DE69518821T2

DE69518821T2 - Coulomb-Blockade-Element und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69518821T2
Application number: DE69518821T
Authority: DE
Inventors: Akira Fujiwara; Masao Nagase; Yasuo Takahashi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2015-10-25
Also published as: EP0718894A3; DE69518821D1; EP0718894A2; US5604154A; EP1028472B1; EP1028472A2; US5665979A; EP1028472A3; DE69531367T2; EP0718894B1; DE69531367D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Element, das von dem Coulomb- Blockade-Phänomen Gebrauch macht und auf einem Silikonsubstrat gebildet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.[0001]
Das Coulomb-Blockade-Phänomen beim Elektronentunneln an einem schmalen bzw. kleinen Tunnelübergang ist ein Phänomen, bei dem das Tunneln eines Elektrons unterdrückt wird, wenn die freie Energie, basierend auf dem das Tunneln begleitenden Energieladen, steigt. Mit einem Coulomb-Blockade-Element, das von einem solchen Coulomb-Blockade- Phänomen Gebrauch macht, lassen sich Ströme und Ladungen, die in Einheiten von Elektronen aus dem Element ausfließen oder darin gespeichert werden, kontrollieren bzw. steuern. Aus diesem Grund ist der Energieverbrauch pro Element sehr gering. Zusätzlich ist die Fläche der Vorrichtung ebenfalls sehr klein. Dank dieser Eigenschaften läßt sich ein wesentlich höherer Integrationsgrad als die Integrationsgrenzen der bestehenden integrierten Schaltungen auf Silikonbasis erwarten. Als Grundstruktur dieses Elements ist ein Einzel-Elektrontransistor oder ein Einzel-Elektronspeicher vorgeschlagen worden.[0002]
Die meisten herkömmlichen Coulomb-Blockade-Elemente weisen einen Aufbau auf, bei dem die Elektronen auf eine kleine Metallinsel beschränkt werden, und zwar unter Verwendung einer kleinen Tunnelverbindung eines Metalls/Metalloxids oder einer Struktur, bei der ein an einem Heteroübergang eines III-V-Verbundhalbleiters gebildetes zweidimensionales Elektronengas in Form einer Insel beschränkt ist, wobei ein elektrisches Feld verwendet wird, das durch eine schmale Elektrode oder dergleichen auf dem Übergang gebildet wird.[0003]
Fig. 14 zeigt das herkömmliche Coulomb-Blockade-Element, beschrieben in "Single- Electron Charging and Periodic Conductance Resonances in GaAs Nanostructures", U. Meirav et al., Phys. Rev. Lett., Vol. 65, No. 6, pp. 771-774, 1990. Fig. 15 zeigt eine Ersatzschaltung dieses Coulomb-Blockade-Elements. Es bezeichnet Bezugszeichen 71 ein Sub strat, das aus GaAs vom N-typ besteht; 72 eine AlGaAs-Schicht; 73 eine GaAs-Schicht; und 74 eine auf der GaAs-Schicht 73 gebildete Elektrode.[0004]
Bei einem solchen Coulomb-Blockade-Element wird ein zweidimensionales Elektronengas an der Heteroschnittstelle zwischen der AlGaAs-Schicht 72 und der GaAs-Schicht 73 gebildet. Es werden auf der Elektrode 74 zur Bildung von Potentialbarrieren/-sperren Einschnürungen 75 gebildet, die in horizontaler Richtung zusammengezogen sind. Ein Bereich 76 zwischen diesen Barrieren bzw. Sperren wird zur Beschränkung der Ladungen zu einer leitenden Insel.[0005]
Die Potentialbarriere zwischen der leitenden Insel 76 und einer Source-Elektrode 77 dient als Tunnelkapazität Cs. Die Potentialbarriere zwischen der leitenden Insel 76 und einer Drain-Elektrode 78 dient als Tunnelkapazität Cd. Im Ergebnis wird ein Element gebildet, das eine Ersatzschaltung zu der in Fig. 15 gezeigten aufweist.[0006]
Einer der wichtigsten Gesichtspunkte beim Umsetzen eines solchen Coulomb- Blockade-Elements für die praktische Verwendung ist die Betriebstemperatur. Um das Coulomb-Blockade-Element bei einer praktischen Temperatur betreiben zu können, muß im nm-Maßstab eine leitende Insel gebildet werden, die als Elektronenreservoir, das der Kern des Elements ist, dient, und es muß eine Tunnelbarriere mit einer sehr kleinen Kapazität von einigen aF (1 aF = 10&supmin;¹&sup8; F) gebildet werden. Der Grund hierfür ist, daß die Ladungsenergie eines einzelnen Elektrons bei Zunahme der Größen dieser Abschnitte in thermischer Energie untergeht; man kann kein Coulomb-Blockade-Phänomen beobachten.[0007]
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist, wie solche recht kleinen Strukturen bei guter Steuerbarkeit herzustellen und anzuordnen sind. Um eine neue Funktion durch Kuppeln von Coulomb-Blockade-Elementen zu realisieren, ist insbesondere eine Herstellungstechnik mit guter Kontrolle erforderlich.[0008]
Bei dem in Fig. 31 gezeigten Coulomb-Blockade-Element muß die Breite (in seitlicher/lateraler Richtung in Fig. 14) jeder Einschnürung 75, an der der Spalt in der Elektrode 74 am kleinsten ist, genügend kleiner als die Breite der leitenden Insel 76 sein. Aus diesem Grund wird, wenn die Einschnürung 75 durch Elektronenstrahl-Lithographie hergestellt wer den soll, die Größe der Insel 76 unvermeidlich bedeutend größer als die durch die Lithographiegrenzen bestimmten minimalen Abmessungen.[0009]
Bei einer Metall verwendenden Coulomb-Blockade ist es, da es keine wirkungsvolle Arbeitstechnik zum Bilden einer Metallinsel gibt, schwierig, eine kleine Metallinsel mit ausreichender Wiederholbarkeit auszubilden.[0010]
Daher kann jedes der Elemente mit obiger Struktur nur bei sehr niedrigen Temperaturen von 1 K oder weniger arbeiten.[0011]
Ein Verfahren zur Bildung einer leitenden Insel unter Verwendung einer Struktur, die aus dünnem polykristallinem Material hergestellt ist, ist als wirksames Mittel zum Erhalten einer niedrigen Kapazität bekannt (K. Yano et al., "Room-Temperature Single-Electron Memory", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 41, p. 1628, 1994). Bei diesem Verfahren können jedoch Position und Größe einer leitenden Insel nicht beliebig kontrolliert werden, weil durch eine polykristalline Struktur begründete Fluktuationen verwendet werden.[0012]
Wie vorstehend beschrieben, ist bei den herkömmlichen Verfahren eine Technik der Herstellung einer sehr kleinen leitenden Insel sowie eine Technik zur Positionierung der leitenden Insel bei guter Wiederholbarkeit nicht eingeführt. Diese Techniken sind aber unabdingbar, um die praktische Verwendung eines Coulomb-Blockade-Elements zu realisieren. Deshalb ist es nicht möglich, ein Coulomb-Blockade-Element bei guter Kontrollierbarkeit und guter Wiederholbarkeit zu realisieren, das bei Raumtemperatur arbeiten würde.[0013]

Zusammenfassung der Erfindung

Daher ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Coulomb-Blockade-Element zu schaffen, das durch einen einfachen Herstellungsprozeß hergestellt werden und bei hohen Temperaturen arbeiten kann, sowie ein Verfahren zu Herstellung desselben.[0014]
Um das vorstehende Ziel zu erreichen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Coulomb-Blockade-Element vorgesehen, das umfaßt ein Substrat, eine Isolierschicht auf dem Substrat und eine Silikonlage auf der Isolierschicht, wobei die Silikonlage einen schmalen Drahtabschnitt und erste und zweite Elektrodenabschnitte umfaßt, die mit zwei Enden des engen/schmalen Drahtabschnitts verbunden und breiter als der enge Drahtabschnitt sind, wobei jeder der ersten und zweiten Elektrodenabschnitte Einschnürungen auf mindestens einer der oberen und unteren Flächen derselben in mindestens einem Bereich hat, der an den engen Drahtabschnitt grenzt, wobei die Silikonlage bei diesen Einschnürungen dünner als an dem engen Drahtabschnitt ist, so daß Tunnelsperren/-barrieren gebildet werden, die den engen Drahtabschnitt als leitende Insel zur Begrenzung einer Ladung dienen lassen können.[0015]
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Coulomb-Blockade-Elements vorgesehen, umfassend die Schritte des Bearbeitens einer Silikonlage, die auf einer Isolierschicht eines Substrats gebildet ist, zu einer Form, die einen engen/schmalen Drahtabschnitt und breitere erste und zweite Elektrodenabschnitte umfaßt, die miteinander durch den engen Drahtabschnitt verbunden sind; und des thermischen Oxidierens der Silikonlage derart, daß die Stärke der Silikonlage mindestens in einem Bereich jedes der ersten und zweiten Elektrodenabschnitte, der an den engen Drahtabschnitt grenzt, dünner ist, so daß Tunnelsperren gebildet werden, die den engen Drahtabschnitt als leitende Insel zum Begrenzen einer Ladung dienen lassen können.[0016]

