專(zhuān)利名稱(chēng)：點(diǎn)接觸平面柵型單電子晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微電子器件和納米器件，特別是涉及一種點(diǎn)接觸平面柵型單電子晶體管。
納米技術(shù)的重要性已被人們充分重視，開(kāi)發(fā)納米技術(shù)的研究經(jīng)費(fèi)與日俱增。其研究的核心就是納米材料、納米加工技術(shù)與納米器件的研究。納米材料的研究已取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但納米器件的研究才興起并進(jìn)展緩慢。單電子晶體管是目前成功的并得到公認(rèn)的納米器件之一，是最有希望的納米器件，如《今日物理》(Physics Today，January 1994)所報(bào)道的。傳統(tǒng)電子晶體管通過(guò)控制千萬(wàn)以上的成群電子的集體運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、振蕩和放大等功能；單電子晶體管則只要通過(guò)一個(gè)電子的行為就可實(shí)現(xiàn)特定的功能。隨著集成度的提高，功耗已成為微電子器件電路穩(wěn)定性的制約因素。以單電子晶體管構(gòu)成的元件可大大提高微電子的集成度并可使功耗減小到10-5。單電子晶體管如此極低的功耗可解決現(xiàn)集成化電路中因散熱引起的不穩(wěn)定因素問(wèn)題。它的高度集成化程度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越目前大規(guī)模集成化的極限，并能達(dá)到海森堡不確定原理設(shè)定的極限而成為將來(lái)不可被取代的新型器件。
單電子晶體管包括源極、漏極、與源漏極弱耦合的量子點(diǎn)或庫(kù)侖島、以及可用來(lái)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的電化學(xué)勢(shì)即控制量子點(diǎn)中電子數(shù)的柵極。它的正常動(dòng)作須兩個(gè)基本條件(1)源、漏極間的電阻大于量子電阻Rq＝h/e2≈26kΩ；(2)量子點(diǎn)的電容足夠小使得e2/2C＞＞kBT。其中C為量子點(diǎn)的電容，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為工作溫度。當(dāng)量子點(diǎn)的有效直徑小于10納米時(shí)，單電子晶體管就能在室溫工作。因此為提高單電子晶體管的工作溫度和它抗干擾的能力就必須減小量子點(diǎn)的幾何尺寸。
目前單電子晶體管的制備主要使用電子束光刻技術(shù)。它是通過(guò)電子束曝光和顯影光刻膠的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)單電子晶體管的量子點(diǎn)的。由于電子束光刻的極限在30納米，所制備的量子點(diǎn)的直徑大于50納米。因而目前制備的可集成的穩(wěn)定單電子晶體管都只能工作在極低溫區(qū)。
本實(shí)用新型的目的在于克服已有單電子晶體管只能工作在極低溫區(qū)的缺陷，提供一種單電子晶體管中的量子點(diǎn)并不完全由光刻掩膜尺寸定義，且尺寸可遠(yuǎn)小于光刻所限制的極限，能在室溫下工作的點(diǎn)接觸平面柵型單電子晶體管。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型的點(diǎn)接觸平面柵型單電子晶體管是這樣構(gòu)成的，如

圖1所示在襯底8上的導(dǎo)電材料層7中有源極1和漏極2；在源極和漏極之間是一含有量子點(diǎn)的窄通道3，其寬度為3-800納米；在窄通道3兩邊是點(diǎn)接觸平面柵4，在導(dǎo)電材料層7上為一沉積的絕緣材料層6，其厚度為10-800納米；在絕緣材料層6上覆蓋有表面柵5。
所述的襯底8上進(jìn)一步覆蓋有緩沖外延層。
所述的緩沖外延層是1)Si、Ge或GeSi半導(dǎo)體元素材料，2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導(dǎo)體化合物，3)由硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子等摻雜到Si、Ge、GeSi、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs、或InAlGaAs半導(dǎo)體材料中的復(fù)合材料，4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數(shù)相近似且可任意組合的材料，5)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦等絕緣材料。
