JP2002261248A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の技術では高速性に優れたSRAMをD
RAMと同程度に高集積化することは困難である。本発
明は、現行のSiプロセスと整合性が良く、素子面積が
小さく、多重負性抵抗特性を有する素子を提供するこ
と、及び、その多重負性抵抗素子を用いてセル面積が小
さく高集積化が可能な多値SRAMセルを提供すること
を目的としている。
【解決手段】 本発明は、縮退したp型半導体層とn型
半導体層の間にトンネル障壁膜を挟んだ構造を2個以上
直列に積層して接続するために、p型半導体層とn型半
導体層を多結晶体で構成するものである。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To provide a high-speed SRAM with a conventional technology.
It is difficult to achieve high integration as much as a RAM. An object of the present invention is to provide a device having good compatibility with the current Si process, a small device area and multiple negative resistance characteristics, and a small cell area and high integration using the multiple negative resistance device. It is an object of the present invention to provide a multi-valued SRAM cell which can perform the following. SOLUTION: The present invention provides a method for stacking and connecting two or more structures in which a tunnel barrier film is sandwiched between a degenerated p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer in series. The semiconductor layer is made of a polycrystalline material.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に半導体装置
及びその製造方法に関し、特に、トンネル障壁膜を用い
た非線形素子及び該非線形素子を用いた半導体装置に関
する。The present invention generally relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a non-linear element using a tunnel barrier film and a semiconductor device using the non-linear element.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、半導体集積回路は、MOS型素子
により形成されてきた。MOS型素子は微細化によっ
て、その動作速度、消費電力及び集積度が向上するとい
う特長を有しており、産業上非常に重要な役割を果たし
てきた。しかし、ITRS(Internationa
l Technology Roadmap for Se
miconductors, 1999)のロードマップ
にもあるように、0.1μm世代以降の微細化の鍵とな
るプロセス技術の多くについて、まだ解が見えない状態
である。一方、情報産業の発展に不可欠な半導体集積回
路は、特に携帯情報端末の高性能化に向けて、今後もさ
らなる高速、高集積及び低消費電力化の要望がある。2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor integrated circuits have been formed by MOS type devices. The MOS element has a feature that its operation speed, power consumption and integration degree are improved by miniaturization, and has played a very important role in industry. However, ITRS (Internationa
l Technology Roadmap for Se
As shown in the roadmap of M. Semiconductors (1999), the solution has not yet been found for many of the key process technologies for miniaturization from the 0.1 μm generation. On the other hand, for semiconductor integrated circuits that are indispensable for the development of the information industry, there is a demand for higher speed, higher integration, and lower power consumption, particularly for higher performance of portable information terminals.
【0003】半導体集積回路の中で、メモリに関しても
同様に高速、低消費電力、大容量化が望まれている。1
個のトランジスタと1個のキャパシタから構成される揮
発性メモリであるダイナミックランダムアクセスメモリ
(DRAM)は、セル面積が小さいため大容量メモリと
して応用されている。しかし、キャパシタの電荷が漏れ
てしまうことにより記憶が劣化するため、周期的なリフ
レッシュ動作が必要である。一方、同じ揮発性メモリで
あるスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)
は、リフレッシュ動作が不要で、高速および低消費電力
性に優れている。しかし、1セルを構成するのにMOS
型トランジスタを6個もしくは、少なくとも4個を必要
とするため、DRAMと比較して大容量化が困難であっ
た。[0003] Among semiconductor integrated circuits, memories are also required to have high speed, low power consumption and large capacity. 1
A dynamic random access memory (DRAM), which is a volatile memory including one transistor and one capacitor, has been applied as a large-capacity memory because of its small cell area. However, since the storage deteriorates due to the leakage of the charge of the capacitor, a periodic refresh operation is required. On the other hand, a static random access memory (SRAM) which is the same volatile memory
Does not require a refresh operation and is excellent in high speed and low power consumption. However, to construct one cell, MOS
Since six or at least four type transistors are required, it is difficult to increase the capacity as compared with a DRAM.
【0004】一方、従来のMOS型素子だけではなく、
負性抵抗特性を示す素子を用いると、より簡単な構成で
SRAMセルを構成できることが良く知られている。負
性抵抗特性とは、電流電圧特性において、素子により大
きな電圧を印加していっても電流値が減少する領域が存
在する特性を指し、図2に示すような電流値がピーク
(山)とバレー(谷)を持つN型の曲線を示すことであ
る。On the other hand, in addition to the conventional MOS type device,
It is well known that an SRAM cell can be configured with a simpler configuration by using an element exhibiting a negative resistance characteristic. The negative resistance characteristic refers to a current-voltage characteristic in which there is a region where the current value decreases even when a larger voltage is applied to the element, and the current value as shown in FIG. The purpose is to show an N-shaped curve with a valley.
【0005】負性抵抗素子を利用したメモリセルは、元
々、1960年にE.Gotoらによって提案されたセ
ル構造で、負性抵抗特性を示すエサキダイオード2個と
トランジスタ1個の3素子で2値のSRAMセルを構成
するものである(E.Goto et al., IRE T
rans. Electron. Comp., Marc
h, 1960, p.25)。このエサキダイオードを
共鳴トンネルダイオード(RTD)で置き換え、同じく
3素子で構成したセルにおいてもRCAにより研究され
ている(R.H.Bergman et al., RCA
Rev.,June,1962,p.152)。ここ
で注目すべきは、RTDの電流電圧特性は電流値に複数
のピークを持つ多重負性抵抗特性を示し、これを利用す
ると、2値ではなく多値のSRAMセルを3素子で構成
できるということである。これはメモリの更なる大容量
化を可能とするものである。A memory cell using a negative resistance element was originally described in E. In a cell structure proposed by Goto et al., A binary SRAM cell is constituted by three elements of two Esaki diodes exhibiting negative resistance characteristics and one transistor (E. Goto et al., IRETT).
rans. Electron. Comp. , Marc
h, 1960, p. 25). This Esaki diode is replaced by a resonant tunneling diode (RTD), and a three-element cell has also been studied by RCA (RH Bergman et al., RCA).
Rev .. , June, 1962, p. 152). It should be noted here that the current-voltage characteristic of the RTD shows a multiple negative resistance characteristic having a plurality of peaks in the current value, and by using this characteristic, a multi-valued SRAM cell instead of a binary one can be constituted by three elements. That is. This makes it possible to further increase the capacity of the memory.
【0006】しかしながら、現在の半導体産業の中心で
あるSi系材料において、良好な多重負性抵抗特性を有
するRTDは未だ開発されていない。また、単一の負性
抵抗素子であるエサキダイオードにおいては複数個直列
に接続しないと多重負性抵抗特性が得られないため、少
ない素子数で構成された、高集積化が可能な多値SRA
Mセルを実現することは困難である。However, RTDs having good multiple negative resistance characteristics have not yet been developed for Si-based materials, which are currently the center of the semiconductor industry. In addition, in the case of an Esaki diode which is a single negative resistance element, multiple negative resistance characteristics cannot be obtained unless a plurality of Esaki diodes are connected in series.
It is difficult to realize M cells.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】前述のように、現状の
技術では高速性に優れたSRAMをDRAMと同程度に
高集積化することは困難であると考えられる。本発明
は、現行のSiプロセスと整合性が良く、素子面積が小
さく、多重負性抵抗特性を有する素子を提供すること、
及び、その多重負性抵抗素子を用いてセル面積が小さく
高集積化が可能な多値SRAMセルを提供することを目
的としている。As described above, it is considered that it is difficult to integrate an SRAM having an excellent high-speed performance as high as a DRAM with the current technology. An object of the present invention is to provide a device having good compatibility with the current Si process, a small device area, and multiple negative resistance characteristics.
It is another object of the present invention to provide a multi-valued SRAM cell having a small cell area and capable of high integration by using the multiple negative resistance elements.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、縮退したp型半導体層とn型半導体層の
間にトンネル障壁膜を挟んだ構造を2個以上直列に積層
して接続するために、p型半導体層とn型半導体層を多
結晶体で構成するものである。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a method of stacking two or more structures in which a tunnel barrier film is sandwiched between a degenerated p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. In this case, the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are made of a polycrystalline material.
【0009】本発明に係る第1の半導体装置は、フェル
ミ準位が伝導帯中に位置する縮退した高濃度n型半導体
層と、フェルミ準位が価電子帯中に位置する縮退した高
濃度p型半導体層と、電子がトンネルできる膜厚を有す
るトンネル障壁膜とを備えており、高濃度n型半導体層
と高濃度p型半導体層は多結晶体からなり、高濃度n型
半導体層と高濃度p型半導体層の間にトンネル障壁膜を
挟んだp−n接続構造がトンネル障壁膜を介して少なく
とも2個直列に順方向に接続された構造を有している。The first semiconductor device according to the present invention comprises a degenerated high-concentration n-type semiconductor layer in which the Fermi level is located in the conduction band, and a degenerated high-concentration p-type semiconductor layer in which the Fermi level is located in the valence band. A high-concentration n-type semiconductor layer and a high-concentration p-type semiconductor layer made of a polycrystalline material, and a high-concentration n-type semiconductor layer and a high-concentration n-type semiconductor layer. It has a structure in which at least two pn connection structures sandwiching a tunnel barrier film between the concentration p-type semiconductor layers are connected in series in the forward direction via the tunnel barrier film.
【0010】第1の半導体装置によると、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層の間にトンネル障壁膜を挟
んだp−n接続構造がトンネル障壁膜を介して少なくと
も2個直列に順方向に接続され、トンネル障壁膜を挟ん
だ縮退した高濃度p−n接続構造が直列にトンネル障壁
膜を介して接続されているため、2つ以上のピーク電流
値を持つ多重負性抵抗特性を有する素子を得ることがで
きる。また、高濃度n型半導体層と高濃度p型半導体層
が多結晶体からなるため、トンネル障壁膜を挟んだ縮退
した高濃度p−n接続構造を積層して作製することが可
能であり、面内に並べて作製するのに比べて素子面積を
1/2以下に小さくすることができる。According to the first semiconductor device, at least two pn connection structures in which a tunnel barrier film is sandwiched between a high-concentration n-type semiconductor layer and a high-concentration p-type semiconductor layer are connected in series via the tunnel barrier film. A multi-negative resistance characteristic having two or more peak current values because the degenerated high-concentration pn connection structure connected in the forward direction and sandwiching the tunnel barrier film is connected in series via the tunnel barrier film Can be obtained. Further, since the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of a polycrystalline body, it is possible to form a stack of degenerate high-concentration pn connection structures sandwiching a tunnel barrier film, The element area can be reduced to 以下 or less as compared with the case of arranging them in a plane.
【0011】第1の半導体装置において、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層はシリコンもしくはシリコ
ンゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムカーボン
からなり、トンネル障壁膜はシリコン酸化膜もしくはシ
リコン窒化膜もしくはシリコン酸窒化膜からなっている
ことが好ましい。In the first semiconductor device, the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride. It is preferable that it is made of a film.
【0012】本発明に係る第2の半導体装置は、フェル
ミ準位が伝導帯中に位置する縮退した高濃度n型半導体
層と、フェルミ準位が価電子帯中に位置する縮退した高
濃度p型半導体層と、電子がトンネルできる膜厚を有す
るトンネル障壁膜と、トンネル障壁膜より低い抵抗値を
持つ伝導層を備えた半導体装置において、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層は多結晶体からなり、高濃
度n型半導体層と高濃度p型半導体層の間にトンネル障
壁膜を挟んだp−n接続構造が伝導層を介して少なくと
も2個直列に順方向に接続された構造を有している。[0012] The second semiconductor device according to the present invention comprises a degenerated high-concentration n-type semiconductor layer in which the Fermi level is located in the conduction band and a degenerated high-concentration p-type semiconductor layer in which the Fermi level is located in the valence band. In a semiconductor device including a semiconductor layer, a tunnel barrier film having a thickness capable of tunneling electrons, and a conductive layer having a lower resistance than the tunnel barrier film, the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are At least two pn connection structures each made of a polycrystal and having a tunnel barrier film interposed between a high-concentration n-type semiconductor layer and a high-concentration p-type semiconductor layer were connected in series in a forward direction via a conductive layer. It has a structure.
【0013】第2の半導体装置によると、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層の間にトンネル障壁膜を挟
んだp−n接続構造が伝導層を介して少なくとも2個直
列に順方向に接続された構造を有しており、トンネル障
壁膜を挟んだ縮退した高濃度p−n接続構造が直列にト
ンネル障壁膜より低い抵抗値を持つ伝導層を介して接続
されているため、より低電圧で2つ以上のピーク電流値
を持つ多重負性抵抗特性を有する素子を得ることができ
る。また、高濃度n型半導体層と高濃度p型半導体層が
多結晶体からなるため、トンネル障壁膜を挟んだ縮退し
た高濃度p−n接続構造を積層して作製することが可能
であり、面内に並べて作製するのに比べて素子面積を1
/2以下に小さくすることができる。According to the second semiconductor device, at least two pn connection structures in which a tunnel barrier film is interposed between a high-concentration n-type semiconductor layer and a high-concentration p-type semiconductor layer are sequentially connected via a conductive layer. Since the depleted high-concentration pn connection structure sandwiching the tunnel barrier film is connected in series via a conductive layer having a lower resistance than the tunnel barrier film, An element having multiple negative resistance characteristics having two or more peak current values at a lower voltage can be obtained. Further, since the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of a polycrystalline body, it is possible to form a stack of degenerate high-concentration pn connection structures sandwiching a tunnel barrier film, The element area is 1 compared with the case of arranging in the plane.
/ 2 or less.
【0014】第2の半導体装置において、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層はシリコンもしくはシリコ
ンゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムカーボン
からなり、トンネル障壁膜はシリコン酸化膜もしくはシ
リコン窒化膜もしくはシリコン酸窒化膜からなり、伝導
層は金属もしくは金属シリサイドからなっていることが
好ましい。In the second semiconductor device, the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride. It is preferable that the conductive layer is made of a metal or a metal silicide.
【0015】本発明に係る第3の半導体装置は、フェル
ミ準位が伝導帯中に位置する縮退した高濃度n型半導体
層と、フェルミ準位が価電子帯中に位置する縮退した高
濃度p型半導体層と、電子がトンネルできる膜厚を有す
るトンネル障壁膜と、添加不純物に対して高濃度n型半
導体層および高濃度p型半導体層より低い拡散係数を持
つ半導体層を備えた半導体装置において、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層及び半導体層は多結晶体か
らなり、高濃度n型半導体層と高濃度p型半導体層の間
にトンネル障壁膜を挟んだp−n接続構造が半導体層を
介して少なくとも2個直列に同じ方向に接続された構造
を有している。The third semiconductor device according to the present invention comprises a degenerated high-concentration n-type semiconductor layer in which the Fermi level is located in the conduction band and a degenerated high-concentration p-type semiconductor layer in which the Fermi level is located in the valence band. Device comprising a semiconductor layer having a thickness that allows tunneling of electrons, a tunnel barrier film having a thickness capable of tunneling electrons, and a semiconductor layer having a lower diffusion coefficient than a high-concentration n-type semiconductor layer and a high-concentration p-type semiconductor layer for added impurities. A high-concentration n-type semiconductor layer, a high-concentration p-type semiconductor layer, and a semiconductor layer are made of polycrystalline material, and a pn connection in which a tunnel barrier film is interposed between the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer. The structure has a structure in which at least two are connected in series in the same direction via a semiconductor layer.
【0016】第3の半導体装置によると、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層の間にトンネル障壁膜を挟
んだp−n接続構造が半導体層を介して少なくとも2個
直列に順方向に接続された構造を有しており、トンネル
障壁膜を挟んだ縮退した高濃度p−n接続構造が直列に
トンネル障壁膜より低い抵抗値を持つ半導体層を介して
接続されているため、より低電圧で2つ以上のピーク電
流値を持つ多重負性抵抗特性を有する素子を得ることが
できる。また、半導体層は添加不純物に対して高濃度n
型半導体層および高濃度p型半導体層より低い拡散係数
を持つため、高濃度n型半導体層と高濃度p型半導体層
を直接接合する場合に比較して不純物の相互拡散を抑制
し、濃度勾配が急峻に変化した接合を形成出来る。ま
た、半導体層はメタルや金属シリサイド等の伝導層に比
較して熱的に安定であるため、作製プロセス上の温度的
自由度が増す。さらに、高濃度n型半導体層と高濃度p
型半導体層及び半導体層が多結晶体からなるため、トン
ネル障壁膜を挟んだ縮退した高濃度p−n接続構造を積
層して作製することが可能であり、面内に並べて作製す
るのに比べて素子面積を1/2以下に小さくすることが
できる。According to the third semiconductor device, at least two pn connection structures in which a tunnel barrier film is interposed between the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are sequentially connected via the semiconductor layer. Since the depleted high-concentration pn connection structure sandwiching the tunnel barrier film is connected in series via a semiconductor layer having a lower resistance than the tunnel barrier film, An element having multiple negative resistance characteristics having two or more peak current values at a lower voltage can be obtained. The semiconductor layer has a high concentration n with respect to the added impurities.
Has a lower diffusion coefficient than the high-concentration semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer. Can be formed steeply. Further, since the semiconductor layer is more thermally stable than a conductive layer such as a metal or a metal silicide, the degree of freedom in temperature in a manufacturing process is increased. Further, a high concentration n-type semiconductor layer and a high concentration p
Since the semiconductor layer and the semiconductor layer are made of a polycrystalline material, it is possible to laminate a degenerate high-concentration pn connection structure with a tunnel barrier film interposed therebetween. Thus, the element area can be reduced to 以下 or less.
【0017】第3の半導体装置において、高濃度n型半
導体層と高濃度p型半導体層はシリコンからなり、トン
ネル障壁膜はシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜も
しくはシリコン酸窒化膜からなり、半導体層はシリコン
ゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムカーボンか
らなっていることが好ましい。In the third semiconductor device, the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of silicon, the tunnel barrier film is made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film. It is preferably made of silicon germanium or silicon germanium carbon.
【0018】本発明に係る第4の半導体装置は、高濃度
n型多結晶半導体層と高濃度p型多結晶半導体層の間に
トンネル障壁膜を挟んだp−n接続構造が少なくとも2
個直列に順方向に接続された第1の積層構造と、第1の
積層構造と同じ構造を持つ第2の積層構造と、トランジ
スタからなり、第1の積層構造の一端である高濃度p型
多結晶半導体層が電源電圧線に接続され、第2の積層構
造の一端である高濃度n型多結晶半導体層が接地線に接
続され、第1の積層構造の一端である高濃度n型多結晶
半導体層と第2の積層構造の一端である高濃度p型多結
晶半導体層が接続されて記憶ノードを形成し、記憶ノー
ドがトランジスタのドレインと接続され、トランジスタ
のゲートがワード線に、ソースがビット線に、基板が接
地線に接続された構造を有している。The fourth semiconductor device according to the present invention has a pn connection structure in which a tunnel barrier film is sandwiched between a high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and a high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer.
A first stacked structure connected in series in the forward direction, a second stacked structure having the same structure as the first stacked structure, and a transistor, and a high-concentration p-type which is one end of the first stacked structure. The polycrystalline semiconductor layer is connected to a power supply voltage line, the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer at one end of the second stacked structure is connected to a ground line, and the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor at one end of the first stacked structure is connected. The crystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer which is one end of the second stacked structure are connected to form a storage node, the storage node is connected to the drain of the transistor, the gate of the transistor is connected to the word line, and the source is connected to the source. Have a structure in which a bit line and a substrate are connected to a ground line.
【0019】第4の半導体装置によると、第1の積層構
造の一端である高濃度p型多結晶半導体層が電源電圧線
に接続され、第2の積層構造の一端である高濃度n型多
結晶半導体層が接地線に接続され、第1の積層構造の一
端である高濃度n型多結晶半導体層と第2の積層構造の
一端である高濃度p型多結晶半導体層が接続されて記憶
ノードを形成し、記憶ノードがトランジスタのドレイン
と接続され、トランジスタのゲートがワード線に、ソー
スがビット線に、基板が接地線に接続されており、第1
の積層構造と第2の積層構造が直列に順方向に接続され
て多値の安定回路を形成し、記憶ノードに接続されたト
ランジスタによって記憶ノードの電圧値を制御できるた
め、多値メモリを形成することができる。また、多重負
性抵抗素子を形成するためにトンネル障壁膜を挟んだ縮
退した多結晶高濃度p−n接続構造の積層構造を用いて
いるため、面内に並べて作製するのに比べて素子面積を
1/2以下に小さくすることができる。According to the fourth semiconductor device, the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer which is one end of the first laminated structure is connected to the power supply voltage line, and the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer which is one end of the second laminated structure. The crystal semiconductor layer is connected to the ground line, and the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer which is one end of the first stacked structure and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer which is one end of the second stacked structure are connected and stored. A storage node is connected to the drain of the transistor, the gate of the transistor is connected to the word line, the source is connected to the bit line, and the substrate is connected to the ground line.
