JP2621819B2 - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
Semiconductor device and method of manufacturing the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、デジタル論理回路や高
感度センサの構成部品に利用する。本発明は、電極間の
相互容量を小さくして集積化を容易にすることができる
半導体素子およびその製造方法に関し、特に、単一電子
トンネリング素子に利用するに適する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is applied to components of digital logic circuits and high-sensitivity sensors. The present invention relates to a semiconductor device capable of facilitating integration by reducing mutual capacitance between electrodes and a method of manufacturing the same, and is particularly suitable for use in a single-electron tunneling device.
【0002】[0002]
【従来の技術】まず、トンネルバリアを含む半導体接合
を有する電極対が形成された半導体素子の単一電子トン
ネリング効果を簡単な回路を用いて説明する。図4
(a)は一つのトンネル接合部が電圧源によってバイア
スされている状態を示す図である。一つの電子(単一電
子)は素電荷eを持った不可分の要素であるから、電子
がトンネル接合をトンネルする際に、連続的にそのトン
ネル接合を通過しているのではなく、微視的にみれば一
つ一つの電子が個別にトンネル接合をトンネルしてい
る。単一電子が微小接合をトンネルするとその前後でエ
ネルギーが単一電子の帯電エネルギー分(Ec=e2 /
2C、C:接合の静電容量)だけ変化する。トンネルが
起こるのはトンネルの前後のエネルギー変化が正になる
ときであるから、トンネルする前の電子は帯電エネルギ
ー分より高いエネルギーを持つとき、すなわち、印加電
圧Vがe/2Cを越えたときにトンネルが起こる。2. Description of the Related Art First, the single-electron tunneling effect of a semiconductor device in which an electrode pair having a semiconductor junction including a tunnel barrier is formed will be described using a simple circuit. FIG.
(A) is a diagram showing a state where one tunnel junction is biased by a voltage source. Since one electron (single electron) is an inseparable element having an elementary charge e, when an electron tunnels through a tunnel junction, it does not pass through the tunnel junction continuously, but is microscopic. As can be seen, each electron individually tunnels through the tunnel junction. When a single electron tunnels through a microjunction, the energy before and after the tunneling is the charge energy of a single electron (Ec = e 2 /
2C, C: the capacitance of the junction). Since tunneling occurs when the energy change before and after the tunnel becomes positive, when the electrons before tunneling have energy higher than the charging energy, that is, when the applied voltage V exceeds e / 2C. Tunnel happens.
【0003】一方、トンネルする前の電子が帯電エネル
ギー分のエネルギーをもたないときはトンネルは抑制さ
れる。したがって、図4(a)の回路での電圧−電流特
性は同図(b)に示すようになる。単一電子トンネリン
グ効果とは、単一電子の帯電エネルギーが電気伝導に影
響を与える効果のことで、特に、トンネルが抑制される
効果はクーロン閉塞と呼ばれている(シングル チャー
ジ トンネリング クーロン ブロッケイド フェノメ
ナ イン ナノストラクチャー:Single Charge Tunnel
ing Coulomb Blockade Phenomena 324ページ、ハー
マン グラベルト、ミシェル H.デヴォレ:Hermann
Grabert and Michel H.Devoret編集、プラナム パブリ
ッシング コーポレイション:Plenum Publishing Corp
oration発行)。On the other hand, when electrons before tunneling do not have energy corresponding to charging energy, tunneling is suppressed. Therefore, the voltage-current characteristics in the circuit of FIG. 4A are as shown in FIG. The single-electron tunneling effect is an effect in which the charging energy of a single electron affects electric conduction. In particular, the effect of suppressing tunneling is called Coulomb blockage (single-charge tunneling Coulomb blockade phenomena inn). Nanostructure: Single Charge Tunnel
ing Coulomb Blockade Phenomena p. 324, Herman Grabert, Michel H. Devole: Hermann
Edited by Grabert and Michel H. Devoret, Pranum Publishing Corp .: Plenum Publishing Corp
oration).
【0004】単一電子トンネリング効果があらわれるに
は、単一電子帯電エネルギーが熱擾乱エネルギーを上回
ることが必要である。したがって、帯電エネルギーはト
ンネル接合の静電容量を小さくすることによって大きく
することができる。静電容量を小さくするには、トンネ
ル接合の接合面積をできるだけ小さくすることが必要で
ある。In order for the single-electron tunneling effect to appear, it is necessary for the single-electron charging energy to exceed the thermal perturbation energy. Therefore, the charging energy can be increased by reducing the capacitance of the tunnel junction. In order to reduce the capacitance, it is necessary to reduce the junction area of the tunnel junction as much as possible.
