JP2000138371A - Semiconductor device - Google Patents
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Landscapes
- Thin Film Transistor (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電気的に量子細線を形成できる半導体装置を提
供すること。
【解決手段】ソ−ス領域101、チャネル領域104、
ドレイン領域102からなり、チャネル領域104上に
ゲート電極103を有するMIS型半導体装置を作製す
る。チャネル領域104の両側にトレンチ構造を設け、
第2ゲート電極106a、106bを形成する。ゲート
電極103に正電圧を印可した状態で、第2ゲ−ト電極
106に所定の負電圧を印可する。ゲート電極103の
電圧によって生じた反転層110が、第2ゲート電極1
06a、106bの負電圧によって形成される空乏層1
08a、108bの拡大により収縮し、反転層が量子細
線107となる。また、両第2ゲート電極106a、1
06bに印可する電圧差によって、その量子細線107
の位置が制御される。これにより、チャネル領域104
内にトンネル接合が形成され、単電子制御が可能な半導
体装置となる。
(57) [Problem] To provide a semiconductor device capable of electrically forming a quantum wire. A source region, a channel region,
An MIS semiconductor device including the drain region 102 and having the gate electrode 103 over the channel region 104 is manufactured. Providing a trench structure on both sides of the channel region 104,
Second gate electrodes 106a and 106b are formed. While a positive voltage is applied to the gate electrode 103, a predetermined negative voltage is applied to the second gate electrode 106. The inversion layer 110 generated by the voltage of the gate electrode 103 forms the second gate electrode 1
Depletion layer 1 formed by negative voltages of transistors 06a and 106b
It contracts due to the expansion of 08a and 108b, and the inversion layer becomes the quantum wire 107. Further, both the second gate electrodes 106a, 1
06b by the voltage difference applied to the quantum wire 107b.
Is controlled. Thereby, the channel region 104
A tunnel junction is formed inside the semiconductor device, and the semiconductor device can be controlled by a single electron.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、チャネル領域の反
転層を細線化した電界効果トランジスタに関する。特に
量子細線あるいは量子ドット構造を空乏層により形成
し、単電子制御を可能とする半導体装置に関する。本発
明は、例えば、消費電力の極めて小さいトランジスタと
することができる。又、単電子の有無を論理上の1,0
とする単電子メモリに適用できる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor having a thin inversion layer in a channel region. In particular, the present invention relates to a semiconductor device in which a quantum wire or quantum dot structure is formed by a depletion layer to enable single-electron control. According to the present invention, for example, a transistor with extremely low power consumption can be provided. Also, the presence or absence of a single electron is logically determined to be 1,0.
And a single-electron memory.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば、MOS型電界効果トランジスタ
は、ゲ−ト電圧による電界効果によって、絶縁膜と半導
体との界面の電気伝導率を変化させ、ソース領域・ドレ
イン領域間を流れる電流(多数キャリア)を制御するも
のである。これは、多大な発熱を伴うものである。近年
では、半導体製造技術の進展により、ナノオーダースケ
ールすなわち電子の量子力学的振る舞いを可能とする量
子ドットあるいは量子細線の製作が可能となっている。
例えば、1個の電子を制御する単電子トランジスタがそ
れである。図6に伝導体島(量子ドット)を利用した基
本的な単電子トランジスタの等価回路を、図8、9に量
子細線を利用したそれを示す。尚、量子細線を利用した
単電子トランジスタは、量子細線中に発生する量子ドッ
トを利用して、極少数の電子しか伝導しないため、ほと
んど発熱を伴うことがない。よって、省電力に極めて優
れた電子デバイスとして期待されている。2. Description of the Related Art For example, in a MOS type field effect transistor, the electric conductivity at an interface between an insulating film and a semiconductor is changed by an electric field effect caused by a gate voltage, and a current (a majority carrier) flowing between a source region and a drain region. ) Is controlled. This is accompanied by a great deal of heat. In recent years, advances in semiconductor manufacturing technology have enabled the production of quantum dots or quantum wires that enable nanometer-scale, ie, quantum mechanical behavior of electrons.
For example, it is a single-electron transistor that controls one electron. FIG. 6 shows an equivalent circuit of a basic single-electron transistor using a conductor island (quantum dot), and FIGS. 8 and 9 show that using a quantum wire. Note that a single-electron transistor using a quantum wire uses a quantum dot generated in the quantum wire to conduct only a small number of electrons, and thus hardly generates heat. Therefore, it is expected as an electronic device which is extremely excellent in power saving.
【0003】図6に示すように、単電子トランジスタは
2個の微小トンネル接合10、20とそれに挟まれた1
0nmスケールの伝導体島30、および伝導体島の電位
を制御するゲート容量40から構成されている。微小ト
ンネル接合は、図7に模式的に示す金属・絶縁物・金属
の構造からなる金属接合であり、その容量は例えばT=
1Kにおいて10-15 F程度、室温においては10 -18
Fと極めて小さい量であることが必要である。この接合
容量Cは、次の電子のトンネリング条件から決定され
る。As shown in FIG. 6, a single-electron transistor has two small tunnel junctions 10 and 20 and one small tunnel junction 1
It is composed of a conductive island 30 of 0 nm scale and a gate capacitor 40 for controlling the potential of the conductive island. The minute tunnel junction is a metal junction having a metal-insulator-metal structure schematically shown in FIG.
About 10 -15 F at 1K, 10 -18 F at room temperature
It is necessary that the amount be as small as F. The junction capacitance C is determined from the next electron tunneling condition.
