JP3487724B2

JP3487724B2 - トンネル接合の形成方法

Info

Publication number: JP3487724B2
Application number: JP27000596A
Authority: JP
Inventors: 欣哉足利
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 2004-01-19
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: JPH10116984A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、微小なトンネル
接合を形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子一個ずつを制御しようという単一電
子トランジスタへの関心が、近年高まりつつある。電流
の制御を電子の集団としてしか行えなかった通常のＭＯ
Ｓ型電界効果トランジスタに比べ、この単一電子トラン
ジスタは、消費電力の低減、高集積化を飛躍的に図れる
ものと考えられているからである。このような単一電子
トランジスタの何通りかの構造が、例えば文献Ｉ（微小
トンネル接合の物理とその応用（応用物理第62巻第9
号 pp.889-897(1993)) に開示されている。いずれの構
造にしろ、単一電子トランジスタは、２つの微小トンネ
ル接合と、コントロ−ルゲ−トと、これらトンネル接合
およびコントロールゲートに囲まれた微小な島（中央導
電性層またはドットともいう）とを有した基本構造を、
持っている（詳細は後に図１を用い説明する。）。この
種の単一電子トランジスタの動作原理は例えば文献Ｉに
記載されているのでその詳細はここでは省略するが、こ
の種の単一電子トランジスタを室温で動作させるために
は次の様な条件が必要である（例えば文献Ｉの890 頁左
欄や892 頁左欄）。ただし下記の条件式にて、Ｃは、上
記２つのトンネル接合の容量をＣ₁ 、Ｃ₂ 、ゲート容量
をＣ_g としたときＣ＝Ｃ₁ ＋Ｃ₂ ＋Ｃ_g で与えられる素
子容量である。またｋ_B はボルツマン定数、Ｔは温度で
ある。また、Ｒ_T はトンネル抵抗、ｈはプランク定数で
ある。

【０００３】Ｅ_C ＝ｅ² ／２Ｃ＜＜ｋ_B Ｔ・・・（１）Ｒ_T ＞＞Ｒ_k ＝ｈ／ｅ² ・・・（２）したがって、室温例えば３００Ｋで（１）式を満たすた
めには、（１）式中のＴ＝３００とおくと、Ｃ＜＜３ａ
Ｆ（アトファラド）を満たす必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】素子容量ＣがＣ＜＜３
ａＦを満たすためには、微小な接合面積を有したトンネ
ル接合を形成する必要がある。トンネル接合の接合厚さ
を厚くすれば素子容量は減らせるが、そうするとそもそ
もトンネル接合の機能が得られなくなるから、接合面積
を小さくせざるを得ないのである。そのため具体的に
は、１０ｎｍオーダーの加工技術が必要になる。このよ
うな加工技術として現在もっとも適しているのは電子線
リソグラフィ技術である。しかしながら、電子線リソグ
ラフィ技術であっても、市販の電子ビ−ム露光装置のビ
−ム径は最小でも３０ｎｍ程度であるので、上記の１０
ｎｍオーダの微細加工を行うのは困難であった。微小な
トンネル接合を形成できる新規な技術が望まれる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願のトン
ネル接合の形成方法の第１の発明によれば、絶縁膜を導
電性層で挟んだ構造のトンネル接合を形成するに当た
り、以下の(A) 〜(E) の各工程を含む方法を主張する。

【０００６】(A).導電性層を形成するための第１の層上
に、直接または中間膜を介し、電子線で露光された部分
が残存する性質を有した第２の層を形成する工程。

【０００７】(B).前記第２の層における、接近する第１
の領域および第２の領域それぞれを、電子線によりかつ
少なくとも前記接近する部分ではその周囲に電子線のエ
ネルギーのしみ出しが生じるような露光量で露光する工
程。

【０００８】(C).該露光の済んだ第２の層を現像するこ
とにより、該第２の層の、前記第１の領域と、前記第２
の領域と、これら第１および第２の領域の間の前記エネ
ルギーのしみ出しが重なる第３の領域とで構成されるマ
スクパターンを得る工程。

【０００９】(D).該マスクパターンを耐エッチングマス
クとして用いて前記第１の層を直接または間接的にパタ
ーニングして、前記第１〜第３の各領域に対応する部分
に前記第１の層を残存させる工程。

【００１０】(E).前記マスクパターンを除去した後、前
記第１の層の残存部分間にトンネル絶縁膜となる絶縁膜
を形成する工程。

【００１１】このトンネル接合の形成方法の第１の発明
によれば、上記第１の領域と上記第２の領域との間に
は、これら領域を露光した際の電子線エネルギーのしみ
出し分が重なったことに起因する露光領域が形成され
る。電子線エネルギーのしみ出し分が重なったことに起
因して露光される露光領域の面積は、電子ビームで直接
露光した場合より小さくできる。露光領域の面積が小さ
いということは、平面積が小さい導電性層（単一電子ト
ランジスタの例で言えば面積の小さいドット（中央導電
性層））を形成出来ることになる。平面積が小さい導電
性層であると、その分、側壁の面積も小さくなるから、
トンネル接合の接合面積を従来より小さくできる。ま
た、平面積が小さい導電性層が得られるということは、
これを単一電子トランジスタの例に照らして考えればゲ
ート容量の低減も図れることになる。

