JPH1145992A

JPH1145992A - 微細構造半導体装置およびその製造法

Info

Publication number: JPH1145992A
Application number: JP9198784A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Takahashi; 橋茂樹高; Riichi Kato; 藤理一加
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】欠陥による電子捕獲などが低減されて、高温
においても安定な動作をする単電子素子やメモリ素子の
提供。【解決手段】不純物半導体からなる導電領域に１０¹⁷
ｃｍ^-3個以上の水素を含み、その水素により不活性化さ
れた不純物によるポテンシャル分布が多重トンネル接合
を形成する微細構造を持つことを特徴とする微細構造半
導体装置、ならびに不純物半導体からなる導電領域に水
素原子または水素イオンを導入することにより高抵抗領
域を形成させ、その高抵抗領域上にゲート電極を形成さ
せることを特徴とする微細構造半導体装置の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極微細構造を持
つ、論理素子、記憶素子、測定素子、およびその他に適
用することのできる半導体装置、およびその製造法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化、高性能化を目的
として、電子１個に対応する電荷変化で動作する単電子
素子の検討が多くなされている。このような単電子素子
は、そのような素子を実装したデバイス類の消費電力の
低減が、期待できるために、今後の実用化が望まれるも
のである。しかし、このような単電子素子を実用化する
ためには、高温、すなわち室温以上の温度、でも安定し
た動作が得られることが重要である。

【０００３】単電子素子では、電子間のクーロン斥力を
用いて電子１個単位で制御する、いわゆるクーロンブロ
ッケードと呼ばれる方法が用いられる。この方法を用い
て高温動作可能な単電子素子をつくるためには、非常に
微細なトンネル接合や電子チャネルを形成させることが
重要となっている。この例として、半導体にＧａイオン
を注入し、高抵抗化させて、多重トンネル接合を形成さ
せた単電子ダイオード素子の例(S.W.Hwang et al., Sup
erlattices and Microstructures, vol 17, 297(1995))
を簡単に説明する。

【０００４】この単電子ダイオード素子は、ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ系変調ドープ構造を用いて、図１に示す通
り、幅１μｍの細線チャネル１１をソース１２、ドレイ
ン１３間に形成させ、さらに集束イオンビームを用いて
１３０ｋｅＶのＧａイオンを線状に照射して形成させ
た、幅約１００ｎｍの損傷領域１４を有するダイオード
構造をとっている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系変調ドー
プ構造の細線チャネル１１にＧａイオンを注入すると、
その領域には点欠陥が導入されることによりフェルミ準
位が禁制帯の内部にピニングされ、その結果キャリアが
枯渇して高抵抗化する。

【０００５】細線チャネル１１の損傷領域１４における
高抵抗領域の分布は図２に示す通りである。図に示すと
おり、Ｇａイオン注入により生じた点欠陥による高抵抗
領域２１の損傷領域１４中における分布はランダムであ
るため、細線チャネルの損傷領域では様々なエネルギー
状態を有する部分が散在するエネルギー状態（ランダム
ポテンシャル）となる。電子は高いエネルギー状態の部
分の間に自然に形成される低いエネルギー状態の部分を
図中に示した矢印の様に流れるようになって、微細な電
子チャネルが実現される。この時の微細電子チャネルに
おいて、低いエネルギー状態の部分の幅が狭い領域は微
細トンネル接合として働き、低いエネルギー状態の部分
の幅が広い領域は導体島として働くため、結果として多
重トンネル接合の活性領域が形成される。

【０００６】このＧａイオン注入による高抵抗化を用い
た単電子ダイオード素子は液体窒素温度での単電子動作
が得られているが、本発明者らの知る限り、室温以上で
の安定な動作が期待できないこと、または、Ｇａイオン
注入による点欠陥をもとにしたランダムポテンシャルの
多重トンネル接合を利用したものであるため、点欠陥に
おける電子の捕獲・放出の繰り返しが避けられず、捕獲
電子によるクーロン散乱により微細電子チャネルの経路
が変更を受け易く、素子動作が時間的に安定しないとい
う問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した単電子ダイオ
ードによれば素子動作を電子１個の単位で制御すること
が可能であるが、室温以上で安定な動作が得られないこ
と、または、Ｇａイオン注入による点欠陥を高抵抗化に
用いているため、電子が欠陥に捕獲され易く、従って素
子動作が不安定なものになる問題があるようである。本
発明は、このような問題点を改良すべく、室温以上でも
安定な動作をする高機能な微細構造半導体装置を提供す
ることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

