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JPH10125939A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

Info

Publication number
JPH10125939A
JPH10125939A JP8279088A JP27908896A JPH10125939A JP H10125939 A JPH10125939 A JP H10125939A JP 8279088 A JP8279088 A JP 8279088A JP 27908896 A JP27908896 A JP 27908896A JP H10125939 A JPH10125939 A JP H10125939A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating film
semiconductor device
oxide film
semiconductor layer
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP8279088A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyoyuki Morita
清之 森田
Takeshi Uenoyama
雄 上野山
Tadashi Morimoto
廉 森本
Sei Araki
聖 荒木
Koichiro Yuki
康一郎 幸
Yasuhito Kumabuchi
康仁 熊渕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP8279088A priority Critical patent/JPH10125939A/en
Publication of JPH10125939A publication Critical patent/JPH10125939A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device, which functions as a low-power consumption non-linear element and a nonvolatile memory, and a method of manufacturing the device. SOLUTION: A semiconductor layer consisting of a silicon layer is brought into contact with water containing iron ions and ozone to form an iron- containing first silicon oxide film 105 and thereafter, the film 105 is brought into contact with water containing ozone only to form a second silicon oxide film 106. Aftet that, the formation of a third silicon oxide film 107, the formation of an interlayer insulating film 109 and the formation of first and second Al wirings 111 and 112 are performed. When a proper voltage is applied to both ends of the wirings 111 and 112, a current is highly made to flow through the film 105 at only the time of a specified voltage by a resonance tunneling via an empty electron orbit of the iron in the film 105 and a nonlinear element having a negative resistance can be formed.

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】本発明は半導体装置及びその
製造方法に関するものであり、特に、低消費電力の非線
形素子の製造方法と、不揮発性メモリ及びその製造方法
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a method of manufacturing a non-linear element with low power consumption, a nonvolatile memory and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、半導体分野のメモリ装置とし
ては、ダイナミックラム(DRAM)や、スタテッィク
ラム(SRAM)が用いられている。これらメモリ装置
中のメモリセルは、主としてMOS素子,容量素子及び
抵抗素子の組み合わせにより構成される。例えば、DR
AMは、1つのnチャネルMOS素子と一つの容量素子
とから構成され、SRAMは2つのpチャネルMOS素
子(もしくは2つの抵抗素子)と、4つのnチャネルM
OS素子とから構成される。MOS素子は、ゲート長な
どを微細化することにより、動作速度、消費電力及び集
積度が向上するという特長を持ち、産業上非常に重要な
役割を果たしてきた。
2. Description of the Related Art Conventionally, dynamic RAMs (DRAMs) and static RAMs (SRAMs) have been used as memory devices in the semiconductor field. Memory cells in these memory devices are mainly composed of a combination of a MOS element, a capacitance element and a resistance element. For example, DR
The AM is composed of one n-channel MOS element and one capacitance element, and the SRAM is composed of two p-channel MOS elements (or two resistance elements) and four n-channel MOS elements.
And an OS element. The MOS element has a feature that the operation speed, the power consumption, and the degree of integration are improved by miniaturizing the gate length and the like, and has played a very important role in industry.

【0003】しかし、ゲートなどを形成する際の微細加
工の限界や、MOS素子のソース・ドレイン領域,チャ
ネル領域に導入される不純物の濃度の統計的ゆらぎなど
により、工業的にはゲート長が0.1μm以下のMOS
素子の実用化は非常に困難であると考えられている。一
方、システム機器側からは今後もさらなる高集積化、低
消費電力化の要望がある。そこで、近年、MOS素子よ
りも微細化が可能でMOS素子とは動作原理の全く異な
る素子が種々提案されてきた。その1つに共鳴トンネル
素子がある。共鳴トンネル素子は、極薄の半導体薄膜の
両側をエネルギー障壁膜ではさみ、さらにエネルギー障
壁膜の外側に電極を形成した「二重障壁構造」からな
る。そして、共鳴トンネル素子の電気特性は、極薄の半
導体薄膜と外側の電極の間の共鳴トンネル効果により制
御される。
However, due to the limitations of microfabrication when forming a gate and the like and the statistical fluctuation of the concentration of impurities introduced into the source / drain region and channel region of a MOS device, the gate length is industrially zero. .1μm or less MOS
It is considered that practical application of the device is very difficult. On the other hand, there is a demand from the system equipment side for further higher integration and lower power consumption. In recent years, various devices have been proposed which can be made finer than MOS devices and have completely different operating principles from MOS devices. One of them is a resonance tunnel element. The resonance tunnel element has a “double barrier structure” in which both sides of an extremely thin semiconductor thin film are sandwiched between energy barrier films and electrodes are formed outside the energy barrier film. The electrical characteristics of the resonance tunnel element are controlled by the resonance tunnel effect between the extremely thin semiconductor thin film and the outer electrode.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、共鳴トンネ
ル効果は量子井戸として用いる極薄の半導体薄膜の物
性、特に井戸幅に大きく依存する。よって、均一な電気
的特性を高い確実性をもって再現するためには、井戸幅
の原子レベルでの制御が不可欠となり、工業的には非常
にコスト高の要因となる。
By the way, the resonance tunnel effect greatly depends on the physical properties of an ultra-thin semiconductor thin film used as a quantum well, particularly on the well width. Therefore, in order to reproduce uniform electrical characteristics with high certainty, control of the well width at the atomic level is indispensable, which is extremely costly industrially.

【0005】本発明は、斯かる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、共鳴トンネル素子における原子レ
ベルでの膜厚制御を不要とし、従来のMOS素子とは異
なる動作原理で機能する非線形素子又は不揮発性メモリ
として機能する半導体装置及びその製造方法を提供する
ことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to eliminate the need to control the film thickness at the atomic level in a resonant tunneling device, and to function according to an operating principle different from that of a conventional MOS device. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device functioning as a non-linear element or a nonvolatile memory and a method for manufacturing the same.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では請求項1〜4に記載されている第1の半
導体装置の製造方法に関する手段と、請求項5〜6に記
載されている第2の半導体装置の製造方法に関する手段
と、請求項7〜10に記載されている上記第1及び第2
の半導体装置の製造方法に共通する手段と、請求項11
に記載されている第1の半導体装置に関する手段と、請
求項12〜14に記載されている第2の半導体装置に関
する手段と、請求項15,16に記載されている第1及
び第2の半導体装置に共通する手段とを講じている。
In order to achieve the above object, according to the present invention, there are provided means relating to the first method of manufacturing a semiconductor device according to claims 1 to 4, and means according to claims 5 to 6. Means relating to the second semiconductor device manufacturing method, and the first and second methods described in claims 7 to 10.
12. Means common to the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, and
Means relating to the first semiconductor device described in (1), means relating to the second semiconductor device described in (12) to (14), and first and second semiconductor devices described in (15) and (16). Measures common to the devices are taken.

【0007】本発明の第1の半導体装置の製造方法は、
請求項1に記載されているように、半導体層を有する基
板の上記半導体層を金属イオン及び酸化剤を含む液体に
接触させて、上記半導体層の上に金属を含む酸化膜を形
成する第1の工程と、上記酸化膜の上に導体膜からなる
電極を形成する第2の工程とを備えている。
According to a first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention,
A first method for forming an oxide film containing a metal on the semiconductor layer by contacting the semiconductor layer of the substrate having the semiconductor layer with a liquid containing a metal ion and an oxidizing agent as described in claim 1. And a second step of forming an electrode made of a conductive film on the oxide film.

【0008】これにより、半導体層が酸化されるととも
に金属イオンと酸化剤との反応によっても酸化物が生じ
る。すなわち、金属を含む酸化膜が半導体層と電極とで
挟まれてなる半導体素子が得られる。この半導体素子に
おいて、半導体層−電極間に電圧を印加すると、酸化膜
中の金属の空の電子軌道を電子で満たすためのエネルギ
ー準位と半導体層のエネルギー準位とが一致したときに
共鳴状態となり、半導体層−電極間を電子がトンネル効
果により移動する。したがって、半導体層−電極間に印
加する電圧を変えていくと、共鳴状態となる電圧値をす
ぎたときに電流が低下する負性抵抗部分が存在する。す
なわち、負性抵抗を有する非線形素子が形成されること
になる。その場合、共鳴状態にするための電圧は、金属
の空の軌道を電子で満たすためのエネルギー準位と半導
体層のエネルギー準位とで定まる。したがって、各層の
厚みを原子レベルで制御しなくても、一定の特性を持っ
た非線形素子を形成することができる。
As a result, the semiconductor layer is oxidized and an oxide is also generated by the reaction between the metal ion and the oxidizing agent. That is, a semiconductor element in which an oxide film containing a metal is sandwiched between a semiconductor layer and an electrode is obtained. In this semiconductor device, when a voltage is applied between the semiconductor layer and the electrode, a resonance state occurs when the energy level for filling the empty electron orbit of the metal in the oxide film with electrons coincides with the energy level of the semiconductor layer. Thus, electrons move between the semiconductor layer and the electrode by a tunnel effect. Therefore, when the voltage applied between the semiconductor layer and the electrode is changed, there is a negative resistance portion where the current decreases when the voltage value at which resonance occurs is exceeded. That is, a non-linear element having negative resistance is formed. In that case, the voltage for achieving the resonance state is determined by the energy level for filling the empty orbit of the metal with the electrons and the energy level of the semiconductor layer. Therefore, a non-linear element having a certain characteristic can be formed without controlling the thickness of each layer at the atomic level.

【0009】請求項2に記載されているように、請求項
1において、上記第1の工程の後かつ上記第2の工程の
前に上記酸化膜の上に薄い絶縁膜を堆積させる工程をさ
らに備え、上記第2の工程では上記絶縁膜の上に電極を
形成することができる。
According to a second aspect, in the first aspect, a step of depositing a thin insulating film on the oxide film after the first step and before the second step is further included. In the second step, an electrode can be formed on the insulating film.

【0010】これにより形成される半導体装置におい
て、酸化膜と電極との間に絶縁膜が介在しているので、
半導体層−電極間に印加する電圧を変えていったときに
金属の空の電子軌道が電子で満たされても、そこから電
極まで電子がさらにトンネル効果によって移動するには
電圧値をより大きくする必要が生じる。つまり、絶縁膜
の膜圧によって、半導体層−電極間に印加する電圧を変
えていったときに電流が流れ出すまでの電圧値を自由に
調整することが可能になる。
[0010] In the semiconductor device thus formed, since the insulating film is interposed between the oxide film and the electrode,
When the voltage applied between the semiconductor layer and the electrode is changed, even if the empty electron trajectory of the metal is filled with electrons, the voltage value is increased to further move the electrons from there to the electrode by the tunnel effect. Need arises. That is, it is possible to freely adjust a voltage value until a current flows when the voltage applied between the semiconductor layer and the electrode is changed by the film pressure of the insulating film.

