JPH08306934A - 多重トンネル接合の製造方法 - Google Patents

多重トンネル接合の製造方法

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JPH08306934A
JPH08306934A JP7110423A JP11042395A JPH08306934A JP H08306934 A JPH08306934 A JP H08306934A JP 7110423 A JP7110423 A JP 7110423A JP 11042395 A JP11042395 A JP 11042395A JP H08306934 A JPH08306934 A JP H08306934A
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JP
Japan
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probe
thin wire
fine wire
tunnel junction
oxide
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Application number
JP7110423A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Kado
博行 加道
Takao Toda
隆夫 任田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造を制御した多重トンネル接合の製造方法
を提供する 【構成】 Si酸化膜1表面に形成されたSi細線2の
両端にAl電極3を作製した後、大気中で、AFMの導
電性探針4を細線2に接触させ、探針に負電圧を印加し
酸化物5が作製する。この操作を繰り返すことにより、
Siで形成された島6を形成し多重トンネル接合を作製
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子1個単位で動作が
可能な単一電子トンネル素子に用いられる多重トンネル
接合の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】情報化社会を支えるLSIは、半導体素
子すなわちトランジスタの微細化により高集積化を行っ
ている。また、素子を微細化することにより、キャリア
の走行距離や容量が縮小され、高速化等、LSIの高性
能化が可能となる。現在量産が進んでいる16MDRA
Mでは、ゲート長が0.5μm、また、サンプル出荷が
行われ始めた64MDRAMでは、ゲート長が0.35
μm程度となっており、研究段階では0.1μm以下の
ゲート長でも動作確認が行われている。
【0003】しかし、このような素子の微細化をさらに
進めた場合、ゲート電極と半導体基板間にトンネル漏れ
電流が発生するなど物理的な問題や、さらには、1動作
当りの電子数が減ってくるために、統計的な電子数のゆ
らぎが増大し、誤動作を起こし易くなるといった根本的
な問題が発生する。このために、現在のLSIのよう
に、電子の統計的な性質に動作の基礎をおくのではな
く、個々の電子を制御することにより動作する単一電子
トンネル素子が提案されている。この素子の特徴は、微
細化が進む程、動作が完全になり究極の特性を引き出せ
る点にあり、例えばこれをメモリに応用することによ
り、人間の脳より6桁速く、現在の半導体メモリより6
桁大容量のメモリが得られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】単一電子トンネル素子
は、クーロンブロッケード効果にその動作原理を置いて
いるが、この効果を引き出すには、トンネル接合が2個
以上直列に接続された多重トンネル接合が有用となり、
かつ、トンネル接合で挟まれた島の静電容量を小さくす
る必要がある。特に室温動作を考えると、島の静電容量
を1aF以下にする必要があり、このような構造を作製
するためには、nmレベルの構造形成技術が必要であ
る。
【0005】現在、このような微細構造を作製する技術
は乏しく、自然構造を利用した素子がいくつか提案され
ている。例えば、"Appl. Phys. Lett., Vol.61, 1992,
p3145"に記載されているような原子層ドーピングGaA
s細線の横にサイドゲートを設けた多重トンネル接合
や、"Proc. IEDM, 1993, p541"に記載されているような
極薄ポリシリコンをチャンネルとして用いた単一電子メ
モリが作製されている。
【0006】しかし、前者はGaAs細線中に存在す荷
電不純物のランダム配置を利用してトンネル接合を形成
し、また後者はポリシリコン中のグレインを島として利
用し、電子が流れ易い部分をチャンネルとしているた
め、どちらもその構造を制御性良く作製することが難し
く、作製される素子にもその特性にばらつきが現れてい
た。
【0007】本発明は、上記の従来技術の課題を解決
し、その構造を制御することの可能な多重トンネル接合
の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の多重トンネル接合の製造方法は、電気絶縁
性基板上に、金属あるいは半導体で形成された高さ1n
m以上、10nm以下、幅1nm以上100nm以下の
細線を作製し、少なくとも酸素あるいは水蒸気を有する
雰囲気中で、前記細線表面に導電性探針を接近あるいは