And the second stacked structure are connected in series in the forward direction to form a multi-valued stable circuit, and the voltage of the storage node can be controlled by a transistor connected to the storage node, so that a multi-valued memory is formed. can do. Further, since a multilayer structure of a degenerated polycrystalline high-concentration pn connection structure with a tunnel barrier film interposed therebetween is used to form a multi-negative resistance element, the element area is smaller than that in which the elements are arranged in a plane. Can be reduced to 1 / or less.
【0020】第4の半導体装置において、第1の積層構
造及び第2の積層構造を形成する際、高濃度n型多結晶
半導体層と高濃度p型多結晶半導体層の間にトンネル障
壁膜を挟んだp−n接続構造を少なくとも2個直列に順
方向にトンネル障壁膜を介して接続すると、不純物の相
互拡散を抑えて高濃度を保ったままp−n接続構造を積
層でき、ピーク電流値が高い良好な多重負性抵抗特性を
得ることができるため、多値メモリの動作マージンが大
きくなる。In the fourth semiconductor device, when forming the first laminated structure and the second laminated structure, a tunnel barrier film is formed between the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer. When at least two sandwiched pn connection structures are connected in series via a tunnel barrier film in the forward direction, the pn connection structure can be stacked while maintaining a high concentration while suppressing mutual diffusion of impurities, and the peak current value can be increased. , The operation margin of the multi-level memory is increased.
【0021】第4の半導体装置において、第1の積層構
造及び第2の積層構造を形成する際、高濃度n型多結晶
半導体層と高濃度p型多結晶半導体層の間にトンネル障
壁膜を挟んだp−n接続構造を少なくとも2個直列に順
方向にトンネル障壁膜より低い抵抗値を持つ伝導層を介
して接続すると、接続部分での電圧降下が小さく、より
低電圧で2つ以上のピーク電流値を持つ多重負性抵抗特
性を得ることができるため、各安定点の電圧の差が大き
くなり、動作マージンが大きく安定動作する多値メモリ
を得ることができる。In the fourth semiconductor device, when forming the first stacked structure and the second stacked structure, a tunnel barrier film is formed between the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer. When at least two of the sandwiched pn connection structures are connected in series in the forward direction via a conductive layer having a lower resistance value than the tunnel barrier film, the voltage drop at the connection portion is small, and two or more pn connection structures are formed at a lower voltage. Since a multi-negative resistance characteristic having a peak current value can be obtained, a difference in voltage at each stable point is increased, and a multi-valued memory that operates stably with a large operation margin can be obtained.
【0022】第4の半導体装置において、第1の積層構
造及び第2の積層構造を形成する際、高濃度n型多結晶
半導体層と高濃度p型多結晶半導体層の間にトンネル障
壁膜を挟んだp−n接続構造を少なくとも2個直列に順
方向に添加不純物に対して高濃度n型多結晶半導体層お
よび高濃度p型多結晶半導体層より低い拡散係数を持つ
多結晶体からなる半導体層を介して接続すると、高濃度
n型半導体層と高濃度p型半導体層を直接接合する場合
に比較して不純物の相互拡散を抑えて高濃度を保ったま
まp−n接続構造を積層でき、ピーク電流値が高い良好
な多重負性抵抗特性を得ることができるため、多値メモ
リの動作マージンが大きくなる。加えて、多結晶体から
なる半導体層の方がトンネル障壁膜より低い抵抗値を持
つために接続部分での電圧降下が小さく、より低電圧で
2つ以上のピーク電流値を持つ多重負性抵抗特性を得る
ことができるため、各安定点の電圧の差が大きくなり、
動作マージンが大きく安定動作する多値メモリを得るこ
とができる。また、半導体層はメタルや金属シリサイド
等の伝導層に比較して熱的に安定であるため、作製プロ
セス上の温度的自由度が増す。In the fourth semiconductor device, when forming the first stacked structure and the second stacked structure, a tunnel barrier film is formed between the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer. A semiconductor made of a polycrystalline body having a high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and a diffusion coefficient lower than that of a high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer with respect to an impurity added to at least two pn connection structures sandwiched therebetween in the forward direction. By connecting via layers, the pn connection structure can be stacked while maintaining high concentration by suppressing mutual diffusion of impurities as compared with a case where the high concentration n-type semiconductor layer and the high concentration p-type semiconductor layer are directly joined. Since a good multiple negative resistance characteristic having a high peak current value can be obtained, the operation margin of the multilevel memory is increased. In addition, the polycrystalline semiconductor layer has a lower resistance value than the tunnel barrier film, so that the voltage drop at the connection portion is smaller, and a multiple negative resistance having a lower voltage and two or more peak current values. Since the characteristics can be obtained, the difference between the voltages at each stable point increases,
A multi-valued memory having a large operation margin and stable operation can be obtained. Further, since the semiconductor layer is more thermally stable than a conductive layer such as a metal or a metal silicide, the degree of freedom in temperature in a manufacturing process is increased.
【0023】第4の半導体装置において、積層構造の一
端である高濃度p型半導体層が同じ導電型のpチャネル
型トランジスタのドレインと接するように形成される
と、配線やコンタクトウィンドウ及び素子分離領域が不
要となるため、多値メモリのセルサイズを縮小すること
ができる。In the fourth semiconductor device, when the high-concentration p-type semiconductor layer which is one end of the laminated structure is formed so as to be in contact with the drain of the p-channel transistor of the same conductivity type, the wiring, the contact window, and the element isolation region are formed. Is unnecessary, so that the cell size of the multilevel memory can be reduced.
【0024】同様に、第4の半導体装置において、積層
構造の一端である高濃度n型半導体層が同じ導電型のn
チャネル型トランジスタのドレインと接するように形成
されると、配線やコンタクトウィンドウ及び素子分離領
域が不要となるため、多値メモリのセルサイズを縮小す
ることができる。Similarly, in the fourth semiconductor device, the high-concentration n-type semiconductor layer at one end of the stacked structure has the same conductivity type as n.
When it is formed so as to be in contact with the drain of the channel transistor, a wiring, a contact window, and an element isolation region are not required, so that the cell size of the multi-level memory can be reduced.
【0025】第4の半導体装置において、半導体基板は
SOI基板であることが望ましい。In the fourth semiconductor device, the semiconductor substrate is
An SOI substrate is desirable.
【0026】第4の半導体装置において、高濃度n型多
結晶半導体層と高濃度p型多結晶半導体層はシリコンも
しくはシリコンゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニ
ウムカーボンからなり、トンネル障壁膜はシリコン酸化
膜もしくはシリコン窒化膜もしくはシリコン酸窒化膜か
らなり、伝導層は金属もしくは金属シリサイドからな
り、半導体層はシリコンゲルマニウムもしくはシリコン
ゲルマニウムカーボンからなることが好ましい。In the fourth semiconductor device, the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is a silicon oxide film or a silicon nitride film. Alternatively, the conductive layer is preferably made of a metal or metal silicide, and the semiconductor layer is preferably made of silicon germanium or silicon germanium carbon.
【0027】本発明にかかる第1の半導体装置の製造方
法は、第1導電型の半導体基板上にトランジスタ形成領
域をマスクして、積層構造形成領域に第1導電型の第1
の縮退した高濃度半導体層を形成する工程と、半導体基
板の上に全面にわたって第1のトンネル障壁膜をトンネ
ル電流が流れるように形成する工程と、第1のトンネル
障壁膜の上に全面にわたって第2導電型の第2の高濃度
多結晶半導体層を縮退するように形成する工程と、第2
の高濃度多結晶半導体層の上に全面にわたって第2のト
ンネル障壁膜をトンネル電流が流れるように形成する工
程と、第2のトンネル障壁膜の上に全面にわたって第1
導電型の第3の高濃度多結晶半導体層を縮退するように
形成する工程と、第3の高濃度多結晶半導体層の上に全
面にわたって第3のトンネル障壁膜をトンネル電流が流
れるように形成する工程と、第3のトンネル障壁膜の上
に全面にわたって第2導電型の第4の高濃度多結晶半導体
層を縮退するように形成する工程と、積層構造の電極形
成領域をマスクして第2の高濃度多結晶半導体層、第2
のトンネル障壁膜、第3の高濃度多結晶半導体層、第3の
トンネル障壁膜、及び第4の高濃度多結晶半導体層に対
してエッチングを行うことにより、半導体基板上に積層
構造の電極を形成する工程と、半導体基板上に全面にわ
たって第1の絶縁膜を堆積した後、積層構造形成領域を
マスクして第1の絶縁膜に対してエッチングを行うこと
により、トランジスタ形成領域を開口する工程と、開口
したトランジスタ形成領域全面にわたって第2の絶縁膜
を形成した後、半導体基板上に全面にわたって導体膜を
形成し、トランジスタのゲート電極形成領域をマスクし
て第2の絶縁膜及び導体膜に対してエッチングを行うこ
とにより、トランジスタ形成領域にゲート絶縁膜及びゲ
ート絶縁膜の上にゲート電極をそれぞれ形成する工程
と、半導体基板上に第2導電型の不純物イオンを用いて
ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行うことによ
り、半導体基板の上における、ゲート電極のゲート長方
向側にトランジスタのソース及びドレインとしての第2
導電型の拡散層をそれぞれ形成する工程と、半導体基板
上に全面にわたって第3の絶縁膜を堆積し、開口したト
ランジスタ形成領域を保護するように形成する工程とを
備えている。According to the first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a first conductive type semiconductor substrate is masked on a first conductive type semiconductor substrate and a first conductive type first conductive type is formed in a laminated structure forming region.
Forming a degenerated high-concentration semiconductor layer, forming a first tunnel barrier film over the entire surface of the semiconductor substrate so that a tunnel current flows, and forming a first tunnel barrier film over the entire surface of the first tunnel barrier film. Forming a two-conductivity-type second high-concentration polycrystalline semiconductor layer so as to degenerate;
Forming a second tunnel barrier film over the entire surface of the high-concentration polycrystalline semiconductor layer so that a tunnel current flows; and forming a first tunnel barrier film over the entire surface of the second tunnel barrier film.
Forming a third high-concentration polycrystalline semiconductor layer of conductivity type so as to degenerate, and forming a third tunnel barrier film over the entire surface of the third high-concentration polycrystalline semiconductor layer so that tunnel current flows Forming a second highly doped polycrystalline semiconductor layer of the second conductivity type so as to degenerate over the entire surface of the third tunnel barrier film; and masking the electrode formation region of the stacked structure. 2 high-concentration polycrystalline semiconductor layer, second
By etching the tunnel barrier film, the third high-concentration polycrystalline semiconductor layer, the third tunnel barrier film, and the fourth high-concentration polycrystalline semiconductor layer, an electrode having a multilayer structure is formed on the semiconductor substrate. Forming a first insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate, and then etching the first insulating film using the stacked structure forming region as a mask, thereby opening a transistor forming region. After forming a second insulating film over the entire opening of the transistor forming region, a conductive film is formed over the entire surface of the semiconductor substrate, and the gate insulating region of the transistor is masked to form a second insulating film and a conductive film. A step of forming a gate insulating film in the transistor formation region and a gate electrode on the gate insulating film by etching, and a step of forming a second conductive film on the semiconductor substrate by etching. Implantation using a gate electrode as a mask by using impurity ions of a negative electrode, a second source and drain of a transistor is formed on the semiconductor substrate in the gate length direction of the gate electrode.
Forming a conductive type diffusion layer; and depositing a third insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate to protect the opened transistor formation region.
【0028】第1の半導体装置の製造方法によると、積
層構造を全て形成した後にトランジスタを形成するた
め、積層構造の縮退した高濃度半導体層を形成する工程
に必要な高温熱処理プロセスによるトランジスタ特性の
劣化がなくなり、設計通りのトランジスタ特性が得られ
る。一方、積層構造には充分に高温熱処理を加えられる
ため、高濃度半導体層内で活性化された不純物数が増し
てキャリア濃度が増加するため、高いピーク電流値を持
つ良好な多重負性抵抗特性を示す積層構造を得ることが
できる。その結果、多値メモリの動作マージンが大きく
なり、より安定動作が可能となる。According to the first method for manufacturing a semiconductor device, since the transistor is formed after the entire laminated structure is formed, the transistor characteristics are reduced by the high-temperature heat treatment process required for the step of forming the depleted high-concentration semiconductor layer of the laminated structure. Deterioration is eliminated and transistor characteristics as designed are obtained. On the other hand, since the stacked structure can be sufficiently subjected to a high-temperature heat treatment, the number of activated impurities in the high-concentration semiconductor layer increases and the carrier concentration increases, resulting in a good multi-negative resistance characteristic having a high peak current value. Can be obtained. As a result, the operation margin of the multi-level memory is increased, and more stable operation is possible.
【0029】第1の半導体装置の製造方法において、高
濃度n型多結晶半導体層と高濃度p型多結晶半導体層は
シリコンもしくはシリコンゲルマニウムもしくはシリコ
ンゲルマニウムカーボンからなり、トンネル障壁膜はシ
リコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜もしくはシリコン
酸窒化膜からなっていることが好ましい。In the first method of manufacturing a semiconductor device, the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is a silicon oxide film or It is preferably made of a silicon nitride film or a silicon oxynitride film.
【0030】本発明にかかる第2の半導体装置の製造方
法は、第1導電型の半導体基板上にトランジスタ形成領
域をマスクして、積層構造形成領域に第1導電型の第1の
縮退した高濃度半導体層を形成する工程と、半導体基板
の上に全面にわたって第1のトンネル障壁膜をトンネル
電流が流れるように形成する工程と、第1のトンネル障
壁膜の上に全面にわたって第2導電型の第2の高濃度多
結晶半導体層を縮退するように形成する工程と、第2の
高濃度多結晶半導体層の上に全面にわたって、第2の高
濃度多結晶半導体層より添加不純物に対して低い拡散係
数を持つ半導体層を形成する工程と、半導体層の上に全
面にわたって第1導電型の第3の高濃度多結晶半導体層を
縮退するように形成する工程と、第3の高濃度多結晶半
導体層の上に全面にわたって第2のトンネル障壁膜をト
ンネル電流が流れるように形成する工程と、第2のトン
ネル障壁膜の上に全面にわたって第2導電型の第4の高濃
度多結晶半導体層を縮退するように形成する工程と、積
層構造の電極形成領域をマスクして第2の高濃度多結晶
半導体層、半導体層、第3の高濃度多結晶半導体層、第2
のトンネル障壁膜、及び第4の高濃度多結晶半導体層に
対してエッチングを行うことにより、半導体基板上に積
層構造の電極を形成する工程と、半導体基板上に全面に
わたって第1の絶縁膜を堆積した後、積層構造形成領域
をマスクして第1の絶縁膜に対してエッチングを行うこ
とにより、トランジスタ形成領域を開口する工程と、開
口したトランジスタ形成領域全面にわたって第2の絶縁
膜を形成した後、半導体基板上に全面にわたって導体膜
を形成し、トランジスタのゲート電極形成領域をマスク
して第2の絶縁膜及び導体膜に対してエッチングを行う
ことにより、トランジスタ形成領域にゲート絶縁膜及び
ゲート絶縁膜の上にゲート電極をそれぞれ形成する工程
と、半導体基板上に第2導電型の不純物イオンを用いて
ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行うことによ
り、半導体基板の上における、ゲート電極のゲート長方
向側にトランジスタのソース及びドレインとしての第2
導電型の拡散層をそれぞれ形成する工程と、半導体基板
上に全面にわたって第3の絶縁膜を堆積し、開口したト
ランジスタ形成領域を保護するように形成する工程とを
備えている。According to a second method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a transistor formation region is masked on a semiconductor substrate of a first conductivity type, and a first degenerated high conductivity type of a first conductivity type is formed in a stacked structure formation region. Forming a first semiconductor layer, a step of forming a first tunnel barrier film over the entire surface of the semiconductor substrate so that a tunnel current flows, and a step of forming a second conductivity type over the entire surface of the first tunnel barrier film. Forming the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer so as to degenerate, and lowering the added impurities from the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer over the entire surface on the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer Forming a semiconductor layer having a diffusion coefficient, forming a third high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the first conductivity type over the entire surface of the semiconductor layer so as to degenerate, and forming a third high-concentration polycrystalline All over the semiconductor layer Forming a second tunnel barrier film so that a tunnel current flows, and forming a second high-concentration fourth high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the second conductivity type over the entire surface of the second tunnel barrier film. A second high-concentration polycrystalline semiconductor layer, a semiconductor layer, a third high-concentration polycrystalline semiconductor layer,
Forming a layered electrode on the semiconductor substrate by etching the tunnel barrier film and the fourth high-concentration polycrystalline semiconductor layer, and forming the first insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate. After the deposition, a step of opening the transistor formation region was performed by etching the first insulation film using the stacked structure formation region as a mask, and a second insulation film was formed over the entirety of the opened transistor formation region. Thereafter, a conductive film is formed over the entire surface of the semiconductor substrate, and the second insulating film and the conductive film are etched using the gate electrode forming region of the transistor as a mask, so that the gate insulating film and the gate are formed in the transistor forming region. Forming a gate electrode on the insulating film, and using the gate electrode as a mask on the semiconductor substrate using impurity ions of the second conductivity type; By ion implantation, definitive on the semiconductor substrate, the second as the source and the drain of the transistor in the gate length direction of the gate electrode
Forming a conductive type diffusion layer; and depositing a third insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate to protect the opened transistor formation region.
【0031】第2の半導体装置の製造方法によると、積
層構造を全て形成した後にトランジスタを形成するた
め、積層構造の縮退した高濃度半導体層を形成する工程
に必要な高温熱処理プロセスによるトランジスタ特性の
劣化がなくなり、設計通りのトランジスタ特性が得られ
る。一方、積層構造には充分に高温熱処理を加えられる
ため、高濃度半導体層内で活性化された不純物数が増し
てキャリア濃度が増加するため、高いピーク電流値を持
つ良好な多重負性抵抗特性を示す積層構造を得ることが
できる。また、多結晶体からなる半導体層の方がトンネ
ル障壁膜より低い抵抗値を持つために接続部分での電圧
降下が小さく、より低電圧で2つ以上のピーク電流値を
持つ多重負性抵抗特性を得ることができるため、各安定
点の電圧の差が大きくなる。これらの結果、動作マージ
ンが大きく、安定動作する多値メモリを得ることができ
る。According to the second method for manufacturing a semiconductor device, since the transistor is formed after the entire stacked structure is formed, the transistor characteristics are reduced by the high-temperature heat treatment process required for the step of forming the depleted high-concentration semiconductor layer of the stacked structure. Deterioration is eliminated and transistor characteristics as designed are obtained. On the other hand, since the stacked structure can be sufficiently subjected to a high-temperature heat treatment, the number of activated impurities in the high-concentration semiconductor layer increases and the carrier concentration increases, resulting in a good multi-negative resistance characteristic having a high peak current value. Can be obtained. In addition, since the semiconductor layer made of a polycrystalline material has a lower resistance value than the tunnel barrier film, the voltage drop at the connection portion is smaller, and the multi-negative resistance characteristic has a lower voltage and two or more peak current values. , The difference between the voltages at each stable point increases. As a result, a multi-valued memory having a large operation margin and stable operation can be obtained.
【0032】また、第2の半導体装置の製造方法におい
て、高濃度n型多結晶半導体層と高濃度p型多結晶半導
体層はシリコンからなり、トンネル障壁膜はシリコン酸
化膜もしくはシリコン窒化膜もしくはシリコン酸窒化膜
からなり、低い拡散係数を持つ半導体層はシリコンゲル
マニウムもしくはシリコンゲルマニウムカーボンからな
っていることが好ましい。In the second method of manufacturing a semiconductor device, the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer are made of silicon, and the tunnel barrier film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon nitride film. The semiconductor layer made of an oxynitride film and having a low diffusion coefficient is preferably made of silicon germanium or silicon germanium carbon.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)本発明の第1
の実施形態を図面に基づいて説明する。(First Embodiment) A first embodiment of the present invention.
An embodiment will be described with reference to the drawings.
【0034】図1は本発明の第1の実施形態に係る半導
体装置である多重負性抵抗素子の構成断面図である。図
1に示すようにシリコン基板上に形成した酸化シリコン
膜11上に、縮退するように形成された、高濃度p型半
導体層としてのp型ポリシリコン層12と高濃度n型半
導体層としてのn型ポリシリコン層13を備えている。
p型ポリシリコン層12とn型ポリシリコン層13の各
不純物濃度は少なくとも1×1019cm-3であるため、
p型ポリシリコン層12のフェルミ準位は価電子帯中に
位置すると共に、n型ポリシリコン層13のフェルミ準
位は伝導帯中に位置することになるので、p型ポリシリ
コン層12とn型ポリシリコン層13は共に縮退状態に
ある。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a multiple negative resistance element which is a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a p-type polysilicon layer 12 as a high-concentration p-type semiconductor layer and a p-type polysilicon layer 12 as a high-concentration n-type semiconductor layer formed on a silicon oxide film 11 formed on a silicon substrate so as to degenerate. An n-type polysilicon layer 13 is provided.
Since each impurity concentration of the p-type polysilicon layer 12 and the n-type polysilicon layer 13 is at least 1 × 10 19 cm −3 ,
Since the Fermi level of the p-type polysilicon layer 12 is located in the valence band and the Fermi level of the n-type polysilicon layer 13 is located in the conduction band, the p-type polysilicon layer 12 and n The mold polysilicon layer 13 is in a degenerate state.