【0011】請求項3に記載されているように、請求項
1又は2において、上記第1の工程の後すぐに、上記酸
化膜を酸化剤のみを含む液体に接触させて上記半導体層
を酸化させ、上記半導体層と上記酸化膜との間に第2の
酸化膜を形成する工程をさらに備えることができる。
According to a third aspect, in the first or second aspect, immediately after the first step, the oxide film is brought into contact with a liquid containing only an oxidizing agent to oxidize the semiconductor layer. And forming a second oxide film between the semiconductor layer and the oxide film.

【0012】これにより、形成される半導体装置の電流
−電圧特性をより微細に調整することが可能になる。
This makes it possible to finely adjust the current-voltage characteristics of the semiconductor device to be formed.

【0013】請求項4に記載されているように、請求項
1,2又は3において、上記第1の工程の後、かつ上記
第2の工程の前又は後に、上記半導体基板を還元雰囲気
中で熱処理する工程をさらに備えることができる。
According to a fourth aspect, in the first, second or third aspect, after the first step and before or after the second step, the semiconductor substrate is placed in a reducing atmosphere. The method may further include a step of performing a heat treatment.

【0014】これにより、酸化膜中における金属の構造
や分布状態をより適正な状態に調整することが可能にな
る。
This makes it possible to adjust the structure and distribution state of the metal in the oxide film to a more appropriate state.

【0015】本発明の第2の半導体装置は、請求項5に
記載されているように、第1導電型の半導体層を有する
基板の上記半導体層を金属イオン及び酸化剤を含む液体
に接触させて、上記半導体層の上に金属を含む酸化膜を
形成する第1の工程と、上記酸化膜の上に絶縁膜を形成
する第2の工程と、上記絶縁膜の上に導体膜からなる電
極を形成する第3の工程と、上記電極をマスクにして上
記半導体層内に第2導電型不純物を導入し、上記半導体
層内の上記電極の両側となる領域に第2導電型の拡散層
を形成する第4の工程とを備えている。
In a second semiconductor device according to the present invention, the semiconductor layer of the substrate having the semiconductor layer of the first conductivity type is brought into contact with a liquid containing metal ions and an oxidizing agent. A first step of forming an oxide film containing a metal on the semiconductor layer, a second step of forming an insulating film on the oxide film, and an electrode made of a conductive film on the insulating film. Forming a third conductivity type, introducing a second conductivity type impurity into the semiconductor layer using the electrode as a mask, and forming a second conductivity type diffusion layer in regions on both sides of the electrode in the semiconductor layer. And a fourth step of forming.

【0016】これにより形成される半導体装置におい
て、酸化膜内の金属の空の電子軌道の電子を満たしてお
くことが可能である。また、この半導体装置中の半導体
層,酸化膜,絶縁膜,電極で構成される素子は、上記請
求項2の方法で形成される半導体装置と同様に非線形素
子として機能するので、共鳴状態となる方向に電圧を印
加していったときに電流が流れ出すまでの電圧範囲を広
く確保できる。さらに、酸化膜,絶縁膜,電極及び2つ
の拡散層によってMISトランジスタが形成されるが、
このMISトランジスタのしきい値電圧は酸化膜内の金
属の空の電子軌道に電子が満たされている状態と満たさ
れていない状態とによって異なる。したがって、半導体
層−電極間に電流が流れない範囲の電圧を電極に印加し
た状態で、酸化膜中の金属の空の電子軌道が電子で満た
されている状態と満たされていない状態とをしきい値の
相違から検知することにより、情報の読み出しが可能に
なる。すなわち、電気的に書き込み,読み出し及び消去
が可能な不揮発性メモリとして機能する半導体装置が形
成されることになる。そして、この半導体装置は、単一
の素子により構成されるので、高集積化も可能となる。
In the semiconductor device formed by this, it is possible to fill the electrons in the empty electron orbit of the metal in the oxide film. Further, the element formed by the semiconductor layer, the oxide film, the insulating film, and the electrode in this semiconductor device functions as a non-linear element similarly to the semiconductor device formed by the method of the second aspect, so that it is in a resonance state. When a voltage is applied in the direction, a wide voltage range until a current flows can be secured. Further, an MIS transistor is formed by an oxide film, an insulating film, an electrode, and two diffusion layers.
The threshold voltage of the MIS transistor differs depending on whether the metal has an empty electron orbit in the oxide film filled with electrons or not. Therefore, when a voltage in a range where no current flows between the semiconductor layer and the electrode is applied to the electrode, the empty electron orbit of the metal in the oxide film may be filled with electrons or may not be filled. The information can be read by detecting the difference from the threshold value. That is, a semiconductor device that functions as a nonvolatile memory that can be electrically written, read, and erased is formed. Since this semiconductor device is constituted by a single element, high integration is also possible.

【0017】請求項6に記載されているように、請求項
5において、上記第1の工程の後すぐに、上記酸化膜を
酸化剤のみを含む液体に接触させて上記半導体層を酸化
させ、上記半導体層と上記酸化膜との間に第2の酸化膜
を形成する工程をさらに備えることができる。
According to a sixth aspect, in the fifth aspect, immediately after the first step, the semiconductor layer is oxidized by contacting the oxide film with a liquid containing only an oxidizing agent, The method may further include forming a second oxide film between the semiconductor layer and the oxide film.

【0018】請求項7に記載されているように、請求項
5又は6において、上記第1の工程及び第2の工程の
後、かつ上記第3の工程の前又は後に、上記半導体基板
を還元雰囲気中で熱処理する工程をさらに備えることが
できる。
According to a seventh aspect, in the fifth or sixth aspect, the semiconductor substrate is reduced after the first step and the second step and before or after the third step. The method may further include a step of performing a heat treatment in an atmosphere.

【0019】請求項6,7により、上述の請求項3,4
と同じ作用効果が得られる。
According to claims 6 and 7, the above-mentioned claims 3 and 4 are provided.
The same operation and effect as described above can be obtained.

【0020】請求項8に記載されているように、請求項
1,2,3,4,5,6又は7において、上記金属イオ
ンは遷移金属イオンであることが好ましい。
[0020] As described in claim 8, in claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, or 7, the metal ion is preferably a transition metal ion.

【0021】これにより、遷移金属の空の電子軌道とそ
こに電子が入ったときとのエネルギー差が小さいことを
利用して、低電圧で非線形素子や不揮発性メモリとして
機能する半導体装置を形成することができる。
Thus, a semiconductor device that functions as a non-linear element or a non-volatile memory at a low voltage is formed by utilizing the small energy difference between the empty electron orbit of the transition metal and the time when electrons enter the electron orbit. be able to.

【0022】請求項9に記載されているように、請求項
8において、上記遷移金属イオンは鉄イオンであること
が好ましい。
[0022] As described in claim 9, in claim 8, the transition metal ion is preferably an iron ion.

【0023】これにより、より低電圧で低電圧で非線形
素子や不揮発性メモリとして機能する半導体装置を形成
することができる。
Thus, a semiconductor device which functions as a non-linear element or a non-volatile memory at a lower voltage at a lower voltage can be formed.

【0024】請求項10に記載されているように、請求
項1,2,3,4,5,6,7,8又は9において、上
記酸化剤は、オゾンであることが好ましい。
[0024] As described in claim 10, in claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, or 9, the oxidizing agent is preferably ozone.

【0025】これにより、オゾンの有する高い酸化能力
を活用して上記各請求項の作用効果を確実に得ることが
できるとともに、オゾンは酸素以外の元素を含まないの
で、他の元素が半導体装置内に取り込まれることによる
不具合を回避することができる。
This makes it possible to reliably obtain the functions and effects of the above-mentioned claims by utilizing the high oxidizing ability of ozone, and because ozone does not contain any element other than oxygen, other elements are contained in the semiconductor device. Can be avoided.

【0026】本発明の第1の半導体装置は、請求項11
に記載されているように、少なくとも表面部に半導体層
を有する基板と、上記半導体層の上方に形成され金属不
純物を含む第1の絶縁膜と、上記第1の絶縁膜と上記半
導体層との間に介設され、電子の移動に対して障壁とな
るポテンシャルエネルギーと電子がトンネリング可能な
厚みとを有する第2の絶縁膜と、上記第1の絶縁膜の上
に形成され、電子の移動に対して障壁となるポテンシャ
ルエネルギーと電子がトンネリング可能な厚みとを有
し、かつ上記第1の絶縁膜とは厚みの異なる第3の絶縁
膜と、上記第3の絶縁膜の上に形成された導体膜からな
る電極とを備えている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
As described in the above, a substrate having a semiconductor layer at least on a surface portion, a first insulating film formed above the semiconductor layer and containing a metal impurity, and the first insulating film and the semiconductor layer A second insulating film interposed therebetween and having a potential energy serving as a barrier against the movement of electrons and having a thickness capable of tunneling electrons, and a second insulating film formed on the first insulating film to prevent the movement of electrons. A third insulating film having a potential energy serving as a barrier and a thickness through which electrons can tunnel, and having a thickness different from that of the first insulating film; and a third insulating film formed on the third insulating film. An electrode made of a conductive film.

【0027】これにより、半導体装置が、半導体層−電
極間に印加される電圧の正負に対して非対称の電流−電
圧特性を示す。すなわち、非線形素子としての用途の広
い半導体装置となる。
Thus, the semiconductor device exhibits a current-voltage characteristic that is asymmetric with respect to the polarity of the voltage applied between the semiconductor layer and the electrode. That is, the semiconductor device is widely used as a nonlinear element.