［発明の概要］＜要旨＞本発明の微細構造半導体装置は、不純物半導体
からなる導電領域に１０¹⁷ｃｍ^-3個以上の水素を含み、
その水素により不活性化された不純物によるポテンシャ
ル分布が多重トンネル接合を形成させる微細構造を持つ
こと、を特徴とするものである。

【０００９】また、本発明の微細構造半導体装置の製造
法は、不純物半導体からなる導電領域に水素原子または
水素イオンを導入することにより高抵抗領域を形成さ
せ、その高抵抗領域上にゲート電極を形成させること、
を特徴とするものである。

【００１０】＜効果＞本発明によれば、従来の単電子素
子で問題であった、欠陥による電子捕獲などが低減され
て、高温においても安定な動作をする単電子素子やメモ
リ素子が提供される。

【００１１】［発明の具体的説明］本発明では、半導体
中のキャリアを生成する不純物が注入された水素と結合
して不活性化が起こることを用いて半導体中にポテンシ
ャル分布を生じさせ、その結果として微小な多重トンネ
ル接合を有する微細電子チャネルを形成させる。半導体
材料中の不純物原子と水素原子が結合した領域は、真性
半導体的であり、キャリアの捕獲中心となることはない
ため、微細電子チャネルに余計な影響を与えることはな
く、安定な動作をする単電子素子やメモリ素子を作製す
ることが出来る。

【００１２】＜不純物半導体＞本発明の半導体装置に
は、任意の不純物半導体を用いることができる。ここで
いう不純物半導体とは、いわゆるアンインテショナルな
不純物半導体と、真性半導体またはアンインテンショナ
ルな不純物半導体に不純物をドーピングしたインテンシ
ョナルな不純物半導体とが包含される。本発明に用いる
不純物半導体は、１０¹⁷cm^-3以上の不純物を含有してい
ることが好ましく、１０¹⁸cm^-3以上の不純物を含有して
いるがより好ましい。本発明においては、このような半
導体の不純物含有量をコントロールできるという点か
ら、インテンショナルな不純物半導体を用いることが好
ましい。このようなインテンショナルな不純物半導体と
しては、（１）ＩＶ族半導体、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、
ＳｉＧｅ、およびその他、もしくは、（２）ＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体、好ましくはＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＡｓ、およびその他、に（３）ＩＩ〜ＶＩ
族元素、好ましくはＧａ、Ａｓ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびその他、から
選ばれる不純物元素が導入されたものが挙げられる。

【００１３】本発明の半導体装置において、インテンシ
ョナルな不純物半導体を用いる場合、そのようなインテ
ンショナルな不純物半導体の製造法は任意であるが、具
体的にはＣＺ法またはＦＺ法などによる単結晶製造時に
原料半導体中に不純物を混合しておく方法、合金法また
は拡散法などにより半導体結晶中に不純物を拡散させる
方法、イオン注入法により、半導体結晶中に不純物イオ
ンを注入する方法、エピタキシャル法による結晶成長に
おいて、その雰囲気中に不純物を導入しておく方法、お
よびその他が挙げられる。

【００１４】＜水素の導入＞本発明に用いる不純物半導
体には、水素が導入される。ここでいう水素とは、水素
原子または水素イオンを包含するものである。水素の導
入は、任意の方法により行うことができるが、不純物半
導体に、水素原子を含むプラズマを照射する方法、また
は水素イオンを含むイオンを注入する方法、または、不
純物半導体をエピタキシャル成長させる際に、雰囲気中
に水素ガスを導入する方法、およびその他が挙げられ
る。

【００１５】導入する水素の数は、不純物半導体に含ま
れる不純物原子の数およびその他に依存するが、本発明
の半導体は、通常、不純物半導体に含まれる不純物原子
の数の１／１０〜１０倍程度の水素を含んでなる。具体
的には、本発明に用いられる不純物半導体は、１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以上、好ましくは１０¹⁸ｃｍ^-3、の水素を含んでな
る。

【００１６】なお、本発明に用いる、水素を導入されて
不純物が不活性化された不純物半導体は、４００℃以上
の熱処理により、可逆的に活性化することが可能であ
る。従って、製造工程において、不純物半導体の特性の
揺らぎを、熱処理により制御することも可能である。

【００１７】＜半導体装置＞本発明の半導体装置は、前
記の不純物半導体に水素を導入した半導体を含んでな
る。この半導体は、不活性化した不純物原子の分布に起
因するポテンシャル分布を有しており、このポテンシャ
ル分布により、半導体中に微小なトンネルが複数結合し
た多重トンネル接合を形成されている。