【0035】p型ポリシリコン層12とn型ポリシリコ
ン層13の界面には厚さが1.0nm〜2.0nmの酸窒
化シリコンからなるトンネル障壁膜14が形成され、ト
ンネル障壁膜14を介したポリシリコンからなる縮退し
たp−n接続構造15が形成されている。p−n接続構
造15上には、p−n接続構造15と同じ構造を持った
p−n接続構造16が同じトンネル障壁膜14を介して
直列に同じ方向である順方向に接続した積層構造17が
形成されている。At the interface between the p-type polysilicon layer 12 and the n-type polysilicon layer 13, a tunnel barrier film 14 made of silicon oxynitride having a thickness of 1.0 to 2.0 nm is formed. A degenerated pn connection structure 15 made of polysilicon is formed. A stacked structure in which a pn connection structure 16 having the same structure as the pn connection structure 15 is connected in series in the same direction in the forward direction via the same tunnel barrier film 14 on the pn connection structure 15. 17 are formed.
【0036】酸化シリコン膜11上に全面にわたって形
成された層間絶縁膜18には、p−n接続構造15内の
p型ポリシリコン層12及びp−n接続構造16内のn
型ポリシリコン層13の表面を露出させるコンタクトホ
ールがそれぞれ形成されており、各コンタクトホールに
はタングステンが充填されてなるコンタクト19がそれ
ぞれ形成され、各コンタクト19はアルミニウム配線2
0にそれぞれ電気的に接続されている。アルミニウム配
線20を介して積層構造17に電圧が印加され、2つの
ピーク電流を持つ多重負性抵抗特性を示すダイオードと
して制御される。The interlayer insulating film 18 formed over the entire surface of the silicon oxide film 11 includes a p-type polysilicon layer 12 in the pn connection structure 15 and an n-type polysilicon layer 12 in the pn connection structure 16.
Contact holes for exposing the surface of the mold polysilicon layer 13 are respectively formed, contacts 19 filled with tungsten are formed in each contact hole, and each contact 19 is formed of the aluminum wiring 2.
0 are electrically connected to each other. A voltage is applied to the laminated structure 17 via the aluminum wiring 20, and is controlled as a diode having multiple negative resistance characteristics having two peak currents.
【0037】次に本実施形態に係る多重負性抵抗素子の
動作原理を示す。Next, the operation principle of the multiple negative resistance element according to this embodiment will be described.
【0038】まず、各p−n接続構造の電流電圧特性を
図2に示す。各p−n接続構造はエサキダイオードと同
じ動作原理で1つのピーク電流を持つ負性抵抗特性を示
す。ただし、p型ポリシリコン層12とn型ポリシリコ
ン層13の間にはトンネル障壁膜14が形成されている
ため、不純物の相互拡散を抑制して濃度勾配が急峻なp
−n接続構造を維持する。また、酸窒化シリコンからな
るトンネル障壁膜のエネルギー障壁が、順方向バイアス
が大きくなるにつれて流れやすくなる熱拡散電流を抑制
するため、ピーク電流値とバレイ電流値の比であるピー
ク・バレイ比(PVR:Peak−to−valley
Ratio)が高い良好な負性抵抗特性を得ることが
できる。First, FIG. 2 shows the current-voltage characteristics of each pn connection structure. Each pn connection structure exhibits a negative resistance characteristic having one peak current according to the same operation principle as the Esaki diode. However, since the tunnel barrier film 14 is formed between the p-type polysilicon layer 12 and the n-type polysilicon layer 13, the p-type polysilicon layer 12 suppresses the mutual diffusion of impurities and has a steep concentration gradient.
-Maintain the n connection structure. In addition, the energy barrier of the tunnel barrier film made of silicon oxynitride suppresses a thermal diffusion current that tends to flow as the forward bias increases, so that a peak-to-valley ratio (PVR), which is a ratio of a peak current value to a valley current value, is used. : Peak-to-valley
Good negative resistance characteristics with high (Ratio) can be obtained.
【0039】p−n接続構造を順方向となるように2個
直列に接続すると、図3に示すような回路図となり、そ
の電流電圧特性は図4のように2つのピーク電流を持つ
負性抵抗特性となる。同様に、負性抵抗特性を示すp−
n接続構造を順方向となるように複数個直列に接続する
と、接続した数だけピーク電流を持つ多重の負性抵抗特
性を得ることができる。When two pn connection structures are connected in series so as to be in the forward direction, a circuit diagram as shown in FIG. 3 is obtained, and the current-voltage characteristic is a negative voltage having two peak currents as shown in FIG. It becomes a resistance characteristic. Similarly, p-
When a plurality of n-connection structures are connected in series so as to be in the forward direction, multiple negative resistance characteristics having a peak current by the number of connected n-connection structures can be obtained.
【0040】ここで、各p−n接続構造は酸窒化シリコ
ンからなるトンネル障壁膜を介して接続されているた
め、接続界面での不純物の相互拡散が抑制され、各p−
n接続構造は高濃度に保たれたまま積層される。また、
各p−n接続構造をトンネル障壁を介して直列に接続す
る部分はp−n接続構造に逆方向バイアスを印加した状
態となり、膜厚の薄いトンネル障壁膜に大きな電界がか
かるため、順方向バイアスを印加した状態より大きなト
ンネル電流が流れて、各p−n接続構造より低い抵抗値
を持つ。よって、各p−n接続構造をトンネル障壁を介
して直列に接続する部分による電圧降下は小さく、各p
−n接続構造に充分な電圧が印加される。Here, since each pn connection structure is connected via a tunnel barrier film made of silicon oxynitride, mutual diffusion of impurities at the connection interface is suppressed, and each pn connection structure is connected.
The n-connection structure is stacked while maintaining a high concentration. Also,
A portion where each pn connection structure is connected in series via a tunnel barrier is in a state where a reverse bias is applied to the pn connection structure, and a large electric field is applied to the thin tunnel barrier film. , A tunnel current larger than that in the state where the voltage is applied flows, and has a lower resistance value than each pn connection structure. Therefore, the voltage drop due to the portion connecting each pn connection structure in series via the tunnel barrier is small,
Sufficient voltage is applied to the -n connection structure.
【0041】図5(a)〜(i)に多重の負性抵抗特性
が得られる理由を、図3に示したp−n接続構造を2個
直列接続した回路を用いて、簡単に示す。図6は図3の
回路から得られる2つのピーク電流を持った負性抵抗特
性を示している。図3におけるp−n接続構造31の電
流電圧特性51と、図3におけるp−n接続構造32の
負荷特性52との交点が図3における2個直列回路33
の動作点53a〜53iとなる。図5(a)〜(i)に
おいて負荷特性52と電圧を表すグラフの横軸との交点
54が2個直列回路33に印加される電圧を示し、動作
点53a〜53iの電流値が2個直列回路33の電流値
を示している。一方、動作点53a〜53iの電圧はp
−n接続構造31にかかる電圧を示し、p−n接続構造
32にかかる電圧は交点54の電圧値から動作点53a
〜53iの電圧値を差し引いた値となる。図5(a)で
は、各p−n接続構造に電圧が等分配されている。次
に、電流値がピークとなる図5(b)の状態を過ぎる
と、図5(c)に示すように、負荷特性52の方がピー
ク電流が小さい場合は、動作点が電圧の小さい方に移動
するためにp−n接続構造31より負荷であるp−n接
続構造32に多くの電圧が分配されることになる。そし
て、電流値が極小値となる図5(d)の状態を過ぎる
と、今度は負荷のp−n接続構造32にかかる電圧はあ
まり変化せず、p−n接続構造31にかかる電圧が増加
し、図5(e)の状態を経て電流値が再びピークとなる
図5(f)の状態となる。図5(g)を経て再び電流値
が極小値を取る図5(h)以降は再び等しい電圧が印加
されるようになり、図5(i)のように電流は電圧増加
にしたがって単調に増加していくのみとなる。上記の結
果、動作点53a〜53iの軌跡が図6のような2つの
ピークを持った負性抵抗特性となる。なお、電流電圧特
性51より負荷特性52の方がピーク電流が大きい場合
は、動作点が電圧の大きい方に移動し、負荷であるp−
n接続構造32よりp−n接続構造31に多くの電圧が
分配される前例とは逆の電圧分配となるため、2つのピ
ークが現れる順番は変わるが、2つのピーク電流を持つ
負性抵抗特性が得られることに変わりはない。FIGS. 5A to 5I briefly show the reason why multiple negative resistance characteristics can be obtained using a circuit in which two pn connection structures shown in FIG. 3 are connected in series. FIG. 6 shows a negative resistance characteristic having two peak currents obtained from the circuit of FIG. The intersection of the current-voltage characteristic 51 of the pn connection structure 31 in FIG. 3 and the load characteristic 52 of the pn connection structure 32 in FIG.
Operating points 53a to 53i. 5A to 5I, two intersections 54 between the load characteristic 52 and the horizontal axis of the graph representing the voltage indicate the voltage applied to the series circuit 33, and two current values at the operating points 53a to 53i. The current value of the series circuit 33 is shown. On the other hand, the voltages at the operating points 53a to 53i are p
The voltage applied to the pn connection structure 32 indicates the voltage applied to the pn connection structure 32.
It is a value obtained by subtracting the voltage value of ~ 53i. In FIG. 5A, the voltage is equally distributed to each pn connection structure. Next, after the state of FIG. 5B in which the current value peaks, as shown in FIG. 5C, when the load characteristic 52 has a smaller peak current, the operating point has a smaller voltage. , More voltage is distributed to the pn connection structure 32, which is a load, than the pn connection structure 31. Then, after the state of FIG. 5D in which the current value becomes the minimum value, the voltage applied to the pn connection structure 32 of the load does not change so much, and the voltage applied to the pn connection structure 31 increases. Then, the state shown in FIG. 5F is reached in which the current value peaks again through the state shown in FIG. After FIG. 5 (g), the current value again takes the minimum value, and after FIG. 5 (h), the same voltage is applied again, and as shown in FIG. 5 (i), the current monotonously increases as the voltage increases. It will only be done. As a result, the locus of the operating points 53a to 53i has a negative resistance characteristic having two peaks as shown in FIG. If the peak current of the load characteristic 52 is larger than that of the current-voltage characteristic 51, the operating point moves to the higher voltage, and the load p-
Since the voltage distribution is opposite to that of the previous example in which more voltage is distributed to the pn connection structure 31 than to the n connection structure 32, the order in which the two peaks appear changes, but the negative resistance characteristic having two peak currents Is still obtained.
【0042】前述したように、負性抵抗特性を示すp−
n接続構造を順方向となるように複数個直列接続する
と、複数個のピーク電流を持つ多重負性抵抗特性を得る
ことができる。しかしながら、図7に示すような従来例
のようにp−n接続構造内の縮退した高濃度p型半導体
層を単結晶シリコンからなる基板中に形成するのであれ
ば、基板上の同一面内にp−n接続構造71を複数個並
べて配置しなければならないため、多重負性抵抗特性素
子の面積が増加してしまう。As described above, p-
When a plurality of n-connection structures are connected in series so as to be in the forward direction, multiple negative resistance characteristics having a plurality of peak currents can be obtained. However, if the degenerated high-concentration p-type semiconductor layer in the pn connection structure is formed in a substrate made of single-crystal silicon as in the conventional example shown in FIG. Since a plurality of pn connection structures 71 must be arranged, the area of the multiple negative resistance characteristic element increases.
【0043】そこで、本実施形態は縮退した高濃度p型
半導体層および高濃度n型半導体層を多結晶体であるポ
リシリコンで形成することにより、下地基板が単結晶シ
リコンに関わらず酸化シリコン、酸窒化シリコンや同じ
多結晶のポリシリコン上にも積層してp−n接続構造を
形成することを可能にするものである。よって、本発明
の方法を用いると、図1のp−n接続構造15とp−n
接続構造16が酸窒化シリコンよりなるトンネル障壁膜
14を介して順方向となるように直列に接続された積層
構造を容易に形成することができる。その結果、図8に
示すように本実施形態の積層構造81を用いた素子で
は、面内に並べて作製する従来例の素子面積に比べて1
/2に小さくすることができる。また、本実施形態では
2つのピーク電流を持つ多重負性抵抗素子であるが、さ
らに多くのピーク電流を持つ多重負性抵抗素子では、よ
り多数のp−n接続構造を積層して形成することによ
り、本実施形態よりも素子面積縮小の効果をさらに大き
くできる。Accordingly, in the present embodiment, the degenerated high-concentration p-type semiconductor layer and high-concentration n-type semiconductor layer are formed of polycrystalline polysilicon, so that the underlying substrate can be made of silicon oxide, It is also possible to form a pn connection structure by stacking on silicon oxynitride or the same polycrystalline polysilicon. Therefore, using the method of the present invention, the pn connection structure 15 and the pn connection structure shown in FIG.
It is possible to easily form a laminated structure in which the connection structure 16 is connected in series so as to be in the forward direction via the tunnel barrier film 14 made of silicon oxynitride. As a result, as shown in FIG. 8, in the device using the laminated structure 81 of the present embodiment, the area of the device in the conventional example manufactured side by side in the plane is one unit.
/ 2. In the present embodiment, a multiple negative resistance element having two peak currents is used. However, a multiple negative resistance element having more peak currents may be formed by stacking a larger number of pn connection structures. Accordingly, the effect of reducing the element area can be further enhanced as compared with the present embodiment.
【0044】なお、本実施形態ではシリコン基板上に形
成した酸化シリコン膜11上に、高濃度p型半導体層と
してのp型ポリシリコン層12を形成してからトンネル
障壁膜14を介在させて高濃度n型半導体層としてのn
型ポリシリコン層13を形成しているが、p型とn型と
のすべての極性を反転させて積層構造を作製し、印加電
圧の極性も反転させて動作する多重負性抵抗素子を構成
できることはいうまでもない。In the present embodiment, a p-type polysilicon layer 12 as a high-concentration p-type semiconductor layer is formed on a silicon oxide film 11 formed on a silicon substrate, and then a tunnel barrier film 14 is interposed therebetween. N as a concentration n-type semiconductor layer
Although the type polysilicon layer 13 is formed, a multi-negative resistance element that operates by reversing the polarity of all the p-type and n-type to form a laminated structure and reversing the polarity of the applied voltage can be configured. Needless to say.
【0045】また、単結晶シリコン基板上に直接積層構
造を形成する場合には、積層構造の最下部にあたる高濃
度半導体層を単結晶シリコンからなるシリコン基板中に
形成しても多重負性抵抗素子を形成することができる。When a laminated structure is formed directly on a single-crystal silicon substrate, even if a high-concentration semiconductor layer corresponding to the lowermost portion of the laminated structure is formed on a silicon substrate made of single-crystal silicon, a multiple negative resistance element is formed. Can be formed.
【0046】また、図9に示すように、第1の実施形態
の第1変形例として、各p−n接続構造をトンネル酸化
膜を介して接続する代わりに、トンネル酸化膜より低い
抵抗値を持つ伝導層としてのチタンシリサイド膜91を
介して接続している。ここで、図1に示す部材と同一の
部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。As shown in FIG. 9, as a first modification of the first embodiment, instead of connecting each pn connection structure via a tunnel oxide film, a resistance value lower than that of the tunnel oxide film is used. They are connected via a titanium silicide film 91 as a conductive layer. Here, the same members as those shown in FIG.
【0047】本変形例によると、第1の実施形態におけ
る多重負性抵抗素子の効果が得られる上に、トンネル酸
化膜より低い抵抗値を持つチタンシリサイド91を介し
て各p−n接続構造を接続しているため、各p−n接続
構造をチタンシリサイド91を介して直列に接続する部
分の電圧降下はトンネル酸化膜を介して接続する場合よ
り小さくなるので、各p−n接続構造により確実に充分
な電圧を印加することができるようになり、その結果と
して図10に示すように、電流電圧特性においてより低
電圧で2つ以上のピーク電流値を持つ多重負性抵抗特性
を有する素子を得ることができる。なお、多重負性抵抗
素子としての動作は第1の実施形態に係る多重負性抵抗
素子と同様である。According to this modification, the effect of the multiple negative resistance element of the first embodiment can be obtained, and in addition, each pn connection structure can be formed through the titanium silicide 91 having a lower resistance than the tunnel oxide film. Since the connection is made, the voltage drop at the part where each pn connection structure is connected in series via the titanium silicide 91 is smaller than when connected via the tunnel oxide film, so that each pn connection structure is more reliable. As a result, as shown in FIG. 10, an element having a multi-negative resistance characteristic having two or more peak current values at a lower voltage in the current-voltage characteristic can be applied. Obtainable. The operation as a multiple negative resistance element is the same as that of the multiple negative resistance element according to the first embodiment.
【0048】また、本実施形態では材料にシリコンを主
に用いているが、シリコンゲルマニウムやシリコンゲル
マニウムカーボンを用いても多重負性抵抗素子の作製が
可能である。特に、高濃度p型半導体層をシリコンゲル
マニウムやシリコンゲルマニウムカーボンで形成する
と、シリコンで形成した場合に比べて高い濃度のp型半
導体層が形成できるため、より確実に急峻な濃度勾配を
有するp−n接続構造を形成することができ、高いピー
ク電流を持った多重負性抵抗素子を得ることができる。In this embodiment, silicon is mainly used as a material. However, a multi-negative resistance element can be manufactured by using silicon germanium or silicon germanium carbon. In particular, when the high-concentration p-type semiconductor layer is formed of silicon germanium or silicon-germanium carbon, a p-type semiconductor layer having a higher concentration can be formed as compared with a case where the high-concentration p-type semiconductor layer is formed of silicon. An n-connection structure can be formed, and a multiple negative resistance element having a high peak current can be obtained.
【0049】また、図11に示すように、第1の実施形
態の第2変形例として、各p−n接続構造をトンネル酸
化膜を介して接続する代わりに、添加不純物に対してポ
リシリコン層より低い拡散係数を持つ多結晶半導体層と
してのシリコンゲルマニウム層92を介して接続してい
る。組成は、例えばSi(1-x)Gexと表すと、x=0.1
〜0.6の割合で混晶を形成する。膜厚は2〜20nmとす
る。ここで、図1に示す部材と同一の部材には同一の符
号を付すことにより説明を省略する。As shown in FIG. 11, as a second modification of the first embodiment, instead of connecting each pn connection structure via a tunnel oxide film, a polysilicon layer The connection is made via a silicon germanium layer 92 as a polycrystalline semiconductor layer having a lower diffusion coefficient. The composition is expressed as, for example, Si (1-x) Gex, where x = 0.1.
A mixed crystal is formed at a ratio of about 0.6. The film thickness is 2 to 20 nm. Here, the same members as those shown in FIG.
【0050】本変形例によると、第1の実施形態におけ
る多重負性抵抗素子の効果が得られる上に、添加不純物
に対してポリシリコン層より低い拡散係数を持つ多結晶
シリコンゲルマニウム層92を介して各p−n接続構造
を接続しているため、不純物の相互拡散を抑えて高濃度
を保ったままp−n接続構造を積層でき、ピーク電流値
が高い良好な多重負性抵抗特性を得ることができる。加
えて、多結晶シリコンゲルマニウム層92の方がトンネ
ル障壁膜より低い抵抗値を持つために各p−n接続構造
を多結晶シリコンゲルマニウム層92を介して直列に接
続する部分の電圧降下はトンネル酸化膜を介して接続す
る場合より小さくなるので、各p−n接続構造により確
実に充分な電圧を印加することができるようになり、そ
の結果として同じく図10に示すように、電流電圧特性
においてより低電圧で2つ以上のピーク電流値を持つ多
重負性抵抗特性を有する素子を得ることができると考え
られる。なお、多重負性抵抗素子としての動作は第1の
実施形態に係る多重負性抵抗素子と同様である。According to this modification, the effect of the multiple negative resistance element in the first embodiment can be obtained, and the polycrystalline silicon germanium layer 92 having a diffusion coefficient lower than that of the polysilicon layer for added impurities can be obtained. Since the respective pn connection structures are connected to each other, the pn connection structures can be stacked while suppressing the mutual diffusion of impurities and maintaining a high concentration, and a good multiple negative resistance characteristic having a high peak current value can be obtained. be able to. In addition, since the polycrystalline silicon germanium layer 92 has a lower resistance than the tunnel barrier film, the voltage drop at the portion where each pn connection structure is connected in series via the polycrystalline silicon germanium layer 92 is reduced by tunnel oxidation. Since it is smaller than the case where connection is made via a film, a sufficient voltage can be applied to each pn connection structure with certainty. As a result, as shown in FIG. It is considered that an element having multiple negative resistance characteristics having two or more peak current values at a low voltage can be obtained. The operation as a multiple negative resistance element is the same as that of the multiple negative resistance element according to the first embodiment.