【0004】[0004]
【数1】 EF +KB T/2<EF −KB T/2+△E ,△E=e2 /2C (1) ここに、EF はフェルミエネルギ−、KB はボツルマン
定数8.62×10-5(eV/K)、Tは絶対温度、e
は電気素量1.6×10-19 クーロン、Cはトンネル接
合容量、Tは絶対温度である。(1)式を書き換える
と、[Number 1] E F + K B T / 2 <E F -K B T / 2 + △ E, △ E = e 2 / 2C (1) Here, E F is the Fermi energy -, K B is Botsuruman constant 8. 62 × 10 −5 (eV / K), T is absolute temperature, e
Is the elementary charge of 1.6 × 10 −19 coulomb, C is the tunnel junction capacity, and T is the absolute temperature. Rewriting equation (1),
【0005】[0005]
【数2】 KB T<△E=e2 /2C (2) となり、これより絶対温度Tにおける単電子トランジス
タが動作するのに必要な接合容量Cが決定される。[Number 2] K B T <△ E = e 2 / 2C (2) , and the From this junction capacitance C necessary for single-electron transistor operates at an absolute temperature T is determined.
【0006】単電子トランジスタにおいて、電子が1個
から数個しか伝導しないのは、トンネル接合のクーロン
閉塞と呼ばれる現象のためである。上述のように、電子
がトンネル接合部を通り抜ける場合、トンネル接合には
帯電エネルギ−変化を伴う。言い換えれば、帯電エネル
ギー変化を与えられない電子は、通り抜ける事ができな
い。この帯電効果により、電流が流れにくくなる現象が
クーロンブロケードあるいはクーロン閉塞と呼ばれる。[0006] In a single-electron transistor, only one to a few electrons are conducted due to a phenomenon called Coulomb blockage of a tunnel junction. As described above, when electrons pass through the tunnel junction, the tunnel junction involves a change in charging energy. In other words, electrons that cannot be given a change in charging energy cannot pass through. The phenomenon that the current hardly flows due to the charging effect is called Coulomb brocade or Coulomb blockage.
【0007】簡単に説明するため、図7に示す1個のト
ンネル接合を想定する。予めトンネル接合部に電荷qが
存在し、その上に僅かな電圧が印加され、例えば、電荷
qの中から、1個の電子がトンネルした場合を考える。
トンネル前の帯電エネルギ−は、1/2C・q2 ,トン
ネル後のそれは1/2C・(q−e)2 である。よっ
て、トンネル前後の接合の帯電エネルギ−変化は、△E
=e(e/2−q)/C、すなわち△E=e(e/2C
−V)となる。また、 この時、(2)式のクーロン閉
塞する条件△E>KB Tより、e(e/2C−V)>K
B Tとなる。[0007] For simplicity, assume a single tunnel junction as shown in FIG. Consider a case in which an electric charge q exists in the tunnel junction in advance, and a slight voltage is applied thereon, and, for example, one electron tunnels out of the electric charge q.
The charging energy before the tunnel is 1/2 C · q 2 , and that after the tunnel is 1/2 C · (q−e) 2 . Therefore, the charging energy change of the junction before and after the tunnel is ΔE
= E (e / 2−q) / C, that is, ΔE = e (e / 2C
−V). At this time, (2) from the condition △ E> K B T to Coulomb blockage of formula, e (e / 2C-V )> K
BT .
【0008】これは、十分低温の場合は、e(e/2C
−V)>KB T≒0となり、トンネル接合にかけられる
電圧Vがe/2C近傍以下であるとクーロン閉塞が起こ
りトンネル電流は流れず、電圧e/2C近傍を越える時
のみトンネル電流が流れることを示している。このよう
に接合容量の極めて小さいトンネル接合には、帯電効果
により電圧e/2C近傍を境に、電流が断続されるクー
ロンブロケード現象が発生する。この現象を利用するこ
とにより、単電子が制御される。When the temperature is sufficiently low, e (e / 2C
-V)> K B T ≒ 0 becomes the voltage V applied to the tunnel junction is less than near e / 2C occur Coulomb blockage tunnel current does not flow, it is seen tunneling current when exceeding the vicinity of the voltage e / 2C flows Is shown. In such a tunnel junction having an extremely small junction capacitance, a Coulomb brocade phenomenon in which the current is intermittently occurs around the voltage e / 2C due to the charging effect. By utilizing this phenomenon, a single electron is controlled.
【0009】単電子トランジスタにおける微小トンネル
接合は1個でなく、2個又はそれ以上である。その役割
は、量子ドットを連結させることである。単電子トラン
ジスタでは、量子ドットの電位制御するためゲート容量
を介してゲート電極を接続し、ゲート電圧の変化によっ
て、ソース、微小トンネル接合、量子ドット、微小トン
ネル接合、ドレインの電子伝導を制御する。この場合、
微小トンネル接合のためにクーロンブッロクゲートが起
きたり起きなかったりして単電子制御が実現する。[0009] The number of minute tunnel junctions in a single-electron transistor is not one, but two or more. Its role is to link the quantum dots. In a single-electron transistor, a gate electrode is connected via a gate capacitor to control the potential of a quantum dot, and the change in the gate voltage controls the electron conduction of a source, a small tunnel junction, a quantum dot, a small tunnel junction, and a drain. in this case,
Coulomb block gates may or may not occur due to the small tunnel junction, thereby achieving single-electron control.