【0028】本発明の第2の半導体装置は、請求項12
に記載されているように、少なくとも表面部に半導体層
を有する基板と、上記半導体層の上方に形成され金属不
純物を含む第1の絶縁膜と、上記第1の絶縁膜と上記半
導体層との間に介設され、電子の移動に対して障壁とな
るポテンシャルエネルギーと電子がトンネリング可能な
厚みとを有する第2の絶縁膜と、上記第1の絶縁膜の上
に形成され、電子の移動に対して障壁となるポテンシャ
ルエネルギーを有するとともに電子がトンネリング可能
に構成された第3の絶縁膜と、上記第3の絶縁膜の上に
形成された導体膜からなる電極と、上記半導体層内にお
ける上記電極の下方に形成された第1導電型のチャネル
領域と、上記半導体層内における上記電極の両側方に形
成された第2導電型の不純物を含むソース・ドレイン領
域とを備えている。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
As described in the above, a substrate having a semiconductor layer at least on a surface portion, a first insulating film formed above the semiconductor layer and containing a metal impurity, and the first insulating film and the semiconductor layer A second insulating film interposed therebetween and having a potential energy serving as a barrier against the movement of electrons and having a thickness capable of tunneling electrons, and a second insulating film formed on the first insulating film to prevent the movement of electrons. A third insulating film having potential energy serving as a barrier and capable of tunneling electrons, an electrode made of a conductive film formed on the third insulating film, and the third insulating film in the semiconductor layer. A first conductivity type channel region formed below the electrode; and a source / drain region containing a second conductivity type impurity formed on both sides of the electrode in the semiconductor layer.

【0029】これにより、半導体装置が請求項5により
形成される半導体装置と同様に、電気的に書き込み,読
み出し及び消去が可能な不揮発性メモリとして機能す
る。
Thus, the semiconductor device functions as a non-volatile memory that can be electrically written, read, and erased in the same manner as the semiconductor device according to the fifth aspect.

【0030】請求項13に記載されているように、請求
項12において、上記第1の絶縁膜よりも上記第3の絶
縁膜の方が厚みが大きいことが好ましい。
According to a thirteenth aspect, in the twelfth aspect, it is preferable that the thickness of the third insulating film is larger than that of the first insulating film.

【0031】これにより、半導体装置が、書き込みが容
易で読み出し電圧の余裕が大きい不揮発性メモリとな
る。
As a result, the semiconductor device becomes a nonvolatile memory which is easy to write and has a large read voltage margin.

【0032】請求項14に記載されているように、請求
項12又は13において、上記第1,第2及び第3の絶
縁膜のうち少なくともいずれか一つを多層膜で構成する
ことができる。
According to a fourteenth aspect, in the twelfth or thirteenth aspect, at least one of the first, second, and third insulating films can be formed of a multilayer film.

【0033】これにより、半導体装置の電流−電圧特性
などをさらに微細に調整することが可能になる。
This makes it possible to finely adjust the current-voltage characteristics of the semiconductor device.

【0034】請求項15に記載されているように、請求
項10,11,12,13又は14において、請求項8
で説明した理由により、上記金属不純物は遷移金属であ
ることが好ましい。
As described in claim 15, in claim 10, 11, 12, 13, or 14, claim 8
For the reasons described in the above, the metal impurity is preferably a transition metal.

【0035】請求項16に記載されているように、請求
項15において、請求項9で説明した理由により、上記
遷移金属は鉄であることが好ましい。
According to a sixteenth aspect, in the fifteenth aspect, the transition metal is preferably iron for the reason described in the ninth aspect.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(第1の実施形態)まず、第1の実施形態について説明
する。図1〜図5は第1の実施形態に係る半導体装置の
製造工程を示す断面図である。
(First Embodiment) First, a first embodiment will be described. 1 to 5 are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.

【0037】まず、図1に示す工程において、Si基板
の内部に酸素イオンを注入するなどの方法により、SO
I基板160を形成する。このSOI基板160は、S
i基板101と、Si基板101の上に形成された埋め
込み酸化膜102と、埋め込み酸化膜102の上に形成
されたp型Si層150とにより構成されている。p型
Si層150は約100〜200nmの厚さを有する。
その後、選択酸化法等を用いて、p型Si層150を複
数の孤立した領域に区画するための素子分離酸化膜15
1を形成する。素子分離酸化膜151の厚さはp型Si
層150の各領域が電気的絶縁されればよいため、p型
Si層150の約1.5〜2倍程度でよい。
First, in the step shown in FIG. 1, SO 2 is implanted into the Si substrate by a method such as implantation of oxygen ions.
An I substrate 160 is formed. This SOI substrate 160 is made of S
It comprises an i-substrate 101, a buried oxide film 102 formed on the Si substrate 101, and a p-type Si layer 150 formed on the buried oxide film 102. The p-type Si layer 150 has a thickness of about 100 to 200 nm.
Thereafter, the element isolation oxide film 15 for partitioning the p-type Si layer 150 into a plurality of isolated regions using a selective oxidation method or the like.
Form one. The thickness of the element isolation oxide film 151 is p-type Si.
Since it is sufficient that each region of the layer 150 is electrically insulated, the thickness may be about 1.5 to 2 times that of the p-type Si layer 150.

【0038】次に、図2に示す工程において、素子分離
酸化膜151によって取り囲まれるp型Si層150内
に、フォトリソグラフィとイオン注入及び熱処理を用い
て第1n型拡散層103と第2n型拡散層104とを形
成する。第1n型拡散層103の不純物濃度は約1016
〜1018/cm3 であり、第2n型拡散層104の不純
物濃度は約1020/cm3である。
Next, in the step shown in FIG. 2, the first n-type diffusion layer 103 and the second n-type diffusion layer are formed in the p-type Si layer 150 surrounded by the element isolation oxide film 151 by using photolithography, ion implantation and heat treatment. A layer 104 is formed. The impurity concentration of the first n-type diffusion layer 103 is about 10 16
-10 18 / cm 3 , and the impurity concentration of the second n-type diffusion layer 104 is about 10 20 / cm 3 .

【0039】次に、図3に示す工程において、第1n型
拡散層103及び第2n型拡散層104の表面を、金属
イオンである鉄イオンと酸化剤であるオゾンとを含む水
に約5時間接触させる。鉄イオンは約0.1〜10pp
mの濃度に調整されている。この処理によって、シリコ
ンが酸化されるとともに鉄イオンと酸化剤であるオゾン
との反応によって生じたFe2 O3 やFe3 O4 等の酸
化鉄がシリコン酸化膜中に混入される。したがって、第
1n型拡散層103及び第2n型拡散層104の上に酸
化鉄を含むつまりFe原子を含む第1シリコン酸化膜1
05が約1.5nmの厚みで形成される。
Next, in the step shown in FIG. 3, the surfaces of the first n-type diffusion layer 103 and the second n-type diffusion layer 104 are exposed to water containing iron ions as metal ions and ozone as an oxidizing agent for about 5 hours. Make contact. Iron ion is about 0.1-10pp
m. By this treatment, silicon is oxidized, and iron oxides such as Fe2 O3 and Fe3 O4 generated by a reaction between iron ions and ozone as an oxidizing agent are mixed into the silicon oxide film. Therefore, the first silicon oxide film 1 containing iron oxide, that is, containing Fe atoms, is formed on the first n-type diffusion layer 103 and the second n-type diffusion layer 104.
05 is formed with a thickness of about 1.5 nm.

【0040】続いて、第1n型拡散層103及び第2n
型拡散層104の上に形成された第1シリコン酸化膜1
05をオゾンのみを含む水に約5時間接触させる。この
処理によって、第1シリコン酸化膜105ではなくその
下方のシリコン層が酸化される。つまり、第1シリコン
酸化膜105と第1n型拡散層103との界面及び第1
シリコン酸化膜105と第2n型拡散層104との界面
で酸化が進行する。その結果、第1シリコン酸化膜10
5と第1n型拡散層103との間及び第1シリコン酸化
膜105と第2n型拡散層104との間に、厚みが約
1.5nmの第2シリコン酸化膜106が形成される。
この第2シリコン酸化膜106中には、鉄はドープされ
ていない。
Subsequently, the first n-type diffusion layer 103 and the second
First silicon oxide film 1 formed on mold diffusion layer 104
05 is contacted with water containing only ozone for about 5 hours. This process oxidizes not the first silicon oxide film 105 but the underlying silicon layer. That is, the interface between the first silicon oxide film 105 and the first n-type diffusion layer 103 and the first
Oxidation proceeds at the interface between the silicon oxide film 105 and the second n-type diffusion layer 104. As a result, the first silicon oxide film 10
5 and the first n-type diffusion layer 103 and between the first silicon oxide film 105 and the second n-type diffusion layer 104, a second silicon oxide film 106 having a thickness of about 1.5 nm is formed.
The second silicon oxide film 106 is not doped with iron.

【0041】さらに、超高真空CVD等を用いて第1シ
リコン酸化膜105の上に、厚みが約1.5nmの第3
シリコン酸化膜107を形成する。この第3シリコン酸
化膜107中には、鉄はドープされていない。
Further, the third silicon oxide film 105 having a thickness of about 1.5 nm is formed on the first silicon oxide film 105 by using ultra-high vacuum CVD or the like.
A silicon oxide film 107 is formed. The third silicon oxide film 107 is not doped with iron.

【0042】以上の工程により、鉄をドープした第1シ
リコン酸化膜105が、鉄をドープしていない第2シリ
コン酸化膜106及び第3シリコン酸化膜107で挟み
込まれる構造となる。この後、Si基板101をH2 ガ
ス雰囲気中600℃で1時間熱処理を行う。
Through the above steps, the first silicon oxide film 105 doped with iron is sandwiched between the second silicon oxide film 106 and the third silicon oxide film 107 not doped with iron. Thereafter, the Si substrate 101 is heat-treated at 600 ° C. for 1 hour in an H 2 gas atmosphere.

【0043】次に、図4に示す工程において、基板の全
面上にポリシリコン膜を堆積した後、フォトリソグラフ
ィとドライエッチングを用いて、このポリシリコン膜と
第1〜第3シリコン酸化膜105〜107とをパターニ
ングする。すなわち、ポリシリコン膜及び第1〜第3シ
リコン酸化膜105〜107のうち第2n型拡散層10
4の上方の部分は除去して、第1n型拡散層103の上
に、第1〜第3シリコン酸化膜105〜107と、第3
シリコン酸化膜107上のポリシリコン電極108とを
残す。さらに、基板の全面上に層間絶縁膜109を堆積
する。
Next, in the step shown in FIG. 4, after depositing a polysilicon film over the entire surface of the substrate, the polysilicon film and the first to third silicon oxide films 105 to 105 are formed by photolithography and dry etching. 107 is patterned. That is, the second n-type diffusion layer 10 of the polysilicon film and the first to third silicon oxide films 105 to 107 is formed.
4 is removed, and the first to third silicon oxide films 105 to 107 and the third
The polysilicon electrode 108 on the silicon oxide film 107 is left. Further, an interlayer insulating film 109 is deposited on the entire surface of the substrate.

