リソグラフィ限界を超えた制御性の良いシリコンナノデバイスの作製に関する研究

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450112
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平本 俊郎 東京大学, 大規模集積システム設計教育研究センター, 助教授 (20192718)
• 研究分担者: 藤島 実 東京大学, 工学系研究科, 講師 (60251352) ; 鳳 紘一郎 東京大学, 大規模集積システム設計教育研究センター, 教授 (60211538)
• キーワード: MOSFET / ナノデバイス / 特性ばらつき / 単一電子 / 量子効果 / 異方性エッチング / 自己形成 / SOI

研究概要

本研究の目的は,電子ビーム露光装置等の高精細リソグラフィ技術を用いずに,ナノスケールのシリコンデバイスを制御性良く作製する技術を確立し,そのデバイス特性における単電子効果や量子効果を評価することである.これまでに,10nm程度のチャネル幅を有するMOSFETの作製と,単電子効果によるクーロンブロッケード振動の観測に成功している.リソグラフィの限界を超えてナノデバイスを作製する方法には,SOI基板上の異方性エッチングとシリコン酸化膜/窒化膜の積層膜を用いる.2回の異方性エッチングと選択酸化により,SOI層の膜厚に相当するチャネル幅をもつ極めて微細なポイントコンタクト構造を作製した.この構造をチャネルとするMOSFETを多数試作したところ,ドレイン電流のばらつきは10%以内であり,極めて均一なチャネルが形成されていることが明らかになった.また,低温でこれらのMOSFETの特性を測定すると,単電子トンネルによるクーロンブロッケード振動が観測された.極めて狭窄されたチャネルに自然にトンネル障壁が形成され,シリコンドットが存在していることを示している.一つのデバイスでn型とp型のソース/トレインをもつMOSFETを試作し,電子とホールの双方の伝導を調べた結果,トンネル障壁は,量子閉じこめ効果かシリコン酸化膜によって形成されていることを明らかにした.また,シリコンドットにおける量子効果と単一電子チャージング効果の関係も実験結果から定量的に明らかにすることに成功した.

研究成果

• [文献書誌] H.Ishikuro: "Hopping Transport in Multiple-Dot Silicon Single Electron MOSFET" Solid State Electronics. Vol.42, No.7-8. 1425-1428 (1998)
• [文献書誌] Hiroki Ishikuro: "Fabrication of Nano-Scale Point Contact Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistors Using Micrometer-Scale Design Rule" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.38, No.1B. 396-398 (1999)
• [文献書誌] T.Hiramoto: "Quantum Energy and Charging Energy in Point Contact MOSFETs acting as Single Electron Transistors" Superlattices and Microdevices. Vol.24, No.1/2. 263-267 (1999)
• [文献書誌] Hiroki Ishikuro: "On the origin of tunneling barriers in silicon single electron and single hole transistors" Applied Physics Letter. Vol.74, No.8. 1126-1128 (1999)
• [文献書誌] Toshiro Hiramoto: "Coulomb Blockade in VLSI-Compatible Multiple-Dot and Single-Dot MOSFETs" International Journal of Electronics. (印刷中). (1999)