to the path 19 between the source region 17 and the drain region 18 formed on the substrate 1 by the method described with reference to FIG.
To control the conductivity.

【0028】サイドゲート23は、二酸化シリコンで構
成できる電気絶縁層24上に例えば導電性ポリシリコン
材料により形成される。このサイドゲート23は、最頂
部電極5,11により占拠される領域内には延出せず、
ゲート電圧は、高電界領域を低減するように障壁構造に
対して動作する。
The side gate 23 is formed of, for example, a conductive polysilicon material on the electric insulating layer 24 which can be formed of silicon dioxide. This side gate 23 does not extend into the region occupied by the topmost electrodes 5 and 11,
The gate voltage operates on the barrier structure to reduce the high electric field region.

【0029】層6,7は、典型的には、図1で前述した
厚さおよび組成で形成される。その結果、頂部電極5,
11またはサイドゲート23に対して電圧が印加されな
いとき、本デバイスのエネルギーバンド構造は図5に示
したようになる。絶縁層7は、個々の層7の幅に対応す
る比較的狭い幅寸法wの比較的高い障壁8をもたらす。
この例では、幅寸法wは、3nm以下のオーダーであ
り、典型的には2nmのオーダーである。
The layers 6, 7 are typically formed with the thickness and composition described above in FIG. As a result, the top electrode 5,
When no voltage is applied to 11 or the side gate 23, the energy band structure of the device is as shown in FIG. The insulating layer 7 provides a relatively high barrier 8 with a relatively narrow width dimension w corresponding to the width of the individual layers 7.
In this example, the width dimension w is on the order of 3 nm or less, typically on the order of 2 nm.

【0030】個々の障壁8の間隔は、導電性シリコン材
料の層6の厚さにより決まる。層構造3の頂部および底
部の近くでは、層6の厚さwは50nmのオーダーであ
り、当該積層体の中央領域での層6の厚さW2は10n
m以下、例えば5nmのオーダーである。
The spacing between the individual barriers 8 is determined by the thickness of the layer 6 of conductive silicon material. Near the top and bottom of the layer structure 3, the thickness w of the layer 6 is of the order of 50 nm, and the thickness W2 of the layer 6 in the central region of the stack is 10 n
m or less, for example, on the order of 5 nm.

【0031】構造3の複数の層は、それら集合として、
個々の層の障壁高さBに比べて低いが全体の多層構造3
の幅WTに対応するその物理的寸法に関連した比較的広
い障壁高さbをもたらす。
The plurality of layers of the structure 3 are collectively represented as
The overall multilayer structure 3 is lower than the barrier height B of the individual layers.
Resulting in a relatively wide barrier height b associated with its physical dimensions corresponding to a width WT of.

【0032】サイドゲート23に電圧を印加すると、図
5に示した全体のエネルギーバンド図が上下する。頂部
電極5,11に電圧を印加すると、図2(b)に示した
方法でこのバンド図が変形し、電荷キャリアが頂部電極
5,11からピラー構造を下方へ通過して、本デバイス
が何かに応じて、ドレイン2またはメモリノード10に
達する。頂部電極5,11に電圧が印加されないとき
は、障壁構造はピラー構造の頂部と底部との間の経路に
沿った電荷の漏れを阻止する。
When a voltage is applied to the side gate 23, the entire energy band diagram shown in FIG. When a voltage is applied to the top electrodes 5 and 11, the band diagram is deformed in the manner shown in FIG. 2B, and charge carriers pass downward from the top electrodes 5 and 11 through the pillar structure. Depending on whether it reaches the drain 2 or the memory node 10. When no voltage is applied to the top electrodes 5, 11, the barrier structure prevents charge leakage along the path between the top and bottom of the pillar structure.

【0033】図4(b)に示したようなメモリとして使
用される場合、本デバイスは、高速のスタティックラン
ダムアクセスメモリとして動作する。障壁高さbは約
0.2Vという小さいビルトインポテンシャルをもたら
し、制御電極11およびメモリノード10をゼロバイア
スする条件下でゲート電極23に必要な閾値電圧は−
1.0Vである。ピラー構造により与えられる全体の障
壁の高さはゲート23に印加されるバイアスにより制御
される。ゲート電極23に約−4.0Vの負のゲートバ
イアスを与えると、蓄積電荷がメモリノード10に保持
される。この負のゲートバイアスは約3eVのポテンシ
ャル障壁を生成する。この高さは、約10年の期間にわ
たって当該ノードに蓄積電子を維持するに充分である。
When used as a memory as shown in FIG. 4B, this device operates as a high-speed static random access memory. The barrier height b provides a small built-in potential of about 0.2 V, and the threshold voltage required for the gate electrode 23 under the condition that the control electrode 11 and the memory node 10 are zero-biased is −
1.0V. The overall barrier height provided by the pillar structure is controlled by the bias applied to gate 23. When a negative gate bias of about -4.0 V is applied to the gate electrode 23, the accumulated charge is held in the memory node 10. This negative gate bias creates a potential barrier of about 3 eV. This height is sufficient to maintain the stored electrons at the node for a period of about ten years.

【0034】情報を書き込むには、ゲート23に印加す
る電圧を0に維持し、制御電極11に対して1.0Vの
バイアス電圧を印加する。このとき、ピラーの全体の障
壁構造は図2(b)に示したように下方に傾いた傾斜を
示し、その結果、電子は個々の障壁8をトンネリングし
てメモリノード10へ達することができる。情報を読み
出すには、ゲート電極23に−3.0Vの電圧を印加す
ると共に、図3で前述した方法で、チャンネル19を流
れるソース・ドレイン電流を監視する。
To write information, the voltage applied to the gate 23 is maintained at 0, and a bias voltage of 1.0 V is applied to the control electrode 11. At this time, the entire barrier structure of the pillar exhibits a slope inclined downward as shown in FIG. 2B, so that electrons can tunnel to the individual barriers 8 and reach the memory node 10. To read information, a voltage of -3.0 V is applied to the gate electrode 23, and the source / drain current flowing through the channel 19 is monitored by the method described above with reference to FIG.

【0035】本デバイスを図4(a)に示したようなト
ランジスタとして用いる場合、すなわち、頂部電極5が
ソース、下面領域2がドレインを構成する場合、本デバ
イスは、高速なノーマリオンのトランジスタとして動作
する。このようなトランジスタのより実際的な例を、図
6を参照して以下に説明する。
When this device is used as a transistor as shown in FIG. 4A, that is, when the top electrode 5 constitutes a source and the lower surface region 2 constitutes a drain, the device is a high-speed normally-on transistor. Operate. A more practical example of such a transistor is described below with reference to FIG.

【0036】図6(b)に示すように、基板として機能
するシリコンウェハ25に、熱的成長した二酸化シリコ
ン層1を設ける。ドレイン2は、酸化シリコン層1上に
形成されたn+ポリシリコン層からなる。このドレイン
は、二酸化シリコンの電気絶縁層26により密閉され
る。
As shown in FIG. 6B, a thermally grown silicon dioxide layer 1 is provided on a silicon wafer 25 functioning as a substrate. Drain 2 is formed of an n + polysilicon layer formed on silicon oxide layer 1. This drain is sealed by an electrically insulating layer 26 of silicon dioxide.

【0037】多重トンネル接合構造をもたらす層構造3
は、ドレイン2を被覆するように形成される。層構造3
は、ドレイン領域2から直立するようにピラー20とし
て形成され、絶縁二酸化シリコン層24により囲まれ
る。ソース5は、ピラー20の頂部表面を被覆するn+
ポリシリコン層からなる。
Layer structure 3 resulting in a multiple tunnel junction structure
Is formed so as to cover the drain 2. Layer structure 3
Is formed as a pillar 20 so as to stand upright from the drain region 2 and is surrounded by an insulating silicon dioxide layer 24. The source 5 has n + which covers the top surface of the pillar 20.
It consists of a polysilicon layer.

【0038】ゲート23は、保護絶縁層24と接して、
ピラー20の側壁22との境を形成するが、頂部表面2
1は被覆しない。
The gate 23 is in contact with the protective insulating layer 24,
Forming a boundary with the side wall 22 of the pillar 20, but with the top surface 2
1 is not coated.

【0039】この構造は、以下に詳述する保護絶縁層2
7によって被覆される。図6(a)から分かるように、
酸化層27にコンタクト窓が形成され、ソース電極28
S,ドレイン電極28Dおよびゲート電極28Gが外部
との接続に供される。
This structure corresponds to the protective insulating layer 2 described in detail below.
7 coated. As can be seen from FIG.
A contact window is formed in oxide layer 27 and source electrode 28 is formed.
The S, drain electrode 28D and gate electrode 28G are provided for connection with the outside.

【0040】図6に示したデバイスの製造方法を、以
下、図7を参照して説明する。
A method for manufacturing the device shown in FIG. 6 will be described below with reference to FIG.

【0041】図7(a)を参照するに、開始材料はシリ
コンウェハ25であり、これを1000°Cで熱酸化し
てSiO2の600nm層1を形成する。この層は絶縁
基板として機能する。ついで、ドレイン形成のために用
いる層2をSiO2層1上に形成する。この層2は、低
圧化学蒸着(LPCVD)により反応室(reactor)内で
成長させた10nm厚のポリシリコンからなる。次に、
10nmの厚さの二酸化シリコン層を層2の表面上に成
長させる。次に、砒素イオンを層2内に打ち込むことに
より、ドレインとして用いることができるn+ドープさ
れた導電層を形成する。砒素イオンは、酸化層に25K
eVのオーダーのエネルギーで、3×1015cm-2の照
射量(dosage)で打ち込む(図示せず)。この酸化層は、
次に、20:1のRHF溶液を用いるウェットエッチン
グにより除去する。
Referring to FIG. 7 (a), the starting material is a silicon wafer 25, which is thermally oxidized at 1000 ° C. to form a 600 nm layer 1 of SiO 2 . This layer functions as an insulating substrate. Next, a layer 2 used for forming a drain is formed on the SiO 2 layer 1. This layer 2 consists of 10 nm thick polysilicon grown in a reactor by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD). next,
A 10 nm thick layer of silicon dioxide is grown on the surface of layer 2. Next, by implanting arsenic ions into the layer 2, an n + -doped conductive layer that can be used as a drain is formed. Arsenic ion is 25K in the oxide layer
It is implanted with an energy of the order of eV and a dose of 3 × 10 15 cm −2 (not shown). This oxide layer
Next, it is removed by wet etching using a 20: 1 RHF solution.

【0042】その後、層2上に多層構造3を形成する。
多層構造3は、シリコン層6と窒化シリコン層7との積
層体からなる。初め、シリコン層61を比較的大きい厚
さW1で形成し、次に、積層体の大部分について、層62
をW2=5nmのオーダーの厚さで形成する。さらに、
当該積層体の頂部に、厚さW1の少なくとも1層の層61
を形成する。この例では、頂部に2層の層61を形成す
る。これは、図7(a)に示した断面の拡大細部に詳細
に見ることができる。
After that, a multilayer structure 3 is formed on the layer 2.
The multilayer structure 3 is composed of a laminate of a silicon layer 6 and a silicon nitride layer 7. First, a silicon layer 61 with a relatively large thickness W1, then, for the majority of the laminate, the layers 6 2
Is formed with a thickness of the order of W2 = 5 nm. further,
On top of the laminate, at least one layer 61 of thickness W1
To form In this example, two layers 61 are formed on top. This can be seen in detail in the enlarged detail of the cross section shown in FIG.

【0043】層6,7は、LPCVD反応室内で形成す
る。この工程は、M.MoslehiおよびK.C. Saraswat, IEEE
Trans. Electron Devices, ED. 32, p 106 (1985)に詳
細に記載されているようなシリコンの熱窒化処理(therm
al nitridation)を含み、薄いトンネル接合を形成す
る。ここに、窒化物の障壁厚さが成長温度に依存して約
2〜3nmに自己制限され、トンネル障壁高さは2eV
のオーダーとなる。
Layers 6 and 7 are formed in an LPCVD reactor. This process is based on M. Moslehi and KC Saraswat, IEEE
Trans.Electron Devices, ED. 32, p 106 (1985).
al nitridation) to form a thin tunnel junction. Here, the nitride barrier thickness is self-limited to about 2-3 nm depending on the growth temperature, and the tunnel barrier height is 2 eV
Of the order.

【0044】層構造3は次のようにして反復的に形成す
る。まず、LPCVD反応室内の770°CのSiH4
ガスの中でシリコン層を成長させて、図7(a)に示す
ような関連する層のためにシリコンの適当な厚さを得
る。その後、この成長させたシリコンの表面を、反応室
内の1Torrの100%NH3ガス状雰囲気の中で20分
間930°Cで、直接、窒化シリコンに変換する。次
に、同じ室内でこの窒化シリコン上に別のシリコン層を
成長させ、上記工程を繰り返す。したがって、酸化シリ
コンを全く含まない純粋な窒化シリコンが、順次成長さ
せた層7に形成される。
The layer structure 3 is repeatedly formed as follows. First, 770 ° C. SiH 4 in an LPCVD reaction chamber was used.
A silicon layer is grown in the gas to obtain the appropriate thickness of silicon for the relevant layer as shown in FIG. 7 (a). Thereafter, the surface of the grown silicon is directly converted to silicon nitride at 930 ° C. for 20 minutes in a 1 Torr 100% NH 3 gaseous atmosphere in a reaction chamber. Next, another silicon layer is grown on the silicon nitride in the same chamber, and the above steps are repeated. Thus, pure silicon nitride without any silicon oxide is formed on the sequentially grown layer 7.