【0044】次に、図5に示す工程において、フォトリ
ソグラフィとドライエッチングを用いて、層間絶縁膜1
09の一部を開口して、素子分離酸化膜151上のポリ
シリコン電極108と、第2n型拡散層104とに到達
するコンタクトホールをそれぞれ形成する。さらに、こ
の各コンタクトホールをタングステン(W)で埋めてW
プラグ110a,110bを形成した後、基板の全面上
にアルミニウム(Al)合金膜を堆積し、さらに、この
膜をパターニングして、各Wプラグ110a,110b
にそれぞれ接続される第1Al配線111及び第2Al
配線112を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 5, the interlayer insulating film 1 is formed by using photolithography and dry etching.
A part of the opening 09 is formed, and a contact hole reaching the polysilicon electrode 108 on the element isolation oxide film 151 and the second n-type diffusion layer 104 is formed. Further, each contact hole is filled with tungsten (W) to
After forming the plugs 110a and 110b, an aluminum (Al) alloy film is deposited on the entire surface of the substrate, and the film is patterned to form the W plugs 110a and 110b.
Al wiring 111 and second Al connected to
The wiring 112 is formed.

【0045】以上の製造工程により、鉄イオンを含む第
1シリコン酸化膜105を鉄イオンを含まない第2,第
3シリコン酸化膜106,107で挟んでなる共鳴トン
ネルダイオードが得られる。この共鳴トンネルダイオー
ドの動作について、以下に説明する。
Through the above manufacturing steps, a resonance tunnel diode in which the first silicon oxide film 105 containing iron ions is sandwiched between the second and third silicon oxide films 106 and 107 not containing iron ions. The operation of the resonant tunnel diode will be described below.

【0046】図6に示すように、第2Al配線112を
接地するとともに、第1Al配線111と第2Al配線
112との間に、第1Al配線111が正となる電位を
印加すると、電位の変化に応じて第1Al配線111と
第2Al配線112との間に流れる電流も変化する。図
7は、この時に得られる電流−電圧特性を示す図であ
る。 図8(a)〜(c)は、第1Al配線111に印
加される電圧の変化に応じた第1n型拡散層−ポリシリ
コン電極108間のエネルギーバンドの変化を示す図で
ある。以下、図7及び図8(a)〜(c)を参照しなが
ら、この電流−電圧特性線Jv1の変化特性について説明
する。
As shown in FIG. 6, when the second Al wiring 112 is grounded and a potential is applied between the first Al wiring 111 and the second Al wiring 112 so that the first Al wiring 111 is positive, the potential change occurs. Accordingly, the current flowing between the first Al wiring 111 and the second Al wiring 112 also changes. FIG. 7 is a diagram showing current-voltage characteristics obtained at this time. FIGS. 8A to 8C are diagrams illustrating a change in the energy band between the first n-type diffusion layer and the polysilicon electrode 108 according to a change in the voltage applied to the first Al wiring 111. Hereinafter, the change characteristics of the current-voltage characteristic line Jv1 will be described with reference to FIGS. 7 and 8A to 8C.

【0047】第1Al配線111と第2Al配線112
との間に印可する電圧が零の場合には、図8(a)に示
すように、エネルギーレベルは平衡状態であり、鉄を含
む第1シリコン酸化膜105中のFe原子の空の準位
(後に説明するように、空の電子軌道を電子で満たすた
めのエネルギー準位)は、第1n型拡散層(半導体)及
びポリシリコン電極108(導体)のフェルミ準位より
も高く、しかもその差が大きい(ただし、鉄等の遷移金
属のエネルギー準位については後述する)ので、第1n
型拡散層内にはFe原子の空の準位に一致するエネルギ
ー準位を有する電子の密度がほとんどゼロである。した
がって、電子が、第2シリコン酸化膜106中をトンネ
リングによって通過して、第1n型拡散層から空の準位
を有するFe原子に移動することはほとんどなく、図7
の電流特性線Jv1中の点Jv1aに示すごとく、電流はほ
とんど流れない。
First Al wiring 111 and second Al wiring 112
8A, the energy level is in an equilibrium state, and the empty level of Fe atoms in the first silicon oxide film 105 containing iron is zero, as shown in FIG. (As will be described later, the energy level for filling the empty electron orbital with electrons) is higher than the Fermi level of the first n-type diffusion layer (semiconductor) and the polysilicon electrode 108 (conductor), and the difference is higher than that. (However, the energy level of a transition metal such as iron will be described later).
In the type diffusion layer, the density of electrons having an energy level corresponding to the empty level of Fe atoms is almost zero. Therefore, electrons hardly pass through the second silicon oxide film 106 by tunneling and move from the first n-type diffusion layer to Fe atoms having an empty level.
As shown by the point Jv1a in the current characteristic line Jv1, the current hardly flows.

【0048】一方、第1Al配線111と第2Al配線
112との間に印可する電圧を正の方向に大きくして行
くと、図8(b)に示すように、第1シリコン酸化膜1
03中のFe原子の空の準位と第1n型拡散層103の
フェルミ準位とが近づくので、電子が第2シリコン酸化
膜106中をトンネリングするようになり、電圧を増大
していくと、移動する電子の数が増大して電流は増大す
る。そして、ある電圧値Vbに達すると、第1n型拡散
層103のフェルミ準位と第1シリコン酸化膜105中
のFe原子の空の準位とが一致する共鳴状態になって、
図7の電流−電圧特性線Jv1中の点Jv1bに示すよう
に、極大の電流が流れる。
On the other hand, as the voltage applied between the first Al wiring 111 and the second Al wiring 112 is increased in the positive direction, as shown in FIG.
03 and the Fermi level of the first n-type diffusion layer 103 are close to each other, so that electrons tunnel through the second silicon oxide film 106 and the voltage increases. The current increases as the number of moving electrons increases. When the voltage reaches a certain voltage value Vb, a resonance state occurs in which the Fermi level of the first n-type diffusion layer 103 matches the empty level of Fe atoms in the first silicon oxide film 105,
As shown by a point Jv1b in the current-voltage characteristic line Jv1 of FIG. 7, a maximum current flows.

【0049】さらに、第1Al配線111と第2Al配
線112との間に印可する電圧を正の方向に大きくして
行くと、図8(c)に示すように、第1n型拡散層10
3のフェルミ準位と第1シリコン酸化膜105内のFe
原子の空の準位とが再び離れて行くので、電流が減少す
る。これによってこの素子では負性抵抗が観測されるこ
とになる。そして、図7の電流−電圧特性線Jv1中の点
Jv1cで電流は極小となる。
Further, as the voltage applied between the first Al wiring 111 and the second Al wiring 112 is increased in the positive direction, as shown in FIG.
3 and the Fe in the first silicon oxide film 105
The current decreases because the empty level of the atom moves away again. As a result, a negative resistance is observed in this element. Then, the current becomes minimum at a point Jv1c in the current-voltage characteristic line Jv1 of FIG.

【0050】電圧をさらに上げていくと、第1n型拡散
層103のフェルミ準位と各シリコン酸化膜105〜1
07からなる絶縁膜のバリアの差が小さくなる。つまり
絶縁膜によるバリアの高さが実効的に低くなるために再
び電流が増加する。
As the voltage is further increased, the Fermi level of the first n-type diffusion layer 103 and each of the silicon oxide films
07, the difference between the barriers of the insulating film becomes smaller. That is, the current increases again because the height of the barrier formed by the insulating film is effectively reduced.

【0051】このように、本実施例の非線形素子は、電
流−電圧特性中に負性抵抗部分を有する非線形素子とし
て機能する。本実施形態における構造では、例えば印加
電圧1Vのところで30mA/cm2 のところに極大点
をもつ。この素子はトンネル効果を利用したものであ
り、動作電圧、動作電流も小さいので低消費電力の素子
として機能する。また、デバイスのサイズも小さいので
高集積化が図れる。
As described above, the nonlinear element of this embodiment functions as a nonlinear element having a negative resistance portion in the current-voltage characteristics. In the structure of the present embodiment, for example, there is a maximum point at 30 mA / cm 2 at an applied voltage of 1 V. This element utilizes the tunnel effect and has a small operating voltage and operating current, and thus functions as a low power consumption element. Further, since the size of the device is small, high integration can be achieved.

【0052】特に、不純物原子として遷移金属を用いる
ことで、遷移金属の空の準位を利用でき、この空の準位
の利用によって電圧を大きくすることなく電子を入れる
ことができるので、絶縁膜を通してトンネル電流を流す
ことができる。さらに、遷移金属原子固有のエネルギー
準位を用いているため、膜厚等がばらついても、電流ピ
ークが得られる電圧には変化がない。さらに、この非線
形素子を2つ接続することで、それぞれの非線形性を利
用して、双安定メモリ装置を容易に実現できる。このメ
モリ装置は、非線形素子の消費電力、面積は小さいこと
を利用しており、またその構成は、非線形素子を接続す
るだけなので、当然のことながら低消費電力であり、か
つ集積化が図れることになる。
In particular, by using a transition metal as an impurity atom, an empty level of the transition metal can be used, and electrons can be input without increasing the voltage by using the empty level. Through which a tunnel current can flow. Further, since the energy level inherent to the transition metal atom is used, the voltage at which the current peak is obtained does not change even if the film thickness or the like varies. Further, by connecting two non-linear elements, a bistable memory device can be easily realized by utilizing the respective non-linearities. This memory device utilizes the low power consumption and area of the nonlinear element, and since the configuration is simply connecting the nonlinear element, it naturally consumes less power and can be integrated. become.

【0053】ここで、金属原子層を構成する金属イオン
としては好ましいのは遷移金属のイオンである。その理
由を以下に説明する。
Here, transition metal ions are preferred as metal ions constituting the metal atomic layer. The reason will be described below.

【0054】遷移元素は、不完全に満たされたd殻(又
はf殻)を有する原子又はそのような陽イオンを生じる
元素と定義され(3A〜7A族,8族及び1B族元
素)、一般に多種の原子価を示す。そのため原子内での
電子の相関があまり強くなく、電子の受け渡しが行われ
易い。図9(a)に示すように、たとえば鉄FeはM殻
のd軌道に6個、N殻の4s軌道に2個電子を持ってい
る。
A transition element is defined as an atom having an incompletely filled d-shell (or f-shell) or an element that produces such a cation (groups 3A to 7A, 8 and 1B) and generally Shows various valences. Therefore, the correlation between electrons in the atom is not so strong, and electrons are easily transferred. As shown in FIG. 9A, for example, iron Fe has six electrons in the d orbit of the M shell and two electrons in the 4s orbit of the N shell.