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0017]
Fig. 1A bis 1D sind geschnittene Ansichten, die Stufen beim Herstellen eines Coulomb-Blockade-Element gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 2 ist eine Draufsicht, die das Muster/die Struktur einer Silikonschicht zeigt;
Fig. 3 ist eine geschnittene Ansicht entlang der Linie I-I der Fig. 2 und stellt das Element nach thermischer Oxidation in Fig. 1C dar;
Fig. 4 ist ein Energieband-Diagramm, das das Prinzip des Coulomb-Blockade-Elements der Fig. 1 darstellt;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die das Coulomb-Blockade-Element der Fig. 1 zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm einer Ersatzschaltung des Coulomb-Blockade-Elements in Fig. 1;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Eigenschaften des Coulomb-Blockade-Elements der Fig. 1 zeigt;
Fig. 8 ist eine Draufsicht, die ein Coulomb-Blockade-Element nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 der Fig. 8;
Fig. 10 ist ein Ersatzschaltung-Diagramm des Coulomb-Blockade-Elements der Fig. 8;
Fig. 11 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Speicherelement zeigt, das eine Anzahl Coulomb-Blockade-Elemente verwendet, von denen jedes identisch dem in Fig. 8 gezeigten ist;
Fig. 12 ist eine Draufsicht, die ein Coulomb-Blockade-Element gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 13 ist ein Ersatzschaltung-Diagramm des Coulomb-Blockade-Elements der Fig. 12;
Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht, die ein herkömmliches Coulomb- Blockade-Element zeigt, und zwar bei Betrachtung schräg von oben; und
Fig. 15 ist ein Ersatzschaltung-Diagramm des Coulomb-Blockade-Elements der Fig. 14.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Erste Ausführungsform