【0005】次に、図5(a)に示したようにトンネル
接合とコンデンサーが、電圧源に直列に接続された場合
について説明する。トンネル接合とコンデンサーによっ
て、電気的に独立したアイランドを形成することができ
る。電圧源の電圧を増加させるとクーロン閉塞がある電
圧で解け1個の電子がトンネルする。このとき、アイラ
ンドに1個の電子が供給され電子数が変化する。したが
って、図5(b)に示すようにアイランドに溜まる電子
数は電圧源の電圧に対して階段状になる。電圧が加わっ
ていない場合には、このアイランドは電気的に中性であ
り、また、電子はトンネルによってのみアイランドに1
個づつ出し入れされる。ここでいう電子数は、外部回路
によって帯電された過剰電子の数を示すものであり、全
自由電子の数を示すものではない。図6(a)は図5
(a)に示した回路にさらにトンネル接合を追加し、二
つのトンネル接合を直列に接続する。トンネル接合は異
なる電圧領域でクーロン閉塞がおこり、電圧源の電圧に
対してアイランドに溜まる2通りの電子数が許される領
域があらわれる。例えば、図6(b)のV=V1 では、
アイランドに1個または2個の電子を安定に溜めること
ができる。このように二つのトンネル接合を用いた場
合、電子数に双安定領域が存在することは簡単な計算に
よって確かめることができる。Next, a case where the tunnel junction and the capacitor are connected in series to a voltage source as shown in FIG. 5A will be described. An electrically independent island can be formed by the tunnel junction and the capacitor. When the voltage of the voltage source is increased, the Coulomb blockage is released at a certain voltage, and one electron tunnels. At this time, one electron is supplied to the island, and the number of electrons changes. Therefore, as shown in FIG. 5B, the number of electrons accumulated in the island becomes stepwise with respect to the voltage of the voltage source. When no voltage is applied, the island is electrically neutral, and electrons are only tunneled to the island by one.
They are put in and out one by one. Here, the number of electrons indicates the number of excess electrons charged by the external circuit, and does not indicate the number of all free electrons. FIG. 6A shows FIG.
A tunnel junction is further added to the circuit shown in (a), and two tunnel junctions are connected in series. In the tunnel junction, Coulomb blockage occurs in different voltage regions, and there are regions where two types of electrons are allowed to accumulate in the island with respect to the voltage of the voltage source. For example, when V = V 1 in FIG.
One or two electrons can be stably stored in the island. When two tunnel junctions are used as described above, the existence of a bistable region in the number of electrons can be confirmed by a simple calculation.
【0006】次に、単一電子トンネリング効果を用いた
トランジスタについて説明する。これば図7(a)に示
すように、二つのトンネル接合に囲まれたアイランドに
コンデンサーを設け、このコンデンサーに電圧を加える
ことによってトランジスター動作させるものである。コ
ンデンサーに電圧を加えるとアイランド中の電荷分布が
変化し、図7(b)に示すI−V特性においてクーロン
閉塞によるしきい値電圧が変化する。また、クーロン閉
塞が起こっている点Aと解けている点Bを電圧Vgでス
イッチすることによって電流のスイッチングが可能とな
る。Next, a transistor using the single electron tunneling effect will be described. In this case, as shown in FIG. 7A, a capacitor is provided on an island surrounded by two tunnel junctions, and a transistor is operated by applying a voltage to the capacitor. When a voltage is applied to the capacitor, the charge distribution in the island changes, and in the IV characteristics shown in FIG. 7B, the threshold voltage due to Coulomb blockage changes. Further, by switching the point A where the Coulomb blockage has occurred and the point B where the Coulomb blockage has occurred with the voltage Vg, the current can be switched.
【0007】単一電子トンネリング効果素子は、微小な
トンネル接合において接合の静電容量が小さくなると電
子がトンネルするときの帯電エネルギーが大きくなり、
伝導に影響を与えることを利用する素子である。接合の
静電容量をCとすると帯電エネルギーはEc=e2 /2
Cとなり、このエネルギーが温度によるエネルギーの揺
らぎkT、あるいは量子力学的なエネルギーの揺らぎh
/CRよりも大きいときにその効果が顕著になる。その
ためには微小なトンネル接合を作って、Cの値を小さく
する必要がある。室温で動作を可能にするためにはおお
よそ1aFの接合容量を実現する必要がある。同時に接
合を介さない電極間の相互容量も単一電子トンネリング
効果素子の動作に影響を与える。このような容量は実効
的に接合容量に加わることになるので、電極間の相互容
量も接合容量自体と同程度かそれ以下に抑える必要があ
る。In a single electron tunneling effect element, when the capacitance of the junction is small in a small tunnel junction, the charging energy when electrons tunnel is increased.