【００１８】本発明の半導体装置は、この多重トンネル
接合を有する半導体を有するものであるが、その典型的
な例は、ソースとドレインを結ぶ細線チャネル中に多重
トンネル接合を有する半導体を具備してなる電界効果ト
ランジスタ（ＦＥＴ）である。電界効果トランジスタに
は、製造法により、接合型電界効果トランジスタおよび
ＭＯＳ型電界効果トランジスタがあるが、本発明の半導
体装置においては、その用途により任意のものを用いる
ことができる。また、それらに用いられるゲートには、
通常のＰＮ接合ゲートの他に、ショットキーゲートやイ
ンプレインゲートを用いることもできる。

【００１９】この半導体装置の水素を導入した部分にお
ける多重トンネル構造は、図１（ｂ）に示した、従来技
術における多重トンネル構造とは、そのポテンシャル分
布を生じさせる不純物の特性において異なっている。す
なわち、従来の技術においては、エネルギーポテンシャ
ルの分布は点欠陥によるものであり、その点欠陥がトラ
ップとして作用してしまうという欠点があったのに対し
て、本発明の半導体における不活性化された不純物はト
ラップとして作用しないのである。このため本発明の半
導体装置には捕獲電子が発生せず、素子として安定した
動作を期待することができるものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下は本発明を具体的に説明する
ためのものである。

【００２１】実施例１本発明の第１の実施例である素子の平面図は図３に示す
通りである。この例は、ＦＥＴ構造を持つ単電子トラン
ジスタ型電荷検出素子を例示するものである。この素子
は、図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
変調ドープ構造によって細線チャネル１１、ソース１
２、ドレイン１３が形成されており、さらにインプレイ
ンゲート構造のゲート３１を有するＦＥＴ構造をとって
いる。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ変調ドープ構造
として、図４に示すとおりの構造を用いる。すなわち、
半絶縁性ＧａＡｓ基板４１上に、アンドープＧａＡｓバ
ッファ層４２、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４
３、Ｓｉドープｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層４４、Ｓｉ
ドープｎ−ＧａＡｓキャップ層４５を順次形成させたも
のを用いる。ここでは、Ｓｉ原子が不純物として作用す
る。まず、チャネル１１、ソース１２、ドレイン１３、
ゲート３１以外の領域をエッチング除去して高抵抗化さ
せた後、ソース１２、ドレイン１３、ゲート３１にオー
ミック電極を形成させる。次に、チャネル幅を含む長さ
１００ｎｍ程度のイオン照射領域３２をレジスト開口部
によって指定する。その後、窓の開口部から水素を原料
ガスに用いた２．４５ＧＨｚの電子サイクロトロン共鳴
による水素プラズマを基板を２５０℃に加熱した状態で
約３０分間照射すると、ｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層４
４中には１０¹⁸ｃｍ^-3オーダーの水素原子が導入され、
その結果として不純物Ｓｉの一部が不活性化される。す
ると図５に示すように、イオン注入領域内では不活性不
純物４７と活性不純物５１とがランダムに分布するよう
になる。ここで、アンドープＧａＡｓバッファ層４２中
に形成される２次元電子ガス層に対して、不活性不純物
は真性半導体的にエネルギーの高い領域、つまり高抵抗
領域、を与え、イオン化された活性不純物はエネルギー
的に低い領域を与える。これは、電子にとってはあたか
も様々な高さの山が連なるようなランダムポテンシャル
分布となり、電子はそれらの山々の間に自然に形成され
るエネルギー的に低い峡谷状の部分を矢印の様に流れる
ようになり、実質的に微細な電子チャネルが形成されて
いることになる。適当なゲートバイアス条件では、この
構造は峡谷を流れる川としての電子の流れが所々狭くな
ったものとなるが、電気的には多くの微細な導体の島を
微小な接合容量を持つトンネル接合で繋いだ多重トンネ
ル接合に相当する。このような多重トンネル接合ではク
ーロンブロッケード効果のため近傍に存在する電荷によ
ってそのコンダクタンスが大きな変化を受ける。つま
り、ゲートにかかる微小な電圧変化、つまり電荷変化、
をコンダクタンス変化として精度良く検出する電荷検出
装置的なトランジスタ動作を行うことが出来る。ここ
で、電子にとっての高抵抗領域を形成する要因となる不
活性不純物は電子の捕獲中心となることは無いため、電
子の捕獲・放出に伴うクーロン散乱の変化と微細電子チ
ャネルの経路変化といった、素子動作を不安定化させる
要因を持たないものである。