[0018] Fig. 1A bis 1D zeigen die Schritte beim Herstellen eines Coulomb-Blockade-Elements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0019] Unter Bezugnahme auf Fig. 1A bis 1D zeigt Bezugszeichen 1 ein SOI (Silicon On Insulator/Silikon-Ein-Isolator)-Substrat, erhalten durch Bildung einer monokristallinen Silikonschicht auf einer Isolierschicht; 2 ein Silikonsubstrat; 3 eine vergrabene Oxidschicht auf dem Silikonsubstrat 2; 4 eine obere Silikonschicht auf der Oxidschicht 3; 5 eine Silikonoxidschicht, gebildet auf der oberen Fläche der oberen Silikonschicht 4 des SOI-Substrats nach Oxidation der oberen Silikonschicht 4; und 6 eine Gate-Elektrode. Das SOI-Substrat 1 wird daher von dem Silikonsubstrat 2 der Oxidschicht 3, der oberen Silikonlage 4 und der Silikonoxidschicht 5 gebildet.
[0020] Zuerst werden die Schritte der Herstellung des Coulomb-Blockade-Elements dieser Ausführungsform beschrieben. Ein zu verwendendes SOI-Substrat umfaßt z. B. ein SIMOX (Separation by IMplanted OXygen / Separation durch eingepflanzten Sauerstoff)-Substrat mit einer Oxidschicht, die durch Implantieren von Sauerstoff in ein monokristallines Silikonsubstrat gebildet ist, und ein Substrat, das durch Binden einer Silikonoxidschicht und einer monokristallinen Silikonschicht miteinander gebildet ist.
[0021] Zunächst wird die Silikonschicht 5 auf der oberen Silikonschicht 4 des SOI-Substrats 1, gebildet von dem Silikonsubstrat 2, der Oxidschicht 3 und der oberen Silikonschicht 4, durch thermische Oxidation oder dergleichen (Fig. 1A) ausgebildet.
[0022] Die Silikonschicht 5 wird dann in ein Muster/eine Struktur gebracht wie es/sie durch ausgezogene Linien in Fig. 2 bei Betrachtung von oben durch RIE (Reactive Ion Etching / reaktives Ionenätzen) (Fig. 1B) angedeutet ist.
[0023] Die obere Silikonschicht 4 wird mittels eines reaktivem Ionenät- oder eines Elektronencyclotronresonanz(ECR)-Ätz-Verfahrens unter Verwendung der Silikonoxidschicht 5 als Maske geätzt. Mit diesem Verfahren wird, wie in Fig. 1C gezeigt, die obere Silikonschicht 4 nur unter der Silikonschicht 5 belassen.
[0024] Auf diese Weise wird die obere Silikonschicht 4 in eine Gestalt gebracht, die einen schmalen Drahtabschnitt 10 und Source- und Drain-Seiten-Elektrodenabschnitte 11 bzw. 12 umfaßt, die als erste und zweite Elektrodenabschnitte dienen und von denen jeder eine größere Breite (in vertikaler Richtung in Fig. 2) als der schmale Drahtabschnitt 10 hat.
[0025] In diesem Fall wird die Breite des schmalen Drahtabschnitts 10 vorzugsweise in der Größenordnung der Stärke der oberen Silikonschicht 4 (d. h. ungefähr ein Zehntel bis zehnmal deren Stärke) gesetzt.
[0026] Wenn die resultierende Struktur in einer Atmosphäre thermisch oxidiert wird, die Sauerstoff und Wasserdampf umfaßt, wird die obere Silikonschicht 4 von ihrer oberen Fläche nach Diffusion eines Oxidanten (Sauerstoff oder Wasser) durch die Silikonoxidschicht 5 oxidiert. Obendrein werden die Muster-/Strukturränder (die äußeren peripheren Abschnitte in Fig. 2) und benachbarte Abschnitte von ihrer Seite oder unteren Flächen nach Diffusion des Oxidanten durch die Seitenflächen jedes Musters und die obere Silikonschicht 4 selbst oder Diffusion des Oxidanten durch die vergrabene Oxidschicht 3 oxidiert.
[0027] Zu diesem Zeitpunkt schreitet die Oxidation von der oberen Seite durch die Silikonschicht 5 bei fast gleicher Geschwindigkeit fort. Im Gegensatz dazu schreitet, da der Diffusionsbetrag des Oxidanten durch die Oxidschicht 3 umgekehrt proportional zum Abstand (oder dem Quadrat des Abstands) von jedem Musterrand ist, die Oxidation von der vergrabenen Oxidschicht 3-Seite nach Diffusion des Oxidanten in lateraler Richtung stärker fort, wenn der Abstand von dem Rand abnimmt.
[0028] An jedem Musterrand nimmt jedoch die Konzentration des Oxidanten aufgrund der Akkumulation der Belastung bei Volumenausdehnung der durch thermische Oxidation gebildeten Oxidschicht ab. Aus diesem Grund wird die Oxidationsrate unterdrückt. In einem Bereich mit kleiner Fläche wie dem engen Drahtabschnitt 10 (der als Musterrand im Ganzen betrachtet werden kann) wird, da die obere Silikonschicht 4 von dem durch thermische Oxidation mit dem Fortschritt der Oxidation von den zwei Seitenwänden umgeben ist, der obige Oxidations-Unterdrückungseffekt besonders gesteigert.
[0029] In bezug auf die obere Fläche der oberen Silikonschicht wird daher aufgrund dieses Oxidations-Unterdrückungseffekts die Oxidation jedes Musterrandes unterdrückt, und die Oxidation des schmalen Drahtabschnitts 10 wird noch stärker unterdrückt. Folglich schreitet die Oxidation in den verbleibenden Bereichen mit fast konstanter Geschwindigkeit fort.
[0030] In ähnlicher Weise wird in bezug auf die untere Fläche der oberen Silikonschicht 4 die Oxidation des schmalen Drahtabschnitts 10 und der verbleibenden Musterränder unterdrückt, und die Oxidation schreitet aufgrund des obigen Oxidationsfortschrittseffekts wesentlich in den den Musterrändern benachbarten Bereichen fort.
[0031] Auf diese Weise wird die Oxidationsgeschwindigkeit nahe des Musterrandes jedes der Elektrodenabschnitte 11 und 12 am höchsten, und daher ist die obere Silikonschicht 4 in diesem Bereich am dünnsten.
[0032] Wenn dieses Element entlang einer Linie I-I in Fig. 2 geschnitten wird, erhält man eine Struktur wie die in Fig. 3 gezeigte.
[0033] Daran anschließend wird die aus Polysilikon oder dergleichen hergestellte Gateelektrode 6 auf dem schmalen Drahtabschnitt 10 ausgebildet, um diesen zu bedecken (Fig. 1D). Die Silikonoxidschicht 5, die auf der oberen Silikonschicht 4 gebildet ist, wird daher als Gate- Oxidschicht benutzt.
[0034] Ähnlich einem herkömmlichen MOS-Transistor werden in Abschnitten der Silikonoxidschicht 5 auf dem Elektrodenabschnitt 11 und dem Elektrodenabschnitt 12 Fenster für Elektroden gebildet, und es werden in diesen Fenstern Source- und Drain-Elektrode unter Verwendung eines Metalls wie Aluminium, Wolfram oder Titan für Extraktionselektroden ausgebildet.
[0035] Mit diesem Schritt ist der Herstellungsprozeß für ein Coulomb-Blockade-Element komplettiert.
[0036] Wie vorstehend beschrieben, wird, wenn die beiden Enden des engen Drahtabschnitts 10, die einer Oxidation unterzogen wurden, hinreichend dünner als die obere Silikonschicht 4 sind, das Leitungsband des Halbleitersilikons in jeder dieser dünnen Regionen quantisiert. Folglich wird der Grundenergiezustand höher als der des schmales Drahtabschnitts 10. Aus diesem Grund sind die beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts 10 zwischen den Energiesperren angeordnet, und der Abschnitt sieht vom Standpunkt der Elektronen in dem engen Drahtabschnitt her wie eine isolierte Insel aus.
[0037] Fig. 4 zeigt dieses Energieband-Diagramm. Fig. 5 stellt ein Coulomb-Blockade-Element dar. Fig. 6 zeigt eine Ersatzschaltung des Elements. Es sei darauf hingewiesen, daß Fig. 4 nur mit dem Leitungsband assoziiert ist.
[0038] Die sehr dünnen Silikonbereiche nahe den Musterrändern der Elektrodenabschnitte 11 und 12 werden Potentialsperren (Tunnelsperren) wie die in Fig. 4 gezeigten, wenn der obige Grundenergiezustand ansteigt. Diese zwei Potentialbarrieren dienen dazu, die Ladungen in dem schmalen Drahtabschnitt 10 zu begrenzen, und sie dienen auch als Tunnelkapazität Cs (Source-seitige Kapazität) bzw. als Tunnelkapazität Cd (Drain-seitige Kapazität). Auf diese Weise wird der schmale Drahtabschnitt 10 eine Silikoninsel (leitende Insel).
[0039] Die Kapazitäten Cg und Cb für die Gate-Elektrode 6 und das Silikonsubstrat 2 sind mit dem schmalen Drahtabschnitt 10 verbunden.
[0040] Die Silikonschicht 4 in Fig. 5 und die aktuelle Silikonschicht 4 in Fig. 3 unterscheiden sich in ihrer Gestalt aus folgendem Grunde. Die beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts 10 nehmen in der Stärke von den oberen und unteren Flächenseiten ab, und der schmale Drahtabschnitt 10 hat eine Gestalt wie die in Fig. 5 gezeigte. In der Praxis wird jedoch der schmale Drahtabschnitt 10 wegen der Volumenexpansion der Oxidschicht aufgrund des obigen Oxidationsfortschrittseffekts von unten nach oben gedrückt.
[0041] Fig. 7 zeigt die Eigenschaften des Coulomb-Blockade-Elements dieser Ausführungsform. Fig. 7 zeigt die Änderung in dem Source-Drain-Leitwert mit der Temperatur als Parameter, wenn die Source-Elektrode und das Silikonsubstrat 2 (Rück-Gate) des Coulomb- Blockade-Elements geerdet sind, die Drain-Spannung Vd auf 1 mV gesetzt ist und die Gate- Spannung Vg geändert wird. Um die Eigenschaften klar aufzuzeigen, sind die Kennlinien sequentiell jedesmal um 0,2 us nach oben umgesetzt, allerdings mit Ausnahme der Kennlinie bei 27 K (in der Praxis, wenn die Gate-Spannung 0 V beträgt, ist der Leitwert bei jeder Temperatur fast 0 us).
[0042] Bei diesem Coulomb-Blockade-Element werden Breite und Länge (in seitlicher Richtung in Fig. 2) des schmalen Drahtabschnitts 10 auf ungefähr 30 nm bzw. ungefähr 50 nm festgelegt; die Breite des Elektrodenabschnitts 10 auf ungefähr 400 nm; die Breite des Elektrodenabschnitts 12 auf ungefähr 1000 nm; die Stärke der Silikonschicht 4 vor dem thermischen Oxidationsschritt in Fig. 1C auf ungefähr 30 nm; und die Stärke der oberen Silikonoxidschicht 5 auf ungefähr 30 nm. Diese Struktur wird thermisch unter den Bedingungen (in einer trockenen Sauerstoffatmosphäre bei 1000ºC für ungefähr 90 Minuten) zum Oxidieren des schmalen Drahtabschnitts 10 von einer Seite um ungefähr 10 nm oder mehr thermisch oxidiert.