通過(guò)點(diǎn)接觸平面柵上的負(fù)偏壓擠壓可使窄通道進(jìn)一步變窄，從而導(dǎo)致只受單一量子點(diǎn)控制的窄通道。窄通道中的量子點(diǎn)由材料制備中的自組裝方法或工藝過(guò)程中腐蝕、氧化等原因形成。若導(dǎo)電材料層本身為一非導(dǎo)通層，通過(guò)加在表面柵上的正偏壓，在導(dǎo)電材料層形成反型二維電子氣，并調(diào)節(jié)、控制單一量子點(diǎn)中的電子數(shù)和源漏極間的電流。若導(dǎo)電材料層本身為一摻雜導(dǎo)通層，則點(diǎn)接觸平面柵和窄通道之間還應(yīng)沉積或氧化一絕緣層，這時(shí)表面柵主要用來(lái)調(diào)節(jié)、控制單一量子點(diǎn)中的電子數(shù)和源漏極間的電流。緩沖外延層可進(jìn)一步提高導(dǎo)電材料層的質(zhì)量。若緩沖外延層為非摻雜層，它可作為摻雜襯底與導(dǎo)電材料層的絕緣層，以阻止漏電電流的產(chǎn)生。緩沖外延層可和構(gòu)成導(dǎo)電材料層的各種材料相同，但材料的組合不相同，結(jié)構(gòu)也不相同。
所述的襯底可為1)半導(dǎo)體絕緣體上的硅(即SOI)2)；氧化物材料，如藍(lán)寶石Al2O3、氧化硅SiO2、氧化鎂MgO或鈦酸鍶SrTiO3等；3)玻璃、SiC、Ge、硅或在表面上有一層氧化物的單晶硅；4)摻雜的半導(dǎo)體材料或非摻雜的半導(dǎo)體材料，所述的非摻雜的半導(dǎo)體材料是GaAs、Cr-GaAs、Si或InP；摻雜的半導(dǎo)體材料是N+-GaAs、N+-InP或N+-GaN。
所述的導(dǎo)電材料包括1)Si、Ge或SiGe半導(dǎo)體元素材料，2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導(dǎo)體化合物，3)由硅、鎂、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子等摻雜到Si、Ge、SiGe、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導(dǎo)體材料中的復(fù)合材料。
所述的絕緣材料包括氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦。
所述的點(diǎn)接觸平面柵包括Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo等金屬層以及它們之間的任意復(fù)合層。
所述的表面柵是蒸鍍金屬膜，或經(jīng)沉積、注入和退火的N+摻雜多晶硅膜。
所述的金屬膜是Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta、Mo或In等金屬層以及它們之間的任意復(fù)合層。
本實(shí)用新型的單電子晶體管的制備方法簡(jiǎn)單，既可結(jié)合先進(jìn)的電子束光刻方法來(lái)制備，又可結(jié)合常規(guī)光刻法的納米加工方法來(lái)制備。
窄通道中的量子點(diǎn)由下列機(jī)制引起1)Si單晶膜厚度的漲落，2)窄通道寬度的漲落，3)氧化速率依賴(lài)于圖形結(jié)構(gòu)的干氧氧化過(guò)程，4)腐蝕和氧化引起的應(yīng)變，5)局域態(tài)的存在，6)界面處的納米顆粒。利用點(diǎn)接觸平面柵4擠壓耗盡窄通道，實(shí)現(xiàn)單一量子點(diǎn)13的單電子晶體管。如圖2所示，點(diǎn)接觸平面柵耗盡通道邊緣的量子點(diǎn)(量子點(diǎn)9、量子點(diǎn)10、量子點(diǎn)11和量子點(diǎn)12)，這些量子點(diǎn)中的電子數(shù)不隨外加電場(chǎng)的變化而變化，對(duì)單電子晶體管無(wú)影響。從而實(shí)現(xiàn)了單一量子點(diǎn)(即只是量子點(diǎn)13控制晶體管特性)的單電子晶體管。由于該量子點(diǎn)并不完全由光刻掩膜尺寸定義，它的尺寸可遠(yuǎn)小于光刻所限制的極限，因而這些單電子晶體管能在室溫下工作。
本實(shí)用新型的單電子晶體管是采用點(diǎn)接觸平面柵擠壓窄通道，并利用單一量子點(diǎn)控制窄通道輸運(yùn)特性的原理來(lái)制備的，因而量子點(diǎn)的大小可達(dá)原子尺度，其單電子晶體管能在室溫下工作。它能滿(mǎn)足單電子晶體管正常動(dòng)作的兩個(gè)基本條件(1)源、漏極間的電阻大于量子電阻Rq＝h/e2≈26kΩ；(2)量子點(diǎn)的電容足夠小使得e2/2C＞＞kBT。
本實(shí)用新型單電子晶體管的量子點(diǎn)由自組裝方法、自恰熱氧化(圖形依賴(lài)的熱氧化)或由無(wú)序勢(shì)的漲落自然形成，因而很容易形成納米尺度的量子點(diǎn)，也就是說(shuō)，它的工作溫度高。通過(guò)點(diǎn)接觸平面柵上的負(fù)偏壓擠壓窄通道來(lái)保證窄通道中單一量子點(diǎn)控制晶體管的電特性，克服了傳統(tǒng)高溫單電子晶體管的復(fù)雜難控的缺點(diǎn)。因而本實(shí)用新型單電子晶體管是一種理想的、穩(wěn)定的高溫單電子晶體管。更重要的是，它可采用常規(guī)光刻法的納米加工技術(shù)來(lái)制備。另外，它還對(duì)樣品材料的選擇范圍寬，具有普適性，并可用來(lái)制備生物分子器件。
本實(shí)用新型單電子晶體管較傳統(tǒng)單電子晶體管具有下列優(yōu)點(diǎn)1)制備簡(jiǎn)單，2)性能穩(wěn)定，3)工作溫度高。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明圖1本實(shí)用新型單電子晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本實(shí)用新型單電子晶體管中的窄通道及其通道中的多量子點(diǎn)。