【0055】鉄の酸化物にはFe2 O3 とFe3 O4 が
あり、それぞれ2価イオンのFeと3価イオンのFeに
よって構成されるものである。図9(b)は、Feの中
性原子、2価イオン及び3価イオンの3d軌道及び4s
軌道における電子配置状態を示す。図9(b)中の電子
配置を参照するとわかるように、2価イオンの場合と3
価イオンの場合のエネルギーの差は、フントの法則より
あまり大きくない。すなわち、スピンの揃った軌道が優
先的に満たされ、かつ他の軌道とはスピンの向きが異な
る軌道に電子が満たされてもすぐに排斥されるからであ
る。従って、3価イオンの場合の仮想的な準位(そこに
電子が入れば2価イオンになる)を不純物原子層中の空
の準位に用いると、極めて小さな電圧を印加して共鳴ト
ンネリングを生ぜしめ得る構造を実現することができる
のである。
Iron oxides include Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4, each of which is composed of divalent ion Fe and trivalent ion Fe. FIG. 9 (b) shows the 3d orbits and 4s of neutral atoms, divalent ions and trivalent ions of Fe.
This shows the electron arrangement state in orbit. As can be seen from the electron configuration in FIG.
The energy difference for valence ions is not much greater than Hund's law. That is, the orbit with the aligned spins is preferentially filled, and even if the orbit with the spin direction different from that of the other orbits is filled with electrons, it is immediately rejected. Therefore, when a virtual level in the case of a trivalent ion (which becomes a divalent ion when an electron enters therein) is used as an empty level in the impurity atomic layer, resonance tunneling is performed by applying an extremely small voltage. A structure that can be created can be realized.

【0056】特に遷移金属の中でも、Mn,Fe,C
r,Ni,Cu,Sm,Eu,Gd,Yb,Lu,Ce
が特に好ましい。その理由は、これらの元素は2価と3
価、または1価と2価のように2つの価数をとることが
できるからである。
In particular, among the transition metals, Mn, Fe, C
r, Ni, Cu, Sm, Eu, Gd, Yb, Lu, Ce
Is particularly preferred. The reason is that these elements are divalent and trivalent
This is because two valences such as valence or monovalent and divalent can be taken.

【0057】それにより、図10(a)で示すように、
たとえば鉄の場合、3価イオンで存在しているFeに電
子をもう1つ入れて2価イオンにしても、両者間でエネ
ルギ準位はあまりずれない。したがって、外部から印可
する電圧V0 が小さくても、共鳴トンネリングを生ぜし
めることができ、共鳴トンネリング特性を有する非線形
素子として実用に供することができる。
As a result, as shown in FIG.
For example, in the case of iron, even if another electron is added to Fe, which is a trivalent ion, to make it a divalent ion, the energy level does not shift much between the two. Therefore, even if the voltage V0 applied from the outside is small, resonance tunneling can be generated, and the device can be put to practical use as a nonlinear element having resonance tunneling characteristics.

【0058】しかし、金属原子層の空の準位に電子を1
つ満たすことにより、電子のエネルギ準位が大きくずれ
てしまう場合は、素子として実用的に多少劣ったものと
なる。例えば図10(b)に示すように、電子を1つ入
れることで、この素子に印加する電圧を30ボルトにま
であげないと、共鳴トンネリングを生じない場合があ
る。ところが、30ボルトを印加すると、絶縁層のバリ
アが実質的に極めて低くなるので、電子が絶縁膜を乗り
越える確率やFNトンネリングを生じる確率が上昇する
ので、図10(b)に示すように、負性抵抗を示す範囲
が極めて僅かになる。よって、電子のエネルギ準位のず
れが高々数ボルトに押さえる必要がある。その点、遷移
金属は空の準位に電子を満たしてもエネルギ準位がそれ
程大きくずれないので、本発明の非線形素子の金属原子
層を構成するのに極めて適した元素である。
However, one electron is added to the empty level of the metal atomic layer.
If the energy levels of the electrons are greatly shifted by satisfying the above conditions, the device becomes somewhat inferior in practical use. For example, as shown in FIG. 10B, resonance tunneling may not occur unless one electron is applied to increase the voltage applied to this element to 30 volts. However, when a voltage of 30 volts is applied, the barrier of the insulating layer becomes substantially extremely low, so that the probability of electrons crossing the insulating film and the probability of causing FN tunneling increase, and as shown in FIG. The range showing the electrical resistance becomes extremely small. Therefore, it is necessary to suppress the shift of the energy level of electrons to several volts at most. On the other hand, the transition metal is an element that is extremely suitable for forming the metal atomic layer of the nonlinear element of the present invention because the energy level does not shift so much even if the empty level is filled with electrons.

【0059】次に、金属原子の空の軌道に電子がはいら
なければならない理由について説明する。電子は半導体
層から金属原子層中の空の軌道に共鳴トンネリングによ
って移動し、さらにもう一つの絶縁膜をトンネリングで
抜けてから導体部へと移動する。この過程で、もし、金
属原子層の空の軌道に電子が入らないとなると、半導体
層のフェルミ準位から金属原子層の空の準位へと電子は
移動できないことになる。したがって、金属原子層の空
の軌道には電子が入ることがトンネル電流を流すための
条件となる。すなわち、上述の説明における「空の準
位」とは、空の軌道に電子を満たすためのエネルギー準
位を指す。
Next, the reason why electrons must enter the empty orbit of the metal atom will be described. The electrons move from the semiconductor layer to an empty orbit in the metal atomic layer by resonance tunneling, pass through another insulating film by tunneling, and then move to the conductor. In this process, if electrons do not enter the empty orbit of the metal atomic layer, the electrons cannot move from the Fermi level of the semiconductor layer to the empty level of the metal atomic layer. Therefore, the entry of electrons into the empty orbit of the metal atomic layer is a condition for passing a tunnel current. That is, the “empty level” in the above description refers to an energy level for filling the orbit of the sky with electrons.

【0060】特に遷移金属を用いると、遷移金属のイオ
ン化傾向は絶縁層のイオン化傾向よりも大きいので、絶
縁層を抜けて電子が容易に空の軌道に入ることができ、
低電圧範囲で負性抵抗特性を有する共鳴トンネルダイオ
ードとして機能させるのには最適である。
In particular, when a transition metal is used, the ionization tendency of the transition metal is larger than the ionization tendency of the insulating layer, so that electrons can easily enter the empty orbit through the insulating layer.
It is most suitable to function as a resonant tunneling diode having a negative resistance characteristic in a low voltage range.

【0061】ここで、絶縁層を構成する材料が酸化物,
窒化物または弗化物の場合には、金属原子層を構成する
金属原子として酸素,窒素または弗素原子よりもイオン
化傾向の大きい原子が好ましい。それは、これらの元素
よりもイオン化傾向の小さい不純物元素では、すぐに酸
素,窒素,弗素等に電子を奪われてしまい、本発明の非
線形特性を発揮できない虞れがあるからである。遷移金
属は、酸化物,窒化物,弗化物よりもイオン化傾向が大
きいので、その点でも金属原子層を構成する元素として
適している。
Here, the material constituting the insulating layer is an oxide,
In the case of nitride or fluoride, metal atoms constituting the metal atom layer are preferably atoms having a higher ionization tendency than oxygen, nitrogen or fluorine atoms. This is because an impurity element having a lower ionization tendency than these elements may be deprived of electrons by oxygen, nitrogen, fluorine or the like immediately, and may not be able to exhibit the nonlinear characteristics of the present invention. Transition metals have a higher ionization tendency than oxides, nitrides, and fluorides, and thus are also suitable as elements constituting a metal atomic layer.

【0062】(第2の実施形態)次に、第2の実施形態
について説明する。図11〜図14は本実施形態に係る
半導体装置の製造工程を示す断面図である。
(Second Embodiment) Next, a second embodiment will be described. 11 to 14 are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.

【0063】まず、図11に示す工程において、Si基
板の内部に酸素イオンを注入するなどの方法により、S
OI基板260を形成する。このSOI基板260は、
Si基板201と、Si基板201の上に形成された埋
め込み酸化膜202と、埋め込み酸化膜202の上に形
成されたp型Si層250とにより構成されている。p
型Si層250は約100〜200nmの厚さを有し、
p型Si層250の不純物濃度は約1015〜1016/c
3 である。その後、選択酸化法等を用いて、p型Si
層250を複数の孤立した領域に区画するための素子分
離酸化膜251を形成する。素子分離酸化膜251の厚
さはp型Si層250の各領域が電気的絶縁されればよ
いため、p型Si層250の約1.5〜2倍程度でよ
い。
First, in the step shown in FIG. 11, S ions are implanted into the Si substrate by a method such as implantation of oxygen ions.
An OI substrate 260 is formed. This SOI substrate 260
It comprises a Si substrate 201, a buried oxide film 202 formed on the Si substrate 201, and a p-type Si layer 250 formed on the buried oxide film 202. p
The type Si layer 250 has a thickness of about 100 to 200 nm,
The impurity concentration of the p-type Si layer 250 is about 10 15 to 10 16 / c.
m is 3. After that, using a selective oxidation method or the like, the p-type Si
An element isolation oxide film 251 for dividing the layer 250 into a plurality of isolated regions is formed. The thickness of the element isolation oxide film 251 may be about 1.5 to 2 times the thickness of the p-type Si layer 250 because each region of the p-type Si layer 250 may be electrically insulated.

【0064】次に、図12に示す工程において、p型S
i層250の表面を、金属イオンとしての鉄イオンと酸
化剤としてのオゾンとを含む水に約5時間接触させる。
鉄イオンは約0.1〜10ppmの濃度に調整する。こ
の処理によって、p型Si層250の上に第1シリコン
酸化膜205が約1.5nmの厚みで形成される。
Next, in the step shown in FIG.
The surface of i-layer 250 is brought into contact with water containing iron ions as metal ions and ozone as oxidizing agent for about 5 hours.
The iron ion is adjusted to a concentration of about 0.1 to 10 ppm. By this process, a first silicon oxide film 205 is formed on the p-type Si layer 250 with a thickness of about 1.5 nm.