【0051】(第2の実施形態)以下、本発明の第2の
実施形態を図面に基づいて説明する。(Second Embodiment) Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0052】図12は本発明の第2の実施形態に係る半
導体装置である多値メモリ(SRAM)の構成断面図で
ある。図12に示す多値SRAMにおいて、111、1
12は共に第1の実施形態に係る半導体装置と類似の構
造を持った2つのピーク電流を持つ多重負性抵抗素子で
あり、111と112はメタル配線によって順方向とな
るように直列に接続され、記憶ノード113を形成す
る。114は記憶ノード113に対するアクセスを許可
又は禁止するトランスファトランジスタを示している。FIG. 12 is a sectional view showing the configuration of a multi-valued memory (SRAM) which is a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In the multi-valued SRAM shown in FIG.
Reference numeral 12 denotes a multiple negative resistance element having two peak currents having a structure similar to that of the semiconductor device according to the first embodiment, and 111 and 112 are connected in series by metal wiring so as to be in a forward direction. , The storage node 113 is formed. Reference numeral 114 denotes a transfer transistor that permits or inhibits access to the storage node 113.
【0053】図12に示すように、p型シリコンよりな
るSOI基板115(Silicon on Insul
ator 基板)上に互いに所定の間隔を置いた、酸化
シリコンよりなる第1の素子分離膜116A、第2の素
子分離膜116B、第3の素子分離膜116C、及び第
4の素子分離膜116Dが形成されている。As shown in FIG. 12, an SOI substrate 115 (Silicon on Insul) made of p-type silicon is used.
, a first device isolation film 116A, a second device isolation film 116B, a third device isolation film 116C, and a fourth device isolation film 116D made of silicon oxide, which are spaced apart from each other by a predetermined distance. Is formed.
【0054】多重負性抵抗素子111において、SOI
基板115上の第1及び第2の素子分離膜116A、1
16Bの間に、不純物濃度が1×1019cm-3以上の、
第1導電型の高濃度半導体層としての縮退した高濃度p
型拡散層117Aが形成されており、その上に膜厚が
1.0nm〜2.0nmの酸窒化シリコンからなる第1の
トンネル障壁膜118Aを介在して、膜厚200nm、
不純物濃度が1×1019cm-3以上の、第2導電型の第
1の高濃度多結晶半導体層としての縮退した高濃度n型
ポリシリコン層119Aが形成され、第1のp−n接続
構造120Aが形成されている。さらにその上には、膜
厚200nm、不純物濃度が1×1019cm-3以上の、
第1導電型の高濃度多結晶半導体層としての縮退した高
濃度p型ポリシリコン層121Aと、同じく膜厚200
nm、不純物濃度が1×1019cm -3以上の、第2導電
型の第2の高濃度多結晶半導体層としての縮退した高濃
度n型ポリシリコン層123Aとの間に、膜厚が1.0n
m〜2.0nmの酸窒化シリコンからなる第2のトンネ
ル障壁膜122Aを挟んで形成した第2のp−n接続構
造124Aが形成されている。第2のp−n接続構造1
24Aと第1のp−n接続構造120Aは、膜厚が1.0
nm〜2.0nmの酸窒化シリコンからなる第3のトン
ネル障壁膜125Aを介して、順方向となるように直列
に接続されて第1の積層構造126Aを形成する。In the multiple negative resistance element 111, the SOI
First and second element isolation films 116A, 116A, 1B on substrate 115
16B, the impurity concentration is 1 × 10 19 cm −3 or more,
Degenerate high concentration p as first conductivity type high concentration semiconductor layer
Type diffusion layer 117A is formed, and the film thickness is
A first layer made of silicon oxynitride having a thickness of 1.0 nm to 2.0 nm;
200 nm in thickness, with the tunnel barrier film 118A interposed
Impurity concentration is 1 × 1019cm-3As described above, the second conductivity type
Degenerate high-concentration n-type as high-concentration polycrystalline semiconductor layer of 1
A polysilicon layer 119A is formed, and a first pn connection is formed.
A structure 120A has been formed. On top of that, a membrane
200 nm thick, impurity concentration 1 × 1019cm-3More than,
Degenerate high as a high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the first conductivity type
A p-type polysilicon layer 121A having a thickness of 200
nm, impurity concentration is 1 × 1019cm -3Above, the second conductive
High concentration as a second high concentration polycrystalline semiconductor layer of the type
Between the n-type polysilicon layer 123A and the n-type polysilicon layer 123A.
Second tunnel made of silicon oxynitride of m to 2.0 nm
P-n connection structure formed with the barrier film 122A interposed therebetween.
Structure 124A is formed. Second pn connection structure 1
24A and the first pn connection structure 120A have a thickness of 1.0.
Third ton made of silicon oxynitride having a thickness of 2.0 nm to 2.0 nm
In series via the tunnel barrier film 125A so as to be in the forward direction.
To form a first stacked structure 126A.
【0055】多重負性抵抗素子112において、積層構
造126Bは多重負性抵抗素子111の積層構造126
Aと同じ構造を有し、SOI基板115上の第2及び第
3の素子分離膜116B、116Cの間に形成される。In the multiple negative resistance element 112, the multilayer structure 126B is the multilayer structure 126 of the multiple negative resistance element 111.
It has the same structure as A and is formed between the second and third element isolation films 116B and 116C on the SOI substrate 115.
【0056】トランスファトランジスタ114におい
て、SOI基板115上における第3及び第4の素子分
離膜116C、116Dの間の領域に酸窒化シリコンか
らなり厚さが5nmのゲート絶縁膜127を介して、n
型ポリシリコンよりなり、不純物濃度が1×1019cm
-3以上で厚さが200nmのゲート電極128が形成さ
れており、SOI基板115上におけるゲート電極12
8の側面に酸化シリコンからなるサイドウォール129
が形成され、SOI基板115上におけるゲート電極1
28のゲート長方向両側に高濃度p型拡散層からなるエ
クステンション領域130、ソース電極131A、ドレ
イン電極131Bがそれぞれ形成されている。In the transfer transistor 114, the region between the third and fourth element isolation films 116 C and 116 D on the SOI substrate 115 is formed through a gate insulating film 127 made of silicon oxynitride and having a thickness of 5 nm.
Type polysilicon, impurity concentration 1 × 10 19 cm
The thickness at -3 is formed a gate electrode 128 of 200 nm, the gate electrode 12 on the SOI substrate 115
Side wall 129 made of silicon oxide on the side surface of No. 8
Is formed, and the gate electrode 1 on the SOI substrate 115 is formed.
An extension region 130 made of a high concentration p-type diffusion layer, a source electrode 131A, and a drain electrode 131B are formed on both sides of the gate electrode 28 in the gate length direction.
【0057】SOI基板115上には全面にわたって層
間絶縁膜132が堆積され、層間絶縁膜132における
高濃度p型拡散層117Aの上、高濃度n型ポリシリコ
ン層123Aの上、高濃度p型拡散層117Bの上、高
濃度n型ポリシリコン層123Bの上、ゲート電極12
8の上、ソース電極131A及びドレイン電極131B
の上にそれぞれタングステンよりなるコンタクト133
が電気的に接続されるように形成されている。On the entire surface of the SOI substrate 115, an interlayer insulating film 132 is deposited. The interlayer insulating film 132 has a high concentration p-type diffusion layer 117A, a high concentration n-type polysilicon layer 123A, a high concentration p-type diffusion layer. On the layer 117B, on the high-concentration n-type polysilicon layer 123B, and on the gate electrode 12
8, source electrode 131A and drain electrode 131B
133 each made of tungsten
Are formed so as to be electrically connected.
【0058】層間絶縁膜132における各コンタクト1
33の上には、高濃度p型拡散層117Aの上にアルミ
ニウム配線134Aが、高濃度n型ポリシリコン層12
3Aの上にアルミニウム配線134Bが、高濃度p型拡
散層117Bの上にアルミニウム配線134Cが、高濃
度n型ポリシリコン層123Bの上にアルミニウム配線
134Dが、ゲート電極128の上にアルミニウム配線
134Eが、ソース電極131A及びドレイン電極13
1Bの上にアルミニウム配線134G及び134Fがそ
れぞれ電気的に接続されるように形成されている。な
お、図示されていないが、アルミニウム配線134B、
134C及び134Fは層間絶縁膜132上で互いに電
気的に接続されている。Each contact 1 in the interlayer insulating film 132
An aluminum wiring 134A is formed on the high-concentration p-type diffusion layer 117A on the high-concentration n-type polysilicon layer 12A.
An aluminum wiring 134B is formed on the high concentration p-type diffusion layer 117B, an aluminum wiring 134D is formed on the high concentration n-type polysilicon layer 123B, and an aluminum wiring 134E is formed on the gate electrode 128. , Source electrode 131A and drain electrode 13
Aluminum wirings 134G and 134F are formed on 1B so as to be electrically connected to each other. Although not shown, the aluminum wiring 134B,
134C and 134F are electrically connected to each other on the interlayer insulating film 132.
【0059】以下、本実施形態に係る多値SRAMの回
路構成を図13を用いて説明する。Hereinafter, the circuit configuration of the multi-valued SRAM according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
【0060】図13においてビット線201は、図12
に示すアルミニウム配線134Gに対応し、ビット線2
01に接続されたトランジスタは図12のトランスファ
トランジスタ114に対応し、ワード線202はゲート
電極128の上のアルミニウム配線134Eに対応す
る。In FIG. 13, bit line 201 is
Bit line 2 corresponding to the aluminum wiring 134G shown in FIG.
The transistor connected to 01 corresponds to the transfer transistor 114 in FIG. 12, and the word line 202 corresponds to the aluminum wiring 134E on the gate electrode 128.
【0061】記録されるデータとなる電荷を保持する記
憶ノード113は、図12に示す多重負性抵抗素子11
2における高濃度p型拡散層117Bに対応し、前述し
たように、多重負性抵抗素子111における高濃度n型
ポリシリコン層123A及びトランスファトランジスタ
114のドレイン電極131Bとアルミニウム配線によ
って電気的に接続されている。The storage node 113 for holding the charge serving as the data to be recorded is connected to the multiple negative resistance element 11 shown in FIG.
2 corresponds to the high-concentration p-type diffusion layer 117B in FIG. 2 and is electrically connected to the high-concentration n-type polysilicon layer 123A in the multiple negative resistance element 111 and the drain electrode 131B of the transfer transistor 114 by aluminum wiring as described above. ing.
【0062】多重負性抵抗素子111は、前述したよう
に、積層構造126Aからなり、電源電圧線203は高
濃度p型拡散層117Aの上のアルミニウム配線134
Aに対応する。一方、多重負性抵抗素子112は、積層
構造126Bからなり、接地線204は高濃度n型ポリ
シリコン層123Bの上のアルミニウム配線134Dに
対応する。As described above, the multiple negative resistance element 111 has the laminated structure 126A, and the power supply voltage line 203 is formed of the aluminum wiring 134 on the high concentration p-type diffusion layer 117A.
Corresponds to A. On the other hand, multiple negative resistance element 112 has a laminated structure 126B, and ground line 204 corresponds to aluminum wiring 134D on high-concentration n-type polysilicon layer 123B.
【0063】なお、図12には図示されていないが、ト
ランスファトランジスタ114の基板135の電位はア
ルミニウム配線134A、すなわち、電源電圧線203
と同電位に設定される。Although not shown in FIG. 12, the potential of the substrate 135 of the transfer transistor 114 is set to the aluminum wiring 134A, that is, the power supply voltage line 203.
Is set to the same potential as.
【0064】以下、図12のように構成された本実施形
態に係る半導体装置が多値SRAMとして動作すること
を図14を用いて説明する。図14において、横軸は高
濃度p型拡散層117Aもしくは117Bに印加される
電圧、縦軸は高濃度p型拡散層117Bを流れる電流示
す。すなわち、横軸及び縦軸は、多重負性抵抗素子11
1もしくは112に順方向に印加される電圧および電流
をそれぞれ示している。Hereinafter, the operation of the semiconductor device according to the present embodiment configured as shown in FIG. 12 as a multi-valued SRAM will be described with reference to FIG. In FIG. 14, the horizontal axis represents the voltage applied to the high-concentration p-type diffusion layer 117A or 117B, and the vertical axis represents the current flowing through the high-concentration p-type diffusion layer 117B. That is, the horizontal axis and the vertical axis indicate the multiple negative resistance elements 11.
1 and 112 respectively show the voltage and current applied in the forward direction.
【0065】まず、多重負性抵抗素子112の特性曲線
301は、第1の実施形態で説明したように、2つのピ
ークを持つ多重負性抵抗特性を示す。一方、負荷として
用いる多重負性抵抗素子111の特性曲線302も同様
に2つのピークを持つ多重負性抵抗特性を示す。このと
き、多重負性抵抗素子111と112の直列接続回路に
順方向に印加される電圧、すなわち電源電圧線203で
あるアルミニウム配線134Aの電圧を適当な範囲内で
選ぶことで、多重負性抵抗素子112の特性曲線301
が負荷として用いる多重負性抵抗素子111の特性曲線
302とより多くの交点を持つように制御することがで
きる。2つのピーク電流値を持つ多重負性抵抗素子を直
列接続した本実施形態では、電源電圧を0.7〜1.0
Vの間に設定することにより、最大5つの交点が得られ
る。First, the characteristic curve 301 of the multiple negative resistance element 112 shows a multiple negative resistance characteristic having two peaks as described in the first embodiment. On the other hand, the characteristic curve 302 of the multiple negative resistance element 111 used as a load similarly shows a multiple negative resistance characteristic having two peaks. At this time, the voltage applied in the forward direction to the series connection circuit of the multiple negative resistance elements 111 and 112, that is, the voltage of the aluminum wiring 134A that is the power supply voltage line 203 is selected within an appropriate range, so that the multiple negative resistance is selected. Characteristic curve 301 of element 112
Can be controlled so as to have more intersections with the characteristic curve 302 of the multiple negative resistance element 111 used as a load. In the present embodiment in which multiple negative resistance elements having two peak current values are connected in series, the power supply voltage is set to 0.7 to 1.0.
By setting between V, a maximum of five intersections is obtained.
【0066】多重負性抵抗素子112の特性曲線301
と負荷の多重負性抵抗素子111の特性曲線302との
交点のうち、各交点において、特性曲線301と特性曲
線302のそれぞれの傾きの符号が共に正となる交点の
みが安定点となる。ここでは、5つある交点303から
307のうち、交点303、305、及び307の3つ
が安定点である。一方、交点304及び306は各特性
曲線の負性抵抗領域にあるため、抵抗を表す曲線の傾き
が共に負となり、不安定点となる。The characteristic curve 301 of the multiple negative resistance element 112
Of the intersections between the load and the characteristic curve 302 of the load multiple negative resistance element 111, at each intersection, only the intersection where the sign of each of the characteristic curves 301 and 302 is positive is a stable point. Here, of the five intersections 303 to 307, three intersections 303, 305, and 307 are stable points. On the other hand, since the intersections 304 and 306 are in the negative resistance region of each characteristic curve, the slopes of the curves representing the resistances are both negative, and are unstable points.
【0067】安定点のうち、最も低い電圧値を有する安
定点303をローデータVLとし、中間の電圧値を有す
る安定点305をミドルデータVMとし、最も高い電圧
値を有する安定点307をハイデータVHと呼ぶことに
する。記憶ノード113の電位はローデータVL、ミド
ルデータVM、及びハイデータVHのいずれかでのみ安
定化する。従って、本回路はローデータVL 、ミドルデ
ータVM、及びハイデータVHの三値のメモリとして安
定して動作することになる。Among the stable points, the stable point 303 having the lowest voltage value is defined as low data VL, the stable point 305 having an intermediate voltage value is defined as middle data VM, and the stable point 307 having the highest voltage value is defined as high data VL. I will call it VH. The potential of the storage node 113 is stabilized only at one of the low data VL, the middle data VM, and the high data VH. Therefore, this circuit operates stably as a ternary memory of low data VL, middle data VM, and high data VH.
【0068】データ書き込みは、ビット線201に所定
のデータを準備し、ワード線202を接地することによ
って行なわれる。一方、データ読み出しは、ビット線2
01をフローティングにし、ワード線202を接地する
ことにより行なわれる。Data writing is performed by preparing predetermined data on the bit line 201 and grounding the word line 202. On the other hand, data read is performed on bit line 2
01 is floating and the word line 202 is grounded.
【0069】本実施形態に係る多値メモリと従来のセル
レイアウトの一例をそれぞれ図15(a)、(b)に示
す。図15(a)、(b)に示すように、本実施形態の
積層構造からなる2つの電流ピークを持つ多重負性抵抗
素子403を用いたメモリセルでは、1つのp−n接続
構造からなる負性抵抗素子401を面内に並べて作製す
る従来例のメモリセルに比べて、メモリセルを構成する
素子数を低減し、メモリセル面積を小さくすることがで
きる。また、本実施形態では2つのピーク電流を持つ多
重負性抵抗素子を用いてメモリセルを構成しているが、
さらに多くのピーク電流を持つ多重負性抵抗素子を用い
てメモリセルを構成することにより、本実施形態よりも
メモリセル構成素子数低減及びセル面積縮小の効果をさ
らに大きくできる。その結果、高集積化に適した多値メ
モリを形成することができる。FIGS. 15A and 15B show examples of the multilevel memory according to the present embodiment and a conventional cell layout, respectively. As shown in FIGS. 15A and 15B, a memory cell using a multiple negative resistance element 403 having two current peaks and having a multilayer structure according to the present embodiment has a single pn connection structure. Compared with a conventional memory cell in which the negative resistance elements 401 are arranged in a plane, the number of elements constituting the memory cell can be reduced and the memory cell area can be reduced. Further, in the present embodiment, the memory cell is configured by using a multiple negative resistance element having two peak currents.
By configuring a memory cell using multiple negative resistance elements having more peak currents, the effects of reducing the number of memory cell components and the cell area can be further increased as compared with the present embodiment. As a result, a multilevel memory suitable for high integration can be formed.
【0070】また、図16に示すように、第2の実施形
態に係る半導体装置である多値メモリ(SRAM)の第
1変形例として、図12の多重負性抵抗素子111にお
いて、第2のp−n接続構造124Aと第1のp−n接
続構造120Aを、膜厚が1.0nm〜2.0nmの酸窒
化シリコンからなる第3のトンネル障壁膜125Aを介
して、順方向となるように直列接続して第1の積層構造
126Aを形成する代わりに、第2のp−n接続構造1
24Aと第1のp−n接続構造120Aを、トンネル酸
化膜より低い抵抗値を持つ伝導層の一例として、例えば
チタンシリサイド膜501Aを介して接続して第1の積
層構造502Aを形成すると共に、多重負性抵抗素子1
12にもチタンシリサイド膜501Bを介して接続した
同じ構造を持つ積層構造502Bを用いている。ここ
で、図12に示す部材と同一の部材には同一の符号を付
すことにより説明を省略する。As shown in FIG. 16, as a first modification of the multi-valued memory (SRAM) which is the semiconductor device according to the second embodiment, in the multiple negative resistance element 111 of FIG. The pn connection structure 124A and the first pn connection structure 120A are directed in the forward direction via a third tunnel barrier film 125A made of silicon oxynitride having a thickness of 1.0 to 2.0 nm. Instead of forming the first stacked structure 126A in series with the second pn connection structure 1
24A and the first pn connection structure 120A are connected via a titanium silicide film 501A as an example of a conductive layer having a lower resistance value than the tunnel oxide film to form a first stacked structure 502A, Multiple negative resistance element 1
12, a laminated structure 502B having the same structure and connected via a titanium silicide film 501B is used. Here, the same members as those shown in FIG. 12 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0071】本変形例によると、第2の実施形態におけ
る多重負性抵抗素子の効果が得られる上に、トンネル酸
化膜より低い抵抗値を持つチタンシリサイドを介して各
p−n接続構造を接続しているため、第1の実施形態の
変形例で説明したように、各p−n接続構造をチタンシ
リサイドを介して直列に接続する部分の電圧降下はトン
ネル酸化膜を介して接続する場合より小さくなるので、
各p−n接続構造により確実に充分な電圧を印加するこ
とができるようになり、その結果として、より低電圧で
2つのピーク電流値を持つ多重負性抵抗特性を有する素
子を得ることができる。よって、図17に示すように、
各安定点の電圧差が大きくなり、動作マージンが大きい
多値メモリを得ることができると考えられる。According to the present modification, in addition to the effect of the multiple negative resistance element of the second embodiment, each pn connection structure is connected via titanium silicide having a lower resistance than the tunnel oxide film. Therefore, as described in the modification of the first embodiment, the voltage drop in the portion where each pn connection structure is connected in series via titanium silicide is smaller than that in the case where connection is made via a tunnel oxide film. Because it becomes smaller,
A sufficient voltage can be reliably applied to each pn connection structure, and as a result, an element having a multiple negative resistance characteristic having two peak current values at a lower voltage can be obtained. . Therefore, as shown in FIG.
It is considered that the voltage difference at each stable point becomes large and a multi-valued memory having a large operation margin can be obtained.