【0010】図8にシリコン量子細線を利用した単電子
トランジスタの構造を、図9にその等価回路を示す。動
作原理は、図6の単電子トランジスタと同等である。シ
リコン量子細線50を製造する場合、その製造過程にお
いて不純物の混入、細線幅のくびれ、界面準位の揺らぎ
等が不可避的に発生し、微視的にはそれらが基となって
複数のトンネル接合60、70、80等が形成されてい
る。この時も同様に、ゲート電極に電圧が印加される
と、ソース電極に接続されたソース不純物濃度層から単
電子が、微小トンネル接合および伝導体島を順次移動
し、ドレイン電極に接続されたドレイン不純物層に至
る。このようにして、量子細線を形成しても単電子トラ
ンジスタが実現される。FIG. 8 shows a structure of a single-electron transistor using a silicon quantum wire, and FIG. 9 shows an equivalent circuit thereof. The operating principle is the same as that of the single electron transistor of FIG. In the case of manufacturing the silicon quantum wires 50, incorporation of impurities, narrowing of the width of the thin wires, fluctuation of the interface state, and the like are inevitably generated in the manufacturing process. 60, 70, 80, etc. are formed. Similarly, at this time, when a voltage is applied to the gate electrode, single electrons from the source impurity concentration layer connected to the source electrode sequentially move through the minute tunnel junction and the conductive island, and the drain connected to the drain electrode. Reaches the impurity layer. In this way, a single-electron transistor is realized even if a quantum wire is formed.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
量子細線を利用した単電子トランジスタでは、大きさと
位置が制御され、加工損傷のない品質のよい量子ドット
が量子細線中に作成される必要がある。それには、垂直
方向のみならず水平方向にもオングストロームオーダの
製造技術が必要とされ、必ずしも安価なデバイスとはな
らなかった。また、トンネル接合および伝導体島は偶然
性によって発現するものであり、その位置と数は制御さ
れて、再現性よく作成されるものではなかった。従っ
て、確実に単電子トランジスタが作成できるものではな
かった。However, in the single-electron transistor using the quantum wire described above, it is necessary to control the size and position and to produce a high-quality quantum dot in the quantum wire without processing damage. . For that purpose, the manufacturing technology of the angstrom order was required not only in the vertical direction but also in the horizontal direction, and the device was not always inexpensive. In addition, the tunnel junction and the conductor island are manifested by chance, and their positions and numbers are controlled and cannot be produced with good reproducibility. Therefore, a single-electron transistor cannot be reliably produced.
【0012】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、電界効果トランジスタを用いた単電子
制御を可能とするデバイスにおいて、チャネル領域の側
面に電圧を印加することにより反転層の両側に空乏層を
電気的に形成することで細線化された反転層を得ること
である。さらに、細線化された反転層の幅や位置を印加
電圧の大きさで制御することで、確実に単電子トランジ
スタを発現させ、単電子制御を可能とする半導体装置を
提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. In a device which enables single-electron control using a field-effect transistor, a voltage is applied to a side surface of a channel region to form an inversion layer. The purpose is to obtain a thinned inversion layer by electrically forming depletion layers on both sides. It is still another object of the present invention to provide a semiconductor device in which a single-electron transistor is surely developed by controlling the width and position of the thinned inversion layer by the magnitude of an applied voltage, thereby enabling single-electron control.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段および作用】この目的を達
成するために、本発明は、ソ−ス領域、チャネル領域、
ドレイン領域を有する半導体装置であって、ゲ−ト電極
に印加された電圧によってチャネル領域に発生する反転
層を制御し、前記ドレイン領域ソース領域間を流れる電
流を制御する電界効果半導体装置において、チャネル領
域の側面に、電子の流れる方向に平行に第2ゲート電極
を設け、該第2ゲート電極に所定の電圧を印加すること
により前記チャネル領域の空乏層を拡大することで前記
反転層の幅を細線化したことを特徴とする。To achieve this object, the present invention provides a source region, a channel region,
A field-effect semiconductor device having a drain region, wherein a voltage applied to a gate electrode controls an inversion layer generated in a channel region to control a current flowing between the drain region and the source region. A second gate electrode is provided on a side surface of the region in parallel with a direction in which electrons flow, and a predetermined voltage is applied to the second gate electrode to expand a depletion layer of the channel region, thereby reducing a width of the inversion layer. It is characterized by thinning.
【0014】又、他の発明は、第2ゲート電極は、表面
から深さ方向に形成されたトレンチに形成されているこ
とを特徴とし、さらに、他の発明は、第2ゲート電極
は、露出されたチャネル領域の側壁に形成されているこ
とを特徴とする。又、他の発明は、ゲート電極、第2ゲ
ート電極は、チャネル領域に対して絶縁層を介して形成
されていることを特徴とし、さらに、他の発明は、第2
ゲートに印加される電圧の大きさにより細線化された反
転層の形成位置を制御することを特徴とする。又、他の
発明は、第2ゲートに印加される電圧の大きさにより細
線化された反転層の形成位置を制御することで、その反
転層上に微小トンネル接合が形成された単キャリアトラ
ンジスタを得ることを特徴とする。According to another aspect of the present invention, the second gate electrode is formed in a trench formed in a depth direction from a surface, and in another aspect of the invention, the second gate electrode is exposed. Characterized in that it is formed on the side wall of the channel region formed. Further, another invention is characterized in that the gate electrode and the second gate electrode are formed via an insulating layer with respect to the channel region.
The position of forming the thinned inversion layer is controlled by the magnitude of the voltage applied to the gate. Another invention provides a single carrier transistor in which a fine tunnel junction is formed on the inversion layer by controlling the position of the thinned inversion layer by controlling the voltage applied to the second gate. It is characterized by obtaining.
【0015】[0015]
【発明の作用及び効果】ゲート電極に電圧を印加する
と、チャネル領域には電流の経路となる反転層が形成さ
れ、ドレイン領域・ソース領域間には電流が流れる。第
2ゲート電極は反転層の流路に平行に反転層の側面に設
けられている。このため、この反転層が形成された状態
で、さらに上記第2ゲート電極に所定の電圧が印加され
ると、電界効果によって第2ゲート電極側から反転層の
幅を押し縮める形でチャネル内に空乏層が形成される。
この空乏層の大きさが第2ゲート電極に印加する電圧の
大きさで制御できる。よって、反転層を細線状とするこ
とが可能となる。第2ゲート電極は望ましくは反転層の
両側に形成することで、反転層の両側に空乏層を拡張さ
せて効率良く反転層を細線化することが可能となる。When a voltage is applied to the gate electrode, an inversion layer serving as a current path is formed in the channel region, and a current flows between the drain region and the source region. The second gate electrode is provided on the side surface of the inversion layer in parallel with the flow path of the inversion layer. Therefore, when a predetermined voltage is further applied to the second gate electrode in a state where the inversion layer is formed, the width of the inversion layer is reduced from the second gate electrode side into the channel by the electric field effect. A depletion layer is formed.