【0065】続いて、p型Si層250の上に形成され
た第1シリコン酸化膜205をオゾンのみを含む水に約
5時間接触させる。この処理によって、第1シリコン酸
化膜205とp型Si層250との界面でさらに酸化が
進む。すなわち、第1シリコン酸化膜205とp型Si
層250との間に、厚みが約1.5nmの第2シリコン
酸化膜206が形成される。この第2シリコン酸化膜2
06中には、鉄はドープされていない。
Subsequently, the first silicon oxide film 205 formed on the p-type Si layer 250 is brought into contact with water containing only ozone for about 5 hours. By this processing, oxidation proceeds further at the interface between the first silicon oxide film 205 and the p-type Si layer 250. That is, the first silicon oxide film 205 and the p-type Si
A second silicon oxide film 206 having a thickness of about 1.5 nm is formed between the layer and the layer 250. This second silicon oxide film 2
In 06, iron is not doped.

【0066】さらに、超高真空CVD等を用いて第1シ
リコン酸化膜205の上に、厚みが約5nmの第3シリ
コン酸化膜207を形成する。この第3シリコン酸化膜
207中には、鉄はドープされていない。
Further, a third silicon oxide film 207 having a thickness of about 5 nm is formed on the first silicon oxide film 205 by using ultra-high vacuum CVD or the like. The third silicon oxide film 207 is not doped with iron.

【0067】以上の工程により、鉄をドープした第1シ
リコン酸化膜205が、鉄をドープしていない第2シリ
コン酸化膜206及び第3シリコン酸化膜207で挟み
込まれる構造となる。この後、Si基板201をH2 ガ
ス雰囲気中600℃で1時間熱処理を行う。
Through the above steps, the first silicon oxide film 205 doped with iron is sandwiched between the second silicon oxide film 206 and the third silicon oxide film 207 not doped with iron. Thereafter, the Si substrate 201 is heat-treated at 600 ° C. for 1 hour in an H 2 gas atmosphere.

【0068】次に、図13に示す工程において、基板の
全面上にポリシリコン膜を堆積した後、フォトリソグラ
フィとドライエッチングを用いて、このポリシリコン膜
と第1〜第3シリコン酸化膜205〜207とをパター
ニングする。すなわち、ポリシリコン膜及び第1〜第3
シリコン酸化膜205〜207のうちp型Si層250
の中央付近の上方にある部分のみを残し他は除去して、
第1〜第3シリコン酸化膜205〜207の上にポリシ
リコン電極208を形成する。そして、このポリシリコ
ン電極をマスクとしてn型不純物イオンの注入を行い、
自己整合的にn型拡散層270を形成する。n型拡散層
270の不純物濃度は1020/cm3 程度である。
Next, in a step shown in FIG. 13, after a polysilicon film is deposited on the entire surface of the substrate, the polysilicon film and the first to third silicon oxide films 205 to 205 are formed by photolithography and dry etching. 207 is patterned. That is, the polysilicon film and the first to third
The p-type Si layer 250 among the silicon oxide films 205 to 207
Remove only the upper part near the center of the other, remove
A polysilicon electrode 208 is formed on the first to third silicon oxide films 205 to 207. Then, n-type impurity ions are implanted using the polysilicon electrode as a mask,
An n-type diffusion layer 270 is formed in a self-aligned manner. The impurity concentration of the n-type diffusion layer 270 is about 10 20 / cm 3 .

【0069】次に、図14に示す工程において、基板の
全面上に層間絶縁膜209を堆積した後、フォトリソグ
ラフィとドライエッチングを用いて、層間絶縁膜209
の一部を開口し、ポリシリコン電極208の両側のn型
拡散層270に到達するコンタクトホールをそれぞれ形
成する。さらに、この各コンタクトホールをタングステ
ン(W)で埋めて第1,第2Wプラグ210a,210
bを形成した後、基板の全面上にアルミニウム(Al)
合金膜を堆積し、さらに、この膜をパターニングして、
各Wプラグ210a,210bに接続される第1Al配
線211及び第2Al配線212を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 14, after depositing an interlayer insulating film 209 over the entire surface of the substrate, the interlayer insulating film 209 is formed by photolithography and dry etching.
Are formed, and contact holes reaching the n-type diffusion layers 270 on both sides of the polysilicon electrode 208 are formed. Further, each contact hole is filled with tungsten (W) to form first and second W plugs 210a and 210.
After forming b, aluminum (Al) is formed on the entire surface of the substrate.
Depositing an alloy film and patterning this film,
A first Al wiring 211 and a second Al wiring 212 connected to each W plug 210a, 210b are formed.

【0070】以上の製造工程により、鉄を含む第1シリ
コン酸化膜205を鉄を含まない第2,第3シリコン酸
化膜206,207で挟んでなる共鳴トンネルダイオー
ドが得られる。この共鳴トンネルダイオードの動作につ
いて、以下に説明する。
Through the above manufacturing steps, a resonance tunnel diode in which the first silicon oxide film 205 containing iron is sandwiched between the second and third silicon oxide films 206 and 207 not containing iron. The operation of the resonant tunnel diode will be described below.

【0071】図15に示すように、 第2Al配線21
2を接地するとともに、第1Al配線211と第2Al
配線212との間に、第1Al配線211が正となる電
位を印加すると、電位の変化に応じて第1Al配線21
1と第2Al配線212との間に流れる電流も変化す
る。図16は、この時に得られる電流−電圧特性を示す
図である。 図17(a)〜(c)は、第1Al配線2
11に印加される電圧の変化に応じたn型拡散層270
−ポリシリコン電極208間のエネルギーバンドの変化
を示す図である。以下、この電流−電圧特性について説
明する。ただし、基本的な動作原理は上記第1の実施形
態と同じであるので、以下の説明は簡略化してある。
As shown in FIG. 15, the second Al wiring 21
2 and the first Al wiring 211 and the second Al
When a potential at which the first Al wiring 211 becomes positive is applied between the first Al wiring 211 and the wiring 212, the first Al wiring 21
The current flowing between the first and second Al wirings 212 also changes. FIG. 16 is a diagram showing current-voltage characteristics obtained at this time. FIGS. 17A to 17C show the first Al wiring 2.
N-type diffusion layer 270 corresponding to a change in the voltage applied to
FIG. 4 is a diagram showing a change in an energy band between polysilicon electrodes 208. Hereinafter, the current-voltage characteristics will be described. However, since the basic operation principle is the same as that of the first embodiment, the following description is simplified.

【0072】まず、図17(a)に示すように、電圧が
ゼロの場合、平衡状態であり、第1シリコン酸化膜20
5内のFe原子の空の準位は、半導体および金属のフェ
ルミ準位よりもかなり高い。したがって、図16の電流
−電圧特性線Jv2中の点Jv2aに示すように、電流は流
れない。
First, as shown in FIG. 17A, when the voltage is zero, an equilibrium state is established and the first silicon oxide film 20
The empty levels of the Fe atoms in 5 are significantly higher than the Fermi levels of semiconductors and metals. Therefore, no current flows as indicated by a point Jv2a in the current-voltage characteristic line Jv2 of FIG.

【0073】さらに第2Al配線112とポリシリコン
電極208との間に印加する電圧を正の方向に大きくし
ていくにしたがって、n型拡散層270のフェルミ準位
と第1シリコン酸化膜205中のFe原子の空の準位と
が近づくため共鳴状態に近づき、n型拡散層270と第
1シリコン酸化膜205中の空の準位との間の第2シリ
コン酸化膜206中をトンネリングで抜ける電子数つま
りトンネル電流が増加していく。その際、上記第1の実
施形態とは異なり、第3シリコン酸化膜が厚いので、空
の軌道に入った電子がさらにポリシリコン電極208に
移動するにはより高い電圧を加える必要がある。つま
り、電流が流れ出すには一定の電圧値Vop以上の電圧を
印加する必要がある。
Further, as the voltage applied between second Al wiring 112 and polysilicon electrode 208 is increased in the positive direction, the Fermi level of n-type diffusion layer 270 and the Electrons approaching the empty level of Fe atoms and approaching the resonance state, and tunneling through the second silicon oxide film 206 between the n-type diffusion layer 270 and the empty level in the first silicon oxide film 205. The number, ie, the tunnel current, increases. At this time, unlike the first embodiment, since the third silicon oxide film is thick, it is necessary to apply a higher voltage to move the electrons entering the empty orbit to the polysilicon electrode 208 further. That is, it is necessary to apply a voltage equal to or higher than the fixed voltage value Vop in order for the current to flow.

【0074】そして、図17(b)に示すように、Fe
原子の空の準位がn型拡散層270のフェルミ準位と共
鳴した場合に電流が最大となり、図16の電流−電圧特
性線Jv2の点Jv2bに示す極大の電流が流れる。
Then, as shown in FIG.
When the empty level of the atoms resonates with the Fermi level of the n-type diffusion layer 270, the current becomes maximum, and the maximum current shown by the point Jv2b of the current-voltage characteristic line Jv2 in FIG. 16 flows.

【0075】さらに電圧を大きくすると、n型拡散層2
70のフェルミ準位と第1シリコン酸化膜205中のF
e原子の空の準位との差が拡大していくので、トンネリ
ングによって移動する電子の数が減少し次第に電流が減
少する。これによってこの素子では負性抵抗が観測され
ることになる。そして、図16の電流−電圧特性線Jv2
中の点Jv2cで電流は極小となる。
When the voltage is further increased, the n-type diffusion layer 2
70 and F in the first silicon oxide film 205
As the difference from the empty level of the e atom increases, the number of electrons moving by tunneling decreases and the current gradually decreases. As a result, a negative resistance is observed in this element. Then, the current-voltage characteristic line Jv2 of FIG.
The current becomes minimal at the middle point Jv2c.

【0076】そして、電圧をさらに上げていくと、n型
拡散層270のフェルミ準位と絶縁膜のバリアの差が小
さくなる。つまり絶縁膜によるバリアの高さが実効的に
低くなるために再び電流が増加する。
When the voltage is further increased, the difference between the Fermi level of the n-type diffusion layer 270 and the barrier of the insulating film becomes smaller. That is, the current increases again because the height of the barrier formed by the insulating film is effectively reduced.

【0077】一方、ポリシリコン電極208に負の電圧
を印加すると、図17(d)に示すように、Fe原子の
空の準位がポリシリコン電極208のフェルミ準位と共
鳴し、電流が流れ出す。
On the other hand, when a negative voltage is applied to the polysilicon electrode 208, the empty level of Fe atoms resonates with the Fermi level of the polysilicon electrode 208 as shown in FIG. .

