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JP3487724B2 - Method of forming tunnel junction - Google Patents
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JP3487724B2 - Method of forming tunnel junction - Google Patents

Method of forming tunnel junction

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JP3487724B2
JP3487724B2 JP27000596A JP27000596A JP3487724B2 JP 3487724 B2 JP3487724 B2 JP 3487724B2 JP 27000596 A JP27000596 A JP 27000596A JP 27000596 A JP27000596 A JP 27000596A JP 3487724 B2 JP3487724 B2 JP 3487724B2
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forming
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tunnel junction
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a minute tunnel junction.

【0002】[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Cg としたときC=C1 +C2 +Cg で与えられる素
子容量である。またkB はボルツマン定数、Tは温度で
ある。また、RT はトンネル抵抗、hはプランク定数で
ある。
2. Description of the Related Art In recent years, interest in single-electron transistors for controlling individual electrons has been increasing. Ordinary MO that could only control the current as a group of electrons
This is because it is considered that this single-electron transistor can dramatically reduce power consumption and high integration as compared with the S-type field effect transistor. Several structures of such single-electron transistors have been described in, for example, Document I (Physics of microtunnel junctions and their applications (Applied Physics Vol. 62, No. 9).
No. pp.889-897 (1993)). In either structure, a single-electron transistor consists of two small tunnel junctions, a control gate, and a small island (also called a central conductive layer or dot) surrounded by these tunnel junctions and control gates. With the basic structure
I have it (details will be explained later using FIG. 1). The operating principle of this type of single-electron transistor is described in, for example, Document I, and therefore its details are omitted here. However, in order to operate this type of single-electron transistor at room temperature, the following conditions are required. Required (eg, page 890, left column of document I and page 892, left column). However, in the following conditional expression, C is the element capacitance given by C = C 1 + C 2 + C g, where C 1 and C 2 are the capacitances of the two tunnel junctions and C g is the gate capacitance. Further, k B is Boltzmann's constant and T is temperature. Further, R T is a tunnel resistance, and h is a Planck constant.

【0003】 EC =e2 /2C<<kB T ・・・(1) RT >>Rk =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。
E C = e 2 / 2C << k B T (1) R T >> R k = h / e 2 (2) Therefore, at room temperature, for example 300K, the formula (1) is satisfied. In order to do so, if T = 300 in equation (1), then C << 3a
It is necessary to satisfy F (atofarad).

【0004】[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。
The device capacitance C is C << 3.
In order to satisfy aF, it is necessary to form a tunnel junction having a minute junction area. If the junction thickness of the tunnel junction is increased, the device capacitance can be reduced. However, since the function of the tunnel junction cannot be obtained in the first place, the junction area must be reduced. Therefore, specifically, a processing technology of the order of 10 nm is required. The electron beam lithography technique is currently most suitable as such a processing technique. However, even with the electron beam lithography technique, since the beam diameter of a commercially available electron beam exposure apparatus is about 30 nm at the minimum, the above 10
It has been difficult to perform fine processing on the order of nm. A new technique capable of forming a minute tunnel junction is desired.

【0005】[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。
Therefore, according to the first invention of the method for forming a tunnel junction of this application, in forming a tunnel junction having a structure in which an insulating film is sandwiched between conductive layers, the following (A) ) Claim a method that includes the steps (1) to (E).

【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。
(A). A second layer having a property of leaving a portion exposed to an electron beam directly or through an intermediate film is formed on the first layer for forming a conductive layer. Process.

【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。
(B). The first approaching layer in the second layer
And the second region are exposed by an electron beam at an exposure dose such that the energy of the electron beam is exuded around the region at least in the approaching portion.

【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。
(C). By developing the exposed second layer, the first region of the second layer and the second region of the second layer are developed.
And a third region in which the energy bleeding between the first and second regions overlaps each other.

【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。
(D). The first layer is directly or indirectly patterned by using the mask pattern as an etching resistant mask, and the first layer is formed in a portion corresponding to each of the first to third regions. The step of leaving the layers.

【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。
(E). A step of forming an insulating film to be a tunnel insulating film between the remaining portions of the first layer after removing the mask pattern.