【００２２】ところで、実施例１の半導体装置における
半導体の構造は、積層方向には図４に示す構造となって
おり、水素注入による不純物原子の不活性化は、表面か
らｎ一ＡｌＧａＡｓ電子供給層４４迄行われ、その結果
として２次元電子ガス層４６にランダムなポテンシャル
が形成されて、多重トンネル接合として働く構造が形成
される。このような構造以外にも、図６に示すような積
層構造によっても同様な効果を得ることが出来る。つま
りこの構造は、ＧａＡｓ基板４１上にＧａＡｓバッファ
層４２、ＡｌＧａＡｓ層４３、ｎ−ＧａＡｓチャネル層
６１、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層４４、ｎ−ＧａＡｓキャップ
層４５を順次形成させたものである。この構造ではｎ一
ＧａＡｓチャネル層６１が電子チャネルとなるが、上記
の水素注入による不純物原子の不活性化は、この場合表
面からｎ−ＧａＡｓチャネル層６１迄行われ、ｎ一Ｇａ
Ａｓチャネル層６１中の不純物原子の状態が直接的に変
調されて不活性不純物４７となり、その結果としてラン
ダムポテンシャルが形成される。このとき、下層のＡｌ
ＧａＡｓ層４３は、ノンドープであってもｎ型不純物添
加であっても構わないが、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層である場
合は、下側からの電子供給層として働き、素子に印加す
るバイアスを調整することによりｎ一ＧａＡｓチャネル
層６１中に不足した電子を供給することが出来る。

【００２３】実施例２本発明の第２の実施例であるＦＥＴ素子の平面図は図７
に示す通りである。この素子は、図７に示すように、Ｇ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ変調ドープ構造によって細線チャ
ネル１１、ソース１２、ドレイン１３が形成されてお
り、さらにショットキーゲート７１を有する。この素子
の積層方向の構造は図８に示す通りであり、半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板４１上に、アンドープＧａＡｓバッファ層４
２、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４３、Ｓｉドー
プｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層４４、Ｓｉドープｎ一Ｇ
ａＡｓキャップ層４５を順次形成させたものに、チャネ
ル１１、ソース１２、ドレイン１３以外の領域をエッチ
ング除去して高抵抗化させた後、ソース１１、ドレイン
１２、ゲート７１にオーミック電極を形成させる。次
に、細線チャネル１１上のショットキーゲート７１を形
成する長さ１００ｎｍ程度のイオン照射領域をレジスト
開口部によって指定する。レジスト開口部から水素を原
料ガスに用いた２．４５ＧＨｚの電子サイクロトロン共
鳴による水素プラズマを基板を２５０℃に加熱した状態
で約３０分間照射すると、細線チャネル１１内の２次元
電子ガス層４６にはほとんど影響を与えずに、ｎ一Ｇａ
Ａｓキャップ４５層中の不純物Ｓｉのほとんどが不活性
不純物４７となることにより、ショットキーゲート７１
下の領域は真性半導体的に高抵抗化される。その後にシ
ョットキー金属を蒸着し、レジストリフトオフによりパ
ターンを抜き出す。こうして形成されたショットキーゲ
ート電極は、最表面のｎ−ＧａＡｓキャップ層４５のキ
ャリアが十分に枯渇して高抵抗化しているために十分な
ショットキー障壁高さを持ち、良好なショットキー特性
を持ったショットキーゲート得ることができる。このと
き、従来のショットキーゲート形成の際に行われていた
リセスエッチングといった制御の難しいウエットエッチ
ングプロセスを行う必要がなく、微細な電子チャネルに
おいても容易に大面積の良好なゲート電極形成を行うこ
とが出来る。