【００１２】またこの出願のトンネル接合の形成方法の
第２の発明によれば、シリコン細線部分からなるトンネ
ル障壁を有するトンネル接合を形成するに当たり、以下
の(a) 〜(d) の各工程を含む方法を主張する。

【００１３】(a).シリコン層上にシリコン酸化膜を形成
する工程。

【００１４】(b).該シリコン酸化膜を一部が所定幅の帯
状となるようにパターニングする工程。

【００１５】(c).該帯状のシリコン酸化膜部分の長手方
向にて所定間隔をもって並ぶ少なくとも２つの領域を、
その表面から所定量除去して、これら領域の膜厚が他よ
り減じられたシリコン酸化膜から成るマスクパターンを
形成する工程。

【００１６】(d).膜厚が他より減じられたマスクパター
ン部分下のシリコン層部分の幅をエッチング後において
前記所定幅未満の新たな所定幅にでき、かつ、それ以外
のシリコン層部分の幅を前記マスクパターンに即した幅
にできる選択比のエッチング条件により、前記シリコン
層をエッチングして、膜厚が他より減じられたマスクパ
ターン部分下に前記くびれ部分を形成する工程。

【００１７】このトンネル接合の形成方法の第２の発明
によれば、膜厚が一部薄くされたシリコン酸化膜からな
る所定のマスクパターンをマスクとして用いかつ所定の
選択比のエッチング手段でシリコン層をエッチングす
る。マスクパターンにおける膜厚が薄くされた部分では
エッチング選択比が不十分となるので、その部分下のシ
リコン層部分は横方向からもエッチングされるようにな
る。そのためシリコン層のエッチングが終了すると、マ
スクパターンにおける膜厚が薄くされた部分下のシリコ
ン層部分は他より細い部分（くびれ部分）になる。この
くびれ部分はトンネル障壁として利用出来る。電子線リ
ソグラフィ技術ではこのような細いくびれ部分を形成す
るためのレジストパターンを当初から形成することは困
難であるが、この第２の発明では一部の膜厚が薄くされ
かつ帯状のマスクパターンの形成までを電子線リソグラ
フィを利用して行ない、その後上記の所定のエッチング
で所定のくびれ部分が得られる。なお、この第２の発明
の実施に当たり、シリコン層のエッチングを終えた後
に、該シリコン層に対しその表層部を所定量酸化する処
理を行なっても良い。シリコン層に対しその表層部を所
定量酸化することにより、くびれ部分のさらなる細線化
が図れる。

【００１８】上述したトンネル接合の形成方法の第１お
よび第２の発明それぞれによれば、室温動作を可能とす
る程度に素子容量の小さな単一電子トランジスタの実現
が期待出来る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
トンネル接合の形成方法および単一電子トランジスタの
製造方法の実施の形態について併せて説明する。なお、
説明に用いる各図はこの発明を理解出来る程度に各構成
成分の寸法、形状および配置関係を概略的に示してある
にすぎない。また、各図において同様な構成成分につい
ては同一の番号を付して示しその重複する説明を省略す
ることもある。また、以下に説明する膜厚、温度、時
間、寸法、露光量などの数値的条件や使用材料はこの発
明の範囲内の一例にすぎない。

【００２０】１．トンネル接合の形成方法の第１の発明
の説明トンネル接合の形成方法の第１の発明の実施の形態につ
いて図１〜図４を参照して説明する。ここで図１はトン
ネル接合の形成方法の第１の発明を適用して形成される
単一電子トランジスタの説明図であり、その（Ａ）図は
該トランジスタを上方から見た平面図、（Ｂ）図は
（Ａ）図のＩ−Ｉ線に沿った該トランジスタの断面図で
ある。図１において、１１はシリコン基板、１３は絶縁
膜（シリコン酸化膜）、１５ａはソース領域、１５ｂは
ドレイン領域、１５ｃは微小な島（ドットまたは中央導
電性層とも呼ばれる。）、１７ａ，１７ｂ各々はトンネ
ル障壁となる絶縁膜、１７ｃはゲート絶縁膜、１９はコ
ントロールゲート、２１ａ，２１ｂ各々はトンネル接合
をそれぞれ示す。また、図２〜図４はこの第１の発明の
方法によるトンネル接合の形成手順を説明する工程図で
ある。ただし図２および図４は、図１（Ｂ）に対応した
断面図で示してあり、図３は、図１（Ａ）に対応した平
面図で示してある。