【0078】本実施形態では、第2シリコン酸化膜20
6の膜厚が1.5nmであり、第3シリコン酸化膜20
7の膜厚が5nmである。このように第2シリコン酸化
膜206と第3シリコン酸化膜207の膜厚が異なる場
合、n型拡散層270とポリシリコン電極208との間
に印加された電圧の分配が膜厚によって異なり、ポリシ
リコン電極208に正の電圧を印加した時電流が流れ出
す電圧の絶対値と、ポリシリコン電極208に負の電圧
を印加した時電流が流れ出す電圧の絶対値とは異なる。
本実施形態では、ポリシリコン電極208に負の電圧を
印加した時電流が流れ出す電圧の絶対値の方が低い。し
たがって、ポリシリコン電極208に小さな負の電圧V
wを印加して、第1シリコン酸化膜205に電荷を蓄え
させることができる。この電荷の有無は、ポリシリコン
電極208、p型Si層250及びn型拡散層270で
構成されるn型MOSトランジスタを通常動作させるこ
とで判断できる。すなわち、ポリシリコン電極208に
正の電圧を印加し、第1Al配線211を接地し(0
V)、第2Al配線212に適当な正の電圧を印加す
る。そのとき、第1シリコン酸化膜205内の電荷の有
無で上記n型MOSトランジスタの閾値が変化するた
め、上記n型MOSトランジスタの閾値の違いを何らか
の方法で判断することで、メモリとして使用することが
できる。さらに、第1シリコン酸化膜205に蓄えられ
た電荷は移動しにくいため、この素子を不揮発性メモリ
として用いることができる。すなわち、本実施形態の半
導体装置は、フラッシュメモリとして機能する。ただ
し、その場合、ポリシリコン電極208に印加する正の
電圧には上限がある。すなわち、n型拡散層270のフ
ェルミ準位と第1シリコン酸化膜205内のFe原子の
空の準位との間で共鳴トンネル電流が流れない範囲で用
いる必要がある。よって、図16に示すように、読み出
し電圧はVop以下に設定しておくことが望ましい。
In this embodiment, the second silicon oxide film 20
6 is 1.5 nm, and the third silicon oxide film 20
7 has a thickness of 5 nm. When the thicknesses of the second silicon oxide film 206 and the third silicon oxide film 207 are different as described above, the distribution of the voltage applied between the n-type diffusion layer 270 and the polysilicon electrode 208 is different depending on the film thickness, and An absolute value of a voltage at which a current flows when a positive voltage is applied to the silicon electrode 208 is different from an absolute value of a voltage at which a current flows when a negative voltage is applied to the polysilicon electrode 208.
In the present embodiment, the absolute value of the voltage at which current flows when a negative voltage is applied to the polysilicon electrode 208 is lower. Therefore, a small negative voltage V is applied to the polysilicon electrode 208.
By applying w, charges can be stored in the first silicon oxide film 205. The presence or absence of the charge can be determined by operating the n-type MOS transistor including the polysilicon electrode 208, the p-type Si layer 250, and the n-type diffusion layer 270 normally. That is, a positive voltage is applied to the polysilicon electrode 208, and the first Al wiring 211 is grounded (0
V), an appropriate positive voltage is applied to the second Al wiring 212. At this time, since the threshold value of the n-type MOS transistor changes depending on the presence or absence of electric charge in the first silicon oxide film 205, the difference in the threshold value of the n-type MOS transistor is determined by some method, so that it can be used as a memory. Can be. Further, since the electric charge stored in the first silicon oxide film 205 is hard to move, this element can be used as a nonvolatile memory. That is, the semiconductor device of the present embodiment functions as a flash memory. However, in that case, the positive voltage applied to the polysilicon electrode 208 has an upper limit. That is, it is necessary to use the Fermi level in the n-type diffusion layer 270 and the empty level of Fe atoms in the first silicon oxide film 205 within a range in which the resonance tunnel current does not flow. Therefore, as shown in FIG. 16, it is desirable to set the read voltage to Vop or less.

【0079】以上のように、本実施の形態の半導体素子
は、電流−電圧特性中に負性抵抗部分を持つ非線形素子
及び不揮発性メモリとして機能する。この素子はトンネ
ル効果を利用したものであり、動作電圧、動作電流も小
さいので低消費電力の素子として機能する。また、デバ
イスのサイズも小さいので高集積化が図れる。
As described above, the semiconductor device of this embodiment functions as a non-linear device having a negative resistance portion in the current-voltage characteristics and a nonvolatile memory. This element utilizes the tunnel effect and has a small operating voltage and operating current, and thus functions as a low power consumption element. Further, since the size of the device is small, high integration can be achieved.

【0080】特に、上記第1の実施形態と同様に、不純
物原子として遷移金属を用いることで、遷移金属の空の
準位を利用でき、この空の準位の利用によって、電圧を
大きくすることなく電子を入れることができるので、絶
縁膜を通してトンネル電流を流すことができる。さら
に、遷移金属原子固有のエネルギーレベルを用いている
ため、膜厚等がばらついても、電流ピークが得られる電
圧には変化がない。
In particular, as in the first embodiment, by using a transition metal as an impurity atom, an empty level of the transition metal can be used, and the voltage can be increased by using the empty level. Since electrons can be injected without any problem, a tunnel current can flow through the insulating film. Further, since the energy level inherent to the transition metal atom is used, the voltage at which the current peak is obtained does not change even if the film thickness or the like varies.

【0081】本実施の形態では、第1シリコン酸化膜2
05中にドープする金属として鉄を用いたが、上記第1
の実施形態と同様の金属を用いることができることはい
うまでもない。
In this embodiment, the first silicon oxide film 2
Although iron was used as a metal to be doped in
It goes without saying that the same metal as in the embodiment can be used.

【0082】上記第1,第2の実施形態において、金属
イオンと共にエッチング液に混在させる酸化剤としてオ
ゾンを使用したが、本発明は斯かる実施形態に限定され
るものではなく、過酸化水素や発煙硝酸などの他の酸化
剤を使用することも可能である。
In the first and second embodiments, ozone is used as an oxidizing agent mixed in the etching solution together with the metal ions. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and the present invention is not limited thereto. It is also possible to use other oxidizing agents such as fuming nitric acid.

【0083】[0083]

【発明の効果】請求項1〜10によれば、半導体装置の
製造方法として、半導体を金属イオンと酸化剤を含む液
体に接触させることにより、酸化膜中に金属を取り込み
この酸化膜を一部に有する半導体装置を形成するように
したので、原子レベルでの膜厚の制御を行うことなく、
金属の空の電子軌道を介した共鳴トンネリングを利用し
て、電流・電圧が小さく低消費電力で、かつ集積度の高
い非線形素子や不揮発性メモリとして機能する半導体装
置を形成することができる。
According to the first to tenth aspects of the present invention, as a method of manufacturing a semiconductor device, a semiconductor is brought into contact with a liquid containing metal ions and an oxidizing agent, thereby taking in a metal in the oxide film and partially forming the oxide film. Since the semiconductor device having the above is formed, without controlling the film thickness at the atomic level,
By utilizing resonance tunneling through empty electron orbits of a metal, a semiconductor device having low current and voltage, low power consumption, and functioning as a highly integrated non-linear element or a nonvolatile memory can be formed.

【0084】請求項11〜16によれば、半導体装置内
に、金属を含む第1の絶縁膜を金属を含まない第2,第
3の絶縁膜で挟んだ構造を設けたので、金属の空の電子
軌道を介した共鳴トンネリングを利用して、電流・電圧
が小さく低消費電力で、かつ集積度の高い非線形素子や
不揮発性メモリとして機能する半導体装置の提供を図る
ことができる。
According to the present invention, the structure in which the first insulating film containing a metal is sandwiched between the second and third insulating films containing no metal is provided in the semiconductor device. By utilizing the resonant tunneling via the electron orbit, it is possible to provide a semiconductor device which has a small current / voltage, consumes low power, and functions as a highly integrated non-linear element or a nonvolatile memory.

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

【図1】第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程
のうちSOI基板上に素子分離酸化膜を形成するまでの
工程を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a process of forming a device isolation oxide film on an SOI substrate in a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment.

【図2】第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程
のうち第1,第2n型拡散層を形成するまでの工程を示
す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a process up to forming first and second n-type diffusion layers in the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図3】第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程
のうち第1,第2,第3シリコン酸化膜を形成するまで
の工程を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a process of forming a first, second, and third silicon oxide films in a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment;

【図4】第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程
のうちポリシリコン電極を形成するまでの工程を示す断
面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step of forming a polysilicon electrode in the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment;

【図5】第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程
のうち第1,第2Al配線を形成するまでの工程を示す
断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a process of forming the first and second Al wirings in the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図6】第1の実施形態に係る半導体装置への電圧の印
加状態を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a state where a voltage is applied to the semiconductor device according to the first embodiment;

【図7】第1の実施の形態に係る半導体装置の電流−電
圧特性図である。
FIG. 7 is a current-voltage characteristic diagram of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図8】第1の実施形態に係る半導体装置の電圧の印加
状態の変化に応じたエネルギー状態の変化を示すエネル
ギーバンド図である。
FIG. 8 is an energy band diagram showing a change in an energy state according to a change in a voltage application state of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図9】鉄元素の原子模型図及び電子配置図である。FIG. 9 is an atomic model diagram and an electron arrangement diagram of an iron element.

【図10】不純物原子層の空の電子軌道を電子で満たす
ためのエネルギー準位の値と電流−電圧特性との関係を
示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a value of an energy level for filling an empty electron orbit of an impurity atomic layer with electrons and current-voltage characteristics.

【図11】第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工
程のうちSOI基板上に素子分離酸化膜を形成するまで
の工程を示す断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a step of forming a device isolation oxide film on an SOI substrate in the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図12】第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工
程のうち第1,第2,第3シリコン酸化膜を形成するま
での工程を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a step of forming first, second, and third silicon oxide films in the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図13】第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工
程のうちポリシリコン電極を形成するまでの工程を示す
断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a step until a polysilicon electrode is formed in the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図14】第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工
程のうち第1,第2Al配線を形成するまでの工程を示
す断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a step of forming first and second Al wirings in the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図15】第2の実施形態に係る半導体装置への電圧の
印加状態を示す断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a state where a voltage is applied to the semiconductor device according to the second embodiment.