【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。
According to the first aspect of the method for forming a tunnel junction, a portion of the electron beam energy that oozes out when these regions are exposed is provided between the first region and the second region. An exposure area is formed due to the overlapping. The area of the exposure region exposed due to the overlap of the electron beam energy seepage can be made smaller than in the case of direct exposure with an electron beam. The small area of the exposure region means that a conductive layer having a small plane area (a dot having a small area (a central conductive layer) in the example of a single electron transistor) can be formed. If the conductive layer has a small plane area, the area of the side wall becomes smaller accordingly,
The junction area of the tunnel junction can be made smaller than before. In addition, the fact that a conductive layer having a small plane area can be obtained means
Considering this in the example of a single electron transistor, the gate capacitance can be reduced.

【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。
According to the second invention of the method for forming a tunnel junction of this application, the following steps (a) to (d) are performed when forming a tunnel junction having a tunnel barrier composed of a silicon fine wire portion. Insist on how to include.

【0013】(a).シリコン層上にシリコン酸化膜を形成
する工程。
(A). A step of forming a silicon oxide film on the silicon layer.

【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。
(B). A step of patterning the silicon oxide film so that a part of the silicon oxide film has a band shape with a predetermined width.

【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。
(C). At least two regions lined up at a predetermined interval in the longitudinal direction of the strip-shaped silicon oxide film portion,
A step of removing a predetermined amount from the surface and forming a mask pattern made of a silicon oxide film in which the film thickness of these regions is reduced from the others.

【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。
(D) The width of the silicon layer portion under the mask pattern portion having the film thickness reduced from the other can be set to a new predetermined width less than the predetermined width after etching, and the width of the other silicon layer portion can be reduced. A step of etching the silicon layer under an etching condition of a selection ratio capable of making the width suitable for the mask pattern to form the constricted portion under the mask pattern portion whose film thickness is reduced from the others.

【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。
According to the second invention of the method for forming a tunnel junction, the silicon layer is formed by using a predetermined mask pattern made of a silicon oxide film having a partially thinned film as a mask and an etching means with a predetermined selection ratio. To etch. Since the etching selection ratio becomes insufficient in the portion where the film thickness is thin in the mask pattern, the silicon layer portion below that portion is also etched laterally. Therefore, when the etching of the silicon layer is completed, the silicon layer portion below the thinned portion of the mask pattern becomes a thinner portion (constricted portion) than the other portions. This narrowed portion can be used as a tunnel barrier. It is difficult to form a resist pattern for forming such a narrowed portion from the beginning by the electron beam lithography technique. However, in the second invention, a part of the film thickness is thin and a strip-shaped mask pattern is formed. Electron beam lithography is used until formation, and then a predetermined constricted portion is obtained by the above predetermined etching. In carrying out the second invention, after the etching of the silicon layer is completed, the silicon layer may be subjected to a treatment of oxidizing the surface portion of the silicon layer by a predetermined amount. By further oxidizing the surface layer of the silicon layer by a predetermined amount, the constricted portion can be further thinned.

【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。
According to each of the first and second inventions of the method for forming the tunnel junction described above, it is expected to realize a single electron transistor having a small device capacitance to the extent that it can operate at room temperature.

【0019】[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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a tunnel junction forming method and a single electron transistor manufacturing method according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition,
Each drawing used in the description merely schematically shows the dimensions, shapes, and arrangement relationships of the respective constituents so that the present invention can be understood. In addition, in each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and the duplicate description may be omitted. Further, the numerical conditions such as film thickness, temperature, time, size, and exposure dose and materials used described below are merely examples within the scope of the present invention.

【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。
1. Description of First Invention of Method of Forming Tunnel Junction An embodiment of the first invention of method of forming a tunnel junction will be described with reference to FIGS. 1 to 4. Here, FIG. 1 is an explanatory view of a single-electron transistor formed by applying the first invention of the method for forming a tunnel junction. FIG. 1A is a plan view of the transistor seen from above, FIG. 7A is a cross-sectional view of the transistor taken along line I-I in FIG. In FIG. 1, 11 is a silicon substrate, 13 is an insulating film (silicon oxide film), 15a is a source region, 15b is a drain region, 15c is a small island (also called a dot or central conductive layer), and 17a and 17b, respectively. Is an insulating film serving as a tunnel barrier, 17c is a gate insulating film, 19 is a control gate, and 21a and 21b are tunnel junctions. 2 to 4 are process drawings for explaining the procedure for forming a tunnel junction by the method of the first invention. However, FIGS. 2 and 4 are shown in a cross-sectional view corresponding to FIG. 1B, and FIG. 3 is a plan view corresponding to FIG. 1A.