【0045】次に、ポリシリコン層5を、LPCVDに
より10nmの厚さで成長させる。次に、この層5の上
に、10nmのオーダーの厚さの二酸化シリコン層を成
長させる。この酸化層に5×1015cm-2の照射量で、
かつ25KeVのエネルギーで砒素イオンを打ち込む
(図示せず)。これにより、シリコン層5を大量ドープ
されたn型層に変換する。次に、800°Cで1分間、
熱アニーリングを行い、砒素イオンを活性化して、層5
に大量nドープされた電気的特性をもたせる。この層5
は、後に、本デバイスのソースとするために用いられ
る。次に、層5の上に100nm厚の酸化シリコン層3
0を成長させる。
Next, a polysilicon layer 5 is grown to a thickness of 10 nm by LPCVD. Next, a silicon dioxide layer having a thickness on the order of 10 nm is grown on the layer 5. At a dose of 5 × 10 15 cm −2 to this oxide layer,
In addition, arsenic ions are implanted at an energy of 25 KeV (not shown). Thus, the silicon layer 5 is converted into a heavily doped n-type layer. Next, at 800 ° C for 1 minute,
Thermal annealing is performed to activate arsenic ions to form layer 5
Has a large n-doped electrical characteristic. This layer 5
Will be used later as a source for the device. Next, a 100 nm thick silicon oxide layer 3 is formed on the layer 5.
Grow 0.

【0046】図7(b)を参照するに、酸化シリコン層
30は、次に、光学リソグラフィと、CHF3およびア
ルゴンガスの雰囲気中でのドライエッチング法とを用い
て、それ自体既知の方法でパターン化される。ついで、
フォトレジストおよびパターン層30をマスクとして用
いて、CF4ガス中で、従来のドライエッチング法によ
り、層5および層3をパターン化する。
Referring to FIG. 7B, the silicon oxide layer 30 is then formed in a manner known per se using optical lithography and dry etching in an atmosphere of CHF 3 and argon gas. Be patterned. Then
Using the photoresist and the pattern layer 30 as a mask, the layers 5 and 3 are patterned in a CF 4 gas by a conventional dry etching method.

【0047】次に、別のパターン化工程において、従来
の光学リソグラフィとCF4ガスの雰囲気中でのドライ
エッチングとを用いて層2をエッチングすることによ
り、図7(b)に示すようなパターンを形成する。この
ようにして、層構造3は、ドレイン領域2から直立し
た、頂部表面21と側壁22とを有するピラー20の形
にエッチングされる。
Next, in another patterning step, the layer 2 is etched using conventional optical lithography and dry etching in an atmosphere of CF 4 gas to form a pattern as shown in FIG. To form In this way, the layer structure 3 is etched in the form of pillars 20 having a top surface 21 and side walls 22 upstanding from the drain region 2.

【0048】次に、図8(a)に示すように、熱酸化に
より二酸化シリコン層24,26を成長させてn+ポリ
シリコン層5,2のエッチングされた部分およびピラー
構造3を被覆する。ピラー構造の周囲の酸化層24の厚
さは10nmのオーダーであり、ソース領域5およびド
レイン領域2を被覆する層26は50nmのオーダーの
厚さである。大量ドープされた領域5,2上の二酸化シ
リコンの厚さは、SELOCSによるピラー3の真性シ
リコン上の二酸化シリコンの厚さより厚い。
Next, as shown in FIG. 8A, silicon dioxide layers 24 and 26 are grown by thermal oxidation to cover the etched portions of the n + polysilicon layers 5 and 2 and the pillar structure 3. The thickness of the oxide layer 24 around the pillar structure is on the order of 10 nm, and the layer 26 covering the source region 5 and the drain region 2 is on the order of 50 nm. The thickness of the silicon dioxide on the heavily doped regions 5, 2 is greater than the thickness of the silicon dioxide on the intrinsic silicon of the pillar 3 by SELOCS.

【0049】図8(b)に示すように、ポリシリコン層
23をLPCVDにより100nmの厚さまで成長させ
る。次に、この層23の表面上に、10nmのオーダー
の厚さの薄い二酸化シリコン層(図示せず)を成長させ
る。次に、この酸化層に対して、5×1015cm-2の照
射量かつ25KeVのエネルギーで、砒素イオンを打ち
込み、ポリシリコン層23を大量ドープされたn型層に
変換する。
As shown in FIG. 8B, a polysilicon layer 23 is grown to a thickness of 100 nm by LPCVD. Next, a thin silicon dioxide layer (not shown) having a thickness on the order of 10 nm is grown on the surface of this layer 23. Next, arsenic ions are implanted into the oxide layer with an irradiation dose of 5 × 10 15 cm −2 and an energy of 25 KeV to convert the polysilicon layer 23 into a heavily doped n-type layer.

【0050】次に、800°Cで1分間の熱アニーリン
グを行って砒素イオンを活性化し、層23に大量nドー
プされた電気的特性をもたせる。この層23は後に、本
デバイスのゲートとするために用いられる。次に、光学
リソグラフィと、CF4ガスの雰囲気中でのドライエッ
チング法とを用いて、層23をパターン化する。つい
で、500nmの厚さのBPSG(boron and phosphoro
us contained silicadeglass)と、250nmの厚さの
HGS(spin on glass)とからなる保護層27を形成す
る。
Next, thermal annealing is performed at 800 ° C. for 1 minute to activate arsenic ions, so that the layer 23 has a large n-doped electrical characteristic. This layer 23 will later be used as the gate of the device. Next, the layer 23 is patterned using optical lithography and a dry etching method in a CF 4 gas atmosphere. Then, a 500 nm thick BPSG (boron and phosphoro
A protective layer 27 made of us contained silica deglass) and HGS (spin on glass) having a thickness of 250 nm is formed.

【0051】図8(c)に示すように、次に、CH22
およびアルゴンガスの雰囲気中で、ドライエッチング法
により、BPSGおよびHSGの層27をエッチングし
て、ポリシリコン層23の頂部を露出させる。
Next, as shown in FIG. 8C, CH 2 F 2
The BPSG and HSG layers 27 are etched by a dry etching method in an atmosphere of argon gas and an atmosphere of argon gas to expose the top of the polysilicon layer 23.

【0052】図9(a)に示すように、WF6ガスの雰
囲気中でのドライエッチングにより、ポリシリコン層2
3の頂部を、n+ポリシリコン層5の頂部表面と底部表
面との中間のレベルまでエッチングする。次に、二酸化
シリコン層31を1000nmの厚さまで成長させる。
As shown in FIG. 9A, the polysilicon layer 2 is formed by dry etching in an atmosphere of WF 6 gas.
3 is etched to a level intermediate the top and bottom surfaces of n + polysilicon layer 5. Next, a silicon dioxide layer 31 is grown to a thickness of 1000 nm.

【0053】図9(b)に示すように、CMP(chemica
l mechanical polish)法によりこの二酸化シリコン層3
1を研磨して、ポリシリコン層5の頂部を露出させて、
ソースとなるべき部分にアクセスできるようにする。
As shown in FIG. 9B, the CMP (chemica
l mechanical polish)
1 is polished to expose the top of the polysilicon layer 5,
Provide access to source parts.

【0054】次に、図9(c)に示すように、酸化層2
6,27にコンタクト窓32Dをエッチングして、ドレ
イン層3に外部電気接続ができるようにする。同時に、
ゲート23に対してコンタクト窓32Gを開ける。これ
らのコンタクト窓は、図6(a)に示したデバイスの平
面図に明確に見ることができる。
Next, as shown in FIG.
The contact windows 32D are etched in 6, 27 to allow external electrical connection to the drain layer 3. at the same time,
The contact window 32G is opened with respect to the gate 23. These contact windows can be clearly seen in the plan view of the device shown in FIG.

【0055】次に、領域28S,28Dおよび28Gの
ソース、ドレインおよびゲートに対して電気接続を行う
ために、スパッタリングにより金属層28を形成する。
層28は、従来のスパッタリング技術により生成され
た、100nm厚のチタンの初期層と、これを被覆する
厚さ1000nmのアルミニウム/シリコン(1%)の
層とからなる。
Next, a metal layer 28 is formed by sputtering to make electrical connection to the source, drain and gate of the regions 28S, 28D and 28G.
Layer 28 consists of an initial layer of 100 nm thick titanium produced by conventional sputtering techniques and a 1000 nm thick layer of aluminum / silicon (1%) overlying it.

【0056】図9(c)に示すように、個々の部分28
D,28Sおよび28Gを設けるために、金属層28に
電気絶縁間隔をエッチング形成する。
As shown in FIG. 9C, the individual portions 28
In order to provide D, 28S and 28G, the metal layer 28 is etched to form electrically insulating spaces.

【0057】このようにして、部分28Sは、ソース領
域5への接続を供する。部分28Gは、窓32Gを介し
て、多重チャンネルデバイスをもたらすピラー構造20
を囲む層23への接続を供する。層23は、薄い酸化層
24によりピラー構造20から絶縁され、ピラー構造2
0の側壁22に沿って延びたサイドゲートとして機能す
る。
Thus, portion 28S provides a connection to source region 5. Portion 28G includes a pillar structure 20 through window 32G to provide a multi-channel device.
Provides a connection to the layer 23 surrounding the. Layer 23 is insulated from pillar structure 20 by a thin oxide layer 24,
It functions as a side gate extending along the 0 side wall 22.

【0058】多層構造3の層6,7の成長中およびその
後、ウェハ全体を数時間、900〜1000°Cに加熱
する。しかし、出来上がりのデバイスが充分に動作する
ことを保証するために、大量ドープされたソース領域5
およびドレイン領域2からドーパントを層構造3のシリ
コン層62に移動させてはならない。本実施例では、層
構造3内の窒化シリコンの最上および最下層7は層2,
5内のn+ドーパントに対する障壁として機能し、加熱
処理中に、それらが多層構造3の中央領域へ拡散するの
を防止する。
During and after growth of layers 6 and 7 of multilayer structure 3, the entire wafer is heated to 900-1000 ° C. for several hours. However, to ensure that the resulting device operates satisfactorily, the heavily doped source region 5
And should not from the drain region 2 move the dopant in the silicon layer 6 2 of the layer structure 3. In this embodiment, the uppermost and lowermost layers 7 of silicon nitride in the layer structure 3 are layers 2 and
It functions as a barrier to n + dopants in 5 and prevents them from diffusing into the central region of the multilayer structure 3 during the heat treatment.

【0059】図6(a)は、トランジスタのアクティブ
領域をX×Yとして示す。典型的にはX=Y=150n
mである。X=Y<20nmのピラー寸法は、H. I. Li
e, D. K. Biegelsen, F. A. Ponse, N. M. Johnsonおよ
びR. F. W. Pease, Appl. Phys. Lett. vol. 64, p 138
3, 1994, およびH. Fukuda, J. L. Hoyt, M. A. McCord
およびR. F. W. Pease, Appl. Phys. Lett. vol 70, p
333, 1997に記載された自己制限酸化処理によって得る
ことができる。この処理において、10Gpaにも達し
うる、シリコンコア/酸化物界面の近傍の酸化物スキン
にかかる大きな圧縮応力の結果として酸化レートのリタ
ーデイション(retardation)が生じ、これが自己制限効
果 (self-limiting effect)の原因となる。
FIG. 6A shows the active area of the transistor as X × Y. Typically X = Y = 150n
m. The pillar dimensions for X = Y <20 nm are HI Li
e, DK Biegelsen, FA Ponse, NM Johnson and RFW Pease, Appl. Phys. Lett. vol. 64, p 138
3, 1994, and H. Fukuda, JL Hoyt, MA McCord
And RFW Pease, Appl. Phys. Lett. Vol 70, p
333, 1997. In this process, large compressive stresses on the oxide skin near the silicon core / oxide interface, which can reach as much as 10 Gpa, result in oxidation rate retardation, which is a self-limiting effect. effect).

【0060】このトランジスタ構造が基板上に占有する
空間は小さく、サイドゲート23の構成は高電界領域を
最小化し、かつ、我々の上記EP97305399.4
号に記載の実施例において生じる基板上の空間のコンフ
リクトを最小化する、ということが理解されよう。
The space occupied by the transistor structure on the substrate is small, the configuration of the side gate 23 minimizes the high electric field region, and our EP97305399.4.
It will be appreciated that this minimizes spatial conflicts on the substrate that occur in the described embodiments.

【0061】図7〜図9を参照して説明した構成の原理
を用いてサイドゲート構造のメモリセルを作成すること
もできることが理解されよう。すなわち、図6に示した
ドレイン領域2を、例えば30nmのポリシリコン層に
より置換して、上述のメモリノード10とすることがで
きる。また、従来のソースおよびドレイン領域は、それ
自体周知の方法でウェハ25に形成することができ、こ
れによって、図3および図4(b)に示した領域17,
18に対応するソース領域およびドレイン領域が、両者
間に伝導ソース・ドレイン経路を挟んだ形で設けられ
る。
It will be understood that a memory cell having a side gate structure can be formed by using the principle of the structure described with reference to FIGS. That is, the above-described memory node 10 can be obtained by replacing the drain region 2 shown in FIG. 6 with, for example, a 30-nm polysilicon layer. Further, the conventional source and drain regions can be formed on the wafer 25 by a method known per se, whereby the regions 17 and 17 shown in FIG. 3 and FIG.
A source region and a drain region corresponding to 18 are provided with a conductive source / drain path interposed therebetween.

【0062】次に、ピラー構造20の種々の変形例につ
いて説明する。これらは、本発明により製造されるトラ
ンジスタやメモリに異なる動作特性をもたらす。
Next, various modifications of the pillar structure 20 will be described. These provide different operating characteristics for transistors and memories manufactured according to the present invention.

【0063】図8は、通常オフのトランジスタおよび不
揮発性メモリを設けるために利用しうるピラー構造の一
例を示す。この構造は、図4(a)(b)に示した構成
の変形例と考えることができ、図8では同じ参照符号を
用いている。このピラー構造には、サイドゲート23お
よび絶縁領域24が設けられる。
FIG. 8 shows an example of a pillar structure that can be used to provide a normally-off transistor and a nonvolatile memory. This structure can be considered as a modified example of the configuration shown in FIGS. 4A and 4B, and the same reference numerals are used in FIG. In this pillar structure, a side gate 23 and an insulating region 24 are provided.