【００２１】まず、シリコンウエハ１１ａであって、表
層部が約４０ｎｍの厚さのシリコン層１１ｘとなってい
てかつその下が厚さ約１００ｎｍの絶縁膜（埋め込みシ
リコン酸化膜）１３となっているシリコンウエハ１１ａ
を用意する（図２（Ａ））。ここで、シリコン層１１ｘ
がこの発明でいう導電性層を形成するための第１の層に
相当し、後にその一部が図１に示したソース領域１５
ａ，ドレイン領域１５ｂ、微小な島１５ｃを構成するこ
とになる。なお、このようなシリコンウエハ１１ａは、
たとえばＳＩＭＯＸ技術により形成したシリコンウエハ
の上層Ｓｉを、熱酸化とふっ酸による酸化膜剥離とを繰
り返すことにより所望の膜厚（ここでは約４０ｎｍ）に
調整することで、用意することができる。

【００２２】次に、熱酸化によりシリコン層１１ｘ上に
約３０ｎｍの酸化膜３１を形成する（図２（Ｂ））。こ
の酸化膜３１はこの発明でいう中間層に相当する。この
中間層はシリコン層１１ｘのエッチングマスクとして後
に使用されると共に、シリコン層１１ｘの結晶性の保護
等をも図るものである。もちろん中間層を用いない場合
があっても良い。

【００２３】次にこの酸化膜３１上に、電子線で露光さ
れた部分が残存する性質を有した第２の層として、ネガ
型の電子ビ−ム露光用レジスト層３３を形成する（図２
（Ｃ））。この第２の層３３は、酸化膜３１上に例えば
ＳＡＬ６０１（シプレ−社製）のレジストを０．１μｍ
の膜厚にスピンコ−ト法により塗布し、それを１２０
℃、２分のベ−キングを行うことで形成する。第２の層
３３を形成したシリコンウエハを電子線露光装置内に導
入する。

【００２４】次に、本発明の特徴であるレジストパタ−
ン形成工程を以下のように実施する。

【００２５】電子ビ−ム露光工程においては、図３
（Ａ）に示すように、第２の層３３における、接近する
第１の領域３３ａおよび第２の領域３３ｂそれぞれを露
光する。ただし第１の領域３３ａおよび第２の領域３３
ｂそれぞれは、他方の領域に接近している部分が該他方
の領域側に凸状となった平面形状を持つ領域とするのが
良い。こうした方がトンネル接合面積を小さくし易いか
らである。この図３（Ａ）の例では、第１の領域３３ａ
および第２の領域３３ｂそれぞれは、角部が他方の領域
と接近している五角形状の平面形状を有した領域として
ある。もちろん第１の領域３３ａおよび第２の領域３３
ｂそれぞれは、平面形状が三角形状や四角形状などであ
って角部が他方の領域側になる形状等のものでも良い。
また、第１の領域３３ａおよび第２の領域３３ｂの接近
距離Ｘ₁ は、両領域３３ａ，３３ｂを露光した際の両領
域からの露光エネルギーが影響しあう距離であること等
を考慮して決める。これに限られないが、ここでは距離
Ｘ₁ を例えば５０ｎｍとする。また、第１の領域３３ａ
および第２の領域３３ｂそれぞれを露光する際の露光量
は通常よりも高いドーズ量とする。具体的には、これら
第１および第２の領域３３ａ，３３ｂそれぞれの少なく
とも互いに接近している部分（ここでは三角形状部分の
頂点周辺）については、その周囲に電子線のエネルギー
のしみ出しが生じるような露光量で露光する。これに限
られないが、ここでは、通常は露光量が２０μＣ／ｃｍ
² であるところを３０μＣ／ｃｍ² の条件で、第１およ
び第２の領域３３ａ，３３ｂ全域を露光する。これによ
り設計パタ−ンエリアである第１および第２の領域３３
ａ，３３ｂの外側に、近接効果により電子線のエネルギ
ーのしみ出し領域が生じる。図３（Ａ）に、この電子線
のエネルギーのしみ出し領域３３ｘ（図中斜線を付した
領域）を模式的に示してある。第１および第２の領域３
３ａ，３３ｂ間の、両領域からしみ出したエネルギーが
重なった領域３３ｃ（第３の領域３３ｃ）は、他のしみ
出し領域３３ｘの露光量に比べ約２倍の露光量で露光さ
れたことになる。そのためこの第３の領域３３ｃも後の
現像後に残存する。

【００２６】露光を終えたウエハを露光装置から取り出
した後、１０５℃、２分のベ−クを行ない、その後、Ｎ
ＭＤＷ（東京応化工業（株）製の現像液）中に約１０分
浸積して現像を行なう。現像後では、レジスト３３にお
ける、第１の領域３３ａと、第２の領域３３ｂと、上記
第３の領域３３ｃとで、パタ−ンがそれぞれ残るので、
図３（Ｂ）に示すような２つのパタ−ン間にドットを残
したレジストパターン３３ｙすなわちこの第１の発明で
いうマスクパターンが得られる。第１および第２の領域
３３ａ，３３ｂの露光量を同じにすると、ドットが両領
域３３ａ，３３ｂの間のほぼ中央に位置するレジストパ
ターンが得られる。第１および第２の領域の接近してい
る部分の間隔Ｘ₁ は例えば５０ｎｍ程度になる。第１お
よび第２の領域それぞれとドットとの間隔Ｘ₂ は例えば
１０ｎｍ程度になる。ドットは円状のものでかつ渡り寸
法（直径とも言える）Ｘ₃ が２０ｎｍ程度になる。な
お、第１および第２の領域３３ａ，３３ｂの露光量を違
えて、ドットが両領域３３ａ，３３ｂの間のいずれか一
方の領域側に偏ったレジストパターン（非対称なレジス
トパターン）を形成する場合があっても良い。