【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。
First, in the silicon wafer 11a, a surface layer portion is a silicon layer 11x having a thickness of about 40 nm, and an insulating film (embedded silicon oxide film) 13 having a thickness of about 100 nm is formed thereunder. Silicon wafer 11a
Are prepared (FIG. 2 (A)). Here, the silicon layer 11x
Corresponds to the first layer for forming the conductive layer referred to in the present invention, and a part of the layer is the source region 15 shown in FIG.
a, the drain region 15b, and the minute island 15c. In addition, such a silicon wafer 11a is
For example, the upper layer Si of a silicon wafer formed by the SIMOX technique can be prepared by adjusting the desired film thickness (here, about 40 nm) by repeating thermal oxidation and peeling of the oxide film by hydrofluoric acid.

【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。
Next, an oxide film 31 of about 30 nm is formed on the silicon layer 11x by thermal oxidation (FIG. 2 (B)). The oxide film 31 corresponds to the intermediate layer in the present invention. This intermediate layer is used later as an etching mask for the silicon layer 11x, and also protects the crystallinity of the silicon layer 11x. Of course, the intermediate layer may not be used.

【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。
Next, a negative type electron beam exposure resist layer 33 is formed on the oxide film 31 as a second layer having a property that the portion exposed by the electron beam remains (FIG. 2).
(C)). The second layer 33 has a resist of, for example, SAL601 (manufactured by Shiple Co.) on the oxide film 31, and the thickness is
To a thickness of 120 by spin coating, and apply it to 120
Formed by baking at 2 ° C. for 2 minutes. The silicon wafer on which the second layer 33 is formed is introduced into the electron beam exposure apparatus.

【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。
Next, the resist pattern which is a feature of the present invention.
The film forming step is performed as follows.

【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
1 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。
In the electron beam exposure process, as shown in FIG.
As shown in (A), each of the first region 33a and the second region 33b which are close to each other in the second layer 33 is exposed. However, the first region 33a and the second region 33
It is preferable that each of the regions b has a planar shape in which a portion close to the other region is convex toward the other region. This is because it is easier to reduce the tunnel junction area. In the example of FIG. 3A, the first area 33a
The second area 33b and the second area 33b are each an area having a pentagonal planar shape in which a corner is close to the other area. Of course, the first area 33a and the second area 33
Each of b may have a planar shape such as a triangular shape or a quadrangular shape, and a corner portion of which is on the side of the other region.
Further, the approach distance X 1 between the first region 33a and the second region 33b is determined in consideration of the fact that the exposure energies from both regions 33a and 33b affect each other when exposed. . Although not limited to this, here, the distance X 1 is, eg, 50 nm. In addition, the first area 33a
The exposure amount for exposing each of the second region 33b and the second region 33b is set to a dose amount higher than usual. Specifically, at least the portions of each of the first and second regions 33a and 33b that are close to each other (here, around the apex of the triangular portion), the energy of the electron beam exudes around the portions. Exposure is performed with such an exposure amount. Although not limited to this, here, the exposure amount is usually 20 μC / cm.
2 is exposed under the condition of 30 μC / cm 2 over the first and second regions 33a and 33b. As a result, the first and second areas 33, which are design pattern areas, are provided.
On the outside of a and 33b, a region where the energy of the electron beam is exuded occurs due to the proximity effect. FIG. 3 (A) schematically shows the region 33x (the hatched region in the drawing) of the energy leakage of the electron beam. First and second areas 3
The area 33c (third area 33c) between the areas 3a and 33b where the bleeding energy from both areas overlaps is exposed with an exposure amount about twice that of the other bleeding area 33x. Become. Therefore, the third region 33c also remains after the subsequent development.