The size of the depletion layer can be controlled by the magnitude of the voltage applied to the second gate electrode. Therefore, it is possible to make the inversion layer into a fine line shape. The second gate electrode is desirably formed on both sides of the inversion layer, so that the depletion layer is extended on both sides of the inversion layer, and the inversion layer can be efficiently thinned.
【0016】この第2ゲート電極を基板に垂直、即ち、
深さ方向に形成されたトレンチに形成することで、反転
層を効率良く細線化することができる。又、チャネル領
域の露出した側面に第2ゲート電極を形成しても、同様
に、反転層を効率良く細線化することができる。The second gate electrode is perpendicular to the substrate, ie,
By forming the inversion layer in the trench formed in the depth direction, the inversion layer can be efficiently thinned. Further, even if the second gate electrode is formed on the exposed side surface of the channel region, the inversion layer can be similarly efficiently thinned.
【0017】又、ゲート電極、第2ゲート電極は絶縁膜
上に形成された、所謂MIS型とすることで、容易に形
成することが可能となる。その他、金属を半導体に蒸着
して、ショットキー接合によるゲート電極を形成しても
良い。Also, the gate electrode and the second gate electrode can be easily formed by using a so-called MIS type formed on an insulating film. Alternatively, a gate electrode may be formed by Schottky junction by depositing a metal on a semiconductor.
【0018】これらの半導体装置においては、第2ゲー
ト電極に印加する電圧を制御することで、細線化された
反転層の幅、又は、位置、又は、幅と位置とを制御する
ことができる。例えば、チャネル領域をp型、ソース領
域とドレイン領域とをn型とすれば、反転層はn型とな
り、キャリアは電子となる。この素子において、ゲート
電極を正電位、第2ゲート電極を負電位、ソース領域を
アース電位、ドレイン領域に正電位を印加することで、
チャネル領域の表面に反転層が形成される。反転層はn
型、周囲はp型であるので、反転層の流路に平行な境界
において空乏層がn型の反転層に両側から拡大し、反転
層を細線化することができる。In these semiconductor devices, by controlling the voltage applied to the second gate electrode, the width or position or the width and position of the thinned inversion layer can be controlled. For example, if the channel region is p-type and the source and drain regions are n-type, the inversion layer is n-type and the carriers are electrons. In this element, by applying a positive potential to the gate electrode, a negative potential to the second gate electrode, a ground potential to the source region, and a positive potential to the drain region,
An inversion layer is formed on the surface of the channel region. Inversion layer is n
Since the type and the periphery are p-type, the depletion layer expands from both sides to the n-type inversion layer at the boundary parallel to the flow path of the inversion layer, and the inversion layer can be thinned.
【0019】量子細線中には、多数の量子ドットが分布
しており、この量子ドットがトンネル接合と結合する
と、上記半導体装置は、単キャリアトランジスタとな
る。すなわち、製造後であっても、量子細線位置の電気
的制御によって、単キャリアトランジスタを簡単に形成
することができる。A large number of quantum dots are distributed in a quantum wire, and when these quantum dots are combined with a tunnel junction, the semiconductor device becomes a single carrier transistor. That is, even after manufacturing, a single-carrier transistor can be easily formed by electrically controlling the position of the quantum wire.
【0020】本願発明では、物理的な加工により量子細
線や量子ドットを得たものではなく、印加電圧による空
乏層により量子細線や量子ドットを得ているため、製造
がより簡単になると共により確実にそれらを形成するこ
とができる。よって、第2ゲート電極に印加する電圧に
よって、通常の電流から単キャリアまで制御可能な半導
体装置となる。また、その製造コストも安価となる。In the present invention, quantum wires and quantum dots are not obtained by physical processing, but quantum wires and quantum dots are obtained by a depletion layer by an applied voltage. Therefore, the manufacturing becomes simpler and more reliable. They can be formed into Therefore, the semiconductor device can be controlled from a normal current to a single carrier by a voltage applied to the second gate electrode. Also, the manufacturing cost is reduced.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】(第1実施例)以下、本発明の実
施例を図面に基づいて説明する。図1に本実施形態の構
成を上面図で、図2にその内部構成を断面図で示す。切
断面は、図1の直線AA’である。本発明の半導体装置
は、MIS型トランジスタの1種であり、ボロンを10
17/cm3 含有したp型シリコン基板100上に、ソー
ス領域101、チャンネル領域104、ドレイン領域1
02が形成され、チャネル領域104上には、絶縁膜で
あるゲート酸化膜105a、さらにその上にゲート電極
103が形成されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a top view illustrating the configuration of the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the internal configuration thereof. The cut surface is a straight line AA ′ in FIG. The semiconductor device of the present invention is a kind of MIS type transistor, and boron is 10%.
A source region 101, a channel region 104, and a drain region 1 are formed on a p-type silicon substrate 100 containing 17 / cm 3.
02, a gate oxide film 105a, which is an insulating film, is formed on the channel region 104, and a gate electrode 103 is formed thereon.
【0022】ソース領域101、ドレイン領域102
は、例えば砒素のイオン注入によって形成されたn型層
であり、その不純物濃度は1×1016〜5×1019/c
m3 である。チャンネル領域はシリコン基板100と同
等のp型層であり、その不純物濃度は約1×1016/c
m3 である。すなわちn型MOS電界効果トランジスタ
である。Source region 101, drain region 102
Is an n-type layer formed by, for example, arsenic ion implantation, and has an impurity concentration of 1 × 10 16 to 5 × 10 19 / c.
m is 3. The channel region is a p-type layer equivalent to the silicon substrate 100, and has an impurity concentration of about 1 × 10 16 / c
m is 3. That is, it is an n-type MOS field effect transistor.
【0023】また、ゲート酸化膜105aは、例えば酸
素雰囲気中で約1000℃で熱処理することで得られ、
その厚さは約30nmである。また、その上に形成され
るゲ−ト電極103は、例えば、リンが高濃度にドープ
されたポリシリコンであり、それらはCVD等で得られ
る。The gate oxide film 105a is obtained by heat treatment at about 1000 ° C. in an oxygen atmosphere, for example.