接触させ、前記細線と前記導電性探針間に電圧を印加す
ることにより少なくとも前記細線の表面に局所的に前記
細線の構成材料の酸化物を形成することを特徴とする。
【0009】前記構成において、局所的に酸化物が形成
された細線近傍に、電極を作製することが好ましい。
【0010】また、導電性探針側が相対的に負電圧にな
るように電圧を印加することが好ましい。
【0011】さらに、酸化物が、細線の表面から電気絶
縁性基板の表面の深さまで形成されていることが好まし
い。
【0012】また、酸化物の最も薄い部分の長さが5n
m以下であることが好ましい。さらに、金属あるいは半
導体がSi、Ge,GaAs、Ti、Ta、Alまたは
ランタナイド元素から選ばれた少なくとも1種の金属あ
るいは半導体であることが好ましい。
【0013】また、局所的に酸化物が形成された細線を
作製後、前記細線を熱処理することが好ましい。
【0014】
【作用】本発明の製造方法によれば、走査トンネル顕微
鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)を利用して、
構造の制御性が良く多重トンネル接合を作製することが
できる。即ち、金属あるいは半導体で形成された高さ1
nm以上、10nm以下、幅1nm以上100nm以下
の細線を、STMやAFMの導電性探針を用いて局所的
に酸化することができるので、前記導電性探針を操作す
ることによって、多重トンネル接合を制御性良く作製で
きる。
【0015】また、局所的に酸化物が形成された細線近
傍に、電極を作製することで、金属あるいは半導体を完
全に切り離さなくても、前記電極に印加する電圧により
ポテンシャル障壁を制御することで、多重トンネル接合
が形成される。
【0016】さらに、導電性探針側が相対的に負電圧に
なるように電圧を印加することによって、陽極酸化を利
用して酸化物を作製できる。
【0017】また、酸化物を細線表面から電気絶縁性基
板表面の深さまで形成すれば、安定した構造の多重トン
ネル接合が形成される。
【0018】さらに、5nm以下の間隔で切り離すこと
により、低電圧動作が可能となる。また、Si、Ge、
GaAs、Ti、Ta、Alまたはランタナイド元素か
ら選ばれた少なくとも1種の金属あるいは半導体で細線
を作製することで、比較的低電圧で安定な酸化物を形成
することが可能になる。
【0019】さらに、細線を熱処理することにより、細
線中の金属あるいは半導体の結晶性が向上するため、所
望の優れた特性のトンネル接合を実現できる。さらに、
酸素あるいは水蒸気中で熱処理することによ、細線に形
成された酸化物の品質や大きさを制御でき、特性の優れ
た接合を形成できる。
【0020】
【実施例】以下に本発明の多重トンネル接合の製造方法
について説明する。
【0021】図1は、本発明の実施例における多重トン
ネル接合の製造方法を示したものである。
【0022】まずSi酸化膜1表面に形成された厚さ5
nmのSi膜を電子線露光法を用いて、幅50nm、長
さ0.5μmの細線2に加工する。次に作製した細線2
の両端にAl電極3を作製した後、大気中で、AFMの
導電性探針4を細線2のトンネル障壁を形成したい部分
に接触させる。なお、この時AFMの導電性探針4は、
カンチレバーと一体化したSiN探針表面に、500Å
の金を蒸着したものを用いた。さらに、導電性探針4と
細線2間に探針側が負となるように10Vの電圧を印加
しながら、導電性探針4を5μm/秒の速度で、細線2
を横切るように走査する。上記のようにして走査を行な
うと、細線2にはSi酸化膜1表面まで到達する酸化物
5が作製され、これにより完全に絶縁分離を行なうこと
が可能となる。上記の酸化膜は陽極酸化により形成され
ていると考えられるため、上記のように負電圧を印加す
るのが望ましい。作製された酸化物5は、Si酸化膜1
表面で一番薄くなり、幅1nm程度である。このように
本実施例では最も薄い部分の幅は1nmであるが、トン
ネル接合を実現するためには、5nm以下でなければな
らない。次に導電性探針4を10nm離れた位置に移動
し、再び同じ操作により細線2を酸化し、この操作によ
り、Siで形成された島6を形成し多重トンネル接合を
作製する。
【0023】作製した多重トンネル接合の両端のAl電
極をそれぞれソース電極、ドレイン電極とし、さらに、
多重トンネル接合表面に絶縁層を成膜し、その表面にA
lゲート電極を設けることにより、単一電子トンネル素
子を作製し、その特性を測定した。
【0024】図2は、上記のように作成された単一電子
トンネル素子のソース電極とドレイン電極間に電圧(ド
レイン電圧)を印加した時の電圧−電流特性を示したも
のである。流れる電流(ドレイン電流)はドレイン電圧
の増加に伴って、階段状に増加することが観測された。
これは、クーロンブロッケード効果により電子が1個づ
つトンネル接合を移動した結果であると考えられる。
【0025】さらに、ゲート電極に電圧を印加した時の
ドレイン電流を測定した結果を図3に示す。ドレイン電
流は、ゲート電圧によって周期的に変化し、ゲート電極
を用いてドレイン電流を制御することが可能であった。
【0026】上記の実施例では、探針を用いて酸化した
酸化物によって、Siの島を完全に切り離した構造の多
重トンネル接合を作製したが、深さ方向に対して途中ま
で酸化させた構造により、さらに小さな島を有する多重
トンネル接合を作製することができる。この時の多重ト
ンネル接合の構成を図4に示す。図4に示すように、絶
縁性基板7上に両端にn型Si電極8を有する厚さ5n