【0072】また、図18に示すように、第2の実施形
態に係る半導体装置である多値メモリ(SRAM)の第
2変形例として、図12の多重負性抵抗素子111にお
いて、第2のp−n接続構造124Aと第1のp−n接
続構造120Aを、膜厚が1.0nm〜2.0nmの酸窒
化シリコンからなる第3のトンネル障壁膜125Aを介
して、順方向となるように直列接続して第1の積層構造
126Aを形成する代わりに、第2のp−n接続構造1
24Aと第1のp−n接続構造120Aを、添加不純物
に対してポリシリコン層より低い拡散係数を持つ多結晶
半導体層の一例として、例えばシリコンゲルマニウム層
701Aを介して接続して第1の積層構造702Aを形
成すると共に、多重負性抵抗素子112にもシリコンゲ
ルマニウム層701Bを介して接続した同じ構造を持つ
積層構造702Bを用いている。組成は、例えばSi(1-
x)Gexと表すと、x=0.1〜0.6の割合でSiとGe
の混晶を形成する。膜厚は例えば2〜20nmとする。ここ
で、図12に示す部材と同一の部材には同一の符号を付
すことにより説明を省略する。As shown in FIG. 18, as a second modification of the multi-valued memory (SRAM) which is the semiconductor device according to the second embodiment, in the multiple negative resistance element 111 of FIG. The pn connection structure 124A and the first pn connection structure 120A are directed in the forward direction via a third tunnel barrier film 125A made of silicon oxynitride having a thickness of 1.0 to 2.0 nm. Instead of forming the first stacked structure 126A in series with the second pn connection structure 1
24A and the first pn connection structure 120A are connected to each other via a silicon germanium layer 701A as an example of a polycrystalline semiconductor layer having a diffusion coefficient lower than that of the polysilicon layer with respect to an additional impurity, thereby forming a first stacked structure. In addition to forming the structure 702A, a multilayer structure 702B having the same structure connected to the multiple negative resistance element 112 via the silicon germanium layer 701B is used. The composition is, for example, Si (1-
x) When expressed as Gex, Si = Ge at a ratio of x = 0.1 to 0.6.
To form a mixed crystal of The film thickness is, for example, 2 to 20 nm. Here, the same members as those shown in FIG. 12 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0073】本変形例によると、第2の実施形態におけ
る多重負性抵抗素子の効果が得られる上に、添加不純物
に対してポリシリコン層より低い拡散係数を持つ多結晶
シリコンゲルマニウム層を介して積層構造を形成してい
るため、第1の実施形態の変形例で説明したように、不
純物の相互拡散を抑えて高濃度を保ったままp−n接続
構造を積層でき、ピーク電流値が高い良好な多重負性抵
抗特性を得ることができる。さらに、トンネル酸化膜よ
り低い抵抗値を持つ多結晶シリコンゲルマニウム層を介
して各p−n接続構造を接続しているため、第1の実施
形態の変形例で説明したように、各p−n接続構造を多
結晶シリコンゲルマニウム層を介して直列に接続する部
分の電圧降下はトンネル酸化膜を介して接続する場合よ
り小さくなるので、各p−n接続構造により確実に充分
な電圧を印加することができるようになり、その結果と
して、より低電圧で2つのピーク電流値を持つ多重負性
抵抗特性を有する素子を得ることができる。よって、同
じく図17に示すように、各安定点の電圧差が大きくな
り、動作マージンが大きい多値メモリを得ることができ
ると考えられる。According to the present modification, the effect of the multiple negative resistance element of the second embodiment can be obtained, and the poly-silicon germanium layer having a lower diffusion coefficient than the polysilicon layer with respect to the additional impurities can be obtained. Since the laminated structure is formed, as described in the modification of the first embodiment, the p-n connection structure can be laminated while suppressing the interdiffusion of impurities and maintaining a high concentration, and the peak current value is high. Good multiple negative resistance characteristics can be obtained. Further, since each pn connection structure is connected via a polycrystalline silicon germanium layer having a lower resistance value than the tunnel oxide film, as described in the modification of the first embodiment, each pn Since the voltage drop at the part where the connection structure is connected in series via the polycrystalline silicon germanium layer is smaller than that when the connection structure is connected via the tunnel oxide film, it is necessary to ensure that a sufficient voltage is applied to each pn connection structure As a result, an element having multiple negative resistance characteristics having two peak current values at a lower voltage can be obtained. Therefore, as also shown in FIG. 17, it is considered that the voltage difference at each stable point becomes large and a multi-valued memory having a large operation margin can be obtained.
【0074】また、図18に示すように、第2の実施形
態に係る半導体装置である多値メモリ(SRAM)の第
3変形例において、図12における第3の素子分離膜1
16Cを形成せずに、記憶ノードである高濃度p型拡散
層117Bとトランスファトランジスタ114のドレイ
ン電極131Bを接するように接続している。As shown in FIG. 18, in the third modification of the multi-valued memory (SRAM) which is the semiconductor device according to the second embodiment, the third element isolation film 1 shown in FIG.
16C, the high-concentration p-type diffusion layer 117B, which is a storage node, and the drain electrode 131B of the transfer transistor 114 are connected so as to be in contact with each other.
【0075】本変形例によると、第2の実施形態におけ
る多重負性抵抗素子の効果が得られる上に、第3の素子
分離膜116Cを形成せずに、同じ導電型で形成される
高濃度p型拡散層117Bとドレイン電極131Bを接
するように形成しているため、図12におけるドレイン
電極131Bの上の配線134Fやコンタクト及び素子
分離膜116Cが不要となるため、多値メモリのセル面
積をさらに縮小することができる。その結果、さらに集
積度が高い多値メモリを得ることができる。According to the present modification, the effect of the multiple negative resistance element in the second embodiment can be obtained, and the high concentration formed by the same conductivity type without forming the third element isolation film 116C. Since the p-type diffusion layer 117B and the drain electrode 131B are formed so as to be in contact with each other, the wiring 134F, the contact, and the element isolation film 116C on the drain electrode 131B in FIG. It can be further reduced. As a result, it is possible to obtain a multi-level memory with a higher degree of integration.
【0076】同様に、図12における2つの積層構造1
26A、126Bの高濃度p型拡散層117A、117
Bの両方をトランスファトランジスタのドレイン電極1
31Bと接するように接続して記憶ノードを形成すれ
ば、図19における素子分離膜116Bも不要となるた
め、多値メモリのセル面積をさらに縮小することができ
る。その結果、さらに集積度が高い多値メモリを得るこ
とができる。しかし、この場合は積層構造126A、1
26Bのどちらか一方の上にトンネル障壁膜を介した高
濃度p型ポリシリコン層をさらに形成する必要がある。Similarly, the two laminated structures 1 in FIG.
26A, 126B high concentration p-type diffusion layers 117A, 117
B is the drain electrode of the transfer transistor 1
If the storage node is formed in contact with the storage node 31B, the element isolation film 116B in FIG. 19 is not required, so that the cell area of the multilevel memory can be further reduced. As a result, it is possible to obtain a multi-level memory with a higher degree of integration. However, in this case, the laminated structure 126A, 1
It is necessary to further form a high-concentration p-type polysilicon layer on either one of the layers 26B through a tunnel barrier film.
【0077】なお、本実施形態では第1導電型にp型を
用い、トランスファトランジスタにpチャネル型トラン
ジスタを用いているが、p型とn型とのすべての極性を
反転させて多重負性抵抗素子を作製し、nチャネルトラ
ンジスタをトランスファトランジスタとして作製し、印
加電圧の極性も反転させて動作する多値メモリを構成で
きることはいうまでもない。In this embodiment, a p-type transistor is used for the first conductivity type and a p-channel transistor is used for the transfer transistor. It goes without saying that a multi-valued memory can be constructed in which an element is manufactured, an n-channel transistor is manufactured as a transfer transistor, and the polarity of the applied voltage is inverted to operate.
【0078】また、本実施形態では材料にシリコンを主
に用いているが、シリコンゲルマニウムやシリコンゲル
マニウムカーボンを用いても多値メモリの作製が可能で
ある。前述したように、高濃度p型半導体層をシリコン
ゲルマニウムやシリコンゲルマニウムカーボンで形成す
ると、シリコンで形成した場合に比べて高い濃度のp型
半導体層が形成できるため、より確実に急峻な濃度勾配
を有するp−n接続構造を形成することができ、高いピ
ーク電流を持った多重負性抵抗素子を得ることができ
る。その結果、動作マージンが大きい多値メモリを得る
ことができる。In this embodiment, silicon is mainly used as a material. However, a multi-valued memory can be manufactured by using silicon germanium or silicon germanium carbon. As described above, when the high-concentration p-type semiconductor layer is formed of silicon germanium or silicon germanium carbon, a high-concentration p-type semiconductor layer can be formed as compared with the case where the high-concentration p-type semiconductor layer is formed of silicon. Pn connection structure can be formed, and a multiple negative resistance element having a high peak current can be obtained. As a result, a multi-value memory having a large operation margin can be obtained.
【0079】(第3の実施形態)以下、本発明の第3の
実施形態を図面に基づいて説明する。(Third Embodiment) Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0080】図20(a)〜(d)、図21(e)〜
(h)、図22(i),(j)は、本発明の第3の実施
形態に係る半導体装置である多値メモリ(SRAM)の
製造方法を示す工程順断面図である。まず、図20(a)
に示すように、膜厚が300nm以下のp型SiをSOI層として
持つ半導体基板上に選択酸化法等を用いて素子分離を行
った後、半導体基板上全面にわたって、熱酸化等を用い
て、膜厚が10nm程度の酸化シリコンからなる犠牲酸化膜
801を形成する。次に、通常のフォトリソグラフィーを
用いて積層構造形成領域に開口部を有するレジストパタ
ーン802を形成する。その後、該レジストパターンをマ
スクとして、ボロンイオン(B)を用いて注入エネルギー
が20〜40keVで、且つドーズ量が2〜8x1015cm-2のイオン
注入を犠牲酸化膜801越しに行い、窒素雰囲気中900℃の
熱処理を30分間加えて、不純物濃度が1x1019cm-3以上を
有する縮退した高濃度p型拡散層117A、117Bをそれぞ
れ積層構造形成領域111、112の半導体基板上にのみ形成
する。FIGS. 20 (a) to (d) and FIGS. 21 (e) to
(H), FIGS. 22 (i) and (j) are cross-sectional views in the order of steps showing a method for manufacturing a multi-level memory (SRAM) which is a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. First, FIG.
As shown in the figure, after performing element isolation using a selective oxidation method or the like on a semiconductor substrate having p-type Si with a thickness of 300 nm or less as an SOI layer, using thermal oxidation or the like over the entire surface of the semiconductor substrate, A sacrificial oxide film made of silicon oxide with a thickness of about 10 nm
Form 801. Next, a resist pattern 802 having an opening in the laminated structure forming region is formed by using ordinary photolithography. Thereafter, using the resist pattern as a mask, ion implantation is performed using boron ions (B) at an implantation energy of 20 to 40 keV and at a dose of 2 to 8 × 10 15 cm −2 through the sacrificial oxide film 801 in a nitrogen atmosphere. Medium heat treatment at 900 ° C. is applied for 30 minutes to form degenerate high-concentration p-type diffusion layers 117A and 117B having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more only on the semiconductor substrates in the stacked structure forming regions 111 and 112, respectively. .
【0081】次に、酸素プラズマ等を用いてレジストパ
ターン802を除去した後、半導体基板に対して弗化水素
(HF)を含む溶液に浸し、犠牲酸化膜801および自然酸化
膜のエッチングを行い、積層構造形成領域111、112の高
濃度p型拡散層117A、117Bを露出させた後、図20
(b)に示すように、酸窒化シリコンよりなり、膜厚が約
1.0〜2.0nmの第1のトンネル障壁膜803を炉温度700℃、
反応ガス種にアンモニアとジクロロシランを用いたLPCV
D法等で形成する。続いて、第1のトンネル障壁膜803上
全体にわたって、ホスフィンガスを用いた燐(P)の気相
拡散によってドーピングを行いながらポリシリコン膜(D
PS)をLPCVD法で50〜200nm堆積する。その後、窒素雰囲
気中950℃の熱処理を30分間加えて、不純物濃度が1x10
19cm-3以上を有する縮退した第1の高濃度n型ポリシリコ
ン層804を、半導体基板上全面にわたって形成する。Next, after removing the resist pattern 802 using oxygen plasma or the like, the semiconductor substrate is treated with hydrogen fluoride.
After dipping in a solution containing (HF) and etching the sacrificial oxide film 801 and the natural oxide film to expose the high-concentration p-type diffusion layers 117A and 117B in the stacked structure forming regions 111 and 112, FIG.
As shown in (b), it is made of silicon oxynitride and has a film thickness of about
A furnace temperature of 700 ° C. is applied to the first tunnel barrier film 803 of 1.0 to 2.0 nm,
LPCV using ammonia and dichlorosilane as reactive gas species
Formed by the D method or the like. Subsequently, the polysilicon film (D) is doped over the entire surface of the first tunnel barrier film 803 by vapor phase diffusion of phosphorus (P) using a phosphine gas.
(PS) is deposited by 50 to 200 nm by LPCVD. Thereafter, a heat treatment at 950 ° C. in a nitrogen atmosphere is applied for 30 minutes, so that the impurity concentration is 1 × 10
A degenerated first high-concentration n-type polysilicon layer 804 having a size of 19 cm −3 or more is formed over the entire surface of the semiconductor substrate.
【0082】次に、再び半導体基板に対して弗化水素(H
F)を含む溶液に浸し、半導体基板全面にわたって自然酸
化膜等のエッチングを行い、第1の高濃度n型ポリシリ
コン層804を露出させた後、図20(c)に示すように、
酸窒化シリコンよりなり、膜厚が約1.0〜2.0nmの第2の
トンネル障壁膜805を炉温度700℃、反応ガス種にアンモ
ニアとジクロロシランを用いたLPCVD法等で形成する。
続いて、第2のトンネル障壁膜805上全体にわたって、厚
さ50〜200nmのポリシリコンを堆積した後、該ポリシリ
コンの全面にわたってBイオンを用いたイオン注入を行
い、窒素雰囲気中900℃の熱処理を30分間加えて、不純
物濃度が1x1019cm-3以上を有する縮退した高濃度p型ポ
リシリコン層806を半導体基板上全面にわたって形成す
る。Next, hydrogen fluoride (H
F), a natural oxide film or the like is etched over the entire surface of the semiconductor substrate to expose the first high-concentration n-type polysilicon layer 804. Then, as shown in FIG.
A second tunnel barrier film 805 made of silicon oxynitride and having a thickness of about 1.0 to 2.0 nm is formed by an LPCVD method using a furnace temperature of 700 ° C. and ammonia and dichlorosilane as reactive gas species.
Subsequently, after polysilicon having a thickness of 50 to 200 nm is deposited over the entire second tunnel barrier film 805, ion implantation using B ions is performed over the entire surface of the polysilicon, and a heat treatment at 900 ° C. in a nitrogen atmosphere is performed. For 30 minutes to form a degenerated high-concentration p-type polysilicon layer 806 having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more over the entire surface of the semiconductor substrate.
【0083】次に、再び半導体基板に対して弗化水素(H
F)を含む溶液に浸し、半導体基板全面にわたって自然酸
化膜等のエッチングを行い、高濃度p型ポリシリコン層
806を露出させた後、図20(d)に示すように、酸窒化
シリコンよりなり、膜厚が約1.0〜2.0nmの第3のトンネ
ル障壁膜807を炉温度700℃、反応ガス種にアンモニアと
ジクロロシランを用いたLPCVD法等で形成する。続い
て、第3のトンネル障壁膜807上全体にわたって、ホスフ
ィンガスを用いた燐(P)の気相拡散によってドーピング
を行いながらポリシリコン膜(DPS)をLPCVD法で50〜200n
m堆積する。その後、窒素雰囲気中950℃の熱処理を30分
間加えて、不純物濃度が1x1019cm-3以上を有する縮退し
た第2の高濃度n型ポリシリコン層808を、半導体基板上
全面にわたって形成する。その後、通常のフォトリソグ
ラフィーを用いて、積層構造の電極領域のみをマスクす
るレジストパターン809を第2の高濃度n型ポリシリコン
層808上に形成する。Next, hydrogen fluoride (H
F), a natural oxide film is etched over the entire surface of the semiconductor substrate, and a high-concentration p-type polysilicon layer is formed.
After exposing 806, as shown in FIG. 20 (d), a third tunnel barrier film 807 made of silicon oxynitride and having a thickness of about 1.0 to 2.0 nm is formed at a furnace temperature of 700 ° C. and a reactant gas species of ammonia. And an LPCVD method using dichlorosilane. Subsequently, the polysilicon film (DPS) is subjected to LPCVD by 50 to 200 n by doping by vapor phase diffusion of phosphorus (P) using a phosphine gas over the entire third tunnel barrier film 807.
m is deposited. After that, a heat treatment at 950 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere for 30 minutes to form a degenerated second high-concentration n-type polysilicon layer 808 having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more over the entire surface of the semiconductor substrate. Thereafter, a resist pattern 809 is formed on the second high-concentration n-type polysilicon layer 808 using normal photolithography to mask only the electrode region of the stacked structure.
【0084】次に該レジストパターン809をマスクとし
て、第2の高濃度n型ポリシリコン層、第3のトンネル障
壁膜、高濃度p型ポリシリコン層、第2のトンネル障壁
膜、第1の高濃度n型ポリシリコン層に対してドライエ
ッチングを行う。この時、エッチングされるトンネル障
壁膜とポリシリコン膜の構成元素の違いを利用して発光
分光等を用いることにより、ポリシリコン膜のエッチン
グが完全に終了したことを検出し、トンネル障壁膜をエ
ッチングする時にはエッチングガスの種類を例えばフッ
素系ガスのCF4等に変えてエッチングを行うことで効率
よく積層膜のエッチングを行うことができる。なお、ポ
リシリコンのエッチングガスには塩素系や臭素系のガス
で例えばCl2やHBr等を用いれば反応生成物の蒸気圧が
比較的低いために側壁に堆積するのでサイドエッチを抑
制でき、良好なエッチング形状が得られる。また、トン
ネル障壁膜をエッチングのマーカーとして利用し、トン
ネル障壁膜を積層した回数分(本実施形態では3回)だ
けポリシリコンのエッチングが終了した時点を目安にエ
ッチングを終了することにより、確実に積層構造のエッ
チングを行うことができる。その結果、図21(e)に示
すように、半導体基板上にトンネル障壁膜を介したp-n
接続構造をトンネル障壁膜を介して直列に接続した積層
構造126A、126Bをトランジスタを形成する前に形成す
る。形成された積層構造は充分な高温熱処理を加えられ
ているため、イオン注入による結晶欠陥等のダメージ回
復およびポリシリコンの結晶性向上を実現でき、加え
て、高濃度半導体層内で活性化された不純物数が増して
キャリア濃度が増加するため、ピーク電流値が高く良好
な多重負性抵抗特性を有する多重負性抵抗素子を形成す
ることができる。Next, using the resist pattern 809 as a mask, a second high-concentration n-type polysilicon layer, a third tunnel barrier film, a high-concentration p-type polysilicon layer, a second tunnel barrier film, Dry etching is performed on the concentration n-type polysilicon layer. At this time, by using emission spectroscopy or the like utilizing the difference in the constituent elements of the tunnel barrier film and the polysilicon film to be etched, it is detected that the etching of the polysilicon film is completely completed, and the tunnel barrier film is etched. When the etching is performed, the stacked film can be efficiently etched by changing the type of the etching gas to, for example, a fluorine-based gas such as CF 4 . Note that the etching gas of the polysilicon can suppress the side etching so deposited on the side wall due to the relatively low vapor pressure of the reaction product The use of chlorine or bromine-based gas, for example, Cl 2 and HBr, etc., good Etching shape can be obtained. In addition, by using the tunnel barrier film as an etching marker and by completing the etching at the time when the polysilicon has been etched by the number of times of stacking the tunnel barrier film (three times in the present embodiment), the etching can be surely performed. The stacked structure can be etched. As a result, as shown in FIG. 21E, the p-n
Laminated structures 126A and 126B in which connection structures are connected in series via a tunnel barrier film are formed before forming a transistor. Since the formed laminated structure has been subjected to sufficient high-temperature heat treatment, it is possible to realize recovery from damage such as crystal defects due to ion implantation and to improve the crystallinity of polysilicon, and additionally, it has been activated in the high-concentration semiconductor layer. Since the number of impurities increases and the carrier concentration increases, a multiple negative resistance element having a high peak current value and good multiple negative resistance characteristics can be formed.
【0085】次に、半導体基板上に全面にわたって、積
層構造126A、126Bを完全に覆うように膜厚が200〜800
nmの酸化シリコン膜810を堆積した後、トランジスタ形
成領域に開口部分を有するレジストパターン(図示せず)
を形成し、酸化シリコン膜810に対してドライエッチン
グを行って、図21(f)に示すように、トランジスタ形
成領域114の半導体基板135を露出させる。Next, a film thickness of 200 to 800 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate so as to completely cover the laminated structures 126A and 126B.
After depositing a silicon oxide film 810 nm, a resist pattern (not shown) having an opening in a transistor formation region
Then, dry etching is performed on the silicon oxide film 810 to expose the semiconductor substrate 135 in the transistor formation region 114 as shown in FIG.