【図16】第2の実施の形態に係る半導体装置の電流−
電圧特性図である。
FIG. 16 is a graph showing current- of the semiconductor device according to the second embodiment.
It is a voltage characteristic figure.

【図17】第2の実施形態に係る半導体装置の電圧の印
加状態の変化に応じたエネルギー状態の変化を示すエネ
ルギーバンド図である。
FIG. 17 is an energy band diagram showing a change in an energy state according to a change in a voltage application state of the semiconductor device according to the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 Si基板 102 埋め込み酸化膜 103 第1n型拡散層 104 第2n型拡散層 105 第1シリコン酸化膜 106 第2シリコン酸化膜 107 第3シリコン酸化膜 108 ポリシリコン電極 109 層間絶縁膜 110a,b 第1,第2Wプラグ 111 第1Al配線 112 第2Al配線 150 p型Si層 151 素子分離酸化膜 160 SOI基板 201 Si基板 202 埋め込み酸化膜 205 第1シリコン酸化膜 206 第2シリコン酸化膜 207 第3シリコン酸化膜 208 ポリシリコン電極 209 層間絶縁膜 210a,b 第1,第2Wプラグ 211 第1Al配線 212 第2Al配線 250 p型Si層A 251 素子分離酸化膜 260 SOI基板 270 n型拡散層 101 Si substrate 102 buried oxide film 103 first n-type diffusion layer 104 second n-type diffusion layer 105 first silicon oxide film 106 second silicon oxide film 107 third silicon oxide film 108 polysilicon electrode 109 interlayer insulating film 110a, b first , Second W plug 111 first Al wiring 112 second Al wiring 150 p-type Si layer 151 element isolation oxide film 160 SOI substrate 201 Si substrate 202 buried oxide film 205 first silicon oxide film 206 second silicon oxide film 207 third silicon oxide film 208 Polysilicon electrode 209 Interlayer insulating film 210a, b First and second W plug 211 First Al wiring 212 Second Al wiring 250 P-type Si layer A 251 Element isolation oxide film 260 SOI substrate 270 N-type diffusion layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 聖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 幸 康一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 熊渕 康仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Seiji Araki 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 72) Inventor Yasuhito Kubuchi 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体層を有する基板の上記半導体層を
金属イオン及び酸化剤を含む液体に接触させて、上記半
導体層の上に金属を含む酸化膜を形成する第1の工程
と、 上記酸化膜の上に導体膜からなる電極を形成する第2の
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。
A first step of contacting the semiconductor layer of a substrate having a semiconductor layer with a liquid containing metal ions and an oxidizing agent to form an oxide film containing a metal on the semiconductor layer; A step of forming an electrode made of a conductive film on the film.
【請求項2】 請求項1記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 上記第1の工程の後かつ上記第2の工程の前に、上記酸
化膜の上に薄い絶縁膜を堆積させる工程をさらに備え、 上記第2の工程では、上記絶縁膜の上に電極を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of depositing a thin insulating film on said oxide film after said first step and before said second step. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the second step, an electrode is formed on the insulating film.
【請求項3】 請求項1又は2記載の半導体装置の製造
方法において、 上記第1の工程の後すぐに、上記酸化膜を酸化剤のみを
含む液体に接触させて上記半導体層を酸化させ、上記半
導体層と上記酸化膜との間に第2の酸化膜を形成する工
程をさらに備えていることを特徴とする半導体装置の製
造方法。
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein immediately after the first step, the oxide film is brought into contact with a liquid containing only an oxidizing agent to oxidize the semiconductor layer; A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming a second oxide film between the semiconductor layer and the oxide film.
【請求項4】 請求項1,2又は3記載の半導体装置の
製造方法において、 上記第1の工程の後、かつ上記第2の工程の前又は後
に、上記半導体基板を還元雰囲気中で熱処理する工程を
さらに備えていることを特徴とする半導体装置の製造方
法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is heat-treated in a reducing atmosphere after the first step and before or after the second step. A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step.
【請求項5】 第1導電型の半導体層を有する基板の上
記半導体層を金属イオン及び酸化剤を含む液体に接触さ
せて、上記半導体層の上に金属を含む酸化膜を形成する
第1の工程と、 上記酸化膜の上に絶縁膜を形成する第2の工程と、 上記絶縁膜の上に導体膜からなる電極を形成する第3の
工程と、 上記電極をマスクにして上記半導体層内に第2導電型不
純物を導入し、上記半導体層内の上記電極の両側となる
領域に第2導電型の拡散層を形成する第4の工程とを備
えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. A first method for forming an oxide film containing a metal on the semiconductor layer by bringing the semiconductor layer of the substrate having a semiconductor layer of the first conductivity type into contact with a liquid containing a metal ion and an oxidizing agent. A second step of forming an insulating film on the oxide film; a third step of forming an electrode made of a conductive film on the insulating film; And a fourth step of introducing a second conductivity type impurity into the semiconductor layer to form a second conductivity type diffusion layer in regions on both sides of the electrode in the semiconductor layer. Production method.
【請求項6】 請求項5記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 上記第1の工程の後すぐに、上記酸化膜を酸化剤のみを
含む液体に接触させて上記半導体層を酸化させ、上記半
導体層と上記酸化膜との間に第2の酸化膜を形成する工
程をさらに備えていることを特徴とする半導体装置の製
造方法。
6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein immediately after said first step, said oxide film is brought into contact with a liquid containing only an oxidizing agent to oxidize said semiconductor layer, A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming a second oxide film between a layer and the oxide film.
【請求項7】 請求項5又は6記載の半導体装置の製造
方法において、 上記第1の工程及び第2の工程の後、かつ上記第3の工
程の前又は後に、上記半導体基板を還元雰囲気中で熱処
理する工程をさらに備えていることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
7. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the semiconductor substrate is placed in a reducing atmosphere after the first step and the second step and before or after the third step. A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising:
【請求項8】 請求項1,2,3,4,5,6又は7記
載の半導体装置の製造方法において、 上記金属イオンは、遷移金属イオンであることを特徴と
する半導体装置の製造方法。
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said metal ions are transition metal ions.
【請求項9】 請求項8記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 上記遷移金属イオンは、鉄イオンであることを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein said transition metal ion is an iron ion.
【請求項10】 請求項1,2,3,4,5,6,7,
8又は9記載の半導体装置の製造方法において、 上記酸化剤は、オゾンであることを特徴とする半導体装
置の製造方法。
10. The method according to claim 1,2,3,4,5,6,7,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8 or 9, wherein the oxidizing agent is ozone.
【請求項11】 少なくとも表面部に半導体層を有する
基板と、 上記半導体層の上方に形成され金属不純物を含む第1の
絶縁膜と、 上記第1の絶縁膜と上記半導体層との間に介設され、電
子の移動に対して障壁となるポテンシャルエネルギーと
電子がトンネリング可能な厚みとを有する第2の絶縁膜
と、 上記第1の絶縁膜の上に形成され、電子の移動に対して
障壁となるポテンシャルエネルギーと電子がトンネリン
グ可能な厚みとを有し、かつ上記第1の絶縁膜とは厚み
の異なる第3の絶縁膜と、 上記第3の絶縁膜の上に形成された導体膜からなる電極
とを備えていることを特徴とする半導体装置。
11. A substrate having a semiconductor layer at least on a surface portion, a first insulating film formed above the semiconductor layer and containing a metal impurity, and an interlayer between the first insulating film and the semiconductor layer. A second insulating film having a potential energy serving as a barrier against the movement of electrons and a thickness allowing tunneling of the electrons; and a second insulating film formed on the first insulating film and having a barrier against the movement of the electrons. A third insulating film having a potential energy and a thickness capable of tunneling electrons, and having a thickness different from that of the first insulating film; and a conductive film formed on the third insulating film. A semiconductor device comprising: an electrode;
【請求項12】 少なくとも表面部に半導体層を有する
基板と、 上記半導体層の上方に形成され金属不純物を含む第1の
絶縁膜と、 上記第1の絶縁膜と上記半導体層との間に介設され、電
子の移動に対して障壁となるポテンシャルエネルギーと
電子がトンネリング可能な厚みとを有する第2の絶縁膜
と、 上記第1の絶縁膜の上に形成され、電子の移動に対して
障壁となるポテンシャルエネルギーを有するとともに電
子がトンネリング可能に構成された第3の絶縁膜と、 上記第3の絶縁膜の上に形成された導体膜からなる電極
と、 上記半導体層内における上記電極の下方に形成された第
1導電型のチャネル領域と、 上記半導体層内における上記電極の両側方に形成された
第2導電型のソース・ドレイン領域とを備えていること
を特徴とする半導体装置。
12. A substrate having a semiconductor layer at least on a surface portion, a first insulating film formed above the semiconductor layer and containing a metal impurity, and an intervening layer between the first insulating film and the semiconductor layer. A second insulating film having a potential energy serving as a barrier against the movement of electrons and a thickness allowing tunneling of the electrons; and a second insulating film formed on the first insulating film and having a barrier against the movement of the electrons. A third insulating film having potential energy and tunneling of electrons, an electrode formed of a conductor film formed on the third insulating film, and a portion of the semiconductor layer below the electrode. And a second conductivity type source / drain region formed on both sides of the electrode in the semiconductor layer. Conductor device.
【請求項13】 請求項12記載の半導体装置におい
て、 上記第1の絶縁膜よりも上記第3の絶縁膜の方は厚みが
大きいことを特徴とする半導体装置。
13. The semiconductor device according to claim 12, wherein the thickness of the third insulating film is larger than that of the first insulating film.
【請求項14】 請求項12又は13記載の半導体装置
において、 上記第1,第2及び第3の絶縁膜のうち少なくともいず
れか一つが多層膜で構成されていることを特徴とする半
導体装置。
14. The semiconductor device according to claim 12, wherein at least one of the first, second, and third insulating films is formed of a multilayer film.
【請求項15】 請求項10,11,12,13又は1
4記載の半導体装置において、 上記金属不純物は、遷移金属であることを特徴とする半
導体装置。
15. The method according to claim 10, 11, 12, 13, or 1.
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the metal impurity is a transition metal.
【請求項16】 請求項15記載の半導体装置におい
て、 上記遷移金属は、鉄であることを特徴とする半導体装
置。
16. The semiconductor device according to claim 15, wherein said transition metal is iron.
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