【００２７】次にレジストパターン３３ｙを耐エッチン
グマスクとして用い酸化膜３１のエッチングを行なう。
具体的には、例えばＣＦ₄ ／ＣＨＦ₃ ／Ｈｅ混合ガスを
用いた反応性イオンエッチングにより酸化膜３１をエッ
チングする（図４（Ａ））。その後Ｏ₂ プラズマ雰囲気
でレジストを除去する。次に、酸化膜３１をマスクとし
て第１の層であるシリコン層１１ｘを、例えばＣｌ₂ ／
Ｏ₂ ／Ｈｅの混合ガスを用いた反応性イオンエッチング
によりエッチングする。これらの一連の工程により電子
ビ−ム露光によるレジストパタ−ン３３ｙと同様のパタ
−ンがシリコン層１１ｘの残存部分で実現されるので、
これら残存部分からなるソ−ス領域１５ａ、ドレイン領
域１５ｂ及びドット１５ｃがそれぞれ形成されることに
なる（図４（Ｂ））。

【００２８】次に、マスクとして用いていた酸化膜３１
を希フッ酸にて除去する。次に、例えば化学的気相成長
法（ＣＶＤ法）によりＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ／Ｏ₂ 混合ガスを
用いて酸化膜３５を約５０ｎｍの膜厚に形成する。この
工程によりソ−ス領域１５ａ、ドレイン領域１５ｂとＳ
ｉドット１５ｃとの間に微小トンネル障壁１７ａ，１７
ｂが形成され、かつ、Ｓｉドット１５ｃ上にゲート絶縁
膜１７ｃが形成される（図４（Ｃ））。もちろん、微小
トンネル障壁１７ａ，１７ｂやゲート絶縁膜１７ｃの形
成方法は他の好適な方法でも良い。その後、コントロー
ルゲートを形成することで、図１を用い説明した単一電
子トランジスタが得られる。

【００２９】この第１の発明の形成方法によれば電子ビ
−ム露光による近接効果を積極的に利用することにより
従来の電子ビ−ム露光では達成困難な微小トンネル接合
を精度良く形成できることが理解出来る。

【００３０】上記の実施の形態によって実現される単一
電子トランジスタの素子容量Ｃを見積もると次のように
なると考えられる。

【００３１】ドット１５ｃの大きさＸ₃ は２０ｎｍ、か
つ高さは３０ｎｍと考える。なお、シリコン層１１ｘの
当初の膜厚は４０ｎｍであるが酸化膜３１形成時による
膜減りを考慮してドットの高さは３０ｎｍとしている。
また、ドット１５ｃが円形状で、かつ、ソース・ドレイ
ン領域は先端が凸状であるので、両者の対向関係はこれ
ら形状を考慮して次のように仮定する。すなわち、ドッ
ト１５ｃとソース電極１５ａ（ドレイン電極１５ｂ）と
の対向幅を１０ｎｍと考え、このドット１５ｃとソース
電極１５ａ（ドレイン電極１５ｂ）との間隔を１５ｎｍ
と考える。また絶縁膜１７ａ，１７ｂの比誘電率を３．
９と考え、真空の誘電率を８．８５×１０^-12 （Ｆ／
ｍ）とする。すると、トンネル接合での容量は、８．８
５×１０^-12 ×３．９×１０×１０^-9×３０×１０^-9／
１５×１０^-15 ＝０．７×１０^-18（Ｆ）＝０．７（ａ
Ｆ）になる。また、コントロールゲート部分での容量
は、ゲ−ト絶縁膜１７ｃの厚さが５０ｎｍでかつ、ドッ
トの半径が１０ｎｍであるから、８．８５×１０^-12 ×
３．９×３．１４×１０² ×１０^-18 ／５０×１０^-9＝
０．２×１０^-18 （Ｆ）＝０．２（ａＦ）になる。結局
この単一電子トランジスタの素子容量は１．６ａＦにな
る。これは静電エネルギーに換算すると、Ｅ_C ＝ｅ² ／
２Ｃより、５７ｍｅＶになる。これは室温の熱エネルギ
−（２６ｍｅＶ）よりも大きな値であるので、この第１
発明の方法を用い製造された単一電子トランジスタは室
温動作が期待できるものと考えられる。

【００３２】なお、上述の第１の発明の実施の形態の説
明では、導電性層を形成するための第１の層としてシリ
コン層を用いる例を説明したが、導電性層を形成するた
めの層は金属層例えばアルミニウム層等でも良い。