【0064】ピラー構造20は、典型的には二酸化シリ
コンまたは窒化シリコンである比較的厚い絶縁層7’を
有する。この絶縁層は、二酸化シリコンでは3〜30n
mのオーダーの厚さであり、NH3雰囲気中で300〜
500Wの高周波(RF)電力でプラズマ窒化処理によ
り形成された窒化シリコンでは4〜30nmの厚さであ
る。厚さ50nmの真性シリコン層6’の間には絶縁層
が挟み込まれる。このピラー構造のエネルギーバンドプ
ロファイルを図11に示す。このエネルギーバンドプロ
ファイルは、幅寸法が層7’の厚さに対応する、高さ
B’の比較的広い障壁8’を有する。
The pillar structure 20 has a relatively thick insulating layer 7 ', typically silicon dioxide or silicon nitride. This insulating layer is 3 to 30 n in silicon dioxide.
m is the thickness of the order of, 300 in NH 3 atmosphere
The thickness of silicon nitride formed by plasma nitridation at a high frequency (RF) power of 500 W is 4 to 30 nm. An insulating layer is interposed between the intrinsic silicon layers 6 'having a thickness of 50 nm. FIG. 11 shows the energy band profile of this pillar structure. This energy band profile has a relatively wide barrier 8 'of height B', whose width dimension corresponds to the thickness of the layer 7 '.

【0065】使用時、メモリとして構成された場合、本
デバイスは高速の不揮発性ランダムアクセスメモリ(R
AM)として動作する。なぜなら、ゲート23に対して
外部ゲート電圧を印加する必要なく、絶縁層7’により
生成されたエネルギー障壁8’がメモリノード10に蓄
積された電子を保持するからである。このエネルギー障
壁の高さB’は、窒化シリコンで2.0eVのオーダー
であり、二酸化シリコンで3.0eVのオーダーであ
る。
In use, when configured as a memory, the device is a fast non-volatile random access memory (R
AM). This is because there is no need to apply an external gate voltage to the gate 23, and the energy barrier 8 'generated by the insulating layer 7' retains the electrons stored in the memory node 10. The height B 'of this energy barrier is of the order of 2.0 eV for silicon nitride and of the order of 3.0 eV for silicon dioxide.

【0066】ゲート23にバイアス電圧が印加される
と、エネルギー障壁B’は図11に破線で示すように下
げられる。この効果を用いて障壁を下げることによりメ
モリノード10に電荷を書き込むことを可能とする。さ
らに、制御電極11に電圧を印加して図2(b)に示し
たようなポテンシャルの傾斜を得る(図11には示さ
ず)。
When a bias voltage is applied to the gate 23, the energy barrier B 'is lowered as shown by a broken line in FIG. By lowering the barrier by using this effect, it is possible to write electric charge to the memory node 10. Further, a voltage is applied to the control electrode 11 to obtain a potential gradient as shown in FIG. 2B (not shown in FIG. 11).

【0067】その結果、電荷キャリアはノード10へ向
かって移動する。窒化シリコン障壁7’の場合には、サ
イドゲート23に印加される電圧は3Vのオーダーであ
り、制御電極に印加される電圧は1Vのオーダーであ
る。この構成では、電荷キャリアは、制御電極11から
の経路に沿って絶縁層7’を通過し、メモリノード10
へ達する。その後、電極11,23から電圧が取り除か
れると、電荷は障壁B’によりゲート電圧に保持され、
その保持時間は10年のオーダーでありうる。したがっ
て、このデバイスは高速不揮発性RAMとして動作す
る。
As a result, charge carriers move toward node 10. In the case of the silicon nitride barrier 7 ', the voltage applied to the side gate 23 is on the order of 3V and the voltage applied to the control electrode is on the order of 1V. In this configuration, charge carriers pass through the insulating layer 7 'along the path from the control electrode 11 and
To reach. Thereafter, when the voltage is removed from the electrodes 11 and 23, the charge is held at the gate voltage by the barrier B ',
The retention time can be on the order of 10 years. Therefore, this device operates as a high-speed nonvolatile RAM.

【0068】図11のピラー構造を、ソース5およびド
レイン2を有するトランジスタ構成に用いた場合、この
デバイスは通常オフのトランジスタとして動作する。
When the pillar structure of FIG. 11 is used in a transistor configuration having a source 5 and a drain 2, this device operates as a normally-off transistor.

【0069】最上部電極5,11および最下部領域2,
10の近傍に比較的薄い絶縁層7”を追加した変形例を
図12に示す。これは図13に示すような対応したエネ
ルギーバンド図に障壁8”を追加するものである。メモ
リとして使用されるとき、層7”は、絶縁層7”、制御
電極11およびメモリノード10の付近に大量の電子が
再分配(re-distribution)されるのを防止し、これによ
り、ノード10に電荷を書き込みまたは消去するように
ゲート23および制御電極11に電圧が印加されたとき
の下方へのポテンシャル傾斜を改善する。図13のエネ
ルギーバンド図は、制御電極11およびゲート23に書
き込み電圧が印加された場合(それらの値は図10に関
連した上述した)を示している。制御電極11へ電圧を
印加することの効果は、制御電極11からメモリノード
10へバンド図を下方傾斜させて、電子が障壁Bをトン
ネリングしながらこの傾斜をメモリノードへ向かって下
降可能とすることである。ゲート電圧23の効果は、障
壁Bの高さを下げることである。
The uppermost electrodes 5 and 11 and the lowermost regions 2
FIG. 12 shows a modification in which a relatively thin insulating layer 7 ″ is added in the vicinity of 10, which adds a barrier 8 ″ to the corresponding energy band diagram as shown in FIG. When used as a memory, the layer 7 "prevents a large amount of electrons from being redistributed near the insulating layer 7", the control electrode 11 and the memory node 10, and thereby the node 10 ". The potential gradient in the downward direction when a voltage is applied to the gate 23 and the control electrode 11 so as to write or erase electric charges is improved. The energy band diagram of FIG. 13 shows a case where a write voltage is applied to the control electrode 11 and the gate 23 (their values are described above with reference to FIG. 10). The effect of applying a voltage to the control electrode 11 is that the band diagram is tilted downward from the control electrode 11 to the memory node 10 so that electrons can tunnel the barrier B and descend this tilt toward the memory node. It is. The effect of the gate voltage 23 is to lower the height of the barrier B.

【0070】障壁B’の効果は図13に示すとおりであ
る。この障壁は、ゲート23に印加された電圧の結果と
して、破線の輪郭で示したレベルから低減される。ピラ
ー構造20が前述のように窒化シリコン層6およびポリ
シリコン層7で形成される場合、追加する薄い層7”は
典型的には1〜2nmの厚さであり、ポリシリコン層
6’の厚さは5〜30nmのオーダーである。
The effect of the barrier B 'is as shown in FIG. This barrier is reduced from the level outlined by the dashed outline as a result of the voltage applied to the gate 23. If the pillar structure 20 is formed of the silicon nitride layer 6 and the polysilicon layer 7 as described above, the additional thin layer 7 "is typically 1-2 nm thick and the thickness of the polysilicon layer 6 ' The thickness is on the order of 5 to 30 nm.

【0071】図14に、スタティックランダムアクセス
メモリ(SRAM)または従来のリフレッシュ回路を不
要とするダイナミックランダムアクセスメモリ(DRA
M)を製作するための他の変形例を示す。汎用のサイド
ゲートピラー構造は図4に示したものと同じであるが、
薄いp型シリコン層33を追加している。この層は典型
的には1〜2nmの厚さであり、層6,7の形成の際
に、従来の方法でLPCVD反応室内で形成することが
できる。層33に用いるドーパントは、1018cm-3
ドーパント濃度の硼素(boron)である。これによって
1.2Vのオーダーの組み込みポテンシャル障壁を生成
し、その結果、ゲート電極23へバイアスを印加するこ
となく、数分のオーダーの時間、メモリノード10に電
荷を蓄積することができる。したがって、このメモリデ
バイスは、通常高速DRAMに必要とされる従来の高負
担のリフレッシュ回路を必要としない。より長時間、情
報を保持する必要があるならば、ゲート電極23に負の
バイアス電圧を印加する。−1.0Vまたは−0.5V
のバイアス電圧により、それぞれ10年および1時間の
間、保持できる。情報を読み書きするには、それぞれ、
ゲート電極23に0.0Vおよび1.0Vのゲート電圧
を印加する。ノードから情報を読み出すには、ソース1
7およびドレイン19(図14には図示せず)にソース
・ドレイン電圧を印加して、その結果生じるソース・ド
レイン電流を検出することは、上述の記載から理解され
よう。この電流レベルは、メモリノード10に蓄積され
た電荷のレベルに依存する。
FIG. 14 shows a static random access memory (SRAM) or a dynamic random access memory (DRA) that does not require a conventional refresh circuit.
8 shows another modification for producing M). The general-purpose side gate pillar structure is the same as that shown in FIG.
A thin p-type silicon layer 33 is added. This layer is typically 1-2 nm thick and can be formed in a conventional manner in an LPCVD reactor during the formation of layers 6 and 7. The dopant used in layer 33 is boron with a dopant concentration of 10 18 cm -3 . As a result, a built-in potential barrier on the order of 1.2 V is generated, and as a result, charges can be stored in the memory node 10 for a time on the order of several minutes without applying a bias to the gate electrode 23. Therefore, this memory device does not require the conventional heavy load refresh circuit normally required for a high-speed DRAM. If information needs to be held for a longer time, a negative bias voltage is applied to the gate electrode 23. -1.0V or -0.5V
Can be maintained for 10 years and 1 hour, respectively. To read and write information,
Gate voltages of 0.0 V and 1.0 V are applied to the gate electrode 23. To read information from a node, use source 1
It will be appreciated from the foregoing that applying source-drain voltages to 7 and drain 19 (not shown in FIG. 14) and detecting the resulting source-drain current. This current level depends on the level of the charge stored in memory node 10.

【0072】図16に、バンドギャップの不連続性(dis
continuity)を得るために、より大きなエネルギーバン
ドギャップを有する材料で幾つかの領域6を形成した他
の構成を示す。図16に示した実施例では、より薄い層
2’が金属−半導体化合物(例えばSiC)のような
広バンドギャップ材料で形成され、領域61は上述した
方法でポリシリコンにより形成される。層62’を形成
する際には、ピラーを製造するのに用いられるLPCV
D処理の間に適当なドーパントを導入することができ
る、ということが理解されよう。その結果得られるバン
ドエネルギープロファイルは図17に示すとおりであ
る。層62’の領域でバンドエッジが持ち上がられてお
り、これがバンドエッジ不連続性ΔEvをもたらす、と
いうことが理解されよう。この例では、バンドエッジ不
連続性は価電子バンドに形成されるが、適当な材料が使
用され電子がキャリアとして用いられる場合には、不連
続性は伝導バンドにおいても形成しうることが理解され
よう。この例では、価電子バンド不連続性は0.5eV
のオーダーである。これは、ゲート電極23にバイアス
を印加することなく、1時間のオーダーで情報を保持す
るのに有効である。したがって、本メモリデバイスは、
従来のDRAMのような高速リフレッシュ回路を必要と
しない。より長い時間情報を保持するためには、ゲート
電極23に0.5Vの正のバイアスを印加することがで
きる。これによって10年のオーダーの保持時間が達成
される。情報を読み書きするには、ゲート電極23に対
して−0.5Vおよび−1.5Vのバイアス電圧を印加
する。この際の読み出しおよび書き込みは、上述した方
法で実行される。
FIG. 16 shows the band gap discontinuity (dis
Another configuration is shown in which some regions 6 are formed of a material having a larger energy band gap to obtain continuity. In the embodiment shown in FIG. 16, thinner layers 6 2 'are metals - are formed in a wide bandgap material, such as semiconductor compounds (e.g. SiC), region 61 is formed of a polysilicon in the manner described above. In forming a layer 6 2 'are used to produce pillars LPCV
It will be appreciated that a suitable dopant can be introduced during the D treatment. The resulting band energy profile is as shown in FIG. It will be appreciated that the band edge has been lifted in the region of layer 6 2 ′, which results in a band edge discontinuity ΔEv. In this example, the band edge discontinuity is formed in the valence band, but it is understood that if a suitable material is used and electrons are used as carriers, the discontinuity can also be formed in the conduction band. Like. In this example, the valence band discontinuity is 0.5 eV
It is an order. This is effective for retaining information on the order of one hour without applying a bias to the gate electrode 23. Therefore, the present memory device
There is no need for a high-speed refresh circuit like a conventional DRAM. To retain information for a longer time, a positive bias of 0.5 V can be applied to the gate electrode 23. This achieves a retention time on the order of 10 years. To read and write information, bias voltages of -0.5 V and -1.5 V are applied to the gate electrode 23. Reading and writing at this time are executed by the above-described method.

【0073】トランジスタとして利用する場合、図16
のピラー構造は通常オフのトランジスタをもたらす。
When used as a transistor, FIG.
Pillar structures usually result in off transistors.

【0074】図18に、サイドゲートピラー構造3の他
の例を示す。この構造では、絶縁マトリクス35内に形
成された一群の粒状半導体または伝導島34により障壁
構造が得られる。この例では、マトリクス35は50n
m厚のポリシリコン材料6の層間に挟み込まれる。島3
4は、シリコン、ゲルマニウム、非晶質(アモルファ
ス)シリコンまたは金もしくはアルミニウムの金属ドッ
トにより構成できる。ナノメータ・スケールの島を設け
るための種々の異なる方法を以下に説明する。
FIG. 18 shows another example of the side gate pillar structure 3. In this structure, a barrier structure is obtained by a group of granular semiconductors or conductive islands 34 formed in the insulating matrix 35. In this example, the matrix 35 is 50n
It is sandwiched between layers of polysilicon material 6 having a thickness of m. Island 3
4 can be composed of metal dots of silicon, germanium, amorphous silicon or gold or aluminum. Various different methods for providing islands on the nanometer scale are described below.

【0075】1、Si−Ge−O混合膜からナノメータ
・スケールのGeの晶子(crystallites)を分離する方法 Si−Ge−O混合膜は、高周波マグネトロンスパッタ
リング(RFMS)またはイオンビームスパッタリング
(IBS)により設けた。スパッタリングターゲットは
直径100mmの99.99%純度のSiO2ガラスプ
レートからなり、その上に5mm角の幾つかの高純度G
eチップを置いた。ターゲットからスパッタされた材料
は、Si基板上に200nmの厚さで被着した。円形の
SiO2ガラスプレート上に分散させたGeチップの当
該個数は、ターゲット上にスパッタされるGeの量を制
御するために選択した。
1. Method of Separating Nanometer-Scale Ge Crystallites from Si-Ge-O Mixed Film The Si-Ge-O mixed film is separated by radio frequency magnetron sputtering (RFMS) or ion beam sputtering (IBS). Provided. The sputtering target consisted of a 99.99% pure SiO 2 glass plate with a diameter of 100 mm, on which several 5 mm square high purity G
e chip was placed. The material sputtered from the target was deposited on a Si substrate with a thickness of 200 nm. The number of Ge chips dispersed on a circular SiO 2 glass plate was selected to control the amount of Ge sputtered on the target.