【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。
After the exposed wafer is taken out of the exposure apparatus, it is baked at 105 ° C. for 2 minutes, and then N
Development is performed by immersion in MDW (developing solution manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) for about 10 minutes. After the development, the pattern remains in the first region 33a, the second region 33b, and the third region 33c in the resist 33, respectively.
As shown in FIG. 3B, a resist pattern 33y in which dots are left between two patterns, that is, a mask pattern according to the first invention is obtained. When the exposure amounts of the first and second regions 33a and 33b are the same, a resist pattern in which dots are located in the approximate center between the regions 33a and 33b is obtained. The distance X 1 between the close portions of the first and second regions is, for example, about 50 nm. The interval X 2 between each of the first and second regions and the dot is, for example, about 10 nm. The dots are circular and have a crossover dimension (also called diameter) X 3 of about 20 nm. When the exposure amounts of the first and second regions 33a and 33b are different to form a resist pattern in which dots are biased toward one of the regions 33a and 33b (asymmetric resist pattern). There is no problem.

【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
2 /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))。
Then, using the resist pattern 33y as an etching resistant mask, the oxide film 31 is etched.
Specifically, the oxide film 31 is etched by reactive ion etching using, for example, a CF 4 / CHF 3 / He mixed gas (FIG. 4A). After that, the resist is removed in an O 2 plasma atmosphere. Next, the silicon layer 11x, which is the first layer of oxide film 31 as a mask, for example, Cl 2 /
Etching is performed by reactive ion etching using a mixed gas of O 2 / He. By a series of these steps, a pattern similar to the resist pattern 33y by the electron beam exposure is realized in the remaining portion of the silicon layer 11x.
The source region 15a, the drain region 15b, and the dots 15c formed of these remaining portions are respectively formed (FIG. 4B).

【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。
Next, the oxide film 31 used as a mask
Are removed with dilute hydrofluoric acid. Next, the oxide film 35 is formed to a thickness of about 50 nm by using, for example, a chemical vapor deposition method (CVD method) using a SiH 2 Cl 2 / O 2 mixed gas. By this step, the source region 15a, the drain region 15b and the S
Minute tunnel barriers 17a, 17 between the i-dot 15c
b is formed, and the gate insulating film 17c is formed on the Si dot 15c (FIG. 4C). Of course, the method of forming the minute tunnel barriers 17a and 17b and the gate insulating film 17c may be another suitable method. After that, the control gate is formed to obtain the single electron transistor described with reference to FIG.

【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。
According to the forming method of the first aspect of the present invention, by positively utilizing the proximity effect due to the electron beam exposure, it is possible to accurately form a minute tunnel junction which is difficult to achieve by the conventional electron beam exposure. I understand.

【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。
It is considered that the element capacitance C of the single electron transistor realized by the above embodiment is estimated as follows.

【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、EC =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。
It is considered that the size X 3 of the dot 15c is 20 nm and the height is 30 nm. Although the initial film thickness of the silicon layer 11x is 40 nm, the dot height is set to 30 nm in consideration of the film reduction due to the formation of the oxide film 31.
Further, since the dot 15c is circular and the tip of the source / drain region is convex, the opposing relationship between the two is assumed as follows in consideration of these shapes. That is, the opposing width between the dot 15c and the source electrode 15a (drain electrode 15b) is considered to be 10 nm, and the distance between the dot 15c and the source electrode 15a (drain electrode 15b) is 15 nm.
I think. The relative permittivity of the insulating films 17a and 17b is set to 3.
9, and the dielectric constant of vacuum is 8.85 × 10 −12 (F /
m). Then, the capacitance at the tunnel junction is 8.8.
5 x 10 -12 x 3.9 x 10 x 10 -9 x 30 x 10 -9 /
15 × 10 −15 = 0.7 × 10 −18 (F) = 0.7 (a
F). The capacitance in the control gate portion is 8.85 × 10 −12 × because the gate insulating film 17c has a thickness of 50 nm and the dot radius is 10 nm.
3.9 x 3.14 x 10 2 x 10 -18 / 50 x 10 -9 =
0.2 × 10 −18 (F) = 0.2 (aF). Eventually, the element capacitance of this single electron transistor becomes 1.6 aF. When converted into electrostatic energy, E C = e 2 /
It becomes 57 meV from 2C. Since this is a value larger than the thermal energy at room temperature (26 meV), this first
Single electron transistors manufactured using the method of the invention are expected to operate at room temperature.