【0086】次に、図21(g)に示すように、開口した
トランジスタ形成領域の半導体基板135上に、熱酸化等
を用いて酸化シリコンもしくは酸窒化シリコンよりな
り、膜厚が1.3〜5.0nmのゲート絶縁膜811を形成する。
続いて、ホスフィンガスを用いた燐(P)の気相拡散によ
ってドーピングを行いながらポリシリコン膜(DPS)をLPC
VD法で50〜200nm堆積するか、もしくは厚さ50〜200nmの
ポリシリコンを堆積した後、該ポリシリコンの全面にわ
たってPイオンまたはAsイオン等を用いたイオン注入を
行って高濃度n型ポリシリコン層を形成する。その後、
不純物を活性化させるために窒素雰囲気中900℃〜1000
℃の温度で15秒以下の急速熱処理を加えて、不純物濃度
が1x1019cm-3以上を有する縮退した高濃度n型ポリシリ
コン層812を半導体基板上全面にわたって形成する。そ
の後、ゲート電極領域にマスクとなるように高濃度n型
ポリシリコン層812上にレジストパターン813を形成す
る。Next, as shown in FIG. 21 (g), a silicon oxide or silicon oxynitride film having a thickness of 1.3 to 5.0 nm is formed on the semiconductor substrate 135 in the open transistor formation region by thermal oxidation or the like. The gate insulating film 811 is formed.
Subsequently, the polysilicon film (DPS) was subjected to LPC while doping by vapor phase diffusion of phosphorus (P) using phosphine gas.
After depositing 50 to 200 nm of polysilicon by VD method or depositing polysilicon of 50 to 200 nm in thickness, ion implantation using P ions or As ions is performed over the entire surface of the polysilicon to perform high concentration n-type polysilicon. Form a layer. afterwards,
900 ° C ~ 1000 in nitrogen atmosphere to activate impurities
A rapid heat treatment at a temperature of ° C. for 15 seconds or less is applied to form a degenerated high-concentration n-type polysilicon layer 812 having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more over the entire surface of the semiconductor substrate. After that, a resist pattern 813 is formed on the high-concentration n-type polysilicon layer 812 so as to serve as a mask in the gate electrode region.
【0087】次に、該レジストパターン813をマスクと
して高濃度n型ポリシリコン層812にドライエッチングを
行うことにより、図21(h)に示すように、半導体基板
135上にゲート絶縁膜127を介してn型ポリシリコンより
なるゲート電極128を形成する。その後、該ゲート電極1
28をマスクとしてPイオン等を用いたイオン注入によ
り、不純物濃度が1018 cm-3以上であるトランジスタの
ソース・ドレインのエクステンション領域130を形成
する。Next, dry etching is performed on the high-concentration n-type polysilicon layer 812 using the resist pattern 813 as a mask, as shown in FIG.
A gate electrode 128 made of n-type polysilicon is formed on 135 via a gate insulating film 127. Then, the gate electrode 1
The source / drain extension regions 130 of the transistor having an impurity concentration of 10 18 cm −3 or more are formed by ion implantation using P ions or the like with 28 as a mask.
【0088】次に、図22 (i)に示すように、半導体
基板上全面にわたってシリコン酸化膜(図示せず)を200
〜400nmの膜厚で堆積し、シリコン酸化膜に対してエッ
チバックを行うことにより、ゲート電極の側面に酸化シ
リコンからなるサイドウォール129を形成する。その
後、ゲート電極128およびサイドウォール129をマスクと
して、Asイオン等を用いたイオン注入と窒素雰囲気中85
0℃〜1000℃の温度で15秒以下の急速熱処理により、不
純物濃度が1x1019cm-3以上を有する縮退した高濃度n型
拡散層からなるソース電極131A及びドレイン電極131B
を形成する。Next, as shown in FIG. 22 (i), a silicon oxide film (not shown) is
A side wall 129 made of silicon oxide is formed on the side surface of the gate electrode by depositing a film having a thickness of about 400 nm and etching back the silicon oxide film. Thereafter, ion implantation using As ions or the like is performed using the gate
The source electrode 131A and the drain electrode 131B made of a degenerated high-concentration n-type diffusion layer having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more by a rapid heat treatment at a temperature of 0 ° C. to 1000 ° C. for 15 seconds or less.
To form
【0089】次に、図22(j)に示すように、半導体基
板全面にわたって形成したトランジスタを覆うように膜
厚が200〜800nmのシリコン酸化膜を堆積し、層間絶縁膜
132を形成する。その後、通常のリソグラフィーを用い
て、層間絶縁膜132の上における高濃度p型拡散層117
A、117Bの上方、n型ポリシリコン層123A、123Bの上
方、ゲート電極128の上方、及びソース電極131A及びド
レイン電極131Bの上方にそれぞれ開口部を有するレジ
ストパターン(図示せず)を形成し、次に、該レジストパ
ターンをマスクとして層間絶縁膜132に対してドライエ
ッチングを行って層間絶縁膜132に高濃度p型拡散層117
A、117Bの上面、n型ポリシリコン層123A、123Bの上
面、ゲート電極128の上面、及びソース電極131A及びド
レイン電極131Bの上面をそれぞれ露出させるコンタク
トホールを開口した後、該コンタクトホールにタングス
テン(W)を充填してコンタクト133をそれぞれ形成する。
その後、層間絶縁膜132の上面における各コンタクト133
に高濃度p型拡散層117A、117B、又はn型ポリシリコン
層123A、123B、又はゲート電極128、又はソース電極1
31A及びドレイン電極131Bと電気的に接続されるアル
ミニウム配線134A〜134Gをそれぞれ形成する。なお、
図示はしていないが、トランジスタの基板(ボディ)135
にも別のコンタクトを介してアルミ配線と接続されてお
り、トランスファトランジスタが完成される。本実施形
態によると、トランスファトランジスタは多重負性抵抗
素子の積層構造を形成した後に形成されるため、積層構
造形成時に良好な多重負性抵抗特性を得るために行う高
温で長時間の熱処理プロセスを受けることが無くなり、
高温で長時間の熱処理プロセスにおける不純物拡散によ
って引き起こされるトランジスタ特性の劣化が生じなく
なり、設計通りのトランジスタ特性を有するトランスフ
ァトランジスタを形成することができる。なお、トラン
ジスタを形成するための工程は積層構造形成時の高温熱
処理プロセスに匹敵、もしくはそれ以上の不純物拡散プ
ロセスを含まなければ、どの世代のルールを用いてトラ
ンジスタを形成してもよい。Next, as shown in FIG. 22J, a silicon oxide film having a thickness of 200 to 800 nm is deposited so as to cover the transistor formed over the entire surface of the semiconductor substrate.
Form 132. Then, using normal lithography, the high concentration p-type diffusion layer 117 on the interlayer insulating film 132
A, 117B, above the n-type polysilicon layer 123A, 123B, above the gate electrode 128, and above the source electrode 131A and the drain electrode 131B to form a resist pattern (not shown) having an opening, respectively, Next, using the resist pattern as a mask, dry etching is performed on the interlayer insulating film 132 to form a high-concentration p-type diffusion layer 117 on the interlayer insulating film 132.
A and 117B, the upper surfaces of the n-type polysilicon layers 123A and 123B, the upper surface of the gate electrode 128, and the contact holes exposing the upper surfaces of the source electrode 131A and the drain electrode 131B, respectively. W) is filled to form contacts 133, respectively.
After that, each contact 133 on the upper surface of the interlayer insulating film 132
High concentration p-type diffusion layers 117A, 117B, or n-type polysilicon layers 123A, 123B, or a gate electrode 128, or a source electrode 1
Aluminum wirings 134A to 134G electrically connected to 31A and drain electrode 131B are formed, respectively. In addition,
Although not shown, the substrate (body) of the transistor 135
Is connected to the aluminum wiring through another contact, and the transfer transistor is completed. According to the present embodiment, since the transfer transistor is formed after forming the multilayer structure of the multiple negative resistance elements, a heat treatment process at a high temperature for a long time to obtain good multiple negative resistance characteristics when forming the multilayer structure is performed. I will not receive it,
Deterioration of transistor characteristics caused by impurity diffusion in a heat treatment process at a high temperature for a long time does not occur, so that a transfer transistor having designed transistor characteristics can be formed. Note that the transistor may be formed using any generation rule as long as the steps for forming the transistor are comparable to or higher than the high-temperature heat treatment process for forming the stacked structure.
【0090】その後、図示はしていないが、多層配線を
行う場合には、層間絶縁膜の上に、再度別の層間絶縁膜
を形成して配線を行う。平坦化を行う場合はケミカル・
メカニカル・ポリッシング(CMP)工程等を用いて行え
ば良い。その後、400℃〜500℃において水素5〜10%の
窒素雰囲気中でアニールを行い、コンタクトの低抵抗化
と積層構造のトンネル障壁膜界面及びトランジスタのゲ
ート絶縁膜界面の準位を低減する。最後に層間絶縁膜の
表面に保護絶縁膜を形成し、ボンディングパッド用の開
口部を設けて多値メモリを完成させる。Thereafter, although not shown, when performing multilayer wiring, another interlayer insulating film is formed again on the interlayer insulating film and wiring is performed. When performing flattening,
It may be performed using a mechanical polishing (CMP) process or the like. Thereafter, annealing is performed at 400 ° C. to 500 ° C. in a nitrogen atmosphere of 5 to 10% of hydrogen to reduce the contact resistance and reduce the level of the interface between the tunnel barrier film of the stacked structure and the gate insulating film of the transistor. Finally, a protective insulating film is formed on the surface of the interlayer insulating film, and an opening for a bonding pad is provided to complete a multilevel memory.
【0091】本実施形態によれば、多重負性抵抗素子と
トランジスタの特性をお互いに劣化させることなく同じ
半導体基板上に形成できる。その結果、ピーク電流値が
高く良好な多重負性抵抗特性を有する積層構造を形成で
きるために、動作マージンが大きく、安定に動作する多
値メモリを得ることができる。一方、トランスファトラ
ンジスタも設計通りのトランジスタ特性が得られるため
に、データの入出力制御を、特に動作速度において、設
計通り正確に行うことができる多値メモリを得ることが
できる。According to the present embodiment, the multiple negative resistance elements and the transistor can be formed on the same semiconductor substrate without deteriorating the characteristics of each other. As a result, a stacked structure having a high peak current value and good multi-negative resistance characteristics can be formed, so that a multi-value memory having a large operation margin and operating stably can be obtained. On the other hand, since the transfer transistor also has the designed transistor characteristics, it is possible to obtain a multi-valued memory capable of performing data input / output control exactly as designed, particularly at the operation speed.
【0092】また、第3の実施形態の第一変形例とし
て、図20(c)において、トンネル障壁膜を介したp
-n接続構造をトンネル障壁膜を介して直列に接続して積
層構造126A、126Bを形成する代わりに、図23に示す
ように、添加不純物に対してポリシリコン層より低い拡
散係数を持つ多結晶半導体層の一例として、例えばシリ
コンゲルマニウム層814をLPCVD法等を用いて堆積し、該
シリコンゲルマニウム層814上に図20(c)と同様に
縮退した高濃度p型ポリシリコン層806を半導体基板上全
面にわたって形成する。その後の工程は第3の実施形態
と同じであるが、積層構造のドライエッチングにおいて
は、トンネル障壁膜をエッチングのマーカーとして利用
し、トンネル障壁膜を積層した回数分(本実施形態の第
一変形例では2回)だけポリシリコン層もしくはシリコ
ンゲルマニウム層を含むポリシリコン層のエッチングが
終了した時点を目安にエッチングを終了することによ
り、確実に積層構造のエッチングを行うことができる。
その結果、トンネル障壁膜を介したp-n接続構造をシリ
コンゲルマニウム層814を介して積層構造702A、702B
を形成する。シリコンゲルマニウム層814の組成は、例
えばSi(1-x)Gexと表すと、x=0.1〜0.6の割合で
SiとGeの混晶を膜厚2〜20nmとなるように形成す
る。ここで、図20に示す部材と同一の部材には同一の
符号を付すことにより説明を省略する。As a first modification of the third embodiment, as shown in FIG.
Instead of forming the stacked structures 126A and 126B by connecting the -n connection structures in series via a tunnel barrier film, as shown in FIG. As an example of the semiconductor layer, for example, a silicon germanium layer 814 is deposited by using an LPCVD method or the like, and a degenerated high-concentration p-type polysilicon layer 806 is formed on the silicon germanium layer 814 in the same manner as in FIG. Formed over the entire surface. Subsequent steps are the same as those in the third embodiment, but in the dry etching of the laminated structure, the tunnel barrier film is used as an etching marker and the number of times the tunnel barrier film is laminated (the first modification of this embodiment) By ending the etching only when the etching of the polysilicon layer or the polysilicon layer including the silicon germanium layer is completed (only twice in the example), the stacked structure can be surely etched.
As a result, the pn connection structure via the tunnel barrier film is changed to the stacked structures 702A, 702B via the silicon germanium layer 814.
To form When the composition of the silicon germanium layer 814 is expressed as, for example, Si (1-x) Gex, a mixed crystal of Si and Ge is formed at a ratio of x = 0.1 to 0.6 so as to have a film thickness of 2 to 20 nm. . Here, the same members as those shown in FIG. 20 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0093】本変形例によると、第3の実施形態におけ
る多値メモリの効果が得られる上に、添加不純物に対し
てポリシリコン層より低い拡散係数を持つ多結晶シリコ
ンゲルマニウム層を介して積層構造を形成しているた
め、第1の実施形態の変形例で説明したように、不純物
の相互拡散を抑えて高濃度を保ったままp−n接続構造
を積層でき、ピーク電流値が高い良好な多重負性抵抗特
性を得ることができる。さらに、トンネル酸化膜より低
い抵抗値を持つ多結晶シリコンゲルマニウム層を介して
各p−n接続構造を接続しているため、第1の実施形態
の変形例で説明したように、各p−n接続構造を多結晶
シリコンゲルマニウム層を介して直列に接続する部分の
電圧降下はトンネル酸化膜を介して接続する場合より小
さくなるので、各p−n接続構造により確実に充分な電
圧を印加することができるようになり、その結果とし
て、より低電圧で2つのピーク電流値を持つ多重負性抵
抗特性を有する素子を得ることができる。よって、各安
定点の電圧差が大きくなり、動作マージンが大きい多値
メモリを得ることができると考えられる。According to this modification, the effect of the multi-level memory of the third embodiment can be obtained, and the laminated structure is provided via a polycrystalline silicon germanium layer having a diffusion coefficient lower than that of the polysilicon layer for added impurities. Is formed, as described in the modification of the first embodiment, the pn connection structure can be stacked while suppressing the interdiffusion of impurities and maintaining a high concentration, and a favorable peak current value is high. Multiple negative resistance characteristics can be obtained. Further, since each pn connection structure is connected via a polycrystalline silicon germanium layer having a lower resistance value than the tunnel oxide film, as described in the modification of the first embodiment, each pn Since the voltage drop at the part where the connection structure is connected in series via the polycrystalline silicon germanium layer is smaller than that when the connection structure is connected via the tunnel oxide film, it is necessary to ensure that a sufficient voltage is applied to each pn connection structure As a result, an element having multiple negative resistance characteristics having two peak current values at a lower voltage can be obtained. Therefore, it is considered that the voltage difference at each stable point becomes large and a multi-valued memory having a large operation margin can be obtained.
【0094】なお、本実施形態では、半導体基板上にト
ンネル障壁膜を介したp-n接続構造をトンネル障壁膜を
介して直列に2個接続した積層構造2個から構成される
3値メモリの製造方法の一例を示したが、同様の工程を
追加して、トンネル障壁膜を介したp-n接続構造をトン
ネル障壁膜を介して積層する回数を増やすことにより、
さらに多値を扱えるメモリを形成することは容易であ
る。その場合、積層構造の高さが高くなるためにドライ
エッチングが困難になることが考えられるので、積層構
造を形成するp型ポリシリコン層やn型ポリシリコン層
の各膜厚は薄くするほうが好ましい。In the present embodiment, a ternary memory composed of two stacked structures in which two pn connection structures are connected in series via a tunnel barrier film on a semiconductor substrate via a tunnel barrier film is used. Although an example of the manufacturing method has been described, a similar process is added to increase the number of times of stacking the pn connection structure via the tunnel barrier film via the tunnel barrier film.
Further, it is easy to form a memory that can handle multiple values. In that case, it is conceivable that dry etching becomes difficult due to an increase in the height of the stacked structure. Therefore, it is preferable to reduce the thickness of each of the p-type polysilicon layer and the n-type polysilicon layer forming the stacked structure. .
【0095】また、本実施形態においては、半導体基板
上に高濃度p型拡散層を形成し、トンネル障壁膜を介在
させてn型ポリシリコン層を形成したが、全ての導電
型、すなわち、p型とn型とを反転させ、印加電圧の極
性も逆転させて動作する多値メモリを構成できることは
いうまでもない。Further, in this embodiment, the high-concentration p-type diffusion layer is formed on the semiconductor substrate and the n-type polysilicon layer is formed with the tunnel barrier film interposed therebetween. It goes without saying that a multi-valued memory that operates by reversing the type and the n-type and reversing the polarity of the applied voltage can be configured.
【0096】[0096]
【発明の効果】本発明に係る第1の半導体装置による
と、トンネル障壁膜を挟んだ縮退した高濃度p−n接続
構造が直列にトンネル障壁膜を介して少なくとも2個接
続されているため、2つ以上のピーク電流値を持つ多重
負性抵抗特性を有する素子を得ることができる。また、
高濃度n型半導体層と高濃度p型半導体層が多結晶体か
らなるため、トンネル障壁膜を挟んだ縮退した高濃度p
−n接続構造を積層して作製することが可能である。こ
れにより、面内に並べて作製するのに比べて素子面積を
1/2以下に小さくし、高集積化に適した多重負性抵抗
素子を形成することができる。According to the first semiconductor device of the present invention, since at least two degenerate high-concentration pn connection structures sandwiching the tunnel barrier film are connected in series via the tunnel barrier film, An element having multiple negative resistance characteristics having two or more peak current values can be obtained. Also,
Since the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of polycrystalline material, the depleted high-concentration p
It can be manufactured by stacking -n connection structures. This makes it possible to form a multiple negative resistance element suitable for high integration by reducing the element area to 以下 or less as compared with the case where the elements are arranged in a plane.
【0097】また、第1の半導体装置は、高濃度半導体
層にシリコンもしくはシリコンゲルマニウムもしくはシ
リコンゲルマニウムカーボンを用いているため、縮退し
た高濃度p−n接続構造を確実に形成できると共に、且
つ、トンネル障壁膜が酸化シリコンもしくは窒化シリコ
ンもしくは酸窒化シリコンからなるため、縮退した高濃
度p−n接続構造の間にトンネル電流が流れるトンネル
障壁膜を確実に形成することができる。特に、高濃度p
型半導体層をシリコンゲルマニウムやシリコンゲルマニ
ウムカーボンで形成すると、シリコンで形成した場合に
比べて高い濃度のp型半導体層が形成できるため、急峻
な濃度勾配を有するp−n接続構造をより確実に形成す
ることができ、その結果、高いピーク電流を持った多重
負性抵抗素子を得ることができる。Further, in the first semiconductor device, since silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon is used for the high-concentration semiconductor layer, a degenerate high-concentration pn connection structure can be surely formed, and a tunnel is formed. Since the barrier film is made of silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride, a tunnel barrier film through which a tunnel current flows between the degenerated high-concentration pn connection structures can be reliably formed. In particular, high concentration p
When the type semiconductor layer is formed of silicon germanium or silicon germanium carbon, a p-type semiconductor layer having a higher concentration can be formed as compared with the case of silicon, so that a pn connection structure having a steep concentration gradient is more reliably formed. As a result, a multiple negative resistance element having a high peak current can be obtained.
【0098】本発明に係る第2の半導体装置によると、
トンネル障壁膜を挟んだ縮退した高濃度p−n接続構造
が直列にトンネル障壁膜より低い抵抗値を持つ伝導層を
介して接続されているため、より低電圧で2つ以上のピ
ーク電流値を持つ多重負性抵抗特性を有する素子を得る
ことができる。また、高濃度n型半導体層と高濃度p型
半導体層が多結晶体からなるため、トンネル障壁膜を挟
んだ縮退した高濃度p−n接続構造を積層して作製する
ことが可能である。これにより、面内に並べて作製する
のに比べて素子面積を1/2以下に小さくし、高集積化
に適した多重負性抵抗素子を形成することができる。According to the second semiconductor device of the present invention,
Since the degenerate high-concentration pn connection structure sandwiching the tunnel barrier film is connected in series via a conductive layer having a lower resistance value than the tunnel barrier film, two or more peak current values can be obtained at a lower voltage. An element having multiple negative resistance characteristics can be obtained. In addition, since the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of polycrystal, it is possible to form a stacked structure of a degenerated high-concentration pn connection structure with a tunnel barrier film interposed therebetween. This makes it possible to form a multiple negative resistance element suitable for high integration by reducing the element area to 以下 or less as compared with the case where the elements are arranged in a plane.