【0076】RFMSの場合には、3mTorrの圧力
のアルゴンガス雰囲気中で、1.25kW、13.56
MHzの高周波電力でスパッタリングを実行した。IB
Sの場合には、0.3mTorrの圧力のアルゴンガス
雰囲気中で、1kWの直流電源でスパッタリングを実行
した。
In the case of RFMS, 1.25 kW, 13.56 in an argon gas atmosphere at a pressure of 3 mTorr.
Sputtering was performed with a high frequency power of MHz. IB
In the case of S, sputtering was performed in an argon gas atmosphere at a pressure of 0.3 mTorr with a DC power supply of 1 kW.

【0077】さらに詳細には、この工程は、まず、クラ
イオポンプで3×10-7Torrの圧力まで空気を排出
した成長室内で行った。次に、アルゴンガスを導入し、
前述したスパッタリングのための電力を印加した。7分
後に、Geで過飽和したターゲット上にSiO2ガラス
が形成された。ついで、このサンプルをアルゴンガス中
で30分から4時間、300〜800°Cでアニーリン
グした。その結果、Geのナノメータ・スケールの晶子
がガラス内に分離された。Geチップの個数、アニーリ
ング温度およびアニーリング時間は、クラス内に形成さ
れたGeのナノ晶子の密度およびサイズを制御するよう
に選定した。下の表は幾つかの例である。
More specifically, this step was first performed in a growth chamber in which air was discharged to a pressure of 3 × 10 −7 Torr by a cryopump. Next, argon gas is introduced,
The power for the above-described sputtering was applied. After 7 minutes, a SiO 2 glass was formed on the target supersaturated with Ge. The sample was then annealed at 300-800 ° C. for 30 minutes to 4 hours in argon gas. As a result, nanometer-scale crystallites of Ge were separated in the glass. The number of Ge chips, annealing temperature and annealing time were chosen to control the density and size of Ge nanocrystallites formed in the class. The table below is some examples.

【0078】 表1 サンプル番号 アニーリング温度 アニーリング時間 平均直径 1 300°C 30分 4.2nm 2 600°C 30分 6.0nm 3 800°C 30分 6.5nm 2、プラズマCVD法による水素化されたアモルファス
シリコンの用意 この方法では、極めて薄い、水素化された非晶質シリコ
ンを用意するために、容量結合高周波プラズマ化学気相
成長(CVD)を用いた。成長室は、まず、反応ガスの
導入の前に10-7Torrの圧力まで空気を排出した。
反応室内の接地電極上に配置されたシリコン基板を25
0°Cの温度にまで加熱した。SiH4およびH2の混合
ガスを、マスフローコントローラにより成長室内に導入
した。ガスフローレートは、それぞれ、10および40
sccmとした。自動圧力コントローラで、0.2To
rrの気圧を維持した。成長時にPH3またはP26
導入することにより、置換ドーピング(substitutional
doping)を行うことにより、それぞれn型およびp型の
水素化された非晶質シリコンを得た。この例では、n型
ドーパントとして、H2内で希釈した、5sccmまた
は0.2%PH3を添加した。フォワード電力(forward
power)を最大化して反射を最小限に抑えるように自動マ
ッチングにより成長室内の電極に対して13.56MH
zの高周波電力を10Wのレベルで印加し、これによ
り、室内にプラズマを確立した。この場合の成長レート
は0.08nm/secであった。この成長を50秒間
行い、水素化された非晶質シリコンを含む4nmの厚さ
の層を得た。
Table 1 Sample No. Annealing temperature Annealing time Average diameter 1 300 ° C. 30 minutes 4.2 nm 2 600 ° C. 30 minutes 6.0 nm 3 800 ° C. 30 minutes 6.5 nm 2, hydrogenated by plasma CVD method Preparation of Amorphous Silicon This method used capacitively coupled high frequency plasma chemical vapor deposition (CVD) to prepare extremely thin, hydrogenated amorphous silicon. The growth chamber was first evacuated to a pressure of 10 -7 Torr before the introduction of the reaction gas.
The silicon substrate placed on the ground electrode in the reaction chamber
Heated to a temperature of 0 ° C. A mixed gas of SiH 4 and H 2 was introduced into the growth chamber by a mass flow controller. The gas flow rates were 10 and 40, respectively.
sccm. 0.2 Ton with automatic pressure controller
A pressure of rr was maintained. By introducing PH 3 or P 2 H 6 during growth, substitutional doping (substitutional doping) is achieved.
doping) to obtain n-type and p-type hydrogenated amorphous silicon, respectively. In this example, 5 sccm or 0.2% PH 3 diluted in H 2 was added as an n-type dopant. Forward power (forward
13.56 MHZ for electrodes in the growth chamber by automatic matching to maximize power) and minimize reflections
A high frequency power of z was applied at a level of 10 W, thereby establishing a plasma in the room. The growth rate in this case was 0.08 nm / sec. This growth was performed for 50 seconds to obtain a 4 nm thick layer containing hydrogenated amorphous silicon.

【0079】3、プラズマCVD法による微晶質シリコ
ンの用意 微晶質(microcrystalline)シリコンを設けるために、容
量結合高周波プラズマCVDを用いた。主反応室は、孤
立させて、容易に開放できるシャッタにより、ロードロ
ック室(load lock chamber)に接続した。このロードロ
ック室を通して、主反応室へのサンプルのロードおよび
アンロードを行った。室内の圧力は自動圧力コントロー
ラにより決定した。反応ガスの導入前に、成長室は、タ
ーボ分子ポンプにより、10-7Torrの圧力になるま
で空気を排出した。成長層を受ける基板は、250°C
の温度にまで加熱された直径15cmの接地電極上に載
置した。電極の間隔は3cmに固定した。SiH4およ
びH2の混合ガスを、マスフローコントローラにより成
長室へ導入した。SiH4およびH2のガスフローレート
は、それぞれ、1および100sccmに選定した。こ
の処理の間、自動圧力コントローラにより、ガス圧を
0.15Torrに維持した。同じプラズマ内で、成長
工程中に、ホスフィンまたはジボランガスによる置換ド
ーピングを行って、それぞれn型およびp型非晶質シリ
コンを生成した。この例では、水素内で希釈した2sc
cmまたは0.2%のホスフィンをn型ドーパントとし
て添加した。AMCにより室内の電極に対して80Wの
電力を13.56MHzで印加することにより、フォワ
ード電力を最大化すると共に、反射電力を最小化した。
成長レートは0.05nm/secであった。この成長
処理は80秒間行い、4nm厚の微晶質シリコン層を得
た。
3. Preparation of Microcrystalline Silicon by Plasma CVD Method In order to provide microcrystalline silicon, capacitively coupled high-frequency plasma CVD was used. The main reaction chamber was isolated and connected to a load lock chamber by a shutter that could be easily opened. The sample was loaded and unloaded into the main reaction chamber through the load lock chamber. The pressure in the room was determined by an automatic pressure controller. Before the introduction of the reaction gas, the growth chamber was evacuated with a turbo-molecular pump until the pressure reached 10 -7 Torr. The substrate receiving the growth layer is 250 ° C
Was placed on a ground electrode having a diameter of 15 cm heated to a temperature of. The distance between the electrodes was fixed at 3 cm. A mixed gas of SiH 4 and H 2 was introduced into the growth chamber by a mass flow controller. The gas flow rates for SiH 4 and H 2 were chosen to be 1 and 100 sccm, respectively. During this process, the gas pressure was maintained at 0.15 Torr by an automatic pressure controller. In the same plasma, substitution doping with phosphine or diborane gas was performed during the growth process to produce n-type and p-type amorphous silicon, respectively. In this example, 2sc diluted in hydrogen
Cm or 0.2% phosphine was added as an n-type dopant. The forward power was maximized and the reflected power was minimized by applying 80 W power at 13.56 MHz to the electrodes in the room by AMC.
The growth rate was 0.05 nm / sec. This growth treatment was performed for 80 seconds to obtain a 4 nm-thick microcrystalline silicon layer.

【0080】4、プラズマCVD法による窒化シリコン
および非晶質または微晶質シリコンの積層構造(stackin
g structure)の用意 窒化シリコンまたは微晶質シリコンの層の積層構造は、
非晶質または微晶質シリコンを生成する上述の第2また
は第3の方法を用いて実現することができ、散在した窒
化シリコン層(interspersed silicon nitride layers)
も、SiH4、NH3、およびH2の混合ガスを用いるこ
とにより同様の方法で用意することができる。シリコン
層と窒化シリコン層の間の汚染を防止するために、真空
移送機構により結合された別々の成長室内で個々の膜を
用意する。
4. Stacked structure of silicon nitride and amorphous or microcrystalline silicon by plasma CVD
g structure) The laminated structure of silicon nitride or microcrystalline silicon
Interspersed silicon nitride layers, which can be realized using the second or third method described above for producing amorphous or microcrystalline silicon
Can be prepared in a similar manner by using a mixed gas of SiH 4 , NH 3 , and H 2 . To prevent contamination between the silicon layer and the silicon nitride layer, individual films are prepared in separate growth chambers joined by a vacuum transfer mechanism.

【0081】5、他の方法によるシリコン膜の用意 非晶質および微晶質シリコン膜を用意するために使用し
うる他の方法の例は次の通りである。すなわち、熱化学
分解(thermal chemical decomposition)、光化学気相分
解(photo-chemical vapour decomposition)、スパッタ
リング、イオンビーム成長、クラスタイオンビーム成
長、および分子ビーム成長がある。これらの方法は、熱
アニーリング、高速熱アニーリングおよびレーザアニー
リングと組み合わせて、広範な微晶質シリコン構造を得
ることができる。
5. Preparation of Silicon Film by Other Methods Examples of other methods that can be used to prepare amorphous and microcrystalline silicon films are as follows. That is, there are thermal chemical decomposition, photo-chemical vapor decomposition, sputtering, ion beam growth, cluster ion beam growth, and molecular beam growth. These methods can be combined with thermal annealing, rapid thermal annealing and laser annealing to obtain a wide range of microcrystalline silicon structures.

【0082】具体的な一例において、シリコン粒子は絶
縁粒子境界とともに形成され、その直径は3〜10nm
の範囲、好ましくは5nm以下である。図18に模式的
に示した結果構造においては、約0.5Vの電流閾値が
形成される。その結果、ゲート電極23にバイアスを印
加することなく、数分のオーダーの時間、メモリノード
10に情報を蓄積することができる。より長い時間情報
を保持するには、ゲート電極23に対して−1.0Vな
いし−0.5Vのバイアス電圧を印加することにより、
それぞれ10年および1時間の保持時間を達成できる。
蓄積情報を読み書きするには、それぞれ0Vおよび1V
のゲートバイアス電圧をゲート電極23に対して印加す
る。
In one specific example, silicon particles are formed with insulating particle boundaries and have a diameter of 3 to 10 nm.
, Preferably 5 nm or less. In the result structure schematically shown in FIG. 18, a current threshold of about 0.5 V is formed. As a result, information can be stored in the memory node 10 for several minutes without applying a bias to the gate electrode 23. To retain information for a longer time, by applying a bias voltage of -1.0 V to -0.5 V to the gate electrode 23,
Retention times of 10 years and 1 hour respectively can be achieved.
To read and write stored information, 0V and 1V respectively
Is applied to the gate electrode 23.

【0083】トランジスタとして用いる場合には、図1
8のピラー構造20は通常オフのトランジスタデバイス
をもたらす。
When used as a transistor, FIG.
The eight pillar structure 20 results in a normally off transistor device.

【0084】上述した構造内の真性ポリシリコン層6の
粒子サイズは3〜10nm程度に小さく形成することが
できることが理解されよう。熱窒化処理の間、粒子境界
も窒化シリコンに変換して、粒子も2〜3nm厚の絶縁
により囲まれるようにする。また、図18の導電および
絶縁の複合層の構造は前述したピラー構造のいずれかと
ともに用いることも可能である。小さい粒子サイズは、
荷電エネルギーおよび量子サイズ効果によってエネルギ
ー障壁効果を向上させると共に、電子局在化を促進す
る。というのは、各トンネル接合の抵抗を接合面積の低
下に伴って増加させることができるからである。また、
電子−正孔対の生成による漏れ電流は、その生成された
電子−正孔対が粒子領域内部で再結合するので、低減す
ることができる。粒子外部での分離は、荷電エネルギー
が増加するので、エネルギー的に好ましくないからであ
る。
It will be understood that the grain size of the intrinsic polysilicon layer 6 in the above structure can be formed as small as about 3 to 10 nm. During the thermal nitridation process, the grain boundaries are also converted to silicon nitride so that the grains are also surrounded by a 2-3 nm thick insulation. Further, the structure of the combined conductive and insulating layer in FIG. 18 can be used together with any of the pillar structures described above. Small particle size
The energy barrier effect is improved by the charge energy and the quantum size effect, and the electron localization is promoted. This is because the resistance of each tunnel junction can be increased as the junction area decreases. Also,
Leakage current due to the generation of electron-hole pairs can be reduced because the generated electron-hole pairs recombine inside the grain region. This is because separation outside the particles is energetically unfavorable because the charged energy increases.