Its thickness is about 30 nm. Further, the gate electrode 103 formed thereon is, for example, polysilicon doped with phosphorus at a high concentration, and is obtained by CVD or the like.
【0024】本発明の半導体装置は、さらにチャネル領
域104の両側にリソグラフィ技術、エッチング技術を
用いて、電流路に平行(y方向)にトレンチを形成し、
その内側に同じくゲート酸化膜105bを設け、その表
面に第2ゲート電極106a、106bを形成してい
る。ゲート酸化膜105bは、ゲート酸化膜105aと
同じ工程で、第2ゲ−ト電極106a、106bはゲー
ト電極103と同じ工程で作成される。In the semiconductor device of the present invention, a trench is formed on both sides of the channel region 104 in parallel (y direction) to the current path by using a lithography technique and an etching technique.
Similarly, a gate oxide film 105b is provided inside thereof, and second gate electrodes 106a and 106b are formed on the surface thereof. The gate oxide film 105b is formed in the same step as the gate oxide film 105a, and the second gate electrodes 106a and 106b are formed in the same step as the gate electrode 103.
【0025】次に、上記構成の半導体装置の動作につい
て説明する。通常、n型MOSトランジスタは、ゲ−ト
電極103による電界効果によって、半導体界面(チャ
ネル領域104)の電気伝導率を変化させ、ソース領域
101とドレイン領域102を流れる電流を制御する。Next, the operation of the semiconductor device having the above configuration will be described. Normally, the n-type MOS transistor changes the electric conductivity at the semiconductor interface (channel region 104) by the electric field effect of the gate electrode 103, and controls the current flowing through the source region 101 and the drain region 102.
【0026】ソース領域101とp型シリコン基板10
0をアース電位、ドレイン領域102を正電位とし、ゲ
ート電極103に正電圧を印加すると、その電圧に応じ
た電界効果によってチャネル領域104とゲート酸化膜
105aの界面付近に電子濃度の高いn型反転層110
が形成される。この状態では、ゲート電極103が平面
状であるので、反転層110も平面状に形成される。Source region 101 and p-type silicon substrate 10
When 0 is a ground potential, the drain region 102 is a positive potential, and a positive voltage is applied to the gate electrode 103, an n-type inversion with a high electron concentration near the interface between the channel region 104 and the gate oxide film 105a by an electric field effect according to the voltage. Layer 110
Is formed. In this state, since the gate electrode 103 has a planar shape, the inversion layer 110 is also formed in a planar shape.
【0027】次に、チャネル領域104の両側に存在す
る第2ゲート電極106a、106bに負電圧を印加す
るとp型シリコン基板100の正孔は第2ゲート電極1
06a、106bのゲート酸化膜105b側に引き寄せ
られる。これにより反転層110の流路に沿ってその両
側に空乏層108a、108bが広がる。この空乏層1
08a、108bの大きさは、第2ゲート電極106
a、106bに印加する負電圧の絶対値が大きい程大き
くなる。これにより、図2に示すように、流路に沿って
細線化された反転層107を得ることができる。この細
線状の反転層107の幅は、第2ゲート電極106a、
106bに印加する負電圧の大きさにより制御でき、そ
の位置は、両側に存在する第2ゲート電極106a、1
06bの印加される電圧の大きさとの比によって変化さ
せることができる。Next, when a negative voltage is applied to the second gate electrodes 106a and 106b present on both sides of the channel region 104, the holes in the p-type silicon substrate 100 become
06a and 106b are drawn toward the gate oxide film 105b. As a result, the depletion layers 108a and 108b are spread on both sides of the inversion layer 110 along the flow path. This depletion layer 1
08a and 108b are the same as those of the second gate electrode 106.
The larger the absolute value of the negative voltage applied to a and 106b, the larger the value. Thereby, as shown in FIG. 2, the inversion layer 107 thinned along the flow path can be obtained. The width of the thin line-shaped inversion layer 107 is equal to the width of the second gate electrode 106a.
The position can be controlled by the magnitude of the negative voltage applied to the second gate electrodes 106a, 106b,
06b can be changed by the ratio of the applied voltage to the magnitude of the applied voltage.
【0028】n型MOSの場合、電子はソース領域10
1からこの細線状の反転層107を介してドレイン領域
102に流れる。この時、反転層107の長さは、リソ
グラフィ技術で形成されたチャネル領域104の長さで
ある。すなわち反転層107の長さ(y方向)は、リソ
グラフィ技術の限界値で制約される。In the case of an n-type MOS, electrons are supplied to the source region 10
1 flows into the drain region 102 through the thin inversion layer 107. At this time, the length of the inversion layer 107 is the length of the channel region 104 formed by lithography. That is, the length (the y direction) of the inversion layer 107 is limited by the limit value of the lithography technique.
【0029】細線状の反転層107の幅と位置とを電圧
により制御することで、数10nmオーダ−の幅の量子
細線107を得ることができる。例えば、ゲート電極1
03に3V、第2ゲート電極106a、106bに- 3
Vの電圧を印加すると、チャンネル領域104の電流路
に垂直な方向(x方向)幅の中央部に約20nm幅の量
子細線107が形成される。また、両第2ゲート電極1
06a、106bに印加される電圧のバランスを制御す
れば、この量子細線107のx方向の位置は、それらの
電圧差によって移動する。すなわち、電圧の大きさとそ
の差によって、量子細線の幅と位置が制御される。By controlling the width and position of the thin inversion layer 107 by voltage, a quantum thin line 107 having a width on the order of several tens of nm can be obtained. For example, the gate electrode 1
03 at 3V, and -3 at the second gate electrodes 106a and 106b.
When a voltage of V is applied, a quantum wire 107 having a width of about 20 nm is formed at the center of the channel region 104 in the direction (x direction) perpendicular to the current path. Also, both second gate electrodes 1
If the balance of the voltages applied to the 06a and 106b is controlled, the position of the quantum wire 107 in the x direction moves due to the difference between the voltages. That is, the width and the position of the quantum wire are controlled by the magnitude of the voltage and the difference therebetween.