[0043] Wenn die obige Struktur unter solchen Bedingungen bearbeitet wird, erreicht die obere Silikonschicht 4 des engen Drahtabschnitts 10 in ihrer Stärke 10 nm, und die Stärke der obe ren Silikonschicht 4 nahe den Musterrändern der Elektrodenabschnitte 11 und 12 (auf jeden dünnsten Abschnitt wird im folgenden als Einschnürung bezug genommen) wird 5 nm oder weniger. Dadurch wird ein Element gebildet, das eine Gate-Kapazität Cg = 0,3 aF, eine Drain-Kapazität Cd = 1 aF und eine Rückgate-Kapazität Cb = 0,01 aF hat. Die Source-Kapazität Cs kann nicht direkt gemessen werden, aber sie ist kleiner als die Drain-Kapazität Cd.
[0044] Unter Verwendung der Struktur dieser Ausführungsform kann die Kapazität in der Mitte der Struktur um die Silikoninsel herum verringert werden, und von der Gate-Spannung verursachte Oszillationen der Konduktanz können selbst bei Raumtemperatur beobachtet werden (d. h. es kann die Grundoperation des Einzel-Elektrontransistors beobachtet werden).
[0045] Diese Operation wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Da die Silikoninsel von der kleinen Kapazität, wie oben beschrieben, umgeben ist, erhält man einen Ladungsenergieanstieg, wenn ein Elektron in die Insel eintritt. Demzufolge werden in der Silikoninsel Energieniveaus mit einem Energiespalt einer Energielücke festgelegt (Fig. 4 zeigt nur die zwei Niveaus oberhalb und unterhalb des Coulomb-Spalts).
[0046] Wenn die Gate-Spannung Vg geändert wird, werden die Elektrode 6 und die Insel kapazitiv miteinander verbunden. Demzufolge bewegen sich diese Energieniveaus aufwärts und abwärts, während dazwischen eine konstante Lücke/ein konstanter Spalt gehalten wird.
[0047] Wenn die Niveaus der Source und der Drain innerhalb des Coulomb-Spalts festgesetzt werden, während die Spannung Vd zwischen Source und Drain kleiner als der Spalt ist, ist ein Blockage- oder Sperrzustand gesetzt, in dem zwischen Source und Drain kein Strom fließt.
[0048] Wenn irgendeines der Niveaus der Silikoninsel zwischen den Energieniveaus von Source und Drain gesetzt wird, fließt durch diese Ebene ein Strom von Souce zu Drain.
[0049] Wenn daher die Gate-Spannung Vg geändert wird, erscheinen abwechselnd die obigen zwei Zustände, und daher pulsiert die Konduktanz zwischen Source und Drain.
[0050] Da diese Konduktanzpulsation durch thermische Energien bei Temperaturen außerhalb der Temperatur absolut null unbestimmt wird, kann die Pulsation, wie in Fig. 4 gezeigt, als glatte Oszillation beobachtet werden.
[0051] Wenn die Gesamtkapazität um die Silikoninsel herum abnimmt, steigt der Coulomb- Spalt der Silikoninsel. Aus diesem Grund kann diese Konduktanz-Oszillation bis zu hohen Temperaturen hin beobachtet werden.
[0052] Eine bevorzugte Bedingung zum Realisieren solch eines Coulomb-Blockade-Elements besteht darin, daß die Dimensionen des schmalen Drahtabschnitts 10 vor der thermischen Oxidation einschließlich Stärke, Breite und Länge auf etwa mehrere 10 nm oder weniger gesetzt werden.
[0053] Obwohl irgendeines der beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts 10 zu einer Source-Elektrode ausgebildet werden kann, wird die Silikonschicht 4 an beiden Enden zu einem beträchtlichen Grad in der Stärke reduziert, da die Breite der Silikonschicht 4 zu einem gewissen Grad abnimmt. Das geschieht deshalb, weil das Hauptprinzip der Oxidation der Silikonschicht 4 darin liegt, daß diese von ihrer unteren Flächenseite nach Diffusion eines Oxidanten in seitlicher Richtung durch die vergrabene Oxidschicht 3 oxidiert wird. Das heißt, daß die Menge des Oxidanten in der unteren Fläche der Silikonschicht 4 ansteigt, während der Abstand vom Rand der Silikonschicht 4 zu einem gewissen Grad abnimmt oder der Spalt in einem bestimmten Abstand vom Rand zunimmt. Deshalb steigt, während die Breite der Silikonschicht 4 abnimmt, die Menge des von den beiden Enden in Richtung der Breite (oberes und unteres Ende in Fig. 2) der Silikonschicht 4 zugeführten Oxidanten.
[0054] Wenn jedoch die Breite der Silikonschicht 4 über Maßen abnimmt, konzentriert sich die Beanspruchung bzw. Belastung in dem Oxidationsschritt auf den Rand der Silikonschicht 4. Demzufolge nimmt die Oxidationsgeschwindigkeit ab. Die Silikonschicht 4 muß deshalb eine bestimmte Breite haben. Diese Breite hängt von der Schichtstärke oder den Oxidationsbedingungen ab, aber sie muß 100 nm bis 200 nm oder mehr betragen. Selbst wenn die obere Grenze der Breite unbegrenzt gesetzt wird, kann die Oxidationsgeschwindigkeit an jedem schmalen Drahtabschnitt steigen. Wenn jedoch die Breite über Maßen groß ist, wird dieser Effekt verringert. Deshalb bedarf dieser Gesichtspunkt einer sorgfältigen Betrachtung.
[0055] Die Breite, die den effektivsten Fortschritt der Oxidation ermöglicht, hängt von Bedingungen wie der Oxidationstemperatur und der Oxidationsatmosphäre ab. Es sei angenommen, daß die Oxidation in trockener Sauerstoffatmosphäre bei 1000ºC durchgeführt wird. In diesem Fall schreitet die Oxidation, wenn die Breite auf ungefähr 400 nm gesetzt ist, höchst effizient von der unteren Flächenseite der Silikonschicht her fort. Gemäß der Struktur des Elements mit den Kennwerten der Fig. 7 ist, da die Breite auf der Source-Seite nur 400 nm beträgt, die Stärke der Silikonschicht auf der Seite der Elektroden 11 kleiner als die auf der Seite der Elektroden 12, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
[0056] Demgemäß ist das Beschränkungspotential, basierend auf einem Anstieg im Grundenergiezustand mit einer Abnahme in der Stärke der Silikonschicht 4, auf der Source-Seite 11 größer als auf der Drain-Seite 12. Mit dem Anstieg im Potential steigt der effektive Abstand zwischen der Elektrode und der Silikoninsel. Die Tunnelkapazität auf der Source-Seite ist deshalb kleiner als die auf der Drain-Seite.
[0057] Das bedeutet, daß, wenn die Elektrodenabschnitte 11 und 12 im Hinblick auf die Breite asymmetrisch hergestellt werden, eine räumliche Beziehung zwischen den Elektrodenabschnitten 11 und 12 hervorgerufen werden kann. Wie sich erkennen läßt, können die Elektrodenabschnitte 11 und 12 in bezug auf die Breite symmetrisch hergestellt werden.
[0058] Auf diese Weise kann die Bildung einer Einschnürung dort, wo die Silikonschicht 4 am dünnsten ist, durch die Breiten und Stärken der Elektrodenabschnitte 11 und 12 und die thermischen Oxidationsbedingungen (Oxidationstemperatur und Oxidationszeit) kontrolliert werden. Das heißt, daß die Kapazität um die Silikoninsel herum verringert werden kann, da die Höhe des Begrenzungspotentials und die Größe der Tunnelkapazität eingestellt werden können.
[0059] Darüberhinaus ist von den Silikon-LSI-Verfahrenstechniken die thermische Oxidationstechnik besonders in Kontrollierbarkeit und Wiederholbarkeit überlegen. Deshalb kann die Struktur des Coulomb-Blockade-Elements dieser Ausführungsform mit guter Kontrollierbarkeit und guter Reproduzierbarkeit realisiert werden.
[0060] Die Abmessungen der Silikoninsel, d. h. Breite und Länge des schmalen Drahtabschnitts 10, können ohne Rücksicht auf die Abmessung jeder Einschnürung gesetzt werden. Das heißt, daß die Silikoninsel mit einer Größe entsprechend den Grenzen der Lithographie ausgebildet werden kann. Weiterhin kann, da das Silikon des engen Drahtabschnitts 10 bei thermischer Oxidation enger gemacht werden kann, die Silikoninsel in der Größe unter die Beschränkungen durch die Lithographie verringert werden, wodurch die Gesamtkapazität der Insel effektiv reduziert wird.
[0061] Wenn die vergrabene Oxidschicht 3 von einem Schlitzabschnitt (einem geätzten Abschnitt der oberen Silikonschicht) vor der thermischen Oxidation unter Verwendung einer wäßrigen HF-Lösung oder dergleichen leicht geätzt wird (um mehrere nm bis mehrere 10 nm), so kann die Oxidation von der unteren Oberfläche der Silikonschicht 4 hinsichtlich ihres Fortschritts noch effizienter gemacht werden. Wenn jedoch die Oxidschicht 3 über Gebühren geätzt ist, tritt die Oxidation von der unteren Oberfläche her in einem weiten Bereich einheitlich auf, und die Silikonschicht 4 kann nicht in einem engen Bereich verdünnt werden. Folglich sind zur Bildung von Tunnelbarrieren striktere Konditionen erforderlich.
[0062] Die Gate-Elektrode 6 muß nicht immer auf den schmalen Drahtabschnitt 10 aufgeschichtet werden. Wie erkennbar, kann z. B. die Gate-Elektrode 6 neben (obere oder untere Seite in Fig. 2) dem schmalen Drahtabschnitt ausgebildet werden, oder das Silikonsubstrat 2 auf der unteren Oberfläche kann als Substitut verwendet werden.
[0063] Wird die Gate-Elektrode 6 neben dem schmalen Drahtabschnitt 10 ausgebildet, wird diese Schicht, da eine Silikonoxidschicht neben dem schmalen Drahtabschnitt in dem thermischen Oxidationsschritt in Fig. 1C ausgebildet wird, als Gate-Oxidschicht verwendet.
[0064] Bei diesem Aufbau dient der an der Silikoninsel hängende breite Elektrodenabschnitt als Elektrode zum Übertragen einer Spannung und eines Stroms. Deshalb nimmt, wenn dieser Elektrodenabschnitt breiter wird, der Widerstand ab.