It is an element that utilizes the effect on conduction. And charging energy capacitance of the junction and C is Ec = e 2/2
C, and this energy is the energy fluctuation kT due to temperature or the quantum mechanical energy fluctuation h
The effect becomes remarkable when it is larger than / CR. For that purpose, it is necessary to make a small tunnel junction and reduce the value of C. In order to enable operation at room temperature, it is necessary to realize a junction capacitance of about 1 aF. At the same time, the mutual capacitance between the electrodes without passing through the junction also affects the operation of the single electron tunneling effect element. Since such a capacitance effectively adds to the junction capacitance, the mutual capacitance between the electrodes must be suppressed to about the same as or less than the junction capacitance itself.
【0008】現在単一電子トンネリング効果素子の研究
はまだ実験室レベルにとどまっており、その動作温度も
人工的な構造物を用いた実験では1K以下にとどまって
いる。トンネル接合の作製方法としては以下に説明する
二つの方法が中心となっている。ひとつは図8に断面図
を示したような、金属を電極として、その酸化膜をトン
ネル障壁として用いるものである。酸化膜バリアの形成
の容易さから主にアルミニウム(Al)が材料として用
いられている。微小トンネル接合を形成するために、多
層レジストと電子ビーム露光を用いてブリッジ型の宙に
浮いたポリメチルメタクリレート(PMMA)レジスト
膜81を基板上に形成し、それに対して金属の蒸着を斜
めから行い、その表面を酸化してバリアを形成した後、
別の角度から蒸着を行ってブリッジの下で第一の蒸着膜
82と第二の蒸着膜83が重なって微小な接合をもつよ
うにする。電極は金属膜からなり、トンネルバリア84
は絶縁体である金属酸化膜からなる。At present, research on single-electron tunneling effect devices is still at the laboratory level, and its operating temperature is less than 1 K in experiments using artificial structures. Two methods described below are mainly used as a method for manufacturing a tunnel junction. One uses a metal as an electrode and an oxide film thereof as a tunnel barrier as shown in the sectional view of FIG. Aluminum (Al) is mainly used as a material because of ease of forming an oxide film barrier. In order to form a micro tunnel junction, a bridge-type floating polymethyl methacrylate (PMMA) resist film 81 is formed on a substrate using a multilayer resist and electron beam exposure, and metal deposition is performed diagonally on the resist. After oxidizing the surface to form a barrier,
Vapor deposition is performed from another angle so that the first vapor deposited film 82 and the second vapor deposited film 83 overlap under the bridge so as to have a small junction. The electrode is made of a metal film, and the tunnel barrier 84
Is made of a metal oxide film which is an insulator.
【0009】もう一つの方法は図9にその平面を示すよ
うにGaAs/AlGaAsのヘテロ接合界面やSiの
MOS反転層などに生じる半導体中の二次元電子ガス9
1を基板表面に蒸着したショットキーゲート92による
空乏化により空乏層93を形成することにより狭い領域
に閉じこめて、その領域間のトンネリングを利用する方
法である。空乏層93の幅はおよそ100nmのオーダ
ーでありそれ以下のサイズの閉じこめ領域の形を制御す
ることは難しい。ゲートにかける電圧によりトンネルバ
リア94の特性を変えることができるという特徴がある
が、その制御はゲート電圧に非常に敏感であり、実用上
多くの素子を動作させるには困難が予想されるうえにそ
のための配線が多数必要になりデメリットとなる。また
ゲート端子が電極の付近に配置されていることから浮遊
容量が大きくなり静電容量を減らすことが困難である。Another method is a two-dimensional electron gas 9 in a semiconductor generated at a GaAs / AlGaAs heterojunction interface or a Si MOS inversion layer, as shown in FIG.
In this method, a depletion layer 93 is formed by depletion of a Schottky gate 92 deposited on the surface of the substrate to form a depletion layer 93, thereby confining the depletion layer in a narrow region and utilizing tunneling between the regions. The width of the depletion layer 93 is on the order of about 100 nm, and it is difficult to control the shape of the confined region having a size smaller than 100 nm. The characteristic that the characteristics of the tunnel barrier 94 can be changed by the voltage applied to the gate is very sensitive to the gate voltage, and it is difficult to operate many elements in practical use. This requires a large number of wirings, which is disadvantageous. In addition, since the gate terminal is disposed near the electrode, the stray capacitance increases and it is difficult to reduce the capacitance.