【0030】従来例で説明したように、チャンネル領域
104には、その製造過程において不純物の混入、界面
準位の揺らぎ等が不可避的に発生し、微視的に見ればそ
れらが基となって複数のトンネル接合が形成されてい
る。本発明の半導体装置によれば、上記両第2ゲート電
極106a、106bに印加する電圧に差を持たせる事
により、その量子細線107の位置を精度よく制御する
ことができる。 従って、量子細線107上に上記複数
のトンネル接合を配置させる事ができる。量子細線10
7上に複数のトンネル接合が配置され、その複数のトン
ネル接合間に量子ドットが形成されると、従来例で説明
したように単電子トランジスタが形成される。As described in the conventional example, in the channel region 104, impurities are unavoidably mixed in the manufacturing process, fluctuations in the interface state, and the like, which inevitably occur. A plurality of tunnel junctions are formed. According to the semiconductor device of the present invention, the position of the quantum wire 107 can be accurately controlled by providing a difference between the voltages applied to the second gate electrodes 106a and 106b. Accordingly, the plurality of tunnel junctions can be arranged on the quantum wire 107. Quantum wire 10
When a plurality of tunnel junctions are arranged on the substrate 7 and quantum dots are formed between the plurality of tunnel junctions, a single-electron transistor is formed as described in the conventional example.
【0031】図3に、ゲート電極103に3V、第2ゲ
ート電極106a、106bに- 3V印加した時のゲー
ト電圧とドレイン電流の関係を示す。ゲート電圧の上昇
に従って、電子が1個づつ流れるクーロンオシレーショ
ンが観測される。すなわち、単電子トランジスタが形成
されている。尚、この時ソース・ドレイン間電圧は、約
1mVである。このように、上記MIS型半導体装置の
チャネル領域の両側に第2ゲート電極を設け、その電極
間に異なる負電圧を印加し、形成される量子細線の幅お
よび位置を制御すれば、簡単に単電子を制御する単電子
トランジスタが形成できる。よって、標準的な微細加工
によっても、安価で歩留まりのよい単電子が制御可能な
半導体装置となる。FIG. 3 shows the relationship between the gate voltage and the drain current when 3 V is applied to the gate electrode 103 and -3 V is applied to the second gate electrodes 106a and 106b. As the gate voltage increases, Coulomb oscillation in which electrons flow one by one is observed. That is, a single-electron transistor is formed. At this time, the source-drain voltage is about 1 mV. As described above, if the second gate electrodes are provided on both sides of the channel region of the MIS type semiconductor device, different negative voltages are applied between the electrodes, and the width and position of the formed quantum wires are easily controlled, A single-electron transistor for controlling electrons can be formed. Thus, even with standard microfabrication, a semiconductor device which can control single electrons at low cost and with high yield can be obtained.
【0032】(第2実施例)第1実施例では、p型シリ
コン基板にトレンチを作製し、すなわち下方に3次元構
造を構築し、その中に酸化膜および第2ゲート電極を作
成することにより、量子細線を電気的に形成した半導体
装置を得た。本実施例は、基板上に、同等のMIS型半
導体装置を実現するものである。そのために、SOI基
板を使用した。SOI基板とは、エピタキシャル技術等
により絶縁基板上に薄いシリコン単結晶を作成したもの
である。本実施例では、シリコン基板を熱酸化し、さら
にその上に単結晶シリコン膜成長させたSOI基板を採
用した。(Second Embodiment) In the first embodiment, a trench is formed in a p-type silicon substrate, that is, a three-dimensional structure is constructed below, and an oxide film and a second gate electrode are formed therein. Thus, a semiconductor device in which quantum wires were electrically formed was obtained. In this embodiment, an equivalent MIS type semiconductor device is realized on a substrate. For that purpose, an SOI substrate was used. The SOI substrate is obtained by forming a thin silicon single crystal on an insulating substrate by an epitaxial technique or the like. In this embodiment, an SOI substrate in which a silicon substrate is thermally oxidized and a single crystal silicon film is further grown thereon is employed.
【0033】図4、図5に本発明の第2実施例を示す。
図4は、本実施形態の構成を表す上面図であり、図5は
内部構造を示す断面図である。切断面は、図4の直線B
B’である。本実施例の半導体装置は、シリコン支持基
板119、その上部に形成された埋め込み酸化膜11
8、その上に形成されたn型ソ−ス領域101、n型ド
レイン領域102及びチャネル領域104が形成される
p型シリコン単結晶膜117から構成されている。ま
た、p型シリコン単結晶膜117の上部には、順にゲー
ト酸化膜105a、ゲート電極103が形成され、さら
にその両側には、第1実施例と同様ゲート酸化膜105
bおよび第2ゲート電極106a、106bが形成され
ている。このように、本実施例の半導体装置は、立設さ
れたp型シリコン単結晶膜117を2つの第2ゲート電
極106a、106bで挟む構造となっている。尚、第
1実施例と同じ構成部位には、同じ番号が付されてい
る。FIGS. 4 and 5 show a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a top view illustrating the configuration of the present embodiment, and FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the internal structure. The cut surface is a straight line B in FIG.
B '. In the semiconductor device of this embodiment, a silicon support substrate 119 and a buried oxide film 11 formed thereon are formed.