【００３３】２．トンネル接合の形成方法の第２の発明
の説明次に、一部にくびれ部分を有したシリコン細線で構成さ
れるトンネル接合の新規な形成方法（第２の発明）の実
施の形態について説明する。この説明を図５〜図８に示
した製造工程図と、図９に示したエッチング特性図とを
参照して行なう。ただし、図５は形成工程中の試料をト
ンネル接合面に平行な面で切った断面図により示した工
程図、図６〜図８は試料を上方から見た平面図により示
した工程図である。

【００３４】まず、シリコンウエハ１１ａであって、表
層部が約４０ｎｍの厚さのシリコン層１１ｘとなってい
てかつその下が厚さ約１００ｎｍの埋め込みシリコン酸
化膜１３となっているシリコンウエハ１１ａを用意する
（図５（Ａ））。このようなシリコンウエハ１１ａは、
たとえばＳＩＭＯＸ技術により形成したシリコンウエハ
の上層Ｓｉを、熱酸化とふっ酸による酸化膜剥離とを繰
り返すことにより所望の膜厚（ここでは約４０ｎｍ）に
調整することで、用意することができる。

【００３５】次に、熱酸化によりシリコン層１１ｘ上に
約３０ｎｍの酸化膜３１を形成する（図５（Ｂ））。次
に、この酸化膜３１上に、電子ビ−ム露光用レジスト層
４１を形成する（図５（Ｃ））。第２の発明の場合は、
電子ビ−ム露光用レジストがネガ型かポジ型かはこだわ
らない。ただし、電子線の照射面積を少なくする意味で
この工程ではネガ型のものが好ましい。ここではレジス
ト層４１は、酸化膜３１上に例えばＳＡＬ６０１（シプ
レ−社製のレジスト）を０．１μｍの膜厚にスピンコ−
ト法により塗布し、それを１２０℃、２分のベ−キング
を行うことで形成する。レジスト層４１を形成したシリ
コンウエハを電子線露光装置内に導入する。

【００３６】電子ビ−ム露光工程においては、先ず図６
（Ａ）に示したように一部が所定幅Ｗ₁ の帯状となった
レジストパターン４１ａを形成する。しかも、この帯状
の部分の長さがＹでかつこの帯状の部分の両側がＷ₂
（Ｗ₂ ＞Ｗ₁ ）×Ｙ₁ なる部分となっているレジストパ
ターン４１ａを形成する。この場合、所定幅Ｗ₁ を３０
ｎｍとしている。このレジストパターン４１ａを形成す
る際の露光条件は例えば２０μＣ／ｃｍ² とできる。露
光後は、まず、ウエハに対し１０５℃、２分のベ−クを
行ない、次いで、このウエハをＮＭＤＷ（東京応化工業
（株）製の現像液）中に約１０分浸積して現像を行な
う。

【００３７】次に、たとえばＣＦ₄ ／ＣＨＦ₃ ／Ｈｅ混
合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより酸化膜３
１をエッチングする。その後Ｏ₂ プラズマ雰囲気でレジ
ストを除去する。これらの一連の工程により電子ビ−ム
露光によるレジストパタ−ンと同様の酸化膜パターン３
１ａが形成される（図６（Ａ），図５（Ｄ））。なお、
図５（Ｄ）は図６（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図に相当する図
である。

【００３８】上記のように酸化膜による細線が形成され
た後、再び電子ビ−ム露光用レジスト層をこの試料上に
形成する。この場合は、後述するが、開口部を有したレ
ジストパターンを作製するので、露光面積を軽減する意
味から、ポジ型の電子ビ−ム露光用レジスト層を用いる
のが良い。ここでは例えばＺＥＰ５２０（日本ゼオン社
製ポジ型レジスト）を塗布する。そして、上記帯状のシ
リコン酸化膜部分の長手方向にて所定間隔をもって並ぶ
少なくとも２つの領域を露光し、その後、該レジストを
現像する。現像は例えば酢酸ノルマルヘキシルに約８分
浸積することで行なえる。こうすると、図６（Ｂ）に示
したように、帯状のシリコン酸化膜３１ａの長手方向に
て所定間隔ｙ₀ をもって並ぶ少なくとも２つの開口部４
３ａを持つレジストパターン４３が得られる。なお所定
間隔ｙ₀ はシリコンドットの長さを決める寸法である。
また、開口部４３ａそれぞれの、帯状のシリコン酸化膜
３１ａの長手方向に沿う寸法ｙ₁ は、トンネル障壁の長
さを規定する寸法である。これに限られないが、ここで
はｙ₀ およびｙ₁ それぞれを３０ｎｍとする。