【0099】また、第2の半導体装置は、第1の半導体
装置と同様に、高濃度半導体層にシリコンもしくはシリ
コンゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムカーボ
ンを用いているため、縮退した高濃度p−n接続構造を
確実に形成できると共に、且つ、トンネル障壁膜が酸化
シリコンもしくは窒化シリコンもしくは酸窒化シリコン
からなるため、縮退した高濃度p−n接続構造の間にト
ンネル電流が流れるトンネル障壁膜を確実に形成するこ
とができる。特に、高濃度p型半導体層をシリコンゲル
マニウムやシリコンゲルマニウムカーボンで形成する
と、シリコンで形成した場合に比べて高い濃度のp型半
導体層が形成できるため、急峻な濃度勾配を有するp−
n接続構造をより確実に形成することができ、その結
果、高いピーク電流を持った多重負性抵抗素子を得るこ
とができる。Further, since the second semiconductor device uses silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon for the high-concentration semiconductor layer similarly to the first semiconductor device, it has a degenerated high-concentration pn connection structure. Since the tunnel barrier film can be formed reliably and the tunnel barrier film is made of silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride, a tunnel barrier film through which a tunnel current flows between the degenerated high-concentration pn connection structures is reliably formed. Can be. In particular, when the high-concentration p-type semiconductor layer is formed of silicon germanium or silicon-germanium carbon, a p-type semiconductor layer having a higher concentration can be formed as compared with the case where silicon is formed of silicon.
The n-connection structure can be formed more reliably, and as a result, a multiple negative resistance element having a high peak current can be obtained.
【0100】本発明にかかる第3の半導体装置による
と、トンネル障壁膜を挟んだ縮退した高濃度p−n接続
構造が直列にトンネル障壁膜より低い抵抗値を持つ半導
体層を介して接続されているため、より低電圧で2つ以
上のピーク電流値を持つ多重負性抵抗特性を有する素子
を得ることができる。また、半導体層は添加不純物に対
して高濃度n型半導体層および高濃度p型半導体層より
低い拡散係数を持つため、高濃度n型半導体層と高濃度
p型半導体層を直接接合する場合に比較して不純物の相
互拡散を抑制し、濃度勾配が急峻に変化した接合を形成
出来る。また、半導体層はメタルや金属シリサイド等の
伝導層に比較して熱的に安定であるため、作製プロセス
上の温度的自由度が増す。さらに、高濃度n型半導体層
と高濃度p型半導体層及び半導体層が多結晶体からなる
ため、トンネル障壁膜を挟んだ縮退した高濃度p−n接
続構造を積層して作製することが可能であり、面内に並
べて作製するのに比べて素子面積を1/2以下に小さく
することができる。According to the third semiconductor device of the present invention, the degenerated high-concentration pn connection structure sandwiching the tunnel barrier film is connected in series via the semiconductor layer having a lower resistance than the tunnel barrier film. Therefore, an element having a multiple negative resistance characteristic having two or more peak current values at a lower voltage can be obtained. In addition, since the semiconductor layer has a lower diffusion coefficient with respect to the added impurity than the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer, it is difficult to directly join the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer. In comparison, mutual diffusion of impurities can be suppressed, and a junction in which the concentration gradient changes steeply can be formed. Further, since the semiconductor layer is more thermally stable than a conductive layer such as a metal or a metal silicide, the degree of freedom in temperature in a manufacturing process is increased. Further, since the high-concentration n-type semiconductor layer, the high-concentration p-type semiconductor layer, and the semiconductor layer are made of polycrystalline material, it is possible to laminate the degenerate high-concentration pn connection structure sandwiching the tunnel barrier film. In this case, the element area can be reduced to 以下 or less as compared with the case of arranging them in a plane.
【0101】本発明に係る第4の半導体装置によると、
同じ構造を持つ2つの多重負性抵抗素子が直列に同じ方
向に接続されて多値の安定回路を形成し、記憶ノードに
接続されたトランジスタによって記憶ノードの電圧値を
制御できるため、多値メモリを形成することができる。
また、多重負性抵抗素子を形成するためにトンネル障壁
膜を挟んだ縮退した多結晶高濃度p−n接続構造の積層
構造を用いているため、面内に並べて作製するのに比べ
てメモリセル構成素子数を低減し、メモリセルの面積を
1/2以下に小さくすることができる。その結果、高集
積化に適した多値メモリを形成することができる。According to the fourth semiconductor device of the present invention,
Two multi-negative resistance elements having the same structure are connected in series in the same direction to form a multi-valued ballast circuit, and the voltage of the storage node can be controlled by a transistor connected to the storage node. Can be formed.
In addition, since a multi-negative resistance element is formed using a stacked structure of a degenerated polycrystalline high-concentration pn connection structure with a tunnel barrier film interposed therebetween, a memory cell is required to be formed side by side in a plane. The number of constituent elements can be reduced, and the area of the memory cell can be reduced to half or less. As a result, a multilevel memory suitable for high integration can be formed.
【0102】また、第4の半導体装置において、メモリ
セル内の2つの多重負性抵抗素子を構成する積層構造を
形成する際、トンネル障壁膜を挟んだ高濃度p−n接続
構造を少なくとも2個直列に順方向にトンネル障壁膜を
介して接続すると、不純物の相互拡散を抑えて高濃度を
保ったままp−n接続構造を積層でき、ピーク電流値が
高い良好な多重負性抵抗特性を得ることができる。これ
により、多値メモリの動作マージンが大きくなり、安定
動作する多値メモリを得ることができる。In the fourth semiconductor device, when forming a laminated structure forming two multiple negative resistance elements in a memory cell, at least two high-concentration pn connection structures sandwiching a tunnel barrier film are formed. When connected in series in a forward direction via a tunnel barrier film, the pn connection structure can be stacked while suppressing the interdiffusion of impurities and maintaining a high concentration, and a good multiple negative resistance characteristic having a high peak current value can be obtained. be able to. Thereby, the operation margin of the multi-valued memory is increased, and a multi-valued memory that operates stably can be obtained.
【0103】また、第4の半導体装置において、トンネ
ル酸化膜より低い抵抗値を持つ伝導層を介して各p−n
接続構造を接続しているため、伝導層を介して直列に接
続する部分の電圧降下はトンネル酸化膜を介して接続す
る場合より小さくなるので、各p−n接続構造により確
実に充分な電圧を印加することができるようになり、そ
の結果として、より低電圧で2つのピーク電流値を持つ
多重負性抵抗特性を有する素子を得ることができる。こ
れにより、各安定点の電圧差が大きくなり、動作マージ
ンが大きい多値メモリを得ることができると考えられ
る。Further, in the fourth semiconductor device, each pn is connected via a conductive layer having a lower resistance than the tunnel oxide film.
Since the connection structure is connected, the voltage drop at the part connected in series via the conductive layer is smaller than that when the connection is made via the tunnel oxide film, so that each pn connection structure ensures a sufficient voltage. As a result, an element having a multiple negative resistance characteristic having two peak current values at a lower voltage can be obtained. Thus, it is considered that the voltage difference between the stable points becomes large, and a multi-valued memory having a large operation margin can be obtained.
【0104】また、第4の半導体装置において、第1の
積層構造及び第2の積層構造を形成する際、高濃度n型
多結晶半導体層と高濃度p型多結晶半導体層の間にトン
ネル障壁膜を挟んだp−n接続構造を少なくとも2個直
列に順方向に添加不純物に対して高濃度n型多結晶半導
体層および高濃度p型多結晶半導体層より低い拡散係数
を持つ多結晶体からなる半導体層を介して接続すると、
高濃度n型半導体層と高濃度p型半導体層を直接接合す
る場合に比較して不純物の相互拡散を抑えて高濃度を保
ったままp−n接続構造を積層でき、ピーク電流値が高
い良好な多重負性抵抗特性を得ることができるため、多
値メモリの動作マージンが大きくなる。加えて、多結晶
体からなる半導体層の方がトンネル障壁膜より低い抵抗
値を持つために接続部分での電圧降下が小さく、より低
電圧で2つ以上のピーク電流値を持つ多重負性抵抗特性
を得ることができるため、各安定点の電圧の差が大きく
なり、動作マージンが大きく安定動作する多値メモリを
得ることができる。また、半導体層はメタルや金属シリ
サイド等の伝導層に比較して熱的に安定であるため、作
製プロセス上の温度的自由度が増す。In the fourth semiconductor device, when forming the first stacked structure and the second stacked structure, a tunnel barrier is formed between the high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer. At least two pn connection structures sandwiching the film are connected in series in the forward direction to a high concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and a polycrystalline material having a lower diffusion coefficient than the high concentration p-type polycrystalline semiconductor layer. Connected via a semiconductor layer
Compared to a case where a high-concentration n-type semiconductor layer and a high-concentration p-type semiconductor layer are directly joined, a p-n connection structure can be stacked while maintaining a high concentration by suppressing mutual diffusion of impurities, and the peak current value is high. Since multi-negative resistance characteristics can be obtained, the operation margin of the multi-level memory is increased. In addition, the polycrystalline semiconductor layer has a lower resistance value than the tunnel barrier film, so that the voltage drop at the connection portion is smaller, and the multi-negative resistance has a lower voltage and two or more peak current values. Since the characteristics can be obtained, the difference between the voltages at the respective stable points increases, and a multi-valued memory that operates stably with a large operation margin can be obtained. Further, since the semiconductor layer is more thermally stable than a conductive layer such as a metal or a metal silicide, the degree of freedom in temperature in a manufacturing process is increased.
【0105】また、第4の半導体装置において、積層構
造の一端である高濃度p型拡散層が同じ導電型で形成さ
れるトランスファトランジスタであるpチャネル型トラ
ンジスタのドレイン電極と素子分離膜を形成せず接する
ように形成しているため、高濃度p型拡散層とpチャネ
ル型トランジスタのドレイン電極を接続する配線やコン
タクト及び素子分離領域が不要となるため、多値メモリ
のセル面積をさらに縮小することができる。その結果、
さらに集積度が高い多値メモリを得ることができる。In the fourth semiconductor device, a drain electrode and an element isolation film of a p-channel transistor, which is a transfer transistor in which a high-concentration p-type diffusion layer at one end of the stacked structure is formed of the same conductivity type, are formed. Since they are formed so as to be in contact with each other, a wiring, a contact, and an element isolation region for connecting the high-concentration p-type diffusion layer and the drain electrode of the p-channel transistor are not required, so that the cell area of the multilevel memory is further reduced. be able to. as a result,
Further, a multi-level memory with a high degree of integration can be obtained.
【0106】同様に、第4の半導体装置において、積層
構造の一端である高濃度n型半導体層が同じ導電型のn
チャネル型トランジスタのドレイン電極と接するように
形成しているため、配線やコンタクト及び素子分離領域
が不要となるため、多値メモリのセルサイズを縮小する
ことができる。その結果、さらに集積度が高い多値メモ
リを得ることができる。Similarly, in the fourth semiconductor device, the high-concentration n-type semiconductor layer, which is one end of the laminated structure, has the same conductivity type as n.
Since the wiring is formed so as to be in contact with the drain electrode of the channel transistor, a wiring, a contact, and an element isolation region are not required, so that the cell size of the multilevel memory can be reduced. As a result, it is possible to obtain a multi-level memory with a higher degree of integration.
【0107】また、第4の半導体装置において、半導体
基板の内部に主面に対して平行に設けられた埋め込み酸
化膜を有するSOI基板を用いているため、埋め込み酸
化膜によって基板の主面と垂直な方向にも確実に素子分
離が形成される。Further, in the fourth semiconductor device, since the SOI substrate having the buried oxide film provided in parallel with the main surface inside the semiconductor substrate is used, the buried oxide film allows the SOI substrate to be perpendicular to the main surface of the substrate. Element isolation is reliably formed in any direction.
【0108】また、第4の半導体装置は、第1及び第2
の半導体装置と同様に、高濃度半導体層にシリコンもし
くはシリコンゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウ
ムカーボンを用いているため、縮退した高濃度p−n接
続構造を確実に形成できると共に、且つ、トンネル障壁
膜が酸化シリコンもしくは窒化シリコンもしくは酸窒化
シリコンからなるため、縮退した高濃度p−n接続構造
の間にトンネル電流が流れるトンネル障壁膜を確実に形
成することができる。特に、高濃度p型半導体層をシリ
コンゲルマニウムやシリコンゲルマニウムカーボンで形
成すると、シリコンで形成した場合に比べて高い濃度の
p型半導体層が形成できるため、より確実に急峻な濃度
勾配を有するp−n接続構造を形成することができ、高
いピーク電流を持った多重負性抵抗素子を得ることがで
きる。その結果、動作マージンが大きい多値メモリを得
ることができる。Further, the fourth semiconductor device comprises the first and second semiconductor devices.
As in the case of the semiconductor device described above, since silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon is used for the high-concentration semiconductor layer, a degenerated high-concentration pn connection structure can be reliably formed, and the tunnel barrier film is formed of silicon oxide. Alternatively, since it is made of silicon nitride or silicon oxynitride, a tunnel barrier film in which a tunnel current flows between the degenerated high-concentration pn connection structures can be surely formed. In particular, when the high-concentration p-type semiconductor layer is formed of silicon germanium or silicon-germanium carbon, a p-type semiconductor layer having a higher concentration can be formed as compared with a case where the high-concentration p-type semiconductor layer is formed of silicon. An n-connection structure can be formed, and a multiple negative resistance element having a high peak current can be obtained. As a result, a multi-value memory having a large operation margin can be obtained.
【0109】本発明に係る第1の半導体装置の製造方法
によると、積層構造を全て形成した後にトランジスタを
形成するため、積層構造の縮退した高濃度半導体層を形
成する工程に必要な高温熱処理プロセスによるトランジ
スタ特性の劣化がなくなり、設計通りのトランジスタ特
性が得られる。一方、積層構造には充分に高温熱処理を
加えられるため、高濃度半導体層内で活性化された不純
物数が増してキャリア濃度が増加するため、高いピーク
電流値を持つ良好な多重負性抵抗特性を示す積層構造を
得ることができる。その結果、多値メモリの動作マージ
ンが大きくなり、より安定動作が可能となる。According to the first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, since the transistor is formed after the entire laminated structure is formed, the high-temperature heat treatment process required for the step of forming the degenerate high-concentration semiconductor layer of the laminated structure is performed. As a result, the transistor characteristics are not deteriorated, and the transistor characteristics as designed can be obtained. On the other hand, since the stacked structure can be sufficiently subjected to a high-temperature heat treatment, the number of activated impurities in the high-concentration semiconductor layer increases and the carrier concentration increases, resulting in a good multi-negative resistance characteristic having a high peak current value. Can be obtained. As a result, the operation margin of the multi-level memory is increased, and more stable operation is possible.
【0110】本発明に係る第2の半導体装置の製造方法
によると、積層構造を全て形成した後にトランジスタを
形成するため、積層構造の縮退した高濃度半導体層を形
成する工程に必要な高温熱処理プロセスによるトランジ
スタ特性の劣化がなくなり、設計通りのトランジスタ特
性が得られる。一方、積層構造には充分に高温熱処理を
加えられるため、高濃度半導体層内で活性化された不純
物数が増してキャリア濃度が増加するため、高いピーク
電流値を持つ良好な多重負性抵抗特性を示す積層構造を
得ることができる。また、多結晶体からなる半導体層の
方がトンネル障壁膜より低い抵抗値を持つために接続部
分での電圧降下が小さく、より低電圧で2つ以上のピー
ク電流値を持つ多重負性抵抗特性を得ることができるた
め、各安定点の電圧の差が大きくなる。これらの結果、
動作マージンが大きく、安定動作する多値メモリを得る
ことができる。According to the second method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, since the transistor is formed after the entire laminated structure is formed, the high-temperature heat treatment process required for the step of forming the depleted high-concentration semiconductor layer of the laminated structure is performed. As a result, the transistor characteristics are not deteriorated, and the transistor characteristics as designed can be obtained. On the other hand, since the stacked structure can be sufficiently subjected to a high-temperature heat treatment, the number of activated impurities in the high-concentration semiconductor layer increases and the carrier concentration increases, resulting in a good multi-negative resistance characteristic having a high peak current value. Can be obtained. In addition, since the semiconductor layer made of a polycrystalline material has a lower resistance value than the tunnel barrier film, the voltage drop at the connection portion is smaller, and the multi-negative resistance characteristic has a lower voltage and two or more peak current values. , The difference between the voltages at each stable point increases. As a result of these,
A multi-valued memory having a large operation margin and stable operation can be obtained.
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示
す構成断面図FIG. 1 is a configuration sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
【図2】本発明の第1の実施形態に係る一つのp−n接
続構造の電圧電流特性図FIG. 2 is a voltage-current characteristic diagram of one pn connection structure according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の回
路図FIG. 3 is a circuit diagram of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
【図4】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の電
圧電流特性図FIG. 4 is a voltage-current characteristic diagram of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
【図5】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の動
作を説明する電圧電流特性図FIG. 5 is a voltage-current characteristic diagram for explaining the operation of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
【図6】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の電
圧電流特性図FIG. 6 is a voltage-current characteristic diagram of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
【図7】従来の半導体装置のレイアウト例を示す平面図FIG. 7 is a plan view showing a layout example of a conventional semiconductor device.
【図8】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置のレ
イアウト例を示す平面図FIG. 8 is a plan view showing a layout example of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
【図9】本発明の第1の実施形態の第1変形例に係る半
導体装置を示す構成断面図FIG. 9 is a configuration sectional view showing a semiconductor device according to a first modification of the first embodiment of the present invention;
【図10】本発明の第1の実施形態の第1変形例に係る
半導体装置の電圧電流特性と本発明の第1の実施形態に
係る半導体装置の電圧電流特性の比較図FIG. 10 is a comparison diagram of the voltage-current characteristics of the semiconductor device according to the first modification of the first embodiment of the present invention and the voltage-current characteristics of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
【図11】本発明の第1の実施形態の第2変形例に係る
半導体装置を示す構成断面図FIG. 11 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a second modification of the first embodiment of the present invention;
【図12】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を
示す構成断面図FIG. 12 is a configuration sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
【図13】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の
回路図FIG. 13 is a circuit diagram of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図14】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の
動作を説明する電圧電流特性図FIG. 14 is a voltage-current characteristic diagram illustrating the operation of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
【図15】(a)従来の半導体装置のレイアウト例を示
す平面図(b)本発明の第2の実施形態に係る半導体装
置のレイアウト例を示す平面図15A is a plan view showing a layout example of a conventional semiconductor device, and FIG. 15B is a plan view showing a layout example of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図16】本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る
半導体装置を示す構成断面図FIG. 16 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first modification of the second embodiment of the present invention;
【図17】本発明の第2の実施形態の第1変形例に係る
半導体装置と第2の実施形態に係る半導体装置の動作を
比較する電圧電流特性図FIG. 17 is a voltage-current characteristic diagram comparing operations of the semiconductor device according to the first modification of the second embodiment of the present invention and the semiconductor device according to the second embodiment;
【図18】本発明の第2の実施形態の第2変形例に係る
半導体装置を示す構成断面図FIG. 18 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a second modification of the second embodiment of the present invention;
【図19】本発明の第2の実施形態の第3変形例に係る
半導体装置を示す構成断面図FIG. 19 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a third modification of the second embodiment of the present invention;
【図20】(a)本発明の第3の実施形態に係る半導体
装置の製造方法を示す工程順断面図 (b)本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造
方法を示す工程順断面図 (c)本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造
方法を示す工程順断面図 (d)本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造
方法を示す工程順断面図20A is a sectional view illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 20B is a sectional view illustrating the method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. (C) Step-by-step cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention (d) Step-by-step cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention
【図21】(e)本発明の第3の実施形態に係る半導体
装置の製造方法を示す工程順断面図 (f)本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造
方法を示す工程順断面図 (g)本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造
方法を示す工程順断面図 (h)本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造
方法を示す工程順断面図FIG. 21E is a step-by-step cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. (F) Step order showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. (G) Step-by-step cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention (h) Step-by-step cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention
【図22】(i)本発明の第3の実施形態に係る半導体
装置の製造方法を示す工程順断面図 (j)本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造
方法を示す工程順断面図FIG. 22 (i) is a process order sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, and (j) is a process order showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Sectional view
【図23】本発明の第3の実施形態の第1変形例に係る
半導体装置の製造方法を示す工程断面図FIG. 23 is a process sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first modified example of the third embodiment of the present invention.
