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

1999 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, 工学部・電子情報工学科, 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 / 単一電子 / クーロンブロッケード / SET / シリコンドット / SOI / 異方性エッチング

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.本研究では,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として,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技術を提案した。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する.この構造をチャネルとするMOSFETを多数試作すると,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ている.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.本技術は均一性と再現性が極めてよいため,本年度は単電子トンネルデバイスを集積する技術を開拓した.まず,シリコン微結晶ドットをフローティングゲートとする単電子トランジスタを作製し,メモリ効果を利用してトランジスタの特性を制御することを明らかにした.ゲート印加電圧により,クーロンブロッケード振動のピーク位置を希望の位置に調整することが可能となる.この方法を用いて2個の単電子デバイスを集積することに成功し,方向性電流スイッチの動作確認を行った.

研究成果

• [文献書誌] H.Ishikuro and T.Hiramoto: "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] Yi Shi,Kenichi Saito,Hiroki Isikuro, and Toshiro Hiramoto: "Characteristics of Narrow Channel MOSFET Memory Based on Silicon Nanocrystals"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.38,No.4B. 2453-2456 (1999)
• [文献書誌] Toshiro Hiramoto and HIroki Ishikuro: "Coulomb Blockade in VLSI-Compatible Multiple-Dot and Single-Dot MOSFETs"International Journal of Electronics. Vol.86,No.5. 591-603 (1999)
• [文献書誌] Toshiro Hiramoto,H.Ishikuro,and H.Majima(Invited): "Highly Integrated Single Electron Devices and Giga-bit Lithography"Journal of Photopolymer Science and Technology. Vo.12,No3. 417-422 (1999)
• [文献書誌] Eiji Nagata,Nobuyoshi Takahashi,Yuri Yasuda,Takashi Inukai,Hiroki Ishikuro, and Toshiro Hiramoto: "Characteristic Distributions of Narrow Channel Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor Memories with Silicon Nnocrystal Fioating Gates"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.38,No.12B. 7230-7232 (1999)
• [文献書誌] Nobuyoshi Takahashi,Hiroki Ishikuro, and Toshiro Hiramoto: "Control of Coulomb blockade oscillations in silicon single electron transistor using silicon nano-crystal floating gates"Applied Physics Letter. Vol.76,No.2. 209-211 (2000)