Zweite Ausführungsform

[0065] Bei der ersten Ausführungsform wurden die einfache Struktur des Coulomb-Blockade- Elements, angedeutet durch das Ersatzschaltung-Diagramm der Fig. 6, und das Verfahren zur Herstellung desselben beschrieben. Als verbessertes Beispiel dieser Struktur wird als nächstes eine einfache Struktur zum Schaffen einer Speicherfunktion beschrieben.
[0066] Fig. 8 zeigt ein Coulomb-Blockade-Element gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 8 zeigt nur eine obere Silikonschicht gemäß der Silikonschicht 4 in Fig. 1 und eine Gate-Elektrode.
[0067] Unter Bezugnahme auf Fig. 8 bezeichnet Bezugszeichen 14 einen dritten Elektrodenabschnitt, der von einem schmalen Drahtabschnitt 10 durch einen Abstand oder eine Isolierschicht für eine Kapazität beabstandet ist und in Drain-, Source- und Kanalbereiche eines MOS-Transistors ausgebildet werden soll; und 15 die Gate-Elektrode des MOS-Transistors.
[0068] Als nächstes werden die Herstellungsschritte eines solchen Coulomb-Blockade-Elements beschrieben.
[0069] Zuerst wird ähnlich der ersten Ausführungsform eine obere Silikonschicht auf einem SOI-Substrat in eine Form/Gestalt, die den schmalen Drahtabschnitt 10 und erste und zweite Elektrodenabschnitte 11 und 12 einschließt, die jeweils eine Breite von ungefähr 100 nm und mehr haben, gebracht.
[0070] Zur gleichen Zeit wird die dieser Struktur benachbarte obere Silikonschicht in eine Gestalt eines benachbarten Abschnitts 13, benachbart dem schmalen Drahtabschnitt 10, und des dritten Elektrodenabschnitts 14 mit einer Breite von ungefähr 100 nm oder mehr verarbeitet.
[0071] Der schmale Drahtabschnitt 10 und der benachbarte Abschnitt 13 können zueinander auch anders als durch einen Abstand 16 oder eine Isolierschicht wie eine Silikonoxidschicht beabstandet sein. Wahlweise kann, da der benachbarte Abschnitt 13 einen Abschnitt des Elektrodenabschnitts 14 bildet, der Elektrodenabschnitt benachbart zum schmalen Drahtabschnitt 10 ohne Bildung des benachbarten Abschnitts 13 ausgebildet werden.
[0072] In diesem Fall können die Bedingungen so gesetzt werden, daß die Kapazität (Kapazität C 16, die später noch beschrieben wird), die zwischen dem schmalen Drahtabschnitt 10 und dem dritten Elektrodenabschnitt 13 gebildet werden soll, in der Größenordnung der Tunnelkapazitäten Cs und Cd (d. h. ungefähr 1/10 bis zehnmal der Kapazität Cs und Cd) betragen.
[0073] Wenn diese Silikonschicht thermisch in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform oxidiert wird, werden die schraffierten Teile der Silikonschicht in Fig. 8 am dünnsten, und in diesen Bereichen werden Tunnelsperren gebildet. Demzufolge wird auf dem schmalen Drahtabschnitt 10 eine Silikoninsel gebildet.
[0074] Die erste Gate-Elektrode 15, die aus leitendem Polysilikon besteht, wird auf dem Elektrodenabschnitt 14 gebildet, um diesen teilweise zu bedecken. Schneidet man diese Struktur entlang der Linie 11-11 in Fig. 8, so erhält man eine Struktur wie die, die in Fig. 9 gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 9 bezeichnet Bezugszeichen 7 eine Silikonoxidschicht (einschließlich einer oberen Oxidschicht, wenn sie auf einer Silikonschicht wie in der ersten Ausführungsform gebildet wird), die durch die obige thermische Oxidation ausgebildet wird.
[0075] Nachdem eine Isolierschicht wie eine Silikonoxidschicht auf der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur ausgebildet ist, wird eine zweite Gate-Elektrode (nicht gezeigt) aus Polysilikon gebildet, um begrenzende Potentialformationsbereiche an beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts 10 zu bilden.
[0076] Wie erkennbar, kann diese zweite Gate-Elektrode gleichzeitig mit der ersten Gate- Elektrode 15 bearbeitet/ausgebildet werden.
[0077] Eine Verunreinigung wie z. B. Phosphor oder Arsen wird bei hoher Konzentration in Regionen dotiert, die als leitende Regionen dienen, und zwar unter Verwendung der ersten und zweiten Gate-Elektroden als Masken, wodurch Silikonbereiche niedrigen Widerstandes gebildet werden.
[0078] Ähnlich einem herkömmlichen MOS-Transistor werden in Abschnitten der Silikonoxidschicht auf dem Elektrodenabschnitt 11 und dem Elektrodenabschnitt 12 Fenster für Elektroden ausgebildet, und in diesen Fenstern werden Source- und Drain-Elektroden unter Verwendung eines Metalls wie Aluminium, Wolfram oder Titan gebildet. In ähnlicher Weise wird die Drain-Elektrode des MOS-Transistors im Hinblick auf den Elektrodenabschnitt 14 (einem Bereich oberhalb der Gate-Elektrode 15 in Fig. 8) ausgebildet.
[0079] Mit diesem Schritt ist das Herstellungsverfahren für ein Coulomb-Blockade-Element komplettiert. Im Ergebnis ist der Oberseitenbereich der Gate-Elektrode 15 in Fig. 8 als Drain- Bereich, der Bereich darunter (auf der Seite des benachbarten Abschnitts 13) als Source-Bereich und der überlappende Bereich zwischen dem Elektrodenabschnitt 14 und der Gate-Elektrode 15 als Kanalbereich 17 ausgebildet. Das heißt, daß ein MOS-Transistor auf dem Elektrodenabschnitt 14 gebildet wird, der ein ON/OFF (Ein/Aus)-Kontrollieren des Kanalbereichs 17 durch die Gate-Elektrode 15 durchführen kann.
[0080] Die obige zweite Gate-Elektrode dient dazu, die begrenzenden Potentialformationsbereiche an den beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts 10 zu bedecken, um zu verhindern, daß eine Verunreinigung hoher Konzentration in den Bereichen dotiert wird. Diese Struktur verhindert die Bildung ungenügender Potentialsperren, die gebildet werden, wenn das Silikon in diesen Regionen polykristallisiert und deformiert oder wenn es metallisch wird.
[0081] Durch Einstellen der an die zweite Gate-Elektrode anzulegenden Spannung kann der Bereich, in dem sich die Konduktanz ändert, kontrolliert werden, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.
[0082] Es sei darauf hingewiesen, daß die zweite Gate-Elektrode - da der Bereich, in dem sich die Konduktanz ändert, auch durch Einstellen der Rück-Gate-Spannung, die an das Silikonsubstrat 2 angelegt wird, kontrolliert werden kann - auch weggelassen werden kann, und zwar in einem Fall, in dem die Dosis der zu dotierenden Verunreinigung klein ist oder von einem Verfahren des Dotierens einer Verunreinigung abhängt.
[0083] Selbst wenn der schmale Drahtabschnitt 10 oder der benachbarte Drahtabschnitt 13 metallisch werden, wird kein Einfluß festgestellt. Um jedoch eine große Änderung in der Gestalt der Abschnitte 10 oder 13 aufgrund von Polykristallisation zu vermeiden, kann der Abschnitt durch die zweite Gate-Elektrode geschützt werden. In diesem Fall wird die zweite Gate-Elektrode so eingestellt, daß Ladungen in dem schmalen Drahtabschnitt 10 oder dem benachbarten Abschnitt 13 gespeichert werden können (um die Operation des Coulomb- Blockade-Elements zu ermöglichen). Wenn jedoch eine Einstellung durch Anlegen der Rück- Gate-Spannung an das Silikonsubstrat 2 durchgeführt wird, so ist die zweite Gate-Elektrode nicht erforderlich.
[0084] Wie erkennbar, kann als Ersatz für die zweite Gate-Elektrode auch eine andere Isoliermaskenschicht verwendet werden. In diesem Falle können die als leitende Bereiche dienen den Bereiche ebenso mit dieser Maskenschicht bedeckt werden. In einem solchen Falle kann eine Einstellung mit der Rück-Gate-Spannung durchgeführt werden.
[0085] Statt des vorstehend beschriebenen Dotierens der Verunreinigung kann die Rück- Gate-Spannung auf einen großen positiven Wert gesetzt werden, um Ladungen als Ganzes zu induzieren.
[0086] Fig. 10 zeigt eine Ersatzschaltung des Coulomb-Blockade-Elements dieser Ausführungsform. Dabei bezeichnet Bezugszeichen C16 eine elektrostatische Kapazität, die auf dem Abstand 16 (oder einer Isolierschicht) zwischen dem engen Drahtabschnitt 10 und dem benachbarten Abschnitt 13 beruht; und Q1 einen MOS-Transistor, der auf dem Elektrodenabschnitt 14 gebildet ist.
[0087] Das Operationsprinzip dieses Elements wird nachfolgend beschrieben.
[0088] Wenn in dieses Element Information geschrieben werden soll, wird an die erste Gate- Elektrode 15 eine Spannung V1 angelegt, um den Kanal des MOS-Transistors Q1 anzuschalten.
[0089] Sind die Source- und Drain-Spannungen Vs und Vd fest zu Potentialen nahe dem Nullpotential, und wenn eine an den Elektrodenabschnitt 14 (den Drain des MOS-Transistors Q1) anzulegende Spannung V2 als negativ festgesetzt wird, werden Elektronen in einer der Größe der Spannung V2 entsprechenden Menge in dem benachbarten Abschnitt 13 gespeichert.
[0090] Wenn die Spannung V1 geändert wird, um den Kanal des MOS-Transistors Q1 abzuschalten, werden die Elektronen in dem benachbarten Abschnitt 13 gehalten.
[0091] Da der benachbarte Abschnitt 13 mit der auf dem schmalen Drahtabschnitt 10 gebildeten Silikoninsel durch die elektrostatische Kapazität C 16 verbunden ist, arbeitet der Einzel- Elektrontransistor, der das Coulomb-Blockade-Element aufweist, als Grundstruktur, die von den Kapazitäten Cs, Cd und C16 um die Silikoninsel entsprechend einer geringen Differenz in den in dem benachbarten Abschnitt 13 gespeicherten Ladungen gebildet wird. Wenn die Spannung Vd dem Drain (Elektrodenabschnitt 12) angelegt ist, erscheint die Spannungsbeaufschlagung als Änderung in der Konduktanz.
[0092] Das bedeutet, daß der Ausgang entsprechend der Größe der in dem benachbarten Abschnitt 13 gespeicherten Ladung als Konduktanz zwischen Source und Drain (zwischen den Elektrodenabschnitten 11 und 12) abgerufen werden kann.
[0093] Wenn deshalb die Ladungsmenge in digitaler Weise geändert wird, kann das Coulomb-Blockade-Elements als ein allgemeines digitales Speicherelement verwendet werden.
[0094] Mit Anwendung einer Meßfunktion für die Ladungsgröße in analoger Weise kann auch eine analoge Größe in dem Speicher gespeichert werden. Dieser Analogspeicher kann als eine wirksame Speichereinrichtung zum Aufbau einer Neuro-Vorrichtung (oder eines neuralen Netzwerks) verwendet werden. Diese Vorrichtung benutzt das kennzeichnende Merkmal, wonach der Grad der Verbindung (konduktanzverwendend) zwischen Neuronen entsprechend der Größe der in dem Speicher gespeicherten Ladung geändert werden kann.
[0095] Wenn eine große Anzahl Elemente, jeweils identisch dem in Fig. 10 gezeigten, als Speicherzellen in vertikaler und horizontaler Richtung angeordnet werden, kann man ein Speicherelement erhalten, das eine große Datenmenge speichern kann. Fig. 11 zeigt ein Beispiel dieses Speicherelements. In dem Speicherelement in Fig. 11 können, da die in seitlicher Richtung angeordneten Gate-Elektroden des MOS-Transistors Q1 eine gemeinsame Elektrode bilden, wenn die erste Gate-Elektrode 15 in Fig. 8 in lateraler Richtung langgestreckt ist und als gemeinsames Gate ausgebildet werden soll, die jeweiligen Zellen in lateraler Richtung miteinander verbunden werden.
[0096] Bei dieser Anordnung muß ein MOS-Transistor Q2, der als Datenleseschalter dient, im Drain-Abschnitt jeder Speicherzelle gesetzt werden. Zu diesem Zweck kann eine der ersten Gate-Elektrode 15 identische Elektrode 18 ausgebildet werden, die den Elektrodenabschnitt 12 vertikal kreuzt, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 8 angedeutet ist (diese Elektrode kann gleichzeitig mit der Gate-Elektrode 15 ausgebildet werden).
[0097] Wenn der dem MOS-Transistor Q1 identische Transistor Q2 ausgebildet und die Elektrode in vertikaler Richtung auf diese Weise langgestreckt wird, können die jeweiligen, in der vertikalen Richtung angeordneten Zellen miteinander verbunden werden.
[0098] Wenn in dieses Speicherelement Daten geschrieben werden sollen, wird eine gewünschte der Linien WA1, WA2 ... ausgewählt, und es werden Daten durch eine von Elektroden A1, A2 ... zugeführt. Wenn aus dem Speicherelement Daten ausgelesen werden sollen, wird eine gewünschte der Linien WR1, WR2 ... ausgewählt, und einem der Anschlüsse R1, R2 ... wird eine Spannung angelegt, um die Daten als Konduktanzwert auszulesen.