【００２４】実施例３本発明の第３の実施例であるＳｉ系単電子トランジスタ
の構造は、図９に示すとおりである。この素子は、図９
に示すように、ＳＯＩ構造のＳｉによって細線チャネル
１１、ソース１２、ドレイン１３が形成されており、さ
らにポリシリコンによるゲート９１を有するＦＥＴ構造
をとっている。この素子の積層方向の構造は図１０に示
す通りであり、Ｓｉ基板１０１上に、埋め込み酸化膜１
０２、Ｓｉチャネル層１０３、ゲート酸化膜１０４、ポ
リシリコンゲート９１が形成されている。この素子の場
合にも、第１の実施例と同様に、細線チャネル１１中に
導入された水素により、細線チャネル１１中に不活性不
純物１０５と活性不純物１０６がランダムに分布する。
これらの不活性不純物１０５と活性不純物１０６により
細線チャネル１１中にはランダムポテンシャル分布が形
成され、適当なゲートバイアス条件では電気的には多く
の微細な導体の島を微小な接合容量を持つトンネル接合
で繋いだ多重トンネル接合からなる微細電子チャネルが
実現される。このような多重トンネル接合の微細電子チ
ャネルを持つトランジスタは、ゲート９１にかかる微小
な電圧変化を素電荷以上の程度の精度で検出し動作する
ことが出来る。この素子の製作工程としてはまず、１０
¹⁸ｃｍ^-3オーダのＰ（リン）をドープしたｎ型Ｓｉチャ
ネル層の細線チャネル１１、ソース１２、ドレイン１３
以外の領域を反応性ドライエッチングにより除去した
後、全体を熱酸化してゲート酸化膜１０４を形成させ
る。次に、細線チャネル幅を含む長さ１００ｎｍ程度の
レジスト開口部を電子ビームリソグラフィによって形成
させ、その開口部から水素を原料ガスに用いた２．４５
ＧＨｚの電子サイクロトロン共鳴による水素プラズマを
基板を２５０℃に加熱した状態で約３０分間照射する。
すると、水素プラズマの効果によりゲート酸化膜１０４
を通してＳｉチャネル層１０３中には１０¹⁸ｃｍ^-3オー
ダーの水素が導入され、その結果として細線チャネル１
１中の不純物であるリン原子の一部が不活性化される。
さらに、プラズマ励起型ＣＶＤによりゲート電極として
のポリシリコンを形成させた後、ソース１２、ドレイン
１３、ゲート９１にリンイオン注入を行い、オーミック
電極を形成させて素子構造は完成する。こうして作製さ
れたＳｉ系単電子トランジスタにおいては、細線チャネ
ル１１中に高抵抗領域となる不活性不純物１０５のラン
ダムな分布を持つが、この不活性不純物１０５は電子の
捕獲中心となることは無いため、電子の捕獲・放出に伴
うクーロン散乱の変化と微細電子チャネルの経路変化と
いった、素子動作を不安定化させる要因を持たない。よ
ってこの方法により、単電子相当の電荷量の変化によっ
て動作出来る超低消費電力の特性を長期間にわたって安
定に得ることのできるＳｉ系単電子トランジスタを得る
ことが出来る。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、高温においても安定な
動作をする単電子素子やメモリ素子が得られることは、
［発明の概要］の項に前記したとおりである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＧａイオン注入単電子ダイオードの構造
示す平面図。

【図２】従来のＧａイオン注入単電子ダイオードの損傷
領域における電子の流れを示す模式図。

【図３】本発明の第１の実施例の素子構造の平面図。

【図４】本発明の第１の実施例の素子の積層方向構造の
断面図。

【図５】本発明の第１の実施例の素子の水素注入部にお
ける電子の流れを示す模式図。

【図６】本発明の第１の実施例のもう一つの素子の積層
方向構造の断面図。

【図７】本発明の第２の実施例の素子構造の平面図。

【図８】本発明の第２の実施例の素子の積層方向構造の
断面図。

【図９】本発明の第３の実施例の素子構造の平面図。

【図１０】本発明の第３の実施例の素子の積層方向構造
の断面図。

【符号の説明】

１１細線チャネル１２ソース１３ドレイン１４損傷領域２１高抵抗領域３１ゲート３２イオン注入領域４１ＧａＡｓ基板４２ＧａＡｓバッファ層４３ＡｌＧａＡｓスペーサ層４４ｎ一ＡｌＧａＡｓ電子供給層４５ｎ一ＧａＡｓキャップ層４６２次元電子ガス層４７不活性不純物５１活性不純物６１ｎ−ＧａＡｓチャネル層７１ショットキーゲート９１ゲート１０１Ｓｉ基板１０２埋め込み酸化膜１０３Ｓｉチャネル層１０４ゲート酸化膜１０５不活性不純物１０６活性不純物

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/338 29/812

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不純物半導体からなる導電領域に１０¹⁷ｃ
ｍ^-3個以上の水素を含み、その水素により不活性化され
た不純物によるポテンシャル分布が多重トンネル接合を
形成する微細構造を持つことを特徴とする微細構造半導
体装置。
【請求項２】半導体材料が、ＩＶ族半導体またはＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体であり、不純物原子がＩＩ〜ＶＩ
族元素の原子であることを特徴とする請求項１記載の微
細構造半導体装置。
【請求項３】導電領域における個数基準の水素の濃度
が、不純物の濃度の１／１０〜１０倍である、請求項１
または２に記載の微細構造半導体装置。
【請求項４】不純物半導体からなる導電領域に水素原子
または水素イオンを導入することにより高抵抗領域を形
成させ、その高抵抗領域上にゲート電極を形成させるこ
とを特徴とする微細構造半導体装置の製造法。