8, a p-type silicon single crystal film 117 on which an n-type source region 101, an n-type drain region 102 and a channel region 104 are formed. Further, a gate oxide film 105a and a gate electrode 103 are sequentially formed on the p-type silicon single crystal film 117, and further on both sides thereof, as in the first embodiment, the gate oxide film 105a is formed.
b and the second gate electrodes 106a and 106b are formed. As described above, the semiconductor device of this embodiment has a structure in which the p-type silicon single crystal film 117 erected is sandwiched between the two second gate electrodes 106a and 106b. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
【0034】次に、その製造方法を説明する。先ず、p
型シリコン単結晶膜が形成せられたSOI基板をパター
ンニングする。その後ドライエッチングすることで不要
な部分を取り除き、ソース領域101、チャンネル領域
104、ドレイン領域102が連なったp型シリコン単
結晶膜117を作成する。その後、ソース領域101お
よびドレイン領域102をマスクし、例えば高温処理す
ることで、残されたp型シリコン単結晶膜117の周囲
にゲート酸化膜105a、105bを形成する。次に、
例えばエピタキシャル技術により、リンが高濃度にドー
プされたポリシリコンをその周囲に形成し、ゲート電極
103および第2ゲート電極106a、106bを形成
する。最後に、マスクされたソース領域101およびド
レイン領域102を露出させ、イオン注入技術により、
砒素をドープしn+ 型のソース領域101およびドレイ
ン領域102とする。尚、不純物濃度は、第1実施例と
同等である。このような過程で、SOI基板上に第1実
施例と同等な単電子制御の可能なMIS型半導体装置が
形成される。Next, the manufacturing method will be described. First, p
The SOI substrate on which the type silicon single crystal film is formed is patterned. After that, unnecessary portions are removed by dry etching to form a p-type silicon single crystal film 117 in which the source region 101, the channel region 104, and the drain region 102 are continuous. Thereafter, the source region 101 and the drain region 102 are masked, and high-temperature processing is performed, for example, to form gate oxide films 105a and 105b around the remaining p-type silicon single crystal film 117. next,
For example, polysilicon doped with a high concentration of phosphorus is formed therearound by an epitaxial technique, and the gate electrode 103 and the second gate electrodes 106a and 106b are formed. Finally, the masked source region 101 and drain region 102 are exposed, and ion implantation
Arsenic is doped to form an n + -type source region 101 and a drain region 102. Incidentally, the impurity concentration is equivalent to that of the first embodiment. In such a process, an MIS semiconductor device capable of single-electron control similar to that of the first embodiment is formed on the SOI substrate.
【0035】また、その動作は第1実施例のそれと同等
である。すなわち、チャンネル領域104の両側に形成
された第2ゲート電極106a、106bに、ゲート電
極103より低い電圧、望ましくは基板よりも低い電
圧、即ち、負電圧を印加すると、電流路に平行に両側か
ら空乏層108a、108bが拡張されて、細線状の反
転層107がy軸方向に形成される。The operation is the same as that of the first embodiment. That is, when a voltage lower than that of the gate electrode 103, preferably a voltage lower than that of the substrate, that is, a negative voltage is applied to the second gate electrodes 106a and 106b formed on both sides of the channel region 104, the current flows in parallel from both sides. The depletion layers 108a and 108b are expanded, and the thin line-shaped inversion layer 107 is formed in the y-axis direction.
【0036】また、両第2ゲート電極106a、106
bに印加される電圧のバランスを制御すれば、第1実施
例と同様、この量子細線107の位置が、それらの電圧
差によって移動される。すなわち、電圧の大きさとその
差によって、量子細線の幅と位置が制御される。これに
より、チャネル領域104内のトンネル接合と結合さ
れ、単電子トランジスタが形成される。従って、SOI
基板を利用しても、単電子制御が可能な半導体装置が作
成できる。The second gate electrodes 106a, 106
If the balance of the voltage applied to b is controlled, the position of the quantum wire 107 is moved by the voltage difference as in the first embodiment. That is, the width and the position of the quantum wire are controlled by the magnitude of the voltage and the difference therebetween. Thus, the single-electron transistor is formed by coupling with the tunnel junction in the channel region 104. Therefore, SOI
A semiconductor device capable of single-electron control can be manufactured using a substrate.
【0037】(変形例)以上、本発明の基本的構造を示
したが、その他様々な変形例が考えられる。例えば、第
1、第2実施例のチャネル領域104の両側に第2ゲー
ト電極106a、106bを形成したが、印加する電圧
差を十分大きく取ることができれば、片側のみでもよ
い。また、第2実施例に使用されたはSOI構造は、他
の様々な方法で作られてもよい。例えばシリコン基板に
深く酸素イオンを打ち込み、その基板を熱処理する事に
よって、内部にSi O2 を形成し、表面を薄いシリコン
単結晶とするSIMOX技術、あるいは、サファイア単
結晶の上にシリコン単結晶を成長させるSOS(Silico
n On Sapphire )技術あるいは固層成長技術、貼
り合わせ技術等を用いてもよい。また、第1、第2実施
例では、便宜上n型MOSトランジスタを例に挙げた
が、伝導形が逆のp型MOSトランジスタあるいは相補
的なCMOSトランジスタでもよい。チャネル領域に形
成されるn型反転層あるいはp型反転層が縮小されるよ
う、第2ゲート電極が採用されうる半導体装置であれば
その種類は問わない。(Modifications) Although the basic structure of the present invention has been described above, various other modifications are conceivable. For example, although the second gate electrodes 106a and 106b are formed on both sides of the channel region 104 in the first and second embodiments, only one side may be used as long as the applied voltage difference can be made sufficiently large. Also, the SOI structure used in the second embodiment may be made in various other ways. For example, by implanting oxygen ions deeply into a silicon substrate and subjecting the substrate to a heat treatment, SiO 2 is formed inside the substrate, and a SIMOX technique of making the surface a thin silicon single crystal, or a silicon single crystal is grown on a sapphire single crystal SOS (Silico
n On Sapphire technology, solid layer growth technology, bonding technology, or the like may be used. In the first and second embodiments, an n-type MOS transistor has been described as an example for convenience. However, a p-type MOS transistor having an opposite conductivity type or a complementary CMOS transistor may be used. Any type of semiconductor device can be used as long as the second gate electrode can be employed so that the n-type inversion layer or the p-type inversion layer formed in the channel region can be reduced.
【図1】本発明の第1実施例に係わる半導体装置の構成
上面図。FIG. 1 is a configuration top view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1実施例に係わる半導体装置の構成
断面図。FIG. 2 is a configuration sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図3】クーロンオシレーションを示した説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing Coulomb oscillation.