Dritte Ausführungsform

[0099] Bei der zweiten Ausführungsform wird ein MOS-Transistor ein Schalter zum Beschränken gespeicherter Ladungen verwendet. Als nächstes wird eine Struktur beschrieben, die ein Coulomb-Blockade-Element anstelle dieses MOS-Transistors benutzt.
[0100] Fig. 12 zeigt ein Coulomb-Blockade-Element gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0101] Bezugszeichen 22 bezeichnet einen benachbarten Abschnitt, der zu einem schmalen Drahtabschnitt 10 durch einen Kapazitätsabstand oder eine Isolierschicht beabstandet ist, und er ist ebenfalls mit einem Ende eines zweiten engen Drahtabschnitts verbunden. Der benachbarte Abschnitt 22 ist breiter als der zweite schmale Drahtabschnitt, und ein Abschnitt des benachbarten Abschnitts 22, der sich nahe dem zweiten schmalen Drahtabschnitt befindet, ist dünner als der zweite schmale Drahtabschnitt. Bezugszeichen 23 bezeichnet den zweiten schmalen Drahtabschnitt zum Begrenzen von Ladungen; und 24 einen vierten Elektrodenabschnitt 24, der ausgebildet ist, um mit dem anderen Ende des zweiten schmalen Drahtabschnitts 23 verbunden zu werden. Der vierte Elektrodenabschnitt 24 ist breiter als der zweite schmale Drahtabschnitt 23, und ein Teil des vierten Elektrodenabschnitts 24, der sich nahe dem zweiten schmalen Drahtabschnitt 23 befindet, ist dünner als der zweite schmale Drahtabschnitt 23.
[0102] Die Schritte bei der Herstellung eines solchen Coulomb-Blockade-Elements werden als nächstes beschrieben. Ähnlich der ersten Ausführungsform wird eine obere Silikonschicht auf einem SOI-Substrat in eine Form gebracht, die den schmalen Drahtabschnitt 10 und erste und zweite Elektrodenabschnitte 11 und 12 umfaßt, die jeweils eine Breite von ungefähr 100 nm oder mehr (in vertikaler Richtung der Fig. 12) aufweisen.
[0103] Zur gleichen Zeit wird eine obere Silikonschicht benachbart zu dieser Struktur in den benachbarten Abschnitt 22, benachbart dem schmalen Drahtabschnitt 10 und mit einer Breite von ungefähr 100 nm oder mehr (in lateraler Richtung in Fig. 12), in den zweiten schmalen Drahtabschnitt 23 und in den vierten Elektrodenabschnitt 24 mit einer Breite von ungefähr 100 nm oder mehr (in lateraler Richtung in Fig. 12) gebracht.
[0104] Unter Bezugnahme auf Fig. 12 wird ein Abschnitt 21, der schmaler als der benachbarte Abschnitt 22 ist, darunter ausgebildet. Jedoch kann der benachbarte Abschnitt 22 direkt und benachbart dem schmalen Drahtabschnitt 10 ohne Bildung des Abschnitts 21 ausgebildet werden. Das heißt, daß die Bedingung für diese Struktur so gesetzt werden kann, daß eine Kapazität (Kapazität C21, später noch zu beschreiben), die zwischen dem schmalen Drahtabschnitt 10 und dem benachbarten Abschnitt 22 auszubilden ist, in der Größenordnung der Tunnelkapazitäten Cs und Cd (d. h. ungefähr 1/10 bis zehnmal die Tunnelkapazitäten Cs und Cd) liegt.
[0105] Wenn diese Silikonschicht thermisch in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform oxidiert wird, werden Tunnelsperren in den gestrichelten Bereichen gebildet, und die schmalen Drahtabschnitte 10 und 23 werden zu Silikoninseln ausgebildet, wobei die beiden Enden jedes schmalen Drahtabschnitts zwischen den Tunnelbarrieren angeordnet sind.
[0106] Es werden Fenster für Elektroden in Abschnitten der Silikonoxidschichten auf den Elektrodenabschnitten 11, 12 und 24 gebildet, und es werden in den jeweiligen Fenstern Elektroden ausgebildet.
[0107] Fig. 13 zeigt eine Ersatzschaltung des Coulomb-Blockade-Elements dieser Ausführungsform. Dabei bezeichnet/n Bezugszeichen C21 die elektrostatische Kapazität, basierend auf dem Abstand zwischen dem schmalen Drahtabschnitt 10 und dem benachbarten Abschnitt 22; und C22 sowie C24 Tunnelkapazitäten, basierend auf den Tunnelsperren, die an den beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts 23 gebildet sind.
[0108] In der Ausführungsform dieses Beispiels ist der MOS-Transistor Q1 der Fig. 10 durch ein Coulomb-Blockade-Element ersetzt. Gemäß der charakteristischen Eigenschaft dieses Elements bildet die auf dem schmalen Drahtabschnitt 23 gebildete Silikoninsel Ladungsübertragungssperren, und zwar aufgrund des Coulomb-Blockade-Effekts. Aus diesem Grund unterliegt die Größe der Ladung (Anzahl der Elektronen, d. h. das Potential der Insel), die in dem benachbarten Abschnitt 22 gespeichert ist, bei Anlegen einer Spannung V3 an den Elektrodenabschnitt 24 einer Hysterese. Das Coulomb-Blockade-Element macht von dieser Hysterese Verwendung. Das heißt, daß der benachbarte Abschnitt 22 (einschließlich des schmalen Abschnitts 21) als Einzelelektron-Speicherzelle verwendet werden kann.
[0109] Wenn die Spannung V3 an den Elektrodenabschnitt 24 angelegt ist, um Ladungen in der Silikoninsel auf dem schmalen Drahtabschnitt 23 zu speichern, werden die Ladungen in der Silikoninsel selbst dann gehalten, nachdem der Elektrodenabschnitt 24 auf eine Spannung 0 gesetzt ist.
[0110] Es ist nicht immer ein Schalttransistor wie der in der zweiten Ausführungsform erforderlich. Um eine geeignete und genaue Operation des Coulomb-Blockade-Elements einschließlich der schmalen Drahtabschnitte 10 und 23 sicherzustellen, kann an das Rück-Gate (Silikonsubstrat) eine Spannung angelegt werden. Wahlweise kann eine Gate-Elektrode ausgebildet werden, um die schmalen Drahtabschnitte 10 und 23 abzudecken, und das Coulomb- Blockade-Element kann eingestellt werden, indem man das Potential dieser Gate-Elektrode (in diesem Fall kann eine Verunreinigung in Teilen dotiert werden, die nicht die Gate-Elektrode sind, und zwar, um den Widerstand zu verringern) ändert.
[0111] Bei jeder vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird eine thermische Oxidation durchgeführt, während eine obere Oxidschicht als Maske beim Bilden eines Musters I einer Struktur einer oberen Silikonschicht verwendet wird. Wie erkennbar, muß jedoch die obere Oxidschicht nicht notwendigerweise verwendet werden, wenn eine Resistschicht oder dergleichen als andere Maskenschicht anstelle der oberen Oxidschicht verwendet wird, da die Maskenschicht selektiv nach der Verarbeitung der Silikonschicht entfernt werden kann.