【0085】図18において、本デバイスはノード10
および層6を有する。しかし、ノード10および層6を
削除することができる。なぜなら、粒子34をノードと
して利用することができるからである。ここで図19を
参照するに、この図はサイドゲート構造の変形例を示
す。これは、図4に示した構造の変形例と考えることが
できる。このデバイスでは、図4の絶縁酸化物層22を
半導体層36で置き換えることにより接合ゲートを形成
する。図20に示した例では、領域36はp型シリコン
からなる。ピラー構造20は、図4で前述したように、
導電性のポリシリコン層6と絶縁性の窒化シリコン層7
とを有する。サイドゲート23は、前述のようにポリシ
リコンで形成する。
In FIG. 18, the device is a node 10
And a layer 6. However, node 10 and layer 6 can be eliminated. This is because the particles 34 can be used as nodes. Referring now to FIG. 19, this shows a modification of the side gate structure. This can be considered as a modification of the structure shown in FIG. In this device, a junction gate is formed by replacing the insulating oxide layer 22 of FIG. In the example shown in FIG. 20, the region 36 is made of p-type silicon. As described above with reference to FIG.
Conductive polysilicon layer 6 and insulating silicon nitride layer 7
And The side gate 23 is formed of polysilicon as described above.

【0086】p型領域36の効果は、図20に示すよう
に、エネルギーバンドプロファイルにおいて1.0Vの
ビルトインポテンシャルbを生成することである。その
結果として、このデバイスの電流閾値電圧は−0.1V
のオーダーである。したがって、メモリデバイスとして
使用する場合、従来のDRAMに比べてリフレッシュ動
作の頻度を低減することができるので、低電圧動作を実
現できる。ゲート電極23に対して−1.6Vおよび−
1.1Vの負のバイアス電圧を印加すると、それぞれ1
0年および1時間のオーダーでノード10への保持時間
が得られる。ノード10に情報を読み書きするには、ゲ
ート電極23に対してそれぞれ−0.8Vおよび0.4
Vのゲートバイアス電圧を印加する。
The effect of the p-type region 36 is to generate a built-in potential b of 1.0 V in the energy band profile as shown in FIG. As a result, the current threshold voltage of this device is -0.1V
It is an order. Therefore, when used as a memory device, the frequency of the refresh operation can be reduced as compared with the conventional DRAM, so that a low-voltage operation can be realized. -1.6 V and-with respect to the gate electrode 23
When a negative bias voltage of 1.1 V is applied, 1
Retention times for nodes 10 are obtained on the order of 0 years and 1 hour. To read / write information from / to node 10, -0.8 V and 0.4 V are applied to gate electrode 23, respectively.
A gate bias voltage of V is applied.

【0087】トランジスタとして用いる場合には、図1
9のピラー構造20は通常オフのトランジスタデバイス
をもたらす。
When used as a transistor, FIG.
The nine pillar structure 20 results in a normally off transistor device.

【0088】図21に、関連したショットキ・サイドゲ
ート構造を有するピラー構造を示す。これは、図4の構
造の変形例と考えることができる。図21の実施例で
は、絶縁層22を削除し、ピラー構造3に対して、その
側壁22に直接金属サイドゲート37を追加し、これに
よりショットキゲートを構成している。
FIG. 21 shows a pillar structure having an associated Schottky side gate structure. This can be considered as a modification of the structure of FIG. In the embodiment of FIG. 21, the insulating layer 22 is omitted, and a metal side gate 37 is directly added to the side wall 22 of the pillar structure 3, thereby forming a Schottky gate.

【0089】サイドショットキゲート37は、ピラー構
造20内に0.4Vに達する組み込みポテンシャルbを
生成する。その結果得られる電流閾値電圧は、0.3V
のオーダーである。よって、メモリデバイスとして用い
る場合には、低電圧動作を実現でき、リフレッシュ動作
は従来のDRAMより低頻度でよい。ゲート電極37に
対して−1.8Vおよび−1.3Vの負のバイアス電圧
を印加すると、それぞれ、10年および1時間の保持時
間が得られる。メモリノード10から情報を読み書きす
るには、−1.0Vおよび0.2Vのゲートバイアス電
圧をゲート電極37に印加する。典型的な例では、ショ
ットキ金属ゲート37はWSiまたはアルミニウムで形
成される。図7〜図9で説明した処理工程を適当に変更
することにより適切な材料のショットキゲートが形成さ
れることが理解されよう。
The side Schottky gate 37 generates a built-in potential b reaching 0.4 V in the pillar structure 20. The resulting current threshold voltage is 0.3 V
It is an order. Therefore, when used as a memory device, low-voltage operation can be realized, and refresh operation can be performed less frequently than a conventional DRAM. When negative bias voltages of -1.8 V and -1.3 V are applied to the gate electrode 37, retention times of 10 years and 1 hour are obtained, respectively. To read / write information from / to the memory node 10, gate bias voltages of −1.0 V and 0.2 V are applied to the gate electrode 37. In a typical example, Schottky metal gate 37 is formed of WSi or aluminum. It will be appreciated that the Schottky gate of the appropriate material can be formed by appropriately modifying the processing steps described in FIGS.

【0090】図22のピラー構造は、トランジスタ構造
にも利用できる。すなわち通常ノーマリオンのトランジ
スタが得られる。
The pillar structure shown in FIG. 22 can be used for a transistor structure. That is, a normally-on transistor is obtained.

【0091】図19の接合ゲートおよび図21のショッ
トキゲートは、前述したピラー構造(図4のピラー構造
のみでなく)の任意のものと一緒に用いることができ
る、ということが理解されよう。
It will be appreciated that the junction gate of FIG. 19 and the Schottky gate of FIG. 21 can be used with any of the pillar structures described above (not just the pillar structure of FIG. 4).

【0092】図23を参照して、本発明によるトランジ
スタデバイスを製造する他の方法を以下に説明する。開
始材料は、図7〜図9で前述した方法に用いたものと同
じである。すなわち、図23(a)を参照するに、シリ
コンウェハ25を1000°Cで熱酸化することによ
り、600nm厚の二酸化シリコンの層1を形成する。
この層1は、絶縁基板として機能する。次に、この二酸
化シリコン層1の上に、ドレインを形成するために用い
られる層2を形成する。この層2は、反応室内でLPC
VDにより成長させた100nm厚のポリシリコンから
なる。この層2の表面上に、10nmのオーダーの厚さ
の薄い二酸化シリコン層(図示せず)を成長させる。次
に、層2に対して砒素イオンを打ち込むことにより、n
+ドープ導電層を形成する。この層はドレインとして用
いることができる。砒素イオンは、当該酸化物層に対し
て25KeVのオーダーのエネルギーで、かつ3×10
15cm-2の照射量で打ち込む。次に、この酸化物層は、
20:1BHF溶液を用いてウェットエッチングにより
除去する。その後、シリコン層6と窒化シリコン層7の
積層体を成長させることにより、多層トンネル接合をも
たらす多層構造3を形成する。最初、シリコン層61を
比較的厚い厚さW1=50nmに形成し、ついで、積層
体の大部分についてW2=5nmのオーダーの厚さの層
2を形成する。この積層体の頂部に、少なくとも更に
1層、厚さW1の層61を形成する。この例では、さら
に、30nmの厚さのシリコン層63を形成する。
Referring to FIG. 23, another method of manufacturing a transistor device according to the present invention will be described below. The starting materials are the same as those used in the method described above in FIGS. That is, referring to FIG. 23A, a silicon wafer 25 is thermally oxidized at 1000 ° C. to form a silicon dioxide layer 1 having a thickness of 600 nm.
This layer 1 functions as an insulating substrate. Next, a layer 2 used to form a drain is formed on the silicon dioxide layer 1. This layer 2 is LPC in the reaction chamber.
It consists of 100 nm thick polysilicon grown by VD. On the surface of this layer 2, a thin silicon dioxide layer (not shown) of the order of 10 nm is grown. Next, by implanting arsenic ions into layer 2, n
+ Form a doped conductive layer. This layer can be used as a drain. Arsenic ions have an energy of the order of 25 KeV for the oxide layer and 3 × 10
Driving is performed at a dose of 15 cm -2 . Next, this oxide layer
It is removed by wet etching using a 20: 1 BHF solution. Thereafter, a multilayer structure 3 providing a multilayer tunnel junction is formed by growing a stacked body of the silicon layer 6 and the silicon nitride layer 7. First, a silicon layer 61 to a relatively large thickness W1 = 50 nm, then, to form a W2 = 5 nm layer 6 2 thickness on the order of for most of the laminate. At least one further layer 61 of thickness W1 is formed on the top of the laminate. In this example, further, a silicon layer 6 3 of a thickness of 30 nm.

【0093】層6,7は、LPCVD反応室内で形成す
る。この処理は、上記MoslehiおよびSaraswatに記載さ
れた様なシリコンの熱窒化処理を含む。
The layers 6 and 7 are formed in an LPCVD reaction chamber. This includes thermal nitridation of silicon as described in Moslehi and Saraswat above.

【0094】図7〜図9で前述したように、層構造は、
次のようにして順次組み上げられる。まず、LPCVD
反応室内の770°CのSiH4ガス中でシリコン層を
成長させることにより、図23(a)への挿入図内に示
した関連する層のための適当な厚さのシリコンを得る。
その後、この成長したシリコンの表面を、直接、反応室
内の1Torrの100%NH3ガス状雰囲気中で20
分間、930°Cで窒化シリコンに変換する。次に、こ
の窒化シリコンの上に、別のシリコン層を同じ室内で成
長させる。その結果、順次成長されたシリコン層の間
に、二酸化シリコンを全く含まない純粋な窒化シリコン
が形成される。
As described above with reference to FIGS. 7 to 9, the layer structure is as follows.
It is assembled sequentially as follows. First, LPCVD
Growing the silicon layer in SiH 4 gas at 770 ° C. in the reaction chamber results in silicon of appropriate thickness for the relevant layers shown in the inset to FIG.
Then, the surface of the grown silicon is directly placed in a 1 Torr 100% NH 3 gaseous atmosphere in a reaction chamber.
Minutes at 930 ° C. to silicon nitride. Next, another silicon layer is grown on the silicon nitride in the same chamber. As a result, pure silicon nitride containing no silicon dioxide is formed between the sequentially grown silicon layers.

【0095】図23(b)において、層構造3の上に、
熱酸化により、10nm厚の二酸化シリコンの層38を
形成し、160nm厚の窒化シリコン層39を740°
Cの温度で成長させる。
In FIG. 23B, on the layer structure 3,
A 10 nm thick silicon dioxide layer 38 is formed by thermal oxidation, and a 160 nm thick silicon nitride layer 39 is deposited at 740 °.
Grow at a temperature of C.

【0096】次に、図23(c)において、光学リソグ
ラフィと、CHF3およびアルゴンガスの雰囲気内での
ドライエッチング法とを、それ自体既知の方法で用い
て、層38,39をパターン化する。出来上がった構造
は、図26に示す、横方向幅寸法AAおよび寸法Yの幅
を有する。
Next, in FIG. 23C, the layers 38 and 39 are patterned using optical lithography and dry etching in an atmosphere of CHF 3 and argon gas in a manner known per se. . The resulting structure has a lateral width dimension AA and a dimension Y shown in FIG.

【0097】図23(d)に示すように、次に、これら
のパターン化された層38,39をマスクとして用いて
多層構造3をドライエッチングすることにより、寸法A
Aの外側の層6,7の大部分を除去し、マスクパターン
の外側に構造3の約30nmの厚さを残す。次に、この
領域3の残存部分を熱酸化により二酸化シリコンに変換
して領域40を形成することにより、同じ基板1状に本
発明の方法により形成される隣のトランジスタ(図示せ
ず)と絶縁する。この電気絶縁領域40を図23(e)
に示す。
Next, as shown in FIG. 23D, the multilayer structure 3 is dry-etched using the patterned layers 38 and 39 as a mask to obtain a dimension A.
Most of the layers 6, 7 outside of A are removed, leaving about 30 nm thickness of structure 3 outside the mask pattern. Next, the remaining portion of the region 3 is converted into silicon dioxide by thermal oxidation to form a region 40, which is insulated from an adjacent transistor (not shown) formed on the same substrate 1 by the method of the present invention. I do. This electrically insulating region 40 is shown in FIG.
Shown in

【0098】図24(a)において、次に、160°C
のオルトリン酸と20:1BHF溶液とを用いて、窒化
シリコン層38および二酸化シリコン層39を除去す
る。ついで、LPCVDにより100nmの厚さのポリ
シリコン層5を成長させる。この層5の表面上に、10
nmのオーダーの厚さの薄い二酸化シリコン層(図示せ
ず)を成長させる。この酸化層に対して、5×1015
-2の照射量かつ25KeVのエネルギーで砒素イオン
を打ち込むことにより、シリコン層5を、トランジスタ
のソースとして利用するための大量ドープn型層に変換
する。次に、800°Cの熱アニーリングを1分間行う
ことにより、砒素イオンを活性化すると共に、層5に大
量ドープされた電気的特性を得る。次に、層5の上に1
00nm厚の二酸化シリコン層41を成長させる。
In FIG. 24 (a), next, at 160 ° C.
The silicon nitride layer 38 and the silicon dioxide layer 39 are removed by using orthophosphoric acid and a 20: 1 BHF solution. Next, a polysilicon layer 5 having a thickness of 100 nm is grown by LPCVD. On the surface of this layer 5, 10
Grow a thin silicon dioxide layer (not shown) on the order of nm. 5 × 10 15 c
By implanting arsenic ions with an irradiation dose of m −2 and an energy of 25 KeV, the silicon layer 5 is converted into a heavily doped n-type layer for use as a source of a transistor. Next, thermal annealing at 800 ° C. for 1 minute activates arsenic ions and obtains electrical properties that are heavily doped in layer 5. Next, on layer 5
A 00 nm thick silicon dioxide layer 41 is grown.

【0099】図24(b)において、電子ビームリソグ
ラフィとドライエッチングとを用いて二酸化シリコン層
41をパターン化することにより、幅Xの細長い領域を
設ける。この領域は、トランジスタのソースの範囲を定
めるマスクを定めるために利用される。
Referring to FIG. 24B, the silicon dioxide layer 41 is patterned by using electron beam lithography and dry etching to form a narrow region having a width X. This region is used to define a mask that defines the source of the transistor.

【0100】図24(c)において、エッチングされた
層41の部分の下を除いて、層構造3の約30nmの厚
さを残して、ポリシリコン層5および多層構造3をCF
4ガス内でエッチングする。
In FIG. 24C, the polysilicon layer 5 and the multilayer structure 3 are CF-exposed except for the part of the layer 41 which has been etched, except for the thickness of the layer structure 3 of about 30 nm.
Etching in 4 gas.