【0010】いずれの方法とも厚い基板上に素子を形成
しているので、電極間の相互容量が基板の大きい誘電率
のために大きくなることが避けられない。[0010] In either method, since the element is formed on a thick substrate, it is inevitable that the mutual capacitance between the electrodes becomes large due to the large dielectric constant of the substrate.
【0011】前述したトンネルバリアを含む半導体接合
を有する電極対が形成された半導体素子については、特
願平6−23619号、特願平6−60437号(いず
れも本願出願時に未公開)として本願出願人の先願があ
る。The above-mentioned semiconductor devices in which an electrode pair having a semiconductor junction including a tunnel barrier is formed are disclosed in Japanese Patent Application Nos. Hei 6-23619 and Hei 6-60437 (both not disclosed at the time of filing the present application). There is a prior application of the applicant.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】単一電子トンネリング
効果素子はトンネル接合の静電容量とともに電極間の相
互容量がその動作に大きな影響を与える。素子を集積化
しようとして電極間の距離を近づけると相互容量はどん
どん大きくなり、素子の動作温度を低下させるだけでな
く、素子間の動作に相互作用が生じ、集積回路の設計を
困難なものとする。従来の単一電子トンネリング効果素
子は厚い基板上に素子を形成していたため、基板を介し
た電極間の相互容量が大きくなり集積化に難点がある。In the single electron tunneling effect element, the mutual capacitance between the electrodes as well as the capacitance of the tunnel junction greatly affects the operation. If the distance between the electrodes is shortened in an attempt to integrate the elements, the mutual capacitance will increase steadily, which not only lowers the operating temperature of the elements, but also causes interaction between the elements, making the design of integrated circuits difficult. I do. In the conventional single electron tunneling effect device, since the device is formed on a thick substrate, the mutual capacitance between the electrodes via the substrate increases, and there is a problem in integration.
【0013】本発明は、電極間容量を低減させた半導体
素子を提供することを目的とする。、本発明は低温状態
で動作させる半導体素子を提供することを目的とする。
本発明は、単一電子トンネリング効果素子の特性改善を
目的とする。本発明は、電極間容量の小さい半導体素子
を合理的に製造する方法を提供することを目的とする。An object of the present invention is to provide a semiconductor device with reduced interelectrode capacitance. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device which operates in a low temperature state.
An object of the present invention is to improve the characteristics of a single electron tunneling effect element. An object of the present invention is to provide a method for rationally manufacturing a semiconductor device having a small interelectrode capacitance.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明は、電極間の相互
容量を小さくし、素子の集積化を容易にすることを特徴
とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is characterized in that the mutual capacitance between electrodes is reduced to facilitate the integration of elements.
【0015】すなわち、本発明の第一の観点は、半導体
素子において、半導体材料により形成された枠と、この
枠の片面に形成された絶縁膜とを備え、この絶縁膜の表
面に半導体接合を有する電極対が形成されたことを特徴
とする。That is, a first aspect of the present invention is a semiconductor device including a frame formed of a semiconductor material, and an insulating film formed on one surface of the frame, and a semiconductor junction formed on a surface of the insulating film. Characterized in that an electrode pair is formed.
【0016】前記半導体材料は真性半導体であり、前記
半導体接合はトンネルバリアを含み、前記トンネルバリ
アは、温度条件により単一電子トンネリング効果を呈す
ることが望ましく、さらに、前記半導体材料は真性シリ
コンであり、前記絶縁膜は窒化シリコンであり、金属電
極はアルミニウムであることが望ましい。Preferably, the semiconductor material is an intrinsic semiconductor, the semiconductor junction includes a tunnel barrier, the tunnel barrier exhibits a single electron tunneling effect depending on temperature conditions, and the semiconductor material is intrinsic silicon. Preferably, the insulating film is made of silicon nitride, and the metal electrode is made of aluminum.
【0017】本発明の第二の観点は、半導体素子の製造
方法において、半導体基板上に絶縁膜を形成する第一工
程と、その絶縁膜を残して裏側からその半導体基板の一
部を取り除き半導体材料の枠に支持された絶縁膜を得る
第二工程と、その絶縁膜の表面に半導体接合を有する電
極対を形成する第三工程とを含むことを特徴とする。前
記第二工程と前記第三工程の工程順を入替えることがで
きる。According to a second aspect of the present invention, in a method of manufacturing a semiconductor device, a first step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, and removing a portion of the semiconductor substrate from the backside while leaving the insulating film. The method includes a second step of obtaining an insulating film supported by a frame of a material, and a third step of forming an electrode pair having a semiconductor junction on a surface of the insulating film. The order of the steps of the second step and the third step can be interchanged.