mのp型Si細線9を形成後、AFMの導電性探針を細
線9表面に接触し、導電性探針に−5Vの電圧を印加し
た状態で、導電性探針を5μm/秒の速度で、細線9を
横切るように走査しp型Si細線9を酸化した。作製さ
れた酸化物10は、深さ約3nmまで達している。前記
操作を5nm間隔で行った。その後、細線9表面にSi
2絶縁層11を成膜後、Alゲート電極12を作製し
た。このゲート電極12に正電圧を印加し、電界効果に
より細線内部に形成される反転層を制御することによ
り、酸化物10の薄い部分の下部に形成される反転層を
島とした等間隔の島状のチャンネルが形成され、多重ト
ンネル接合を形成することができる。
【0027】なお、n型Si細線を用いた場合は、ゲー
ト電極に負電圧を印加することで、多重トンネル接合を
形成できた。
【0028】また、細線を酸化する場合、必ずしも探針
を接触させる必要はない。例えばSTMを用いた場合
は、探針を細線表面に接近させトンネル電流を用いて酸
化させることができた。
【0029】また、細線材料はSiに限られるものでは
なく、Ge,GaAs,Ti、Ta,Al、ランタナイ
ド元素など探針と細線間に電圧を印加することにより酸
化される半導体あるいは金属を用いることで多重トンネ
ル接合を形成できた。
【0030】さらに、これらの多重トンネル接合は、熱
処理を行なうことにより素子の特性を向上することがで
きた。この熱処理は用いた金属あるいは半導体材料の融
点の5分の1から5分の3の間の温度で行なうのが適切
であった。熱処理により、島部分の材料の歪や欠陥が除
去されるため、特性が向上したものと考えられる。
【0031】また、酸素あるいは水蒸気中で熱処理する
ことにより酸化物の厚さや幅を増大させることができ、
探針を用いた酸化では制御が困難な微妙な制御が可能と
なり、特性の優れた多重トンネル接合を形成することが
できた。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
島の大きさやトンネル障壁の厚さを均一に制御した多重
トンネル接合が得られ、その特性を制御した単一電子ト
ンネル素子を再現性よく製造することができる。この単
一電子トンネル素子は、電極構成を変えることで、トラ
ンジスタやメモリとして機能し、アナログ回路あるいは
デジタル回路に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における多重トンネル接合の製
造工程図
【図2】本発明の実施例における多重トンネル接合のド
レイン電圧−ドレイン電流特性を示す図
【図3】本発明の実施例における多重トンネル接合のゲ
ート電圧−ドレイン電流特性を示す図
【図4】本発明の実施例における多重トンネル接合の概
略断面図
【符号の説明】
1 Si酸化膜 2 細線 3 Al電極 4 AFM導電性探針 5 酸化物 6 島 7 絶縁性基板 8 n型Si電極 9 p型Si細線 10 酸化物 11 SiO2絶縁層 12 Alゲート電極

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気絶縁性基板上に、金属あるいは半導体
    で形成された高さが1nm以上10nm以下、幅が1n
    m以上100nm以下の細線を作製する工程と、前記細
    線を少なくとも酸素あるいは水蒸気を有する雰囲気中で
    前記細線表面に導電性探針を接近あるいは接触させ、前
    記細線と前記導電性探針間に電圧を印加することにより
    少なくとも前記細線の表面に局所的に前記細線の構成材
    料の酸化物を形成する工程とを有する多重トンネル接合
    の製造方法。
  2. 【請求項2】導電性探針側が相対的に負電圧になるよう
    に電圧を印加して酸化物を形成することを特徴とする請
    求項1記載の多重トンネル接合の製造方法。
  3. 【請求項3】酸化物が細線の表面から電気絶縁性基板の
    表面の深さまで形成されていることを特徴とする請求項
    1記載の多重トンネル接合の製造方法。
  4. 【請求項4】酸化物の最も薄い部分の長さが5nm以下
    であることを特徴とする請求項3記載の多重トンネル接
    合の製造方法。
  5. 【請求項5】細線の材料がSi、Ge,GaAs、T
    i、Ta、Alまたはランタナイド元素から選ばれた少
    なくとも1種の金属あるいは半導体であることを特徴と
    する請求項1記載の多重トンネル接合の製造方法。
  6. 【請求項6】局所的に酸化物が形成された細線を作製
    後、前記細線を熱処理することを特徴とする請求項1記
    載の多重トンネル接合の製造方法。
JP7110423A 1995-05-09 1995-05-09 多重トンネル接合の製造方法 Pending JPH08306934A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007274005A (ja) * 2007-06-05 2007-10-18 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置
CN102313625A (zh) * 2011-05-27 2012-01-11 北京大学 碳纳米管皮拉尼真空计及其真空度检测方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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