【0101】図24(d)に示すように、熱酸化によ
り、それぞれ約10nmおよび50nmの厚さの二酸化
シリコン層領域24,26を酸化させることにより、多
層構造3のエッチングされた部分およびn型のソースお
よびドレイン領域5,2の露出部分を被覆する。大量ド
ープ領域5,2上の二酸化シリコン26の厚さは、SE
LOCS処理のため、層構造3の真性シリコン上の酸化
物24の厚さより大きい。
As shown in FIG. 24D, the silicon dioxide layer regions 24 and 26 having a thickness of about 10 nm and 50 nm, respectively, are oxidized by thermal oxidation, whereby the etched portion of the multilayer structure 3 and the n-type To cover the exposed portions of the source and drain regions 5 and 2. The thickness of the silicon dioxide 26 over the heavily doped regions 5, 2 is SE
Due to the LOCS process, the thickness of the oxide 24 on the intrinsic silicon of the layer structure 3 is larger.

【0102】図24(e)に示すように、LPCVDに
より、10nm厚のポリシリコン層23’を成長させ
る。この層23’の表面上に、10nmのオーダーの厚
さの薄い二酸化シリコン層(図示せず)を成長させる。
この酸化物層に対して、5×1015cm-2の照射量かつ
25KeVのエネルギーで砒素イオンを打ち込むことに
より、ポリシリコン層23’を大量ドープn型層に変換
する。次に、800°Cで1分間の熱アニーリングを行
うことにより、砒素イオンを活性化すると共に、層2
3’内に大量ドープn型電気特性を得る。この層23’
は後に、デバイスのゲートを形成するために使用され
る。次に、光学リソグラフィとCF4ガス雰囲気中での
ドライエッチング法を用いて、この層23’をパターン
化する。ついで、図25(a)に示すように、本デバイ
ス上に1000nmの厚さの二酸化シリコン層42を成
長させ、酸化物層42,26にコンタクト窓32Dをエ
ッチング生成することにより、ドレイン層2に対する電
気接続を可能とする。このコンタクト窓32Dは、光学
リソグラフィと、20:1BHF溶液を用いたウェット
エッチングとにより形成する。この処理の一部として、
ゲート23’のためにコンタクト窓32Gを形成する。
As shown in FIG. 24E, a 10 nm-thick polysilicon layer 23 'is grown by LPCVD. On the surface of this layer 23 ', a thin silicon dioxide layer (not shown) of the order of 10 nm is grown.
By implanting arsenic ions into this oxide layer at a dose of 5 × 10 15 cm −2 and an energy of 25 KeV, the polysilicon layer 23 ′ is converted into a heavily doped n-type layer. Next, by performing thermal annealing at 800 ° C. for 1 minute, arsenic ions are activated and the layer 2 is heated.
Highly doped n-type electrical characteristics are obtained in 3 '. This layer 23 '
Will be used later to form the gate of the device. Next, this layer 23 'is patterned using optical lithography and a dry etching method in a CF 4 gas atmosphere. Next, as shown in FIG. 25A, a silicon dioxide layer 42 having a thickness of 1000 nm is grown on the device, and a contact window 32D is formed in the oxide layers 42 and 26 by etching. Enables electrical connection. The contact window 32D is formed by optical lithography and wet etching using a 20: 1 BHF solution. As part of this process,
A contact window 32G is formed for the gate 23 '.

【0103】図25(b)に示すように、スパッタリン
グにより金属層28を形成して、ゲートおよびドレイン
への電気接続を行う。この層28は、100nm厚のチ
タンの初期層と、従来のスパッタリング技術で生成され
た1000nmのアルミニウム/シリコン(1%)の被
覆層とからなる。図25(b)に示すように、層28に
電気絶縁空間43をエッチング形成することにより、第
1および第2のコンタクト部28D,28Gを設ける。
これらは、それぞれコンタクト窓32D,32Gを介し
てゲート領域およびドレイン領域への接続をもたらす。
As shown in FIG. 25B, a metal layer 28 is formed by sputtering, and electrical connection to the gate and drain is made. This layer 28 comprises an initial layer of 100 nm thick titanium and a 1000 nm layer of aluminum / silicon (1%) produced by conventional sputtering techniques. As shown in FIG. 25B, the first and second contact portions 28D and 28G are provided by etching the electrically insulating space 43 in the layer 28.
These provide connections to the gate and drain regions via contact windows 32D and 32G, respectively.

【0104】図26に、出来上がったデバイスの概略平
面図を示す。図26から、コンタクト窓32D,32G
を形成した図25(a)で説明した処理工程は、二酸化
シリコン被覆層41にコンタクト窓32Sを形成するの
にも利用でき、これによって、ソースを構成する大量ド
ープn型領域5への外部電気接続が行える。さらに、絶
縁ギャップ43を形成する際、図4に示した絶縁ギャッ
プ44も形成することにより、スパッタされた金属コン
タクト層28の部分28Sを定める。これにより、コン
タクト窓32Sを介してソース5に対する電気接続が行
える。
FIG. 26 shows a schematic plan view of the completed device. 26, the contact windows 32D and 32G are shown.
The process step described with reference to FIG. 25A can also be used to form the contact window 32S in the silicon dioxide coating layer 41, and thereby, the external electric current to the heavily doped n-type region 5 constituting the source can be used. Connection can be made. Further, when forming the insulating gap 43, the insulating gap 44 shown in FIG. 4 is also formed to define the portion 28S of the sputtered metal contact layer 28. As a result, electrical connection to the source 5 can be made via the contact window 32S.

【0105】多層構造3の層6,7の成長の途中および
その後、ウェハ全体を数時間900〜100°Cに加熱
する。しかし、出来上がりのデバイスが首尾良く動作す
ることを保証するために、大量ドープされたソース領域
5およびドレイン領域2からドーパントを層構造3のシ
リコン層62に移動させてはならない。本実施例では、
窒化シリコンの最上および最下層7は層2,5内のn+
ドーパントに対する障壁として機能し、加熱処理中に、
それらが多層構造3の中央領域へ拡散するのを防止す
る。図4は、トランジスタのアクティブ領域をX×Yと
して示す。典型的にはX=50nm、Y=200nmで
ある。
During and after the growth of the layers 6 and 7 of the multilayer structure 3, the whole wafer is heated to 900 to 100 ° C. for several hours. However, in order to ensure that the device of the finished works successfully, must move the dopant in the silicon layer 6 2 of the layer structure 3 from a large doped source and drain regions 5 and 2. In this embodiment,
The top and bottom layers 7 of silicon nitride are the n +
Acts as a barrier to dopants, during heat treatment,
They are prevented from diffusing into the central region of the multilayer structure 3. FIG. 4 shows the active area of the transistor as X × Y. Typically, X = 50 nm and Y = 200 nm.

【0106】再度図25(b)を参照するに、エッチン
グされた多層構造3は、ドレイン領域2から直立したピ
ラー20を形成することが分かる。領域23’は、ピラ
ー20の側壁21に沿って拡がったサイドゲートとして
機能する。コンタクト領域28Gに対してゲート電圧を
印加すると、制御電界がサイドゲートからその側壁22
を介して層構造3に印加され、これによって、前述した
方法で、そのトンネル障壁構造が制御される。この制御
電界は実質的に側壁22を介してのみ印加され、ピラー
構造の頂部表面21からは有為な電界は印加されない。
領域23’はピラーをまたぐが、この領域は、ソース領
域5とこれを覆う絶縁層41の厚さ分だけピラー頂部表
面21から離れており、よって、当該頂部表面からは有
為な電界は印加されない。この説明した構造は次の利点
を有する。すなわち、ゲート電界が側壁から印加される
ので、ゲートとドレインとの間の高い電界領域が実質的
に低減され、これによって、トランジスタのソース・ド
レイン特性が改善される。
Referring again to FIG. 25B, it can be seen that the etched multilayer structure 3 forms a pillar 20 standing upright from the drain region 2. The region 23 'functions as a side gate extending along the side wall 21 of the pillar 20. When a gate voltage is applied to the contact region 28G, a control electric field is applied from the side gate to the side wall 22G.
To the layer structure 3, whereby the tunnel barrier structure is controlled in the manner described above. This control electric field is applied substantially only via the side walls 22 and no significant electric field is applied from the top surface 21 of the pillar structure.
The region 23 'straddles the pillar, but this region is separated from the pillar top surface 21 by the thickness of the source region 5 and the insulating layer 41 covering the source region 5, so that a significant electric field cannot be applied from the top surface. Not done. This described structure has the following advantages. That is, since the gate electric field is applied from the sidewall, the high electric field region between the gate and the drain is substantially reduced, thereby improving the source-drain characteristics of the transistor.

【0107】図24、図25、図26を参照して説明し
たデバイスは他の多層構造3を用いることにより、例え
ば図10〜図21を参照して前述した方法で、ピラー構
造20を形成してもよい。
The device described with reference to FIGS. 24, 25, and 26 uses another multilayer structure 3 to form a pillar structure 20 by the method described above with reference to FIGS. You may.

【0108】さらに、図24、図25を参照して説明し
たサイドゲート構造は、トランジスタでなくメモリデバ
イスにも利用できることが理解されよう。メモリデバイ
スでは、ドレイン領域2はポリシリコンまたは同様の導
電メモリノード10によって置き換えられ、前述した領
域17,18に対応するソースおよびドレイン領域がデ
バイス基板に形成される。
Further, it will be understood that the side gate structure described with reference to FIGS. 24 and 25 can be used not only for a transistor but also for a memory device. In a memory device, the drain region 2 is replaced by a polysilicon or similar conductive memory node 10, and source and drain regions corresponding to the regions 17, 18 described above are formed in the device substrate.

【0109】前述した構造において、電子が主としてピ
ラーの表面領域を伝導するように設計することができ
る。この構成では、動作がMOSトランジスタに類似し
たものになり、ピラーの横寸法による影響をあまり受け
なくなる。電子がピラーの表面領域および中心領域の両
方を伝導するように設計することも可能である(特に、
横寸法の小さいピラーにおいて)。
In the structure described above, it can be designed that electrons mainly conduct in the surface area of the pillar. In this configuration, the operation is similar to a MOS transistor, and is less affected by the lateral dimensions of the pillar. It is also possible to design the electrons to conduct in both the surface area and the central area of the pillar (in particular,
On pillars with small lateral dimensions).

【0110】前述した構造は、平面図である図27およ
び図27のIII−III'線での断面図である図28に示す
ように、横方向に配列することができる。ゲート電極1
1Gは多重トンネル接合内に電界を誘起し、これによ
り、ソースとドレインとの間の電子移動を制御する。こ
のゲートは、ソースおよびドレインコンタクト領域と重
複していない。この構造においては、ラテラルパターン
化(lateral patterning)によりゲート領域を設計でき、
製造プロセスを簡略化できる。
The above-described structures can be arranged in the horizontal direction as shown in FIG. 27 which is a plan view and FIG. 28 which is a cross-sectional view taken along the line III-III 'of FIG. Gate electrode 1
1G induces an electric field in the multi-tunnel junction, thereby controlling electron transfer between the source and the drain. This gate does not overlap with the source and drain contact regions. In this structure, the gate region can be designed by lateral patterning,
The manufacturing process can be simplified.

【0111】このデバイスの製造方法を、以下、図28
を参照して詳細に説明する。開始材料はシリコンウェハ
25からなり、これを1000°Cで熱酸化することに
より、600nmの厚さのSiO2の層1を形成する。
これは絶縁基板として機能する。次に、SiO2層1上
に、ドレインの生成に用いられる層2を形成する。この
層2は、LPCVDにより成長させた100nmの厚さ
のポリシリコンからなる。この層の表面上に、10nm
のオーダーの厚さの薄い二酸化シリコンを成長させる。
次に、層2に対して砒素イオンを打ち込むことにより、
+ドープ導電層を形成する。この層はドレインとして
用いることができる。砒素イオンは、当該酸化物層(図
示せず)に対して、25KeVのオーダーのエネルギー
で、かつ3×1015cm-2の照射量で打ち込む。10n
mの酸化物およびシリコン層2は光学リソグラフィとド
ライエッチングとによりパターン化する。ついで、厚さ
60nmの酸化シリコン層51を成長させ、この酸化物
層51および10nm酸化物にコンタクト窓55をエッ
チング形成することにより、ドレイン層2に対する電気
接続を可能にする。このコンタクト窓55は、光学リソ
グラフィと、20:1BHF溶液を用いたウェットエッ
チングとにより形成する。
The method of manufacturing this device is described below with reference to FIG.
This will be described in detail with reference to FIG. The starting material consists of a silicon wafer 25, which is thermally oxidized at 1000 ° C. to form a 600 nm thick SiO 2 layer 1.
This functions as an insulating substrate. Next, a layer 2 used for generating a drain is formed on the SiO 2 layer 1. This layer 2 is made of 100 nm thick polysilicon grown by LPCVD. 10 nm on the surface of this layer
A thin silicon dioxide layer of the order of thickness is grown.
Next, by implanting arsenic ions into layer 2,
An n + doped conductive layer is formed. This layer can be used as a drain. Arsenic ions are implanted into the oxide layer (not shown) with an energy on the order of 25 KeV and a dose of 3 × 10 15 cm −2 . 10n
The oxide of m and the silicon layer 2 are patterned by optical lithography and dry etching. Then, a silicon oxide layer 51 having a thickness of 60 nm is grown, and a contact window 55 is formed by etching the oxide layer 51 and the 10 nm oxide, thereby enabling an electrical connection to the drain layer 2. The contact window 55 is formed by optical lithography and wet etching using a 20: 1 BHF solution.

【0112】その後、前述したと同じ方法で、シリコン
層および窒化シリコン層の積層体を成長させることによ
り、多重トンネル接合をもたらす多層構造3を形成す
る。この多層構造3を光学リソグラフィとドライエッチ
ングとによりパターン化する。
Thereafter, a multilayer structure 3 providing a multi-tunnel junction is formed by growing a laminate of a silicon layer and a silicon nitride layer in the same manner as described above. This multilayer structure 3 is patterned by optical lithography and dry etching.