【0018】[0018]
【作用】半導体材料により形成された枠の片面にきわめ
て薄い絶縁膜を形成し、この絶縁膜の表面に半導体接合
を有する電極対を形成する。An extremely thin insulating film is formed on one surface of a frame made of a semiconductor material, and an electrode pair having a semiconductor junction is formed on the surface of the insulating film.
【0019】半導体材料には真性半導体(例えば真性シ
リコン)を用い、半導体接合には温度条件により単一電
子トンネリング効果を呈するトンネルバリアを含み、絶
縁膜は窒化シリコンで形成し、金属電極にはアルミニウ
ムを用いることができる。An intrinsic semiconductor (for example, intrinsic silicon) is used as a semiconductor material, a tunnel barrier which exhibits a single electron tunneling effect depending on temperature conditions is included in a semiconductor junction, an insulating film is formed of silicon nitride, and a metal electrode is aluminum. Can be used.
【0020】このように構成された半導体素子は、厚く
かつ誘電率の大きい基板が介在しないので電極間の相互
容量を減らすことができ、素子間の相互影響を少なくし
て集積化を容易にすることができ、低温状態で動作させ
ることができる。In the semiconductor device thus constructed, since there is no intervening substrate having a large thickness and a large dielectric constant, the mutual capacitance between the electrodes can be reduced, and the mutual influence between the devices is reduced to facilitate the integration. And can be operated in a low temperature state.
【0021】本発明による半導体素子は、第一工程で半
導体基板上に絶縁膜を形成し、第二工程でその絶縁膜を
残して裏側から半導体基板の一部を取り除き、半導体材
料の枠に支持された絶縁膜を形成し、第三工程でその絶
縁膜の表面に半導体接合を有する電極対を形成すること
によって製造される。先に形成された半導体接合をエッ
チング用薬剤から保護する覆いを設けることにより、第
二工程と第三工程の工程順を入れ替えることもできる。In the semiconductor device according to the present invention, an insulating film is formed on a semiconductor substrate in a first step, and a part of the semiconductor substrate is removed from the back side while leaving the insulating film in a second step, and the semiconductor element is supported on a frame of semiconductor material. It is manufactured by forming an insulating film thus formed, and forming an electrode pair having a semiconductor junction on the surface of the insulating film in a third step. By providing a cover for protecting the previously formed semiconductor junction from the etching agent, the order of the second step and the third step can be changed.
【0022】[0022]
【実施例】次に、本発明実施例を図面に基づいて説明す
る。図1は本発明実施例の構成を示す断面図である。本
発明実施例は、半導体材料により形成された枠11と、
この枠11の片面に形成された絶縁膜12とを備え、こ
の絶縁膜12の表面に半導体接合を有する電極対13が
形成される。本実施例では電極対13を動作させる温度
によって基板の絶縁性が必要であるので、前記半導体材
料には真性半導体を用いるが、低温で動作させるときは
半導体中のキャリアは動けなくなり絶縁化するので必ず
しも真性でなくてもよい。前記半導体接合はトンネルバ
リアを含む。このトンネルバリアは、温度条件により単
一電子トンネリング効果を呈するものであることが効果
的であるが、一般の半導体素子に応用してもその電極間
容量を低減することができる。また、前記半導体材料は
真性シリコンであり、前記絶縁膜は窒化シリコンであ
り、金属電極はアルミニウムであることが望ましい。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of the embodiment of the present invention. The embodiment of the present invention includes a frame 11 formed of a semiconductor material,
An insulating film 12 is formed on one side of the frame 11, and an electrode pair 13 having a semiconductor junction is formed on the surface of the insulating film 12. In the present embodiment, the insulating property of the substrate is required depending on the temperature at which the electrode pair 13 is operated. Therefore, an intrinsic semiconductor is used as the semiconductor material. However, when operating at a low temperature, carriers in the semiconductor cannot move and are insulated. It is not necessarily true. The semiconductor junction includes a tunnel barrier. It is effective that the tunnel barrier exhibits a single-electron tunneling effect depending on the temperature condition. However, even if the tunnel barrier is applied to a general semiconductor device, the capacitance between the electrodes can be reduced. Preferably, the semiconductor material is intrinsic silicon, the insulating film is silicon nitride, and the metal electrode is aluminum.