【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。
In the above description of the first embodiment of the invention, an example in which a silicon layer is used as the first layer for forming the conductive layer has been described. The layer may be a metal layer such as an aluminum layer.

【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。
2. Description of Second Invention of Tunnel Junction Forming Method Next, an embodiment of a novel method of forming a tunnel junction (second invention) composed of a silicon thin wire having a constricted portion will be described. This description will be given with reference to the manufacturing process diagrams shown in FIGS. 5 to 8 and the etching characteristic diagram shown in FIG. However, FIG. 5 is a process diagram showing a cross-sectional view of the sample during the forming process taken along a plane parallel to the tunnel junction surface, and FIGS. 6 to 8 are process diagrams showing a plan view of the sample seen from above. .

【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。
First, a silicon wafer 11a having a surface layer of a silicon layer 11x having a thickness of about 40 nm and an embedded silicon oxide film 13 having a thickness of about 100 nm below the surface is formed. Prepare (FIG. 5 (A)). Such a silicon wafer 11a is
For example, the upper layer Si of a silicon wafer formed by the SIMOX technique can be prepared by adjusting the desired film thickness (here, about 40 nm) by repeating thermal oxidation and peeling of the oxide film by hydrofluoric acid.

【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。
Next, an oxide film 31 of about 30 nm is formed on the silicon layer 11x by thermal oxidation (FIG. 5 (B)). Next, a resist layer 41 for electron beam exposure is formed on the oxide film 31 (FIG. 5C). In the case of the second invention,
It does not matter whether the resist for electron beam exposure is a negative type or a positive type. However, a negative type is preferable in this step in order to reduce the irradiation area of the electron beam. Here, as the resist layer 41, for example, SAL601 (resist manufactured by Shipre Co.) is spin-coated on the oxide film 31 to a film thickness of 0.1 μm.
It is applied by a coating method and baked at 120 ° C. for 2 minutes. The silicon wafer on which the resist layer 41 is formed is introduced into the electron beam exposure apparatus.

【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。
In the electron beam exposure process, first, referring to FIG.
As shown in (A), a resist pattern 41a is formed in the shape of a band, a part of which has a predetermined width W 1 . Moreover, the length of this strip-shaped portion is Y, and both sides of this strip-shaped portion are W 2
A resist pattern 41a which is a portion of (W 2 > W 1 ) × Y 1 is formed. In this case, the predetermined width W 1 is 30
nm. The exposure condition for forming the resist pattern 41a may be, for example, 20 μC / cm 2 . After the exposure, the wafer is first baked at 105 ° C. for 2 minutes, and then the wafer is immersed in NMDW (developer of Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) for about 10 minutes for development. To do.

【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。
Next, the oxide film 3 is formed by reactive ion etching using, for example, a CF 4 / CHF 3 / He mixed gas.
Etch 1. After that, the resist is removed in an O 2 plasma atmosphere. Oxide film pattern 3 similar to the resist pattern formed by electron beam exposure through these series of steps.
1a is formed (FIG. 6 (A), FIG. 5 (D)). In addition,
FIG. 5D is a diagram corresponding to a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG.

【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。
After the fine line of the oxide film is formed as described above, the resist layer for electron beam exposure is formed again on this sample. In this case, as will be described later, since a resist pattern having an opening is formed, it is preferable to use a positive type electron beam exposure resist layer in order to reduce the exposure area. Here, for example, ZEP520 (positive type resist manufactured by Zeon Corporation) is applied. Then, at least two regions lined up at a predetermined interval in the longitudinal direction of the band-shaped silicon oxide film portion are exposed, and then the resist is developed. The development can be performed, for example, by immersing in normal hexyl acetate for about 8 minutes. By doing so, as shown in FIG. 6B, at least two openings 4 aligned in the longitudinal direction of the strip-shaped silicon oxide film 31a with a predetermined interval y 0.
A resist pattern 43 having 3a is obtained. The predetermined interval y 0 is a dimension that determines the length of the silicon dot.
The dimension y 1 of each opening 43a along the longitudinal direction of the strip-shaped silicon oxide film 31a is a dimension that defines the length of the tunnel barrier. Although not limited to this, each of y 0 and y 1 is set to 30 nm here.