【0113】次に、60nm厚の酸化シリコン層52を
成長させ、この酸化物層52にコンタクト窓56をエッ
チング形成することにより、電気的接続を可能とする。
コンタクト窓56は、光学リソグラフィと、20:1B
HF溶液を用いたウェットエッチングとにより形成す
る。
Next, a 60 nm-thick silicon oxide layer 52 is grown, and a contact window 56 is formed in the oxide layer 52 by etching to enable electrical connection.
The contact window 56 is made by optical lithography and 20: 1B
It is formed by wet etching using an HF solution.

【0114】次に、ソースを設けるために用いる層5を
形成する。この層5は、LPCVDにより成長させた1
00nm厚のポリシリコンからなる。層5の表面上に、
10nmのオーダーの厚さの薄い二酸化シリコン層を成
長させる。次に、層5に対して砒素イオンを打ち込むこ
とにより、n+ドープ導電層を形成する。この層はソー
スとして用いることができる。砒素イオンは、当該酸化
物層(図示せず)に対して、25KeVのオーダーのエ
ネルギーで、かつ3×1015cm-2の照射量で打ち込
む。ついで、10nm酸化物およびシリコン層5を、光
学リソグラフィとドライエッチングとによりパターン化
する。
Next, a layer 5 used for providing a source is formed. This layer 5 is a layer 1 grown by LPCVD.
It is made of 00 nm thick polysilicon. On the surface of layer 5,
Grow a thin silicon dioxide layer on the order of 10 nm thick. Next, an n + -doped conductive layer is formed by implanting arsenic ions into layer 5. This layer can be used as a source. Arsenic ions are implanted into the oxide layer (not shown) with an energy on the order of 25 KeV and a dose of 3 × 10 15 cm −2 . Next, the 10 nm oxide and silicon layer 5 is patterned by optical lithography and dry etching.

【0115】厚さ60nmの酸化シリコン層53を成長
させ、酸化物層53,52にゲート窓54をエッチング
形成する。このゲート窓54は、光学リソグラフィと、
20:1BHF溶液を用いたウェットエッチングとによ
り形成する。ついで、10nmの二酸化シリコン層54
を熱酸化により形成する。
A silicon oxide layer 53 having a thickness of 60 nm is grown, and a gate window 54 is formed in the oxide layers 53 and 52 by etching. This gate window 54 is formed by optical lithography,
It is formed by wet etching using a 20: 1 BHF solution. Then, a 10 nm silicon dioxide layer 54
Is formed by thermal oxidation.

【0116】次に、酸化物層51,52,53にコンタ
クト窓32Dをエッチング形成することにより、ドレイ
ン層2に対する電気接続を可能とする。このコンタクト
窓32Dは、光学リソグラフィと、20:1BHF溶液
を用いたウェットエッチングとにより形成する。同時
に、コンタクト窓32Sをソース5に対して形成する。
Next, an electrical connection to the drain layer 2 is enabled by etching the contact window 32D in the oxide layers 51, 52, 53. The contact window 32D is formed by optical lithography and wet etching using a 20: 1 BHF solution. At the same time, a contact window 32S is formed for the source 5.

【0117】次に、図25(b)で説明したと同じ方法
で、金属化およびパターン化を行うことにより、図2
7、図28に示した構造を完成する。
Next, metallization and patterning are performed in the same manner as described with reference to FIG.
7. The structure shown in FIG. 28 is completed.

【0118】図27、図28を参照して説明したデバイ
スは、他の多層構造3を、例えば図10〜図21を参照
して前述したように、利用してもよい。また、ドレイン
2をメモリノードにより置換することにより、トランジ
スタではなくメモリデバイスを設けてもよい。
The device described with reference to FIGS. 27 and 28 may utilize another multilayer structure 3, for example, as described above with reference to FIGS. Further, a memory device may be provided instead of a transistor by replacing the drain 2 with a memory node.

【0119】本発明の範囲内における多くの他の変形・
変更は、当業者には明らかであろう。例えば、上記実施
例では、多層構造3の絶縁層を設けるために窒化シリコ
ンを用いたが、酸化シリコンや他の絶縁材料の膜を用い
ることも可能である。また、n型領域およびp型領域は
相互に交換することができ、使用するドーパントの型を
変えることもできる。例えば、p型のゲートとともに、
n型のソースおよびドレイン(またはメモリノード)を
使用することが可能である。
Many other variants within the scope of the present invention
Changes will be apparent to those skilled in the art. For example, in the above embodiment, silicon nitride is used to provide the insulating layer of the multilayer structure 3, but it is also possible to use a film of silicon oxide or another insulating material. Further, the n-type region and the p-type region can be exchanged with each other, and the type of the dopant used can be changed. For example, with a p-type gate,
It is possible to use n-type sources and drains (or memory nodes).

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

【図1】従来のトランジスタ構造の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a conventional transistor structure.

【図2】(a)(b)は、異なるバイアス条件下での、
図1に示したトランジスタのエネルギー図である。
2 (a) and 2 (b) show different bias conditions.
FIG. 2 is an energy diagram of the transistor illustrated in FIG. 1.

【図3】従来のメモリデバイスの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional memory device.

【図4】(a)は本発明によるトランジスタデバイスの
概略断面図であり、(b)は本発明によるメモリデバイ
スの概略断面図である。
4A is a schematic sectional view of a transistor device according to the present invention, and FIG. 4B is a schematic sectional view of a memory device according to the present invention.

【図5】図4(a)(b)に示したデバイスのエネルギ
ーバンド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram of the device shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).

【図6】(a)は本発明によるトランジスタデバイスの
概略平面図であり、(b)は(a)のトランジスタデバ
イスの線I−I’に沿った概略断面図である。
FIG. 6 (a) is a schematic plan view of a transistor device according to the present invention, and FIG. 6 (b) is a schematic cross-sectional view of the transistor device of FIG.

【図7】(a)(b)は図6に示したトランジスタデバ
イスを製造するための製造工程を示す図である。
FIGS. 7 (a) and 7 (b) are views showing a manufacturing process for manufacturing the transistor device shown in FIG. 6;

【図8】(a)〜(c)は図6に示した製造工程に続く
製造工程を示す図である。
FIGS. 8A to 8C are diagrams showing a manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG.

【図9】(a)〜(c)は図8に示した製造工程に続く
製造工程を示す図である。
FIGS. 9A to 9C are views showing a manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG. 8;

【図10】本発明によるデバイスにおいて使用される、
変形されたピラー構造を示す図である。
FIG. 10 used in a device according to the invention;
It is a figure which shows the pillar structure which was deformed.

【図11】図10に示したデバイスのエネルギーバンド
図である。
11 is an energy band diagram of the device shown in FIG.

【図12】本発明によるデバイスに使用するための他の
ピラー構造を示す図である。
FIG. 12 illustrates another pillar structure for use in a device according to the present invention.

【図13】図11に示したデバイスのエネルギーバンド
図である。
FIG. 13 is an energy band diagram of the device shown in FIG.

【図14】本発明によるデバイスに使用するための他の
ピラー構造を示す図である。
FIG. 14 illustrates another pillar structure for use in a device according to the present invention.

【図15】図14に示したデバイスのエネルギーバンド
図である。
15 is an energy band diagram of the device shown in FIG.

【図16】本発明によるデバイスに使用するためのピラ
ーの他の実施例を示す図である。
FIG. 16 illustrates another embodiment of a pillar for use in a device according to the present invention.

【図17】図16に示したデバイスのエネルギーバンド
図である。
17 is an energy band diagram of the device shown in FIG.

【図18】本発明によるデバイスに使用するための別の
ピラー構造を示す図である。
FIG. 18 illustrates another pillar structure for use in a device according to the present invention.

【図19】接合ダイオードサイドゲートを内蔵した、本
発明によるデバイスに使用するピラー構造のさらに他の
実施例を示す図である。
FIG. 19 shows yet another embodiment of a pillar structure incorporating a junction diode side gate for use in a device according to the present invention.

【図20】図19に示したデバイスのエネルギーバンド
図である。
20 is an energy band diagram of the device shown in FIG.

【図21】ショットキゲートを用いるサイドゲート構造
の説明図である。
FIG. 21 is an explanatory diagram of a side gate structure using a Schottky gate.

【図22】図21のデバイスのエネルギーバンド図であ
る。
FIG. 22 is an energy band diagram of the device of FIG. 21.

【図23】本発明によるトランジスタデバイスの他の実
施例を製造するための処理工程図である。
FIG. 23 is a process chart for manufacturing another embodiment of the transistor device according to the present invention.

【図24】図23に続く処理工程図である。FIG. 24 is a processing step diagram following FIG. 23;

【図25】図24に続く処理工程図である。FIG. 25 is a processing step diagram following FIG. 24;

【図26】図23〜図25により製造されたトランジス
タデバイスの平面図である(図25(b)はラインII−
II'での断面図である)。
FIG. 26 is a plan view of the transistor device manufactured according to FIGS. 23 to 25 (FIG. 25 (b) is a line II-
II 'is a sectional view).

【図27】本発明によるラテラルトランジスタ構造の平
面図である。
FIG. 27 is a plan view of a lateral transistor structure according to the present invention.

【図28】図27のトランジスタの、ラインIII−III’
に沿った断面図である。
FIG. 28 shows a line III-III ′ of the transistor in FIG.
FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…基板、2…ドレイン領域、3…層構造、4…ソース
領域、5…ドレイン領域、6…ポリシリコン層、7…絶
縁層、8…障壁、10…メモリノード、11…制御電
極、20…ピラー構造、23…サイドゲート、21…頂
部表面、22…側壁。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Drain region, 3 ... Layer structure, 4 ... Source region, 5 ... Drain region, 6 ... Polysilicon layer, 7 ... Insulating layer, 8 ... Barrier, 10 ... Memory node, 11 ... Control electrode, 20 ... pillar structure, 23 ... side gate, 21 ... top surface, 22 ... side wall.

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────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成9年11月5日[Submission date] November 5, 1997

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0014[Correction target item name] 0014

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0014】本デバイスは、トランジスタまたはメモリ
デバイスとして構成することができる。よって、前記制
御素子はソース領域およびドレイン領域であってよく、
または、それらの一方はメモリノードであってもよい。
The device can be configured as a transistor or a memory device. Therefore, the control element may be a source region and a drain region,
Alternatively, one of them may be a memory node .

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0024[Correction target item name] 0024

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0024】メモリノード10は、従来のドーピング技
術により基板内に打ち込まれたソース17およびドレイ
ン18の間の電流フローを制御するための電界効果(fie
ld effect)ゲートとして機能する。伝導経路19はソー
ス17とドレイン18の間に延び、その伝導度は、メモ
リノード10に蓄積された電荷のレベルに依存して変化
する。制御電極11とメモリノード10の間に多重トン
ネル接合を設けるために多層構造3を用いることは、ノ
ード10からの漏れ電流を極端に小さくする。しかし、
ゲート電極15は制御電極11の下で効果的にポテンシ
ャル障壁構造を上げたり下げたりせず、ゲート領域とメ
モリノード10との間の領域の電界を上げる。
Memory node 10 has a field effect (fie) for controlling current flow between source 17 and drain 18 implanted in the substrate by conventional doping techniques.
ld effect) acts as a gate. Conduction path 19 extends between source 17 and drain 18, the conductivity of which varies depending on the level of charge stored on memory node 10. Using the multilayer structure 3 to provide a multiple tunnel junction between the control electrode 11 and the memory node 10 significantly reduces leakage current from the node 10. But,
The gate electrode 15 does not effectively raise or lower the potential barrier structure below the control electrode 11, but increases the electric field in the region between the gate region and the memory node 10.

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0077[Correction target item name] 0077

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0077】さらに詳細には、この工程は、まず、クラ
イオポンプで3×10-7Torrの圧力まで空気を排出
した成長室内で行った。次に、アルゴンガスを導入し、
前述したスパッタリングのための電力を印加した。7分
後に、Geで過飽和したターゲット上にSiO2ガラス
が形成された。ついで、このサンプルをアルゴンガス中
で30分から4時間、300〜800°Cでアニーリン
グした。その結果、Geのナノメータ・スケールの晶子
がガラス内に分離された。Geチップの個数、アニーリ
ング温度およびアニーリング時間は、グラス内に形成さ
れたGeのナノ晶子の密度およびサイズを制御するよう
に選定した。下の表は幾つかの例である。
More specifically, this step was first performed in a growth chamber in which air was discharged to a pressure of 3 × 10 −7 Torr by a cryopump. Next, argon gas is introduced,
The power for the above-described sputtering was applied. After 7 minutes, a SiO 2 glass was formed on the target supersaturated with Ge. The sample was then annealed at 300-800 ° C. for 30 minutes to 4 hours in argon gas. As a result, nanometer-scale crystallites of Ge were separated in the glass. The number of Ge chips, annealing temperature and annealing time were selected to control the density and size of Ge nanocrystallites formed in the glass . The table below is some examples.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0090[Correction target item name] 0090

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0090】図21のピラー構造は、トランジスタ構造
にも利用できる。すなわち通常ノーマリオンのトランジ
スタが得られる。
The pillar structure shown in FIG . 21 can also be used for a transistor structure. That is, a normally-on transistor is obtained.

【手続補正5】[Procedure amendment 5]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0104[Correction target item name] 0104

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0104】図26に、出来上がったデバイスの概略平
面図を示す。図26から、コンタクト窓32D,32G
を形成した図25(a)で説明した処理工程は、二酸化
シリコン被覆層41にコンタクト窓32Sを形成するの
にも利用でき、これによって、ソースを構成する大量ド
ープn型領域5への外部電気接続が行える。さらに、絶
縁ギャップ43を形成する際、図26に示した絶縁ギャ
ップ44も形成することにより、スパッタされた金属コ
ンタクト層28の部分28Sを定める。これにより、コ
ンタクト窓32Sを介してソース5に対する電気接続が
行える。
FIG. 26 shows a schematic plan view of the completed device. 26, the contact windows 32D and 32G are shown.
The process step described with reference to FIG. 25A can also be used to form the contact window 32S in the silicon dioxide coating layer 41, and thereby, the external electric current to the heavily doped n-type region 5 constituting the source can be used. Connection can be made. Further, when forming the insulating gap 43, the insulating gap 44 shown in FIG. 26 is also formed to define the portion 28S of the sputtered metal contact layer 28. As a result, electrical connection to the source 5 can be made via the contact window 32S.