【００３９】次に、このレジストパタ−ン４３をエッチ
ングマスクとして用い、開口部４３ａ内の酸化膜のエッ
チングを行なう。この際のエッチング条件は上述の酸化
膜パターン３１ａを形成した時のエッチングと同様の条
件で差しつかえないが、酸化膜３１がある程度の膜厚で
残存するように行なう。ここでは開口部４３ａ内の酸化
膜３１の膜厚が他の部分の半分程度となるよう約１５ｎ
ｍだけエッチングする。次に、Ｏ₂ プラズマ雰囲気でレ
ジストパターン４３を除去する。この一連の工程により
上記開口部４３ａに対応する部分の膜厚が他より減じら
れたシリコン酸化膜から成るマスクパターン３１ｘが形
成されることになる（図７（Ａ））。

【００４０】次に、上記マスクパターン３１ｘをマスク
として用いて、下地のシリコン層１１ｘのエッチングを
行なう。この際のエッチングは、膜厚が他より減じられ
たマスクパターン部分下のシリコン層部分の幅を、エッ
チング後において前記所定幅Ｗ₁ 未満の新たな所定幅に
でき、かつ、それ以外のシリコン層部分の幅を前記マス
クパターンに即した幅とできる選択比のエッチング条件
により行なう。このエッチングを、例えばＣｌ₂ ／Ｈｅ
の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングで行なう。
しかも、シリコンとシリコン酸化膜とのエッチング選択
比が２〜４となるように、より好ましくは２．５程度と
なるように、混合ガス流量比、ＲＦパワーおよび圧力を
決めた条件でエッチングを行なう。一例としてＣｌ₂ ／
Ｈｅ＝３０／５０ｓｃｃｍ，ＲＦパワ−１００Ｗ、圧力
５Ｐａとしたエッチング条件が挙げられる。このエッチ
ング工程では、マスクパターン３１ｘの膜厚が３０ｎｍ
の部分では酸化膜の横寸法と同じ幅にシリコン層１１ｘ
は残存するが、マスクパターン３１ｘの膜厚が薄い部分
では選択比が不十分なため側壁側からもシリコン層１１
ｘがエッチングされるのでシリコン層１１ｘはマスクパ
ターン３１ｘの寸法よりも細くなる。具体的にはマスク
パターン３１ｘの寸法の半分程度の寸法（１５ｎｍ程度
の幅）になる。したがって、一部にくびれ部分１１ｙを
有したシリコン細線１１ｚが形成されることになる（図
７（Ｂ））。エッチング選択比を２〜４とするのが良い
点についてさらに詳細に説明する。シリコン酸化膜をエ
ッチングマスクとして用いてシリコン層を細線状にエッ
チング加工しようとした場合で、かつ、そのエッチング
手段として例えばＣｌ₂ ／Ｈｅの混合ガスを用いた反応
性イオンエッチングを用いる場合、エッチングマスク膜
厚ｔと、シリコン細線の仕上がり寸法Ｗ_X と、選択比と
の間には、概略、図９のような関係がある。すなわち、
図９中のマスク膜厚ｔを３０ｎｍとした場合の特性およ
びマスク膜厚ｔを１５ｎｍとした場合の特性いずれで
も、エッチング選択比が増加するとシリコン細線の細り
は少なくなり設計寸法Ｗ₀ に近くなる。しかしエッチン
グ選択比が大きすぎる条件になると、試料に堆積する成
分の影響でシリコン細線は太くなる傾向を示す。またエ
ッチングマスクの膜厚が薄くなると特性は右方向にシフ
トすると考えて良い（図９中のｔ＝３０ｎｍの特性とｔ
＝１５ｎｍの特性とを比較することで明らか）。さてこ
の第２の発明では、膜厚を薄くしたマスクパターン部分
下ではシリコン層１１ｘの幅をマスクパターンの幅未満
の新たな所定幅ここではマスクパターンの幅の半分程度
としたいので、そのためには図９中のｔ＝１５ｎｍの特
性におけるＷ₀ ／２に当たるエッチング選択比（おおよ
そ２．５）が好ましいことが分かる。またエッチング選
択比を２．５とした場合でも、マスクパターンの膜厚ｔ
が３０ｎｍの特性をみるとシリコン層１１ｘは設計寸法
Ｗ₀ 通りに仕上がる。また膜厚を減じたマスクパターン
部分下のシリコン層の幅をマスクパターン幅未満に減じ
ることが可能な傾向は、エッチング選択比が２〜４のエ
ッチング条件でも見られる。したがって、くびれ部分の
寸法をいくつにするかに応じこの２〜４のエッチング選
択比の範囲から選択比を選ぶと、所望の幅のくびれ部分
を一部に有するシリコン細線を形成できることが分か
る。