【0023】この図1に示す例では、枠11は真性半導
体基板により形成され、この真性半導体基板が裏からエ
ッチングされて絶縁膜12だけが残されメンブレン14
が形成されている。基板の厚さは0.3mm程度、絶縁
膜12の厚さは50nm程度とする。メンブレン14の
面積は電極対13の集積規模によって変える。電極対1
3の微細な部分はこのメンブレン14上に形成される。In the example shown in FIG. 1, the frame 11 is formed of an intrinsic semiconductor substrate, and this intrinsic semiconductor substrate is etched from the back, leaving only the insulating film 12 and the membrane 14.
Are formed. The thickness of the substrate is about 0.3 mm, and the thickness of the insulating film 12 is about 50 nm. The area of the membrane 14 varies depending on the scale of integration of the electrode pairs 13. Electrode pair 1
The fine portion 3 is formed on the membrane 14.
【0024】ここで、図2を参照して電極22間の相互
容量の大きさが基板21の厚さによってどう影響される
かをみてみると、基板21が電極22間の距離よりも厚
い場合に電極22間の実効的な誘電率は基板21の誘電
率をεとすると(1+ε)/2となるが、基板が薄い場
合にはだんだん真空の誘電率1に近づく、そのため電極
間の相互容量を減らすには基板21を薄くすることが望
ましい。Here, referring to FIG. 2, how the magnitude of the mutual capacitance between the electrodes 22 is affected by the thickness of the substrate 21 will be described. The effective dielectric constant between the electrodes 22 is (1 + ε) / 2 when the dielectric constant of the substrate 21 is ε. However, when the substrate is thin, the dielectric constant gradually approaches a vacuum dielectric constant of 1, so that the mutual capacitance between the electrodes becomes large. It is desirable to reduce the thickness of the substrate 21 in order to reduce the thickness.
【0025】図2(a)は従来例における厚い基板21
上に半導体素子が形成されたもので、(b)は本発明実
施例における薄いメンブレン上に半導体素子が形成され
たものである。これを比較してみると本発明実施例では
電極間の相互容量が減らされたことがわかる。FIG. 2A shows a conventional thick substrate 21.
(B) shows a semiconductor device formed on a thin membrane according to the embodiment of the present invention. Comparing this, it can be seen that in the example of the present invention, the mutual capacitance between the electrodes was reduced.
【0026】次に、本発明実施例半導体素子の製造方法
について説明する。本発明による半導体素子は、枠11
となる半導体基板上に絶縁膜12を形成する第一工程
と、その絶縁膜12を残して裏側からその半導体基板の
一部を取り除き半導体材料の枠11に支持された絶縁膜
12を得る第二工程と、その絶縁膜12の表面に半導体
接合を有する電極対13を形成する第三工程とにより製
造される。前記第二工程と前記第三工程の工程順を入替
えることもできる。Next, a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the present invention has a frame 11
A first step of forming an insulating film 12 on a semiconductor substrate to be formed, and a second step of removing a part of the semiconductor substrate from the back side while leaving the insulating film 12 to obtain an insulating film 12 supported by a frame 11 of a semiconductor material. It is manufactured by a process and a third process of forming an electrode pair 13 having a semiconductor junction on the surface of the insulating film 12. The order of the second step and the third step may be changed.
【0027】ここで、図3を参照してその製造方法を具
体的に説明する。まず同図(a)に示すように、真性半
導体のi型Si基板32上にCVDによりSiN膜31
を厚さ50nmつける。次に、i型Si基板32の裏面
にポジ型のフォトレジスト33を2μmの厚さで塗布
し、紫外線露光を行った後現像する。フォトレジスト3
3はアセトンで洗い流す。次に硝酸中でSi基板をエッ
チングする。SiNよりSiのエッチング速度の方が速
いため、同図(b)に示すようなメンブレン14を形成
することができる。次に表側から従来例で説明した方法
を用いてAl/AlOx/Alの微小トンネル接合から
なる単一電子トンネリング効果素子をメンブレン14上
に形成する。Here, the manufacturing method will be specifically described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 1A, a SiN film 31 is formed on an intrinsic semiconductor i-type Si substrate 32 by CVD.
With a thickness of 50 nm. Next, a positive photoresist 33 is applied to the back surface of the i-type Si substrate 32 with a thickness of 2 μm, and is developed after being exposed to ultraviolet rays. Photoresist 3
3 washes away with acetone. Next, the Si substrate is etched in nitric acid. Since the etching rate of Si is higher than that of SiN, it is possible to form the membrane 14 as shown in FIG. Next, a single-electron tunneling effect element composed of a small tunnel junction of Al / AlOx / Al is formed on the membrane 14 from the front side using the method described in the conventional example.