【手続補正6】[Procedure amendment 6]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0110[Correction target item name] 0110

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0110】前述した構造は、平面図である図27およ
び図27のIII−III'線での断面図である図28に示す
ように、横方向に配列することができる。ゲート電極
8Gは多重トンネル接合内に電界を誘起し、これによ
り、ソースとドレインとの間の電子移動を制御する。こ
のゲートは、ソースおよびドレインコンタクト領域と重
複していない。この構造においては、ラテラルパターン
化(lateral patterning)によりゲート領域を設計でき、
製造プロセスを簡略化できる。
The above-described structures can be arranged in the horizontal direction as shown in FIG. 27 which is a plan view and FIG. 28 which is a cross-sectional view taken along the line III-III 'of FIG. Gate electrode 2
8G induces an electric field in the multiple tunnel junction, thereby controlling electron transfer between source and drain. This gate does not overlap with the source and drain contact regions. In this structure, the gate region can be designed by lateral patterning,
The manufacturing process can be simplified.

【手続補正7】[Procedure amendment 7]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図5[Correction target item name] Fig. 5

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図25】 ─────────────────────────────────────────────────────
FIG. 25 ────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成10年2月6日[Submission date] February 6, 1998

【手続補正7】[Procedure amendment 7]

【補正対象書類名】図面[Document name to be amended] Drawing

【補正対象項目名】図25[Correction target item name] Fig. 25

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【図25】 FIG. 25

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 29/786 H01L 29/78 622 21/336 29/80 V 29/80 (72)発明者 水田 博 イギリス国、ケンブリッジ シー・ビー・ 3 0 エイチ・イー、マディングレー ロード(番地なし) キャベンディッシュ ラボラトリー、ヒタチ ケンブリッジ ラボラトリー、ヒタチ ヨーロッパ リミ テッド内 (72)発明者 嶋田 壽一 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 角南 英夫 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 伊藤 清男 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 手嶋 達也 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 峰 利之 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification symbol FI H01L 29/786 H01L 29/78 622 21/336 29/80 V 29/80 (72) Inventor Hiroshi Mizuta Cambridge CB3, UK 0 H.E., Madingley Road (No address) Cavendish Laboratory, Hitachi Cambridge Laboratory, Hitachi Europe Limited (72) Inventor Juichi Shimada 1-280 Higashi-Koigabo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. 72) Inventor Hideo Sunami 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory (72) Inventor Kiyoo Ito 1-1280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory (72) Tatsuya Teshima 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji City, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Toshiyuki Mine Higashi Koike, Kokubunji City, Tokyo 1-280 Kubo, Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (28)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】側壁と頂部表面とを有する直立ピラー構造
と、このピラー構造の側壁に沿ったサイドゲート構造と
を備え、前記直立ピラー構造は、比較的導電性の材料の
領域と非導電性の材料の領域とを有し、第1の状態で
は、ピラー構造を通して電荷キャリアフローが発生可能
であり、第2の状態では、それらの領域が、ピラー構造
を通る電荷キャリアフローを阻止するトンネル障壁構造
を呈し、前記サイドゲート構造は、側壁を介してピラー
構造に電界を印加することによりその電気伝導度を制御
するよう構成された、制御可能な伝導デバイス。
An upright pillar structure having sidewalls and a top surface, and a side gate structure along a sidewall of the pillar structure, wherein the upright pillar structure has a region of relatively conductive material and a non-conductive material. In a first state, charge carrier flow can occur through the pillar structure, and in a second state, the areas can be tunnel barriers that block charge carrier flow through the pillar structure. A controllable conductive device, wherein the device has a structure, wherein the side gate structure is configured to control its electrical conductivity by applying an electric field through a sidewall to the pillar structure.
【請求項2】前記領域は、比較的低い障壁高さを有する
寸法的に比較的広い障壁成分と、比較的高い障壁高さを
有する少なくとも1つの比較的狭い障壁成分とにより構
成されるエネルギーバンドプロファイルをもたらす請求
項1記載のデバイス。
2. An energy band comprising a relatively dimensionally wide barrier component having a relatively low barrier height and at least one relatively narrow barrier component having a relatively high barrier height. The device of claim 1 that results in a profile.
【請求項3】比較的高い障壁高さの前記エネルギーバン
ドプロファイルの成分は3nmまたはそれ以下の素子に
より得られる請求項2記載のデバイス。
3. The device according to claim 2, wherein the component of the energy band profile with a relatively high barrier height is obtained by an element of 3 nm or less.
【請求項4】前記トンネル障壁構造のエネルギーバンド
プロファイルは前記比較的高い障壁高さ成分を複数個有
する請求項2または3記載のデバイス。
4. The device according to claim 2, wherein the energy band profile of the tunnel barrier structure has a plurality of the relatively high barrier height components.
【請求項5】前記構造は、比較的導電性の材料と絶縁性
の材料の交互の層を有し、これらの層は集合として前記
エネルギーバンドプロファイルの前記比較的低い障壁高
さ成分をもたらし、個々の絶縁性の層が前記比較的高い
障壁成分をもたらす請求項2、3または4記載のデバイ
ス。
5. The structure comprises alternating layers of relatively conductive and insulating materials, which collectively provide the relatively low barrier height component of the energy band profile; 5. The device of claim 2, 3 or 4, wherein individual insulating layers provide said relatively high barrier component.
【請求項6】前記交互の層は、それぞれ、ポリシリコ
ン、および、窒化シリコンまたは酸化シリコンである請
求項5記載のデバイス。
6. The device of claim 5, wherein said alternating layers are each polysilicon and silicon nitride or silicon oxide.
【請求項7】前記交互の層内に大量にドープされた障壁
層を有する請求項6記載のデバイス。
7. The device of claim 6, including a heavily doped barrier layer in said alternating layers.
【請求項8】前記導電性層は、各々、10nmより小さ
い厚さであり、前記絶縁層は1nmのオーダーである請
求項5、6または7記載のデバイス。
8. The device of claim 5, wherein the conductive layers are each less than 10 nm thick and the insulating layers are on the order of 1 nm.
【請求項9】前記構造は導電性材料と半導体材料の交互
の層を有する請求項5記載のデバイス。
9. The device of claim 5, wherein said structure comprises alternating layers of conductive and semiconductor materials.
【請求項10】前記ピラー構造は複数の伝導島を有する
先行する請求項のいずれかに記載のデバイス。
10. The device according to claim 1, wherein said pillar structure has a plurality of conductive islands.
【請求項11】前記島は絶縁マトリクス内に分散された
請求項10記載のデバイス。
11. The device of claim 10, wherein said islands are dispersed in an insulating matrix.
【請求項12】前記島は3〜10nmの直径を有する請
求項10または11に記載のデバイス。
12. The device according to claim 10, wherein the island has a diameter of 3 to 10 nm.
【請求項13】前記島は半導体材料のナノ結晶を有する
請求項10〜12のいずれか1つに記載のデバイス。
13. The device according to claim 10, wherein the islands comprise nanocrystals of a semiconductor material.
【請求項14】前記島は金属により構成される請求項1
0〜12のいずれか1つに記載のデバイス。
14. An island according to claim 1, wherein said island is made of metal.
The device according to any one of 0 to 12.
【請求項15】トランジスタとして動作する先行する請
求項のいずれかに記載のデバイスであって、前記ピラー
構造を通るソース・ドレイン電荷キャリアフロー経路を
設けるためのソース領域およびドレイン領域を有し、前
記サイドゲートが前記ソース・ドレイン電荷キャリアフ
ロー経路に沿った電荷キャリアフローを制御するよう動
作可能であるデバイス。
15. The device of any preceding claim, operative as a transistor, comprising a source region and a drain region for providing a source-drain charge carrier flow path through said pillar structure. A device wherein a side gate is operable to control charge carrier flow along said source / drain charge carrier flow path.
【請求項16】メモリとして動作可能な請求項1〜13
のいずれか1つに記載のデバイスであって、前記ピラー
構造を通る経路に沿って通過する電荷キャリアを受け取
るためのメモリノードを有し、前記ゲートは、当該ノー
ドに蓄積された電荷を制御するために、前記経路に沿っ
た電荷キャリアフローを制御するよう動作可能であるデ
バイス。
16. The memory according to claim 1, wherein said memory is operable as a memory.
Device according to any one of the preceding claims, comprising a memory node for receiving charge carriers passing along a path through the pillar structure, wherein the gate controls the charge stored at the node. Operable to control the flow of charge carriers along said path.
【請求項17】前記ノードに蓄積された電荷のレベルに
依存した伝導度をもつソース・ドレイン経路を有する請
求項16記載のデバイス。
17. The device of claim 16, comprising a source / drain path having a conductivity dependent on the level of charge stored at said node.
【請求項18】前記サイドゲート構造はショットキゲー
トを有する先行する請求項のいずれかに記載のデバイ
ス。
18. A device according to any preceding claim, wherein said side gate structure comprises a Schottky gate.
【請求項19】前記サイドゲートは接合ゲートを有する
先行する請求項のいずれかに記載のデバイス。
19. The device according to claim 1, wherein said side gate comprises a junction gate.
【請求項20】前記サイドゲートは前記側壁に沿って配
置されるが、前記頂部表面を被覆しない先行する請求項
のいずれかに記載のデバイス。
20. A device according to any preceding claim, wherein the side gate is disposed along the sidewall, but does not cover the top surface.
【請求項21】前記サイドゲートは、前記側壁に沿って
配置されるとともに前記頂部表面から離れて前記ピラー
構造をまたぐブリッジを形成する領域により構成され、
これによって、当該領域により前記ブリッジから前記ピ
ラー構造内に有為な制御静電界が印加されることのない
請求項1〜19のいずれか1つに記載のデバイス。
21. The side gate is constituted by a region arranged along the side wall and forming a bridge that is separated from the top surface and straddles the pillar structure.
20. The device according to any one of the preceding claims, whereby no significant control electrostatic field is applied from the bridge into the pillar structure by the region.
【請求項22】前記ピラー構造の頂部表面全体の上に広
がる制御電極を有する先行する請求項のいずれかに記載
のデバイス。
22. A device according to any preceding claim, having a control electrode extending over the entire top surface of the pillar structure.
【請求項23】比較的導電性の材料の領域と非導電性の
材料の領域とにより構成され、第1の状態では、ピラー
構造を通して電荷キャリアフローが発生可能であり、第
2の状態では、それらの領域が、ピラー構造を通る電荷
キャリアフローを阻止するトンネル障壁構造を呈する障
壁構造と、前記構造を通る経路に沿って通過する電荷キ
ャリアを受け取るためのメモリノードと、前記電荷キャ
リアを前記経路に供給して前記構造を通過させ前記ノー
ドに蓄積させる制御電極とを備え、前記非導電性材料の
領域は、それぞれ前記メモリノードおよび前記制御電極
に隣接する寸法的に比較的狭い複数の障壁成分と、該狭
い障壁成分の間に寸法的に比較的広い障壁成分を有する
エネルギーバンドプロファイルをもたらすよう構成さ
れ、これらの障壁成分が前記ノードに不揮発性電荷蓄積
をもたらすよう構成されたメモリデバイス。
23. A semiconductor device comprising a region of a relatively conductive material and a region of a non-conductive material, wherein a charge carrier flow can be generated through a pillar structure in a first state, and in a second state, A barrier structure in which the regions exhibit a tunnel barrier structure that blocks charge carrier flow through the pillar structure; a memory node for receiving charge carriers passing along a path through the structure; And a control electrode for supplying to the structure and passing through the structure to accumulate at the node, wherein the region of non-conductive material comprises a plurality of dimensionally relatively narrow barrier components adjacent to the memory node and the control electrode, respectively. And an energy band profile having a dimensionally relatively wide barrier component between the narrow barrier components. Memory devices but that is configured to provide non-volatile charge storage in the node.
【請求項24】前記ピラー構造に対してその側壁を介し
て静電界を印加するためのサイドゲートを有する請求項
23記載のデバイス。
24. The device according to claim 23, further comprising a side gate for applying an electrostatic field to the pillar structure through a side wall thereof.
【請求項25】基板(1)と、該基板上に横方向に離間
して配置された制御素子(2,5)と、前記制御素子に
電気的に接続されるとともにそれらの間に延びるチャン
ネル構造(3)と、ゲート領域(28G)とを備え、前
記チャンネル構造は、比較的導電性の材料の領域と非導
電性の材料の領域とにより構成され、第1の状態では、
当該構造を通して電荷キャリアフローが発生可能であ
り、第2の状態では、それらの領域が電荷キャリアフロ
ーを阻止するトンネル障壁構造を呈し、前記ゲート領域
は前記チャンネル構造内にその電気伝導度を制御する電
界を印加するよう構成され、前記チャンネル構造(3)
は、前記基板上で前記制御素子の一方の下に重なるとと
もに、前記制御素子の他方の上に重なる、制御可能な伝
導デバイス。
25. A substrate (1), control elements (2, 5) laterally spaced on the substrate, and channels electrically connected to and extending between the control elements. A structure (3) and a gate region (28G), wherein the channel structure is composed of a region of a relatively conductive material and a region of a non-conductive material;
Charge carrier flow can occur through the structure, and in a second state, the regions exhibit a tunnel barrier structure that blocks charge carrier flow, and the gate region controls its electrical conductivity within the channel structure. The channel structure (3) configured to apply an electric field;
A controllable conductive device overlying one of said control elements on said substrate and overlying the other of said control elements.
【請求項26】前記制御素子はソースおよびドレイン領
域(2,5)を構成する請求項25記載のデバイス。
26. The device according to claim 25, wherein the control element comprises source and drain regions (2, 5).
【請求項27】前記制御素子の一方はメモリノードを構
成する請求項25記載のデバイス。
27. The device of claim 25, wherein one of said control elements comprises a memory node.
【請求項28】前記ゲート領域は、前記チャンネル構造
を被覆し、前記制御素子の間に配置される請求項25記
載のデバイス。
28. The device of claim 25, wherein said gate region covers said channel structure and is located between said control elements.
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