【図4】本発明の第2実施例に係わる半導体装置の構成
上面図。FIG. 4 is a configuration top view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第2実施例に係わる半導体装置の構成
断面図。FIG. 5 is a configuration sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図6】単電子トランジスタ説明図。FIG. 6 is an explanatory diagram of a single-electron transistor.
【図7】トンネル接合説明図。FIG. 7 is an explanatory view of a tunnel junction.
【図8】量子細線を用いた単電子トランジスタ構成上面
図。FIG. 8 is a top view of a configuration of a single-electron transistor using a quantum wire.
【図9】量子細線を用いた単電子トランジスタ等価回路
図。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a single-electron transistor using a quantum wire.
100 p型シリコン基板 101 ソース領域 102 ドレイン領域 103 ゲート電極 104 チャネル領域 105a ゲート酸化膜 105b ゲート酸化膜 106 第2ゲート電極 107 量子細線、細線状の反転層 110 面状の反転層 108a、108b 空乏層 117 p型シリコン単結晶膜 118 埋め込み酸化膜 119 シリコン支持基板 REFERENCE SIGNS LIST 100 p-type silicon substrate 101 source region 102 drain region 103 gate electrode 104 channel region 105 a gate oxide film 105 b gate oxide film 106 second gate electrode 107 quantum fine wire, fine linear inversion layer 110 planar inversion layer 108 a, 108 b depletion layer 117 p-type silicon single crystal film 118 buried oxide film 119 silicon support substrate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 622 Fターム(参考) 5F040 DA02 DC01 EA05 EB12 EC20 EE01 EE10 5F110 AA09 AA16 BB03 BB05 BB13 CC02 DD05 DD13 DD25 EE09 EE22 EE27 EE45 FF02 FF12 FF23 GG02 GG12 GG32 HJ01 HJ04 HJ13 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 29/78 622 F term (Reference) 5F040 DA02 DC01 EA05 EB12 EC20 EE01 EE10 5F110 AA09 AA16 BB03 BB05 BB13 CC02 DD05 DD13 DD25 EE09 EE22 EE27 EE45 FF02 FF12 FF23 GG02 GG12 GG32 HJ01 HJ04 HJ13
Claims (6)
を有する半導体装置であって、ゲ−ト電極に印加された
電圧によってチャネル領域に発生する反転層を制御し、
前記ドレイン領域ソース領域間を流れる電流を制御する
電界効果半導体装置において、 前記チャネル領域の側面に、電子の流れる方向に平行に
第2ゲート電極を設け、該第2ゲート電極に所定の電圧
を印加することにより前記チャネル領域の空乏層を拡大
することで前記反転層の幅を細線化したことを特徴とす
る半導体装置。1. A semiconductor device having a source region, a channel region, and a drain region, comprising: controlling an inversion layer generated in a channel region by a voltage applied to a gate electrode;
In the field effect semiconductor device for controlling a current flowing between the drain region and the source region, a second gate electrode is provided on a side surface of the channel region in parallel to a direction in which electrons flow, and a predetermined voltage is applied to the second gate electrode. A width of the inversion layer is reduced by enlarging a depletion layer in the channel region.
に形成されたトレンチに形成されていることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said second gate electrode is formed in a trench formed in a depth direction from a surface.
記チャネル領域の側壁に形成されていることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said second gate electrode is formed on a side wall of said exposed channel region.
前記チャネル領域に対して絶縁層を介して形成されてい
ることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1
項に記載の半導体装置。4. The method according to claim 1, wherein the gate electrode and the second gate electrode are
4. The channel region according to claim 1, wherein the channel region is formed via an insulating layer.
13. The semiconductor device according to item 9.
により前記細線化された反転層の形成位置を制御するこ
とを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に
記載の半導体装置。5. The method according to claim 1, wherein the formation position of the thinned inversion layer is controlled by the magnitude of the voltage applied to the second gate. Semiconductor device.
により前記細線化された反転層の形成位置を制御するこ
とで、その反転層上に微小トンネル接合が形成された単
キャリアトランジスタを得ることを特徴とする請求項1
乃至請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。6. A single carrier transistor having a fine tunnel junction formed on the inversion layer by controlling the position of the thinned inversion layer by controlling the voltage applied to the second gate. 2. The method according to claim 1, wherein
The semiconductor device according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31029798A JP2000138371A (en) | 1998-10-30 | 1998-10-30 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31029798A JP2000138371A (en) | 1998-10-30 | 1998-10-30 | Semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000138371A true JP2000138371A (en) | 2000-05-16 |
Family
ID=18003536
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31029798A Pending JP2000138371A (en) | 1998-10-30 | 1998-10-30 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000138371A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100800507B1 (en) | 2006-12-27 | 2008-02-04 | 재단법인 서울대학교산학협력재단 | Self-aligned dual gate single-electron transistor and method of manufacturing the same |
| KR100905869B1 (en) | 2006-10-10 | 2009-07-03 | 충북대학교 산학협력단 | Method of manufacturing a dual gate single electron logic device operating at room temperature |
| JP2022533612A (en) * | 2019-05-16 | 2022-07-25 | クオンタム モーション テクノロジーズ リミテッド | Processor elements for quantum information processors |
-
1998
- 1998-10-30 JP JP31029798A patent/JP2000138371A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100905869B1 (en) | 2006-10-10 | 2009-07-03 | 충북대학교 산학협력단 | Method of manufacturing a dual gate single electron logic device operating at room temperature |
| KR100800507B1 (en) | 2006-12-27 | 2008-02-04 | 재단법인 서울대학교산학협력재단 | Self-aligned dual gate single-electron transistor and method of manufacturing the same |
| JP2022533612A (en) * | 2019-05-16 | 2022-07-25 | クオンタム モーション テクノロジーズ リミテッド | Processor elements for quantum information processors |
| JP7606985B2 (en) | 2019-05-16 | 2024-12-26 | クオンタム モーション テクノロジーズ リミテッド | Processor element for quantum information processor |
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