【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))。
Next, using this resist pattern 43 as an etching mask, the oxide film in the opening 43a is etched. The etching conditions at this time may be the same as the etching conditions when forming the oxide film pattern 31a described above, but the etching conditions are such that the oxide film 31 remains to a certain extent. Here, the thickness of the oxide film 31 in the opening 43a is set to about 15 n so as to be about half that of the other portions.
Etch by m. Next, the resist pattern 43 is removed in an O 2 plasma atmosphere. By this series of steps, the mask pattern 31x made of a silicon oxide film in which the film thickness of the portion corresponding to the opening 43a is reduced from the others is formed (FIG. 7A).

【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WX 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
0 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。
Next, the underlying silicon layer 11x is etched using the mask pattern 31x as a mask. The etching at this time can make the width of the silicon layer portion under the mask pattern portion whose film thickness is smaller than others to a new predetermined width less than the predetermined width W 1 after etching, and the other silicon layers. The etching is performed under the etching condition of the selection ratio so that the width of the portion can be the width corresponding to the mask pattern. This etching is performed, for example, with Cl 2 / He.
Reactive ion etching using a mixed gas of
Moreover, the etching is performed under the condition that the mixed gas flow rate ratio, the RF power and the pressure are determined so that the etching selection ratio between the silicon and the silicon oxide film is 2 to 4, more preferably about 2.5. . As an example, Cl 2 /
The etching conditions include He = 30/50 sccm, RF power-100 W, and pressure 5 Pa. In this etching process, the thickness of the mask pattern 31x is 30 nm.
The silicon layer 11x has the same width as the lateral dimension of the oxide film
Remains, but the selection ratio is insufficient in the thin portion of the mask pattern 31x, so that the silicon layer 11 is formed from the side wall side.
Since x is etched, the silicon layer 11x becomes thinner than the mask pattern 31x. Specifically, the size is about half the size of the mask pattern 31x (width of about 15 nm). Therefore, the thin silicon wire 11z having the constricted portion 11y is formed in part (FIG. 7B). The advantage of setting the etching selection ratio to 2 to 4 will be described in more detail. When a silicon layer is to be etched into a fine line shape using a silicon oxide film as an etching mask and reactive ion etching using a mixed gas of Cl 2 / He is used as the etching means, an etching mask The film thickness t, the finished dimension W X of the silicon thin wire, and the selection ratio have a relationship as shown in FIG. That is,
In both the characteristics when the mask film thickness t is 30 nm and the characteristics when the mask film thickness t is 15 nm in FIG. 9, as the etching selection ratio increases, the thinness of the silicon thin wire decreases and becomes close to the design dimension W 0. . However, if the etching selection ratio is too large, the silicon fine line tends to become thick due to the influence of the components deposited on the sample. It can be considered that the characteristics shift to the right as the thickness of the etching mask becomes thinner (the characteristics at t = 30 nm and t in FIG. 9).
= 15 nm). In the second aspect of the invention, the width of the silicon layer 11x is set to be a new predetermined width smaller than the width of the mask pattern below the width of the mask pattern under the thinned mask pattern portion. etching selectivity striking W 0/2 in the characteristic of the t = 15 nm in FIG. 9 (approximately 2.5) it can be seen preferable. Even when the etching selection ratio is 2.5, the film thickness t of the mask pattern is
When the characteristic is 30 nm, the silicon layer 11x is finished according to the design dimension W 0 . Further, the tendency that the width of the silicon layer below the mask pattern portion with the reduced film thickness can be reduced to less than the mask pattern width is also found under the etching conditions with the etching selection ratio of 2 to 4. Therefore, it is understood that a silicon thin wire having a constricted portion with a desired width can be formed by selecting a selection ratio from the range of the etching selectivity ratios of 2 to 4 depending on the size of the constricted portion.

【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。
When the silicon fine wire 11z having a constricted portion 11y is obtained, the sample is thermally oxidized in an O 2 atmosphere. As shown in FIG. 8, this thermal oxidation causes the width (thickness) W 3 of the narrowed portion 11y in the silicon thin wire 11z.
However, the thickness is set so that the electron energy level can be quantized. For example, the width (thickness) W 3 of the constricted portion 11y of the thin silicon wire 11z is set to about 5 nm. Then, the constricted portion acts as a tunnel barrier. Therefore, the portion surrounded by the two constricted portions acts as a Si dot (portion indicated by 11zz in FIG. 8). Here, in FIG. 8, 51 is an oxide film generated by thermal oxidation. Note that the silicon thin wires are thinned by thermal oxidation here, but if the narrowed portion has a desired width (thickness) that acts as a tunnel barrier when the above etching treatment is completed, Oxidation treatment may not be performed.