【0028】すなわち、多層レジストと電子ビーム露光
を用いてブリッジ型の宙に浮いたポリメチルメタクリレ
ート(PMMA)レジスト膜34をi型Si基板32の
表面のSiN膜31上に形成し、金属の蒸着を斜めから
行い、その表面を酸化させて、トンネルバリア38を形
成した後に、別の角度から蒸着を行ってブリッジの下で
第一の電極35と第二の電極36とが重なって微小な接
合をもつようにする。この単一電子トンネリング効果素
子の形成は、従来例において図9を用いて説明した別の
方法によっても行うことができる。That is, using a multilayer resist and electron beam exposure, a bridge-type floating polymethyl methacrylate (PMMA) resist film 34 is formed on the SiN film 31 on the surface of the i-type Si substrate 32, and metal is deposited. Is performed obliquely, the surface thereof is oxidized to form a tunnel barrier 38, and then vapor deposition is performed from another angle, so that the first electrode 35 and the second electrode 36 overlap under the bridge to form a small junction. So that This single electron tunneling effect element can be formed by another method described with reference to FIG. 9 in the conventional example.
【0029】第一の電極35および第二の電極36が形
成された後は、図3(d)に示すように、PMMAレジ
スト膜34および余分な蒸着膜をアセトンでリフトオフ
して取除く。After the formation of the first electrode 35 and the second electrode 36, as shown in FIG. 3D, the PMMA resist film 34 and excess vapor-deposited film are lifted off with acetone and removed.
【0030】前述の基板をくり抜く工程で、メンブレン
14の背面に基板の一部が残ることがあっても実用的に
問題はないが、完全に除去されたほうが効果的である。
また、くり抜く工程は電極を付けてからでもよいが、基
板の裏をエッチングする際に酸により表面の電極を損な
わないようにするためには後の工程で行うほうが望まし
い。Although there is no practical problem if a part of the substrate remains on the back surface of the membrane 14 in the above-mentioned step of hollowing out the substrate, it is more effective to completely remove the substrate.
The hollowing step may be performed after the electrodes are attached. However, it is preferable to perform the hollowing step in a later step in order to prevent the acid from damaging the surface electrodes when etching the back surface of the substrate.
【0031】[0031]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板上に絶縁膜を形成したのち素子領域部分のみを基板の
裏からエッチングして絶縁体のメンブレンを形成し、そ
の上に金属蒸着膜からなる電極とその表面酸化膜とをト
ンネルバリアとして挟み、対向する金属蒸着膜からなる
電極を形成することにより、電極間の相互容量が小さい
単一電子トンネリング効果素子を製造することができ、
その集積化を容易にすることができる効果がある。As described above, according to the present invention, after an insulating film is formed on a substrate, only an element region is etched from the back of the substrate to form an insulating membrane, and metal deposition is performed thereon. By sandwiching the electrode composed of the film and the surface oxide film as a tunnel barrier and forming the electrode composed of the opposed metal vapor-deposited film, a single electron tunneling effect element having a small mutual capacitance between the electrodes can be manufactured.
There is an effect that the integration can be facilitated.
【図1】本発明実施例の構成を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of an embodiment of the present invention.
【図2】(a)は従来例における厚い基板上に作られた
半導体素子の作用を説明する模式図、(b)は本発明実
施例における薄いメンブレン上に作られた半導体素子の
作用を説明する模式図。FIG. 2A is a schematic diagram illustrating the operation of a semiconductor device formed on a thick substrate in a conventional example, and FIG. 2B illustrates the operation of a semiconductor device formed on a thin membrane in an embodiment of the present invention. FIG.
【図3】(a)〜(d)は本発明実施例における製造方
法を説明する断面図。FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views illustrating a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
【図4】(a)は従来例における一つのトンネル接合を
電圧源によってバイアスされている状態を示す図、
(b)はその電流電圧特性図。FIG. 4A is a diagram showing a state in which one tunnel junction in a conventional example is biased by a voltage source;
(B) is a current-voltage characteristic diagram.