[0112] Bei jeder oben beschriebenen Ausführungsform wird auf einer oberen Silikonschicht eine obere Oxidschicht mit einer Stärke von ungefähr 30 nm ausgebildet. Wenn jedoch die Stärke dieser oberen Oxidschicht auf ungefähr 60 nm erhöht wird, verringert sich ein durch die obere Oxidschicht tretender Oxidant in seiner Menge, um die Oxidation von oben zu unterdrücken, und es wird die Oxidation von unten, die auf der Diffusion des Oxidanten in seitlicher Richtung beruht, dominant. Deshalb werden an den beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts Tunnelsperren gebildet, während eine Oxidation von der Oberseite eines flachen Abschnitts, der als Elektrode (die obere Silikonschicht, beabstandet zu dem Rand) dient, unterdrückt wird (es findet wegen des weiten Abstandes zu dem Rand fast keine Oxidation statt). Das heißt, daß die Oxidationsmenge und die letztlich zu belassene Silikonschicht leicht festgelegt werden können, da die Oxidation der Silikonschicht von oben unterdrückt wird. Obendrein steigt die die Oxidation begleitende Beanspruchung, da die obere Oxidschicht stark ist.
[0113] In ähnlicher Weise kann, wenn anstelle einer oberen Oxidschicht eine Silikon-Nitrid- Schicht als Maskenschicht verwendet oder eine Silikon-Nitrid-Schicht auf die obere Oxidschicht aufgeschichtet wird, eine nach unten gerichtete Oxidation durch die Nitridschicht unterdrückt werden, wenn als nächster Schritt die thermische Oxidation durchgeführt wird. Aus diesem Grunde tritt hauptsächlich nur eine Oxidation von der Seitenwand der oberen Silikonschicht und von der vergrabenen Oxidschichtseite her auf, während eine Reduktion der Silikonschicht durch nach unten gerichtete Oxidation fast nicht auftritt. Dieses Verfahren ist deshalb effizienter als das obige Verfahren der Benutzung nur einer Silikonoxidschicht. Zusätzlich steigt, da die Beanspruchung, basierend auf der Silikon-Nitrid-Schicht, groß ist, die die Oxidation begleitende Beanspruchung an. Dieses Verfahren ist deshalb beim Schaffen der Struktur bei jeder oben beschriebenen Ausführungsform wirkungsam.
[0114] Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Teile der ersten und zweiten Elektrodenabschnitte, die sich nahe einem schmalen Drahtabschnitt befinden, durch Ausbilden von Einschnürungen an den oberen und/oder unteren Flächen der Elektrodenabschnitte dünner als der schmale Drahtabschnitt hergestellt. Im Ergebnis werden an den beiden Enden des schmalen Drahtabschnitts Tunnelsperren mit einer gegenüber dem schmalen Drahtabschnitt höheren Energie gebildet, und es wird auf dem schmalen Drahtabschnitt eine leitende Insel gebildet. Deshalb kann leicht ein Coulomb-Blockade-Element, das bei hohen Temperaturen arbeitet, realisiert werden. Zusätzlich kann man eine Herstellungsprozeßtechnik für eine integrierte Schaltung auf Silikonbasis verwenden, da eine konventionelle Silikon-MOS-Struktur angewendet werden kann. Aus diesem Grund kann ein Coulomb-Blockade-Element auf dem gleichen Substrat angeordnet werden, auf dem die herkömmliche integrierte Schaltung auf Sili konbasis angeordnet ist, wodurch man eine groß-maßstäbliche Schaltung durch Kombination von MOS- und Coulomb-Blockade-Vorrichtung realisieren kann.
[0115] Durch Ausbilden eines dritten Elektrodenabschnitts, der als Drain-, Source- und Kanal-Regionen eines MOS-Transistors benachbart zu einem schmalen Drahtabschnitt dient, kann in einfacher Weise ein Coulomb-Blockade-Element, das als Speicherelement dient, realisiert werden, wobei das Coulomb-Blockade-Element kapazitiv mit dem MOS-Transistor verbunden ist.
[0116] Durch Bildung eines benachbarten Abschnitts, der dem ersten schmalen Drahtabschnitt benachbart ist, wird ein durch den ersten schmalen Abschnitt und erste und zweite Elektrodenabschnitte gebildetes Coulomb-Blockade-Element kapazitiv mit einem Coulomb- Blockade-Element verbunden, das von einem zweiten schmalen Drahtabschnitt und einem vierten Elektrodenabschnitt gebildet ist, wodurch man in einfacher Weise ein als Speicherelement dienendes Coulomb-Blockade-Element realisieren kann.
[0117] Indem man eine Silikonschicht in eine Form bringt, die einen schmalen Drahtabschnitt und erste und zweite Elektrodenabschnitte umfaßt, und indem man die Silikonschicht thermisch oxidiert, wird auf einem Abschnitt jedes Elektrodenabschnitts, der sich nahe dem schmalen Drahtabschnitt befindet, automatisch eine Einschnürung erzeugt, die maximale Stärke aufweist. Folglich werden nahe dem schmalen Drahtabschnitt Tunnelsperren ausgebildet, und es wird eine leitende Insel auf dem schmalen Drahtabschnitt gebildet. Da die Größe der leitenden Insel in seitlicher Richtung ohne Rücksicht auf die Größe jeder Einschnürung festgelegt werden kann, läßt sich die leitende Insel in ihrer Größe verringern. Zusätzlich kann die leitende Insel weiter durch thermische Oxidation in ihrer Größe verringert werden. Deshalb kann durch einen Herstellungsprozeß, der ähnlich einer konventionellen Herstellungsprozeß-Technik für integrierte Schaltungen auf Silikonbasis ist, ein Coulomb-Blockade- Element realisiert werden, das bei hoher Temperatur arbeitet. Weiterhin kann die Bildung jeder Einschnürung entsprechend den Dimensionen des Musters jedes Elektrodenabschnitts und der Form jeder Einschnürung kontrolliert werden. Da die Technik der thermischen Oxidation der Silikon-LSI-Verfahrenstechniken eine günstige Kontrollierbarkeit und gute Reproduzierbarkeit ergibt, kann unter guter Kontrollierbarkeit und guter Reproduzierbarkeit ein Blockade-Element realisiert werden.
[0118] Wenn vor einem thermischen Oxidationsschritt eine Silikon enthaltende Isolierschicht auf einer Silikonschicht gebildet wird, ändert sich die die Oxidation begleitende Beanspruchung gemäß der Stärke dieser Isolierschicht. Daher kann die Bildung einer Einschnürung kontrolliert werden.
[0119] Durch Verwendung einer Silikon-Nitrid-Schicht als Silikon enthaltende Isolierschicht kann eine Silikonschicht nur von unten oxidiert werden. Folglich können Oxidationsmenge und Stärke der verbleibenden Silikonschicht leicht bestimmt werden. Obendrein wird die Bildung einer Einschnürung beschleunigt, und zwar wegen der Beanspruchung, die von der Silikon-Nitrid-Schicht verursacht wird.