【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。
According to the second aspect of the present invention, it is understood that the silicon thin line having the constricted portion which acts as a tunnel barrier can be easily formed because the silicon layer is etched by using the oxide film having a partially different thickness as a mask.

【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。
It is considered that the element capacitance C of the single electron transistor realized by the embodiment of the second invention is estimated as follows.

【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Cd(Cs)=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、EC =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。
The size of the silicon dot is 20 nm square, and the thickness of the gate oxide film laminated on the silicon dot is 20 nm.
nm, the dielectric constant of the oxide film is 3.9, and the dielectric constant of vacuum is 8.85 × 10 −12 (F / m), the gate capacitance C
g = 8.85 × 10 −12 × 3.9 × 20 × 10 −9 × 20
× the 10 -9 / 20 × 10 -9 = 0.7aF. If the thickness of the tunnel junction (the length of the constricted portion) is 30 nm, the area of the tunnel junction is 20 × 30 nm 2 , and the dielectric constant of the oxide film is 3.9, the capacitance C d (on the source region side and the drain region side) is C s ) = 8.85 × 10 −12 × 3.9 × 2
0 x 10 -9 x 30 x 10 -9 / 30 x 10 -9 = 0.7aF
Becomes Therefore, the total capacitance C of the element is 2.1aF.
This is converted to electrostatic energy, E C = e 2 / 2C
Therefore, it becomes 38 meV. This is the heat energy at room temperature
Since the value is larger than (26 meV), it is considered that the single-electron transistor manufactured by using the method of the first invention can be expected to operate at room temperature.

【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。
In the embodiment of the second invention described above, an example in which two thin portions having a small film thickness are formed in the mask pattern to form a thin silicon wire having two constricted portions has been described. The second invention can also be applied to a case where three or more thin portions are formed in a pattern to form a thin silicon wire having three or more constricted portions.
In this way, a one-dimensional multiple (3 or more) tunnel junction array can be formed.

【0046】[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。
As is apparent from the above description, according to the first invention of the method for forming a tunnel junction, when forming a tunnel junction having a structure in which an insulating film is sandwiched by conductive layers, a conductive layer is formed. A negative electron beam sensitive second layer is formed on the first layer for use in an electron beam, and at least the first and second regions of the second layer which are close to each other are exposed to the electron beam. The approaching portion is exposed with an exposure amount such that the electron beam energy seeps out around the approaching portion. Next, by developing the second layer, the first region, the second region and the first region of the second layer are developed.
And a third region where the energy bleeding between the second region and the third region overlaps.
Next, using the mask pattern as an etching resistant mask, the first layer is patterned to form the first to third layers.
The first layer is left in the portions corresponding to the respective regions.
Then, after removing the mask pattern, an insulating film serving as a tunnel barrier is formed between the remaining portions of the first layer. According to the first aspect of the present invention, a fine mask pattern can be obtained by positively utilizing the proximity effect of the electron beam exposure, and as a result, it is possible to accurately form a minute tunnel junction, which is difficult to achieve in the past. .

【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。
According to the second invention of the method for forming a tunnel junction, a silicon oxide film is formed on a silicon layer in forming a tunnel junction composed of a thin silicon wire partially having a constricted portion. Then, the silicon oxide film is patterned so that a part of the silicon oxide film has a band shape with a predetermined width. Then, a mask pattern made of a silicon oxide film in which the film thicknesses of these regions are reduced by removing a predetermined amount from at least two regions which are arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction of the strip-shaped silicon oxide film portion. To form. Next, using this mask pattern as an anti-etching mask, the silicon layer is etched under etching conditions of a predetermined selection ratio to form the constricted portion under the mask pattern portion whose film thickness is reduced from the others. According to the second aspect of the invention, the mask pattern in which a part of the film thickness is reduced functions as a mask pattern capable of forming a fine constriction portion exceeding the processing limit of electron beam exposure. Therefore, it is possible to accurately form a minute tunnel junction, which has been difficult to achieve conventionally.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a structural example of a single electron transistor, in which (A) is a plan view and (B) is a cross-sectional view.