【００４１】一部にくびれ部分１１ｙを有したシリコン
細線１１ｚが得られたら、その試料をＯ₂ 雰囲気で熱酸
化する。この熱酸化は、図８に示したように、シリコン
細線１１ｚにおけるくびれ部分１１ｙの幅（太さ）Ｗ₃
が、電子のエネルギ−準位を量子化できるような太さと
なるよう、行なう。例えばシリコン細線１１ｚにおける
くびれ部分１１ｙの幅（太さ）Ｗ₃ が５ｎｍ程度となる
ようにする。こうすると、このくびれ部分はトンネル障
壁として作用するようになる。従って２つのくびれ部分
に囲まれた部分は、Ｓｉドット（図８に１１ｚｚで示す
部分）として作用することになる。ここで図８において
５１は、熱酸化により生じた酸化膜である。なおここで
は熱酸化処理によりシリコン細線の細線化を行なってい
るが、上記のエッチング処理が済んだ時点でくびれ部分
がトンネル障壁として作用する所望の幅（太さ）になっ
ていた場合は上記熱酸化処理は実施しなくても良い。

【００４２】この第２の発明によれば部分的に膜厚の異
なる酸化膜をマスクとしてシリコン層のエッチングを行
うのでトンネル障壁として作用するくびれ部分を有する
シリコン細線を容易に形成できることが分かる。

【００４３】上記の第２の発明の実施の形態によって実
現される単一電子トランジスタの素子容量Ｃを見積もる
と次のようになると考えられる。

【００４４】シリコンドットの大きさを２０ｎｍ角、シ
リコンドット上に積層されるゲ−ト酸化膜の膜厚を２０
ｎｍ、酸化膜の比誘電率を３．９とし、真空の誘電率を
８．８５×１０^-12 （Ｆ／ｍ）とすると、ゲート容量Ｃ
_g ＝８．８５×１０^-12 ×３．９×２０×１０^-9×２０
×１０^-9／２０×１０^-9＝０．７ａＦとなる。またトン
ネル接合の厚さ（くびれ部分の長さ）を３０ｎｍ、トン
ネル接合の面積を２０×３０ｎｍ² 、酸化膜の誘電率を
３．９とすると、ソース領域およびドレイン領域側それ
ぞれの容量Ｃ_d(Ｃ_s)＝８．８５×１０^-12 ×３．９×２
０×１０^-9×３０×１０^-9／３０×１０^-9＝０．７ａＦ
となる。そのため素子の全容量Ｃは２．１ａＦとなる。
これは静電エネルギーに換算すると、Ｅ_C ＝ｅ² ／２Ｃ
より、３８ｍｅＶになる。これは室温の熱エネルギ−
（２６ｍｅＶ）よりも大きな値であるので、この第１発
明の方法を用い製造された単一電子トランジスタは室温
動作が期待できるものと考えられる。

【００４５】なお上述の第２の発明の実施の形態ではマ
スクパターンに２個所の膜厚が薄い部分を形成して２個
所のくびれ部分を有したシリコン細線を形成した例を説
明したが、マスクパターンに３個所以上の膜厚が薄い部
分を形成して３個所以上のくびれ部分を有したシリコン
細線を形成する場合にもこの第２の発明を適用出来る。
こうすると１次元多重（３以上）トンネル接合列を形成
することもできる。

【００４６】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、トン
ネル接合の形成方法の第１の発明によれば、絶縁膜を導
電性層で挟んだ構造のトンネル接合を形成するに当た
り、導電性層形成用の第１の層上に、ネガ型の電子線感
応性の第２の層を形成し、該第２の層の接近する第１の
領域および第２の領域それぞれを、電子線によりかつ少
なくとも前記接近する部分ではその周囲に電子線のエネ
ルギーのしみ出しが生じるような露光量で露光する。次
に、この第２の層を現像することにより、前記第２の層
の、前記第１の領域と、前記第２の領域と、これら第１
および第２の領域の間の前記エネルギーのしみ出しが重
なる第３の領域とで構成されるマスクパターンを得る。
次に、該マスクパターンを耐エッチングマスクとして用
いて前記第１の層をパターニングして、前記第１〜第３
の各領域に対応する部分に前記第１の層を残存させる。
そして、マスクパターンを除去した後、前記第１の層の
残存部分間にトンネル障壁となる絶縁膜を形成する。こ
の第１の発明によれば電子ビ−ム露光による近接効果を
積極的に利用することにより、微細なマスクパターンが
得られるので、その結果、従来では達成困難な微小トン
ネル接合を精度良く形成できる。

【００４７】また、トンネル接合の形成方法の第２の発
明によれば、一部にくびれ部分を有したシリコン細線で
構成されるトンネル接合を形成するに当たり、シリコン
層上にシリコン酸化膜を形成し、該シリコン酸化膜を一
部が所定幅の帯状となるようにパターニングする。そし
て該帯状のシリコン酸化膜部分の長手方向にて所定間隔
をもって並ぶ少なくとも２つの領域を、その表面から所
定量除去して、これら領域の膜厚が他より減じられたシ
リコン酸化膜から成るマスクパターンを形成する。次
に、このマスクパターンを耐エッチングマスクとして用
いシリコン層を所定の選択比のエッチング条件でエッチ
ングして、膜厚が他より減じられたマスクパターン部分
下に前記くびれ部分を形成する。この第２の発明によれ
ば、一部の膜厚を減じたマスクパターンが、電子ビーム
露光の加工限界を越える微細なくびれ部を形成できるマ
スクパターンとして機能する。そのため、従来では達成
困難な微小トンネル接合を精度良く形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】単一電子トランジスタの構造例の説明図であ
り、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