Claims

1. Ein Coulomb-Blockade- bzw. Sperrelement, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

ein Substrat (2), eine Isolierschicht (3) auf dem Substrat und eine Silikonlage (4) auf der Isolierschicht, wobei die Silikonlage umfaßt

einen engen/schmalen Drahtabschnitt (10),

erste und zweite Elektrodenabschnitte (11, 12), die mit zwei Enden des engen Drahtabschnitts verbunden und breiter als der enge Drahtabschnitt sind, wobei jeder der ersten und zweiten Elektrodenabschnitte Einschnürungen auf mindestens einer seiner oberen und unteren Flächen in einem Bereich hat, der an den engen Drahtabschnitt (10) grenzt, wobei die Silikonlage bei diesen Einschnürungen dünner als der enge Drahtabschnitt ist, so daß Tunnelsperren/-barrieren gebildet werden, die den engen Drahtabschnitt als leitende Insel zur Begrenzung einer Ladung dienen lassen können, und

wenigstens eine Gate-Elektrode (6), die über oder unter dem engen Drahtabschnitt (10) oder seitlich desselben angeordnet ist.

2. Ein Coulomb-Blockade- bzw. Sperrelement, das umfaßt:

einen engen/schmalen Drahtabschnitt (10) und

erste und zweite Elektrodenabschnitte (11, 12), die mit zwei Enden des engen Drahtabschnitts verbunden und breiter als der enge Drahtabschnitt sind, wobei jeder der ersten und zweiten Elektrodenabschnitte Einschnürungen auf mindestens einer seiner oberen und unteren Flächen in einem Bereich hat, der an den engen Drahtabschnitt (10) grenzt, wobei die Silikonlage bei diesen Einschnürungen dünner als der enge Drahtabschnitt ist, so daß Tunnelsperren/-barrieren gebildet werden, die den engen Drahtabschnitt als leitende Insel zur Begrenzung einer Ladung dienen lassen können,

einen dritten Elektrodenabschnitt (14), der von dem engen Drahtabschnitt durch einen Zwischenraum oder eine Isolierschicht getrennt ist, die eine Kapazität bilden, wobei der dritte Elektrodenabschnitt als Drain-, Source- und Kanalbereich eines MOS-Transistors dient,

wobei eine Gate-Elektrode (15) des MOS-Transistors auf einem Abschnitt der dritten Elektrode gebildet ist.

3. Ein Coulomb-Blockade- bzw. Sperrelement, das umfaßt:

einen engen/schmalen Drahtabschnitt (10) und

erste und zweite Elektrodenabschnitte (11, 12), die mit zwei Enden des engen Drahtabschnitts verbunden und breiter als der enge Drahtabschnitt sind, wobei jeder der ersten und zweiten Elektrodenabschnitte Einschnürungen auf mindestens einer seiner oberen und unteren Flächen in einem Bereich hat, der an den engen Drahtabschnitt (10) grenzt, wobei die Silikonlage bei diesen Einschnürungen dünner als der enge Drahtabschnitt ist, so daß Tunnelsperren/-barrieren gebildet werden, die den engen Drahtabschnitt als leitende Insel zur Begrenzung einer Ladung dienen lassen können, einen zweiten engen/schmalen Drahtabschnitt (23),

einen benachbarten Abschnitt (22), der von dem ersten Drahtabschnitt (10) durch einen Zwischenraum oder eine Isolierschicht getrennt ist, die eine Kapazität bilden, und der in Kontakt mit einem Ende des zweiten engen Drahtabschnitts steht und breiter als der zweite enge Drahtabschnitt (23) ist, wobei der benachbarte Abschnitt Einschnürungen an wenigstens einer seiner oberen und unteren Flächen in mindestens einem Bereich hat, der an den zweiten engen Drahtabschnitt (23) grenzt, wobei die Silikonlage an diesen Einschnürungen dünner als in dem zweiten engen Drahtabschnitt ist, so daß Tunnelsperren/-barrieren gebildet werden, und

einen vierten Elektrodenabschnitt (24), der mit dem anderen Ende des zweiten engen Drahtabschnitts verbunden ist und der breiter als der zweite enge Drahtabschnitt ist, wobei der vierte Elektrodenabschnitt Einschnürungen auf wenigstens einer der oberen und unteren Flächen davon in einem Bereich aufweist, der an den zweiten engen Drahtabschnitt (23) grenzt, wobei die Silikonlage an diesen Einschnürungen dünner als dem zweiten engen Drahtabschnitt ist, so daß Tunnelsperren/-barrieren gebildet werden, wodurch der zweite enge Drahtabschnitt (23) als leitende Insel zum Begrenzen einer Ladung dienen kann.

4. Ein Verfahren zur Herstellung eines Coulomb-Blockade- bzw. Sperrelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die folgenden Schritte:

Bearbeiten einer Silikonlage (4), die auf einer Isolierschicht (3) eines Substrats (2) gebildet ist, zu einer Form, die einen engen/schmalen Drahtabschnitt (10) und breitere erste und zweite Elektrodenabschnitte (11, 12) umfaßt, die miteinander durch den engen Drahtabschnitt (10) verbunden sind; und

thermisches Oxidieren der Silikonlage derart, daß die Stärke der Silikonlage in einem Bereich jedes der ersten und zweiten Elektrodenabschnitte, der an den engen Drahtabschnitt (10) grenzt, dünner ist, so daß Tunnelsperren/-barrieren gebildet werden, die den engen Drahtabschnitt als leitende Insel zum Begrenzen einer Ladung dienen lassen können.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem vor dem thermischen Oxidationsschritt eine Silikon enthaltende Isolierschicht (5) auf der Silikonlage gebildet wird.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Isolierschicht eine Silikon-Nitrid-Schicht (5) ist.