【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。
FIG. 2 is a process drawing for explaining the forming method of the first invention.

【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。
FIG. 3 is a process chart following FIG. 2 for explaining the forming method of the first invention.

【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。
FIG. 4 is a process diagram following FIG. 3 for explaining the forming method of the first invention.

【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。
FIG. 5 is a process drawing for explaining the forming method of the second invention.

【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。
FIG. 6 is a process diagram following FIG. 5 for explaining the forming method of the second invention.

【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。
FIG. 7 is a process chart following FIG. 6 for explaining the forming method of the second invention.

【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。
FIG. 8 is a process chart following FIG. 7 for explaining the forming method of the second invention.

【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。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a forming method of the second invention, and is a diagram illustrating a relationship between a finished dimension of a silicon thin wire, an etching mask film thickness, and an etching selection ratio.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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
11: Silicon substrate 11a: Silicon wafer having an embedded silicon oxide film 11x: Silicon layer (first layer for forming a conductive layer) 11y: Constricted portion 11z: Silicon fine line 11zz: Silicon dot 13: Insulating film 15a : Source region 15b: Drain region 15c: Minute islands (dots, central conductive layer) 17a, 17b: Insulating film 17c serving as a tunnel barrier: Gate insulating film 19: Control gates 21a, 21b: Tunnel junction 31: Oxide film ( Intermediate layer) 31a: Oxide film pattern 31x: Mask pattern (a part of thin silicon oxide film pattern) 31y: Thinned part 33: Negative electron beam exposure resist layer (second layer) Layer) 33a: first region 33b: second region 33c: third region 33x: of electron beam energy Look out region 33y resist pattern (mask pattern) 41: electron beam exposure resist layer 41a: resist pattern 43: resist pattern 51: oxide film

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
1. When forming a tunnel junction having a structure in which an insulating film is sandwiched by conductive layers, an electron beam is exposed on the first layer for forming the conductive layer, either directly or through an intermediate layer. Forming a second layer having a property that the exposed portion remains, and the approaching first region and second region in the second layer, respectively, by an electron beam and at least the approaching region. The exposed portion is exposed with an exposure amount such that the electron beam energy is exuded around the exposed portion, and by developing the exposed second layer, the second
Obtaining a mask pattern of the first region, the second region, and the third region of the layer where the energy bleeding between the first and second regions overlaps. And directly or indirectly patterning the first layer using the mask pattern as an etching resistant mask to leave the first layer in a portion corresponding to each of the first to third regions. And a step of forming an insulating film serving as a tunnel barrier between the remaining portions of the first layer after removing the mask pattern.
【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。
2. The method for forming a tunnel junction according to claim 1, wherein each of the first region and the second region has a convex shape on the side closer to the other region toward the other region. A method for forming a tunnel junction, characterized in that the region has a flat shape.
【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。
3. A step of forming a silicon oxide film on a silicon layer in forming a tunnel junction composed of a silicon thin wire partially having a constricted portion, and the step of forming the silicon oxide film partially in a predetermined width. A step of patterning into a strip shape, and a predetermined amount of at least two regions lined up at a predetermined interval in the longitudinal direction of the strip-shaped silicon oxide film portion are removed from the surface by a predetermined amount to reduce the film thickness of these regions more than others. A step of forming a mask pattern made of the silicon oxide film formed, and the width of the silicon layer portion under the mask pattern portion whose film thickness is reduced from the other can be set to a new predetermined width less than the predetermined width after etching, Moreover, the silicon layer is etched under the etching condition of the selection ratio that allows the width of the other silicon layer portion to be the width corresponding to the mask pattern. The method for forming a tunnel junction, characterized in that it comprises a step of film thickness to form the constricted portion under the mask pattern portion which is reduced than the other.
【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。
4. The method for forming a tunnel junction according to claim 3, wherein the selection ratio is a value in the range of 2 to 4.
【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。
5. The method for forming a tunnel junction according to claim 4, further comprising an oxidation step for oxidizing the surface layer portion of the silicon layer to further narrow the constricted portion after the etching step of the silicon layer. A method for forming a tunnel junction characterized by the above.
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