【図5】(a)は従来例におけるトンネル接合とコンデ
ンサーを直列に接続し、電圧源によってバイアスされて
いる状態を示す図、(b)はそのトンネル接合とコンデ
ンサーによって囲まれた独立した電極に蓄えられる電子
の数を印加電圧に対して示した図。5A is a diagram showing a state in which a tunnel junction and a capacitor in a conventional example are connected in series and biased by a voltage source, and FIG. 5B is a diagram showing an independent electrode surrounded by the tunnel junction and the capacitor. The figure which showed the number of stored electrons with respect to applied voltage.
【図6】(a)は従来例における二つの直列に接続した
トンネル接合とコンデンサーが電圧源によってバイアス
されている状態を示す図、(b)はそのトンネル接合と
コンデンサーによって囲まれた独立した電極に蓄えられ
る電子数を印加電圧に対して示した図。FIG. 6 (a) is a diagram showing a state in which two serially connected tunnel junctions and a capacitor in a conventional example are biased by a voltage source, and FIG. 6 (b) is an independent electrode surrounded by the tunnel junction and the capacitor. FIG. 3 is a diagram showing the number of electrons stored in the memory with respect to an applied voltage.
【図7】(a)は従来例におけるリカレフらが提案した
単一電子トランジスタの構成を示す図、(b)はそのゲ
ート電圧に対する電流電圧特性の変化を示した図。7A is a diagram showing a configuration of a single electron transistor proposed by Rikarev et al. In a conventional example, and FIG. 7B is a diagram showing a change in current-voltage characteristics with respect to a gate voltage.
【図8】従来例における金属蒸着膜を用いた微小トンネ
ル接合の状態を示す断面図。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state of a minute tunnel junction using a metal deposition film in a conventional example.
【図9】従来例における半導体二次元電子ガスとショッ
トキーゲートを用いた微小トンネル接合の状態を示す平
面図。FIG. 9 is a plan view showing a state of a minute tunnel junction using a semiconductor two-dimensional electron gas and a Schottky gate in a conventional example.
11 枠(真性半導体基板) 12 絶縁膜 13 電極対 14 メンブレン 21 基板 22 電極 23 トンネル接合 31 SiN膜 32 i型Si基板 33 フォトレジスト 34、81 PMMAレジスト膜 35 第一の電極 36 第二の電極 37、85 酸化アルミニウム膜 38、84、94 トンネルバリア 82 第一の蒸着膜 83 第二の蒸着膜 86 Si基板 91 二次元電子ガス 92 ショットキーゲート 93 空乏層 Reference Signs List 11 frame (intrinsic semiconductor substrate) 12 insulating film 13 electrode pair 14 membrane 21 substrate 22 electrode 23 tunnel junction 31 SiN film 32 i-type Si substrate 33 photoresist 34, 81 PMMA resist film 35 first electrode 36 second electrode 37 , 85 aluminum oxide film 38, 84, 94 tunnel barrier 82 first deposited film 83 second deposited film 86 Si substrate 91 two-dimensional electron gas 92 Schottky gate 93 depletion layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 49/00 H01L 29/88 Z ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01L 49/00 H01L 29/88 Z
Claims (6)
枠の片面に形成された絶縁膜とを備え、この絶縁膜の表
面に半導体接合を有する電極対が形成されたことを特徴
とする半導体素子。1. A semiconductor comprising: a frame formed of a semiconductor material; and an insulating film formed on one surface of the frame, wherein an electrode pair having a semiconductor junction is formed on a surface of the insulating film. element.
項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor material is an intrinsic semiconductor.
請求項1または2記載の半導体素子。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor junction includes a tunnel barrier.
単一電子トンネリング効果を呈する請求項3記載の半導
体素子。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the tunnel barrier exhibits a single electron tunneling effect depending on a temperature condition.
前記絶縁膜は窒化シリコンであり、金属電極はアルミニ
ウムである請求項3または4記載の半導体素子。 【請求項5】 半導体基板上に絶縁膜を形成する第一工
程と、その絶縁膜を残して裏側からその半導体基板の一
部を取り除き半導体材料の枠に支持された絶縁膜を得る
第二工程と、その絶縁膜の表面に半導体接合を有する電
極対を形成する第三工程とを含む半導体素子の製造方
法。5. The semiconductor material is intrinsic silicon,
5. The semiconductor device according to claim 3, wherein said insulating film is silicon nitride, and said metal electrode is aluminum. 5. A first step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, and a second step of removing a part of the semiconductor substrate from the back side while leaving the insulating film to obtain an insulating film supported by a frame of a semiconductor material. And a third step of forming an electrode pair having a semiconductor junction on the surface of the insulating film.
入替えた請求項5記載の半導体素子の製造方法。6. The method according to claim 5, wherein the order of the second step and the third step is changed.
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