11 酸化シリコン膜 12 p型ポリシリコン層(高濃度p型半導体層) 13 n型ポリシリコン層(高濃度n型半導体層) 14 トンネル障壁膜 15 p−n接続構造 16 p−n接続構造(p−n接続構造15上の) 17 積層構造 18 層間絶縁膜 19 コンタクト 20 アルミニウム配線 Reference Signs List 11 silicon oxide film 12 p-type polysilicon layer (high-concentration p-type semiconductor layer) 13 n-type polysilicon layer (high-concentration n-type semiconductor layer) 14 tunnel barrier film 15 pn connection structure 16 pn connection structure (p 17 (on n-connection structure 15) 17 Stacked structure 18 Interlayer insulating film 19 Contact 20 Aluminum wiring
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 廉 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F083 AD70 GA05 GA09 HA02 JA35 JA36 JA39 NA08 PR33 PR36 ZA21 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Ryo Morimoto 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F-term (reference) 5F083 AD70 GA05 GA09 HA02 JA35 JA36 JA39 NA08 PR33 PR36 ZA21
Claims (19)
た高濃度n型半導体層と、フェルミ準位が価電子帯中に
位置する縮退した高濃度p型半導体層と、電子がトンネ
ルできる膜厚を有するトンネル障壁膜とを備えた半導体
装置において、前記高濃度n型半導体層と前記高濃度p
型半導体層の間に前記トンネル障壁膜を挟んだp−n接
続構造を有し、前記高濃度n型半導体層と前記高濃度p
型半導体層は多結晶体からなることを特徴とする半導体
装置。1. A degenerate high-concentration n-type semiconductor layer in which a Fermi level is located in a conduction band, a degenerate high-concentration p-type semiconductor layer in which a Fermi level is located in a valence band, and electrons can tunnel. In a semiconductor device having a tunnel barrier film having a thickness, the high concentration n-type semiconductor layer and the high concentration p
Having a pn connection structure with the tunnel barrier film interposed between the high-concentration n-type semiconductor layers and the high-concentration p-type semiconductor layer.
A semiconductor device, wherein the type semiconductor layer is made of a polycrystalline body.
半導体層の間に前記トンネル障壁膜を挟んだ前記p−n
接続構造が前記トンネル障壁膜を介して少なくとも2個
直列に同じ方向に接続された構造を有することを特徴と
する請求項1に記載の半導体装置。2. The pn layer having the tunnel barrier film interposed between the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the connection structure has a structure in which at least two connection structures are connected in series in the same direction via the tunnel barrier film.
半導体層はシリコンもしくはシリコンゲルマニウムもし
くはシリコンゲルマニウムカーボンからなり、前記トン
ネル障壁膜はシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜も
しくはシリコン酸窒化膜からなることを特徴とする請求
項1または2に記載の半導体装置。3. The high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
た高濃度n型半導体層と、フェルミ準位が価電子帯中に
位置する縮退した高濃度p型半導体層と、電子がトンネ
ルできる膜厚を有するトンネル障壁膜と、前記トンネル
障壁膜より低い抵抗値を持つ伝導層を備えた半導体装置
において、前記高濃度n型半導体層と前記高濃度p型半
導体層は多結晶体からなり、前記高濃度n型半導体層と
前記高濃度p型半導体層の間に前記トンネル障壁膜を挟
んだp−n接続構造が前記伝導層を介して少なくとも2
個直列に同じ方向に接続された構造を有することを特徴
とする半導体装置。4. A degenerated high-concentration n-type semiconductor layer in which a Fermi level is located in a conduction band, a degenerated high-concentration p-type semiconductor layer in which a Fermi level is located in a valence band, and electrons can tunnel. In a semiconductor device including a tunnel barrier film having a thickness and a conductive layer having a lower resistance than the tunnel barrier film, the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of a polycrystalline material, A pn connection structure sandwiching the tunnel barrier film between the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer has at least two layers via the conductive layer.
A semiconductor device having a structure connected in series in the same direction.
半導体層はシリコンもしくはシリコンゲルマニウムもし
くはシリコンゲルマニウムカーボンからなり、前記トン
ネル障壁膜はシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜も
しくはシリコン酸窒化膜からなり、前記伝導層は金属も
しくは金属シリサイドからなる請求項4に記載の半導体
装置。5. The high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film. 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein said conductive layer is made of metal or metal silicide.
た高濃度n型半導体層と、フェルミ準位が価電子帯中に
位置する縮退した高濃度p型半導体層と、電子がトンネ
ルできる膜厚を有するトンネル障壁膜と、添加不純物に
対して前記高濃度n型半導体層および前記高濃度p型半
導体層より低い拡散係数を持つ半導体層を備えた半導体
装置において、前記高濃度n型半導体層と前記高濃度p
型半導体層及び前記半導体層は多結晶体からなり、前記
高濃度n型半導体層と前記高濃度p型半導体層の間に前
記トンネル障壁膜を挟んだp−n接続構造が前記半導体
層を介して少なくとも2個直列に同じ方向に接続された
構造を有することを特徴とする半導体装置。6. A degenerated high-concentration n-type semiconductor layer in which a Fermi level is located in a conduction band, a degenerated high-concentration p-type semiconductor layer in which a Fermi level is located in a valence band, and electrons can tunnel. A semiconductor device comprising: a tunnel barrier film having a thickness; and a semiconductor layer having a diffusion coefficient lower than that of the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer with respect to additional impurities. Layer and said high concentration p
The semiconductor layer and the semiconductor layer are made of a polycrystalline body, and a pn connection structure in which the tunnel barrier film is interposed between the high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer has the semiconductor layer interposed therebetween. A semiconductor device having a structure in which at least two are connected in series in the same direction.
半導体層はシリコンからなり、前記トンネル障壁膜はシ
リコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜もしくはシリコン
酸窒化膜からなり、前記半導体層はシリコンゲルマニウ
ムもしくはシリコンゲルマニウムカーボンからなる請求
項6に記載の半導体装置。7. The high-concentration n-type semiconductor layer and the high-concentration p-type semiconductor layer are made of silicon, the tunnel barrier film is made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film, and the semiconductor layer is made of silicon. 7. The semiconductor device according to claim 6, comprising germanium or silicon germanium carbon.
第1導電型の高濃度半導体層と第1の第2導電型の高濃
度多結晶半導体層を第1のトンネル障壁膜を挟んで形成
した第1のp−n接続構造の上に第1導電型の高濃度多
結晶半導体層と第2の第2導電型の高濃度多結晶半導体
層との間に第2のトンネル障壁膜を挟んで形成した第2
のp−n接続構造が少なくとも1個直列に同じ方向に接
続された第1の積層構造と、第1の積層構造と同じ構造
を持つ第2の積層構造と、トランジスタからなり、前記
第1の積層構造の一端である前記第1導電型の高濃度半
導体層が電源電圧線に接続され、前記第2の積層構造の
一端である前記第2の第2導電型の高濃度多結晶半導体
層が接地線に接続され、前記第1の積層構造の一端であ
る前記第2の第2導電型の高濃度多結晶半導体層と前記
第2の積層構造の一端である前記第1導電型の高濃度半
導体層が接続されて記憶ノードを形成し、前記記憶ノー
ドがトランジスタのドレインと接続され、トランジスタ
のゲートがワード線に、ソースがビット線に、基板が接
地線に接続された構造を有することを特徴とする半導体
装置。8. A semiconductor substrate, a first-conductivity-type high-concentration semiconductor layer and a first second-conductivity-type high-concentration polycrystalline semiconductor layer formed on the semiconductor substrate with a first tunnel barrier film interposed therebetween. A second tunnel barrier film is formed between the first conductive type high-concentration polycrystalline semiconductor layer and the second second conductive type high-concentration polycrystalline semiconductor layer on the formed first pn connection structure. The second formed by sandwiching
A first stacked structure in which at least one pn connection structure is connected in series in the same direction, a second stacked structure having the same structure as the first stacked structure, and a transistor, The high-concentration semiconductor layer of the first conductivity type, which is one end of the stacked structure, is connected to a power supply voltage line, and the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the second conductivity type, which is one end of the second stacked structure, A second conductive type high-concentration polycrystalline semiconductor layer that is connected to a ground line and is one end of the first stacked structure; and a first conductive type high-concentration polycrystalline semiconductor layer that is one end of the second stacked structure. The semiconductor layer is connected to form a storage node, the storage node is connected to a drain of a transistor, the gate of the transistor is connected to a word line, the source is connected to a bit line, and the substrate is connected to a ground line. Characteristic semiconductor device.
は、前記第1のp−n接続構造上に前記第2のp−n接
続構造が第3のトンネル障壁膜を介して少なくとも1個
直列に同じ方向に接続された構造を有することを特徴と
する請求項8に記載の半導体装置。9. The first laminated structure and the second laminated structure, wherein the second pn connection structure is formed on the first pn connection structure at least via a third tunnel barrier film. 9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device has a structure in which one device is connected in series in the same direction.
は、前記第1のp−n接続構造上に前記第2のp−n接
続構造が前記伝導層を介して少なくとも1個直列に同じ
方向に接続された構造を有することを特徴とする請求項
8に記載の半導体装置。10. The first laminated structure and the second laminated structure, wherein at least one second pn connection structure is connected in series with the first pn connection structure via the conductive layer. 9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device has a structure connected in the same direction.
は、前記第1のp−n接続構造上に前記第2のp−n接
続構造が多結晶体からなる前記半導体層を介して少なく
とも1個直列に同じ方向に接続された構造を有すること
を特徴とする請求項8に記載の半導体装置。11. The first stacked structure and the second stacked structure are formed on the first pn connection structure via the semiconductor layer in which the second pn connection structure is made of polycrystal. 9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device has at least one structure connected in series in the same direction.
ジスタであり、前記第1の積層構造の一端である前記第
1導電型の高濃度半導体層は高濃度p型半導体層であ
り、前記高濃度p型半導体層が前記トランジスタのドレ
インと接するように形成されることを特徴とする請求項
8から11のいずれかに記載の半導体装置。12. The high-concentration p-type transistor, wherein the first conductivity type high-concentration semiconductor layer at one end of the first stacked structure is a high-concentration p-type semiconductor layer. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor layer is formed so as to be in contact with a drain of the transistor.
ジスタであり、前記第1の積層構造の一端である前記第
1導電型の高濃度半導体層は高濃度n型半導体層であ
り、前記高濃度n型半導体層が前記トランジスタのドレ
インと接するように形成されることを特徴とする請求項
8から11のいずれかに記載の半導体装置。13. The high-concentration n-type transistor, wherein the transistor is an n-channel transistor, the first conductivity type high-concentration semiconductor layer at one end of the first stacked structure is a high-concentration n-type semiconductor layer, The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor layer is formed so as to be in contact with a drain of the transistor.
特徴とする請求項8から13のいずれかに記載の半導体
装置。14. The semiconductor device according to claim 8, wherein said semiconductor substrate is an SOI substrate.
濃度p型多結晶半導体層はシリコンもしくはシリコンゲ
ルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムカーボンから
なり、前記トンネル障壁膜はシリコン酸化膜もしくはシ
リコン窒化膜もしくはシリコン酸窒化膜からなり、前記
伝導層は金属もしくは金属シリサイドからなり、前記半
導体層はシリコンゲルマニウムもしくはシリコンゲルマ
ニウムカーボンからなる請求項8から14のいずれかに
記載の半導体装置。15. The high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon nitride film. 15. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is made of an oxynitride film, the conductive layer is made of metal or metal silicide, and the semiconductor layer is made of silicon germanium or silicon germanium carbon.
タ形成領域をマスクして、積層構造形成領域に第1導電
型の第1の縮退した高濃度半導体層を形成する工程と、
前記半導体基板の上に全面にわたって第1のトンネル障
壁膜をトンネル電流が流れるように形成する工程と、前
記第1のトンネル障壁膜の上に全面にわたって第2導電
型の第2の高濃度多結晶半導体層を縮退するように形成
する工程と、前記第2の高濃度多結晶半導体層の上に全
面にわたって第2のトンネル障壁膜をトンネル電流が流
れるように形成する工程と、前記第2のトンネル障壁膜
の上に全面にわたって第1導電型の第3の高濃度多結晶半
導体層を縮退するように形成する工程と、前記第3の高
濃度多結晶半導体層の上に全面にわたって第3のトンネ
ル障壁膜をトンネル電流が流れるように形成する工程
と、前記第3のトンネル障壁膜の上に全面にわたって第2
導電型の第4の高濃度多結晶半導体層を縮退するように
形成する工程と、前記積層構造の電極形成領域をマスク
して前記第2の高濃度多結晶半導体層、第2のトンネル
障壁膜、第3の高濃度多結晶半導体層、第3のトンネル障
壁膜、及び第4の高濃度多結晶半導体層に対してエッチ
ングを行うことにより、前記半導体基板上に積層構造の
電極を形成する工程と、前記半導体基板上に全面にわた
って第1の絶縁膜を堆積した後、前記積層構造形成領域
をマスクして前記第1の絶縁膜に対してエッチングを行
うことにより、前記トランジスタ形成領域を開口する工
程と、前記開口したトランジスタ形成領域全面にわたっ
て第2の絶縁膜を形成した後、前記半導体基板上に全面
にわたって導体膜を形成し、トランジスタのゲート電極
形成領域をマスクして前記第2の絶縁膜及び導体膜に対
してエッチングを行うことにより、前記トランジスタ形
成領域にゲート絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜の上にゲー
ト電極をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板上に
第2導電型の不純物イオンを用いて前記ゲート電極をマ
スクとしてイオン注入を行うことにより、前記半導体基
板の上における、前記ゲート電極のゲート長方向側にト
ランジスタのソース及びドレインとしての第2導電型の
拡散層をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板上に
全面にわたって第3の絶縁膜を堆積し、前記開口したト
ランジスタ形成領域を保護するように形成する工程とを
備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。16. A step of forming a first degenerate high-concentration semiconductor layer of a first conductivity type in a stacked structure formation region by masking a transistor formation region on a first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a first tunnel barrier film over the entire surface of the semiconductor substrate so that a tunnel current flows; and forming a second high-concentration polycrystalline second conductivity type over the entire surface of the first tunnel barrier film. Forming a semiconductor layer so as to degenerate; forming a second tunnel barrier film over the entire surface of the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer such that a tunnel current flows therethrough; Forming a third high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the first conductivity type so as to degenerate over the entire surface of the barrier film; and forming a third tunnel over the entire surface of the third high-concentration polycrystalline semiconductor layer. Forming a barrier film so that a tunnel current flows; and forming a second film over the entire surface of the third tunnel barrier film.
Forming a conductive type fourth high-concentration polycrystalline semiconductor layer so as to degenerate; and masking the electrode formation region of the laminated structure, forming the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer and a second tunnel barrier film. Forming an electrode having a laminated structure on the semiconductor substrate by etching the third high-concentration polycrystalline semiconductor layer, the third tunnel barrier film, and the fourth high-concentration polycrystalline semiconductor layer. After depositing a first insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate, etching the first insulating film using the stacked structure forming region as a mask, thereby opening the transistor forming region. Forming a second insulating film over the entire surface of the opened transistor formation region, forming a conductor film over the entire semiconductor substrate, and masking the gate electrode formation region of the transistor. Forming a gate insulating film in the transistor formation region and a gate electrode on the gate insulating film by etching the insulating film and the conductive film, respectively; and forming a second conductive type on the semiconductor substrate. By performing ion implantation using the gate electrode as a mask by using the impurity ions, a second conductive type diffusion layer as a source and a drain of a transistor is formed on the semiconductor substrate on the gate length direction side of the gate electrode. Forming a third insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate and forming the third insulating film so as to protect the opened transistor formation region. Method.
と前記第2導電型の高濃度高濃度多結晶半導体層はシリ
コンもしくはシリコンゲルマニウムもしくはシリコンゲ
ルマニウムカーボンからなり、前記トンネル障壁膜はシ
リコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜もしくはシリコン
酸窒化膜からなる請求項16に記載の半導体装置の製造
方法。17. The high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the first conductivity type and the high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the second conductivity type are made of silicon, silicon germanium, or silicon germanium carbon, and the tunnel barrier film is made of silicon. 17. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 16, comprising an oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film.
タ形成領域をマスクして、積層構造形成領域に第1導電
型の第1の縮退した高濃度半導体層を形成する工程と、
前記半導体基板の上に全面にわたって第1のトンネル障
壁膜をトンネル電流が流れるように形成する工程と、前
記第1のトンネル障壁膜の上に全面にわたって第2導電
型の第2の高濃度多結晶半導体層を縮退するように形成
する工程と、前記第2の高濃度多結晶半導体層の上に全
面にわたって、前記第2の高濃度多結晶半導体層より添
加不純物に対して低い拡散係数を持つ半導体層を形成す
る工程と、前記半導体層の上に全面にわたって第1導電
型の第3の高濃度多結晶半導体層を縮退するように形成
する工程と、前記第3の高濃度多結晶半導体層の上に全
面にわたって第2のトンネル障壁膜をトンネル電流が流
れるように形成する工程と、前記第2のトンネル障壁膜
の上に全面にわたって第2導電型の第4の高濃度多結晶半
導体層を縮退するように形成する工程と、前記積層構造
の電極形成領域をマスクして前記第2の高濃度多結晶半
導体層、半導体層、第3の高濃度多結晶半導体層、第2の
トンネル障壁膜、及び第4の高濃度多結晶半導体層に対
してエッチングを行うことにより、前記半導体基板上に
積層構造の電極を形成する工程と、前記半導体基板上に
全面にわたって第1の絶縁膜を堆積した後、前記積層構
造形成領域をマスクして前記第1の絶縁膜に対してエッ
チングを行うことにより、前記トランジスタ形成領域を
開口する工程と、前記開口したトランジスタ形成領域全
面にわたって第2の絶縁膜を形成した後、前記半導体基
板上に全面にわたって導体膜を形成し、トランジスタの
ゲート電極形成領域をマスクして前記第2の絶縁膜及び
導体膜に対してエッチングを行うことにより、前記トラ
ンジスタ形成領域にゲート絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜
の上にゲート電極をそれぞれ形成する工程と、前記半導
体基板上に第2導電型の不純物イオンを用いて前記ゲー
ト電極をマスクとしてイオン注入を行うことにより、前
記半導体基板の上における、前記ゲート電極のゲート長
方向側にトランジスタのソース及びドレインとしての第
2導電型の拡散層をそれぞれ形成する工程と、前記半導
体基板上に全面にわたって第3の絶縁膜を堆積し、前記
開口したトランジスタ形成領域を保護するように形成す
る工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製
造方法。18. A step of forming a first degenerate high-concentration semiconductor layer of a first conductivity type in a stacked structure formation region by masking a transistor formation region on a first conductivity type semiconductor substrate;
Forming a first tunnel barrier film over the entire surface of the semiconductor substrate so that a tunnel current flows; and forming a second high-concentration polycrystalline second conductivity type over the entire surface of the first tunnel barrier film. Forming a semiconductor layer so as to degenerate, and a semiconductor having a lower diffusion coefficient for added impurities than the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer over the entire surface of the second high-concentration polycrystalline semiconductor layer. Forming a layer, and forming a first high-concentration third high-concentration polycrystalline semiconductor layer over the entire surface of the semiconductor layer so as to degenerate; Forming a second tunnel barrier film over the entire surface so that a tunnel current flows, and degenerating a fourth high-concentration polycrystalline semiconductor layer of the second conductivity type over the entire surface of the second tunnel barrier film. To form The second high-concentration polycrystalline semiconductor layer, the semiconductor layer, the third high-concentration polycrystalline semiconductor layer, the second tunnel barrier film, and the fourth high-concentration polycrystalline semiconductor layer by masking the electrode formation region of the stacked structure. Forming a stacked structure electrode on the semiconductor substrate by etching the concentration polycrystalline semiconductor layer; and depositing a first insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate, and then forming the stacked structure Opening the transistor formation region by etching the first insulation film while masking the region, and forming a second insulation film over the entire opening of the transistor formation region; By forming a conductive film over the entire surface of the substrate and etching the second insulating film and the conductive film while masking a gate electrode formation region of the transistor, the transistor is formed. Forming a gate insulating film on the gate insulating film and a gate electrode on the gate insulating film, and performing ion implantation on the semiconductor substrate using impurity ions of a second conductivity type using the gate electrode as a mask. Forming a second conductive type diffusion layer as a source and a drain of a transistor on the semiconductor substrate on the gate length direction side of the gate electrode, and forming a third insulating layer over the entire surface of the semiconductor substrate. Depositing a film and forming the film to protect the opened transistor formation region.
濃度p型多結晶半導体層はシリコンからなり、前記トン
ネル障壁膜はシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜も
しくはシリコン酸窒化膜からなり、前記低い拡散係数を
持つ半導体層はシリコンゲルマニウムもしくはシリコン
ゲルマニウムカーボンからなる請求項18に記載の半導
体装置の製造方法。19. The high-concentration n-type polycrystalline semiconductor layer and the high-concentration p-type polycrystalline semiconductor layer are made of silicon, and the tunnel barrier film is made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film. 19. The method according to claim 18, wherein the semiconductor layer having a low diffusion coefficient is made of silicon germanium or silicon germanium carbon.
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|---|---|---|---|
| JP2001169176A JP2002261248A (en) | 2000-12-27 | 2001-06-05 | Semiconductor device |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017164617A1 (en) * | 2016-03-21 | 2017-09-28 | 성균관대학교산학협력단 | Negative differential resistance device comprising trap layer and method for manufacturing same |
| CN108630612A (en) * | 2017-03-24 | 2018-10-09 | 联华电子股份有限公司 | Semiconductor element and manufacturing method thereof |
| WO2022011878A1 (en) * | 2020-07-17 | 2022-01-20 | 浙江驰拓科技有限公司 | Memory bit preparation method and mram preparation method |
-
2001
- 2001-06-05 JP JP2001169176A patent/JP2002261248A/en active Pending
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