【図２】第１の発明の形成方法の説明に供する工程図で
ある。

【図３】第１の発明の形成方法の説明に供する図２に続
く工程図である。

【図４】第１の発明の形成方法の説明に供する図３に続
く工程図である。

【図５】第２の発明の形成方法の説明に供する工程図で
ある。

【図６】第２の発明の形成方法の説明に供する図５に続
く工程図である。

【図７】第２の発明の形成方法の説明に供する図６に続
く工程図である。

【図８】第２の発明の形成方法の説明に供する図７に続
く工程図である。

【図９】第２の発明の形成方法の説明図であり、シリコ
ン細線の仕上がり寸法とエッチングマスク膜厚とエッチ
ング選択比との関係を説明する図である。

【符号の説明】

１１：シリコン基板１１ａ：埋め込みシリコン酸化膜を有したシリコンウエ
ハ１１ｘ：シリコン層（導電性層を形成するための第１の
層）１１ｙ：くびれ部分１１ｚ：シリコン細線１１ｚｚ：シリコンドット１３：絶縁膜１５ａ：ソース領域１５ｂ：ドレイン領域１５ｃ：微小な島（ドット。中央導電性層）１７ａ，１７ｂ：トンネル障壁となる絶縁膜１７ｃ：ゲート絶縁膜１９：コントロールゲート２１ａ，２１ｂ：トンネル接合３１：酸化膜（中間層）３１ａ：酸化膜パターン３１ｘ：マスクパターン（一部の膜厚が薄いシリコン酸
化膜パターン）３１ｙ：膜厚が薄くなっている部分３３：ネガ型の電子ビーム露光用レジスト層（第２の
層）３３ａ：第１の領域３３ｂ：第２の領域３３ｃ：第３の領域３３ｘ：電子線のエネルギーのしみ出し領域３３ｙレジストパターン（マスクパターン）４１：電子ビーム露光用レジスト層４１ａ：レジストパターン４３：レジストパターン５１：酸化膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁膜を導電性層で挟んだ構造のトンネ
ル接合を形成するに当たり、前記導電性層を形成するための第１の層上に、直接また
は中間層を介し、電子線で露光された部分が残存する性
質を有した第２の層を形成する工程と、前記第２の層における、接近している第１の領域および
第２の領域それぞれを、電子線によりかつ少なくとも前
記接近する部分ではその周囲に電子線のエネルギーのし
み出しが生じるような露光量で露光する工程と、該露光の済んだ第２の層を現像することにより、該第２
の層の、前記第１の領域と、前記第２の領域と、これら
第１および第２の領域の間の前記エネルギーのしみ出し
が重なる第３の領域とで構成されるマスクパターンを得
る工程と、該マスクパターンを耐エッチングマスクとして用いて前
記第１の層を直接または間接的にパターニングして、前
記第１〜第３の各領域に対応する部分に前記第１の層を
残存させる工程と、前記マスクパターンを除去した後、前記第１の層の残存
部分間にトンネル障壁となる絶縁膜を形成する工程とを
含むことを特徴とするトンネル接合の形成方法。
【請求項２】請求項１に記載のトンネル接合の形成方
法において、前記第１の領域および第２の領域それぞれは、他方の領
域と接近している側が該他方の領域側に凸状となった平
面形状を持つ領域であることを特徴とするトンネル接合
の形成方法。
【請求項３】一部にくびれ部分を有したシリコン細線
で構成されるトンネル接合を形成するに当たり、シリコン層上にシリコン酸化膜を形成する工程と、該シリコン酸化膜を一部が所定幅の帯状となるようにパ
ターニングする工程と、該帯状のシリコン酸化膜部分の長手方向にて所定間隔を
もって並ぶ少なくとも２つの領域を、その表面から所定
量除去して、これら領域の膜厚が他より減じられたシリ
コン酸化膜から成るマスクパターンを形成する工程と、膜厚が他より減じられたマスクパターン部分下のシリコ
ン層部分の幅を、エッチング後において前記所定幅未満
の新たな所定幅にでき、かつ、それ以外のシリコン層部
分の幅を前記マスクパターンに即した幅にできる選択比
のエッチング条件により、前記シリコン層をエッチング
して、膜厚が他より減じられたマスクパターン部分下に
前記くびれ部分を形成する工程とを含むことを特徴とす
るトンネル接合の形成方法。
【請求項４】請求項３に記載のトンネル接合の形成方
法において、前記選択比を２〜４の範囲の値とすることを特徴とする
トンネル接合の形成方法。
【請求項５】請求項４に記載のトンネル接合の形成方
法において、前記シリコン層のエッチング工程の後に、該シリコン層
の表層部分を酸化して前記くびれ部分をさらに細めるた
めの酸化工程をさらに含むことを特徴とするトンネル接
合の形成方法。