圖中標(biāo)示1.源極 2.漏極 3.窄通道 4.點(diǎn)接觸平面柵 5.表面柵6.絕緣層 7.導(dǎo)電材料層 8.襯底 9、10、11、12.量子點(diǎn)13.控制單電子晶體管理想特性的單一量子點(diǎn) 14.圖形光刻膠掩膜在帶有套刻標(biāo)記的Si單晶膜7上沉積20納米SiO2和120納米Si3N4膜。實(shí)現(xiàn)器件的隔離和制作器件的臺(tái)面。
在帶有套刻標(biāo)記的Si單晶膜7上沉積20納米SiO2和120納米Si3N4膜。利用套刻標(biāo)記定位，通過(guò)光刻法在沉積的20納米SiO2和120納米Si3N4膜上制備用于砷離子注入的掩膜，向掩膜注入砷離子，去掉Si3N4膜和SiO2膜，在高溫下退火。
利用套刻標(biāo)記定位，制作窄通道3的圖形掩膜，其掩膜材料為120納米的PMMA膜。利用電子回旋共振干法的刻蝕法在SF6氣氛和120℃刻蝕帶有圖形掩膜的Si單晶膜7，將Si單晶膜7上沒(méi)有掩膜的部分刻蝕掉，在Si單晶膜7上實(shí)現(xiàn)連接源極1和漏極2的窄通道3，用干氧氧化法進(jìn)一步減小窄通道的寬度并在窄通道形成量子點(diǎn)。
利用自對(duì)準(zhǔn)金屬沉積法制備點(diǎn)接觸平面柵4。利用電子束蒸發(fā)設(shè)備并采用多角度蒸發(fā)法沉積15納米Cr/30納米W。
利用電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)、沉積SiO2絕緣材料層6，其厚度為80納米。
采用已知的套刻手段和HF緩沖腐蝕液刻開(kāi)接觸孔。
采用已知的MOS器件的Al表面柵制備方法制備本實(shí)用新型晶體管的表面柵5。引線連接，就制備出本實(shí)用新型的Si單電子晶體管。如圖1-2所示。通過(guò)表面柵的正偏壓引起反型層二維電子氣，并調(diào)節(jié)其濃度即量子點(diǎn)中的電子數(shù)，點(diǎn)接觸平面柵使窄通道中單個(gè)量子點(diǎn)能控制晶體管的特性。
權(quán)利要求1.一種點(diǎn)接觸平面柵型單電子晶體管，其特征在于在襯底(8)上的導(dǎo)電材料層(7)中有源極(1)和漏極(2)；在源極和漏極之間是一含有量子點(diǎn)的窄通道(3)，在窄通道(3)兩邊是點(diǎn)接觸平面柵(4)，在導(dǎo)電材料層(7)上為一沉積的絕緣材料層(6)，在絕緣材料層(6)上覆蓋有表面柵(5)。
2.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的襯底(8)上進(jìn)一步覆蓋有緩沖外延層。
3.如權(quán)利要求2所述的單電子晶體管，其特征在于所述的緩沖外延層是1)Si、Ge或GeSi半導(dǎo)體元素材料，2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、A1GaAs、InGaAs或InAlGaAs半導(dǎo)體化合物，3)由硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子摻雜到Si、Ge、GeSi、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導(dǎo)體材料中的復(fù)合材料，4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數(shù)相近似且可任意組合的材料，5)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦絕緣材料。
4.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的窄通道(3)的寬度為3納米-800納米。
5.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的絕緣材料層(6)的厚度為10納米～800納米。
6.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的襯底為1)半導(dǎo)體絕緣體上的硅；2)氧化物材料；3)玻璃、SiC、Ge、硅或在硅表面上有一層氧化物的單晶硅；4)摻雜的半導(dǎo)體材料或非摻雜的半導(dǎo)體材料。
7.如權(quán)利要求6所述的單電子晶體管，其特征在于所述的氧化物材料是Al2O3、氧化硅、氧化鎂或鈦酸鍶。
8.如權(quán)利要求6所述的單電子晶體管，其特征在于所述的非摻雜的半導(dǎo)體材料是GaAs、Cr-GaAs、Si或InP；摻雜的半導(dǎo)體材料是N+-GaAs、N+-InP或N+-GaN。
9.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的導(dǎo)電材料是1)Si、Ge或SiGe半導(dǎo)體元素材料，2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導(dǎo)體化合物，3)由硅、鎂、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子摻雜到Si、Ge、SiGe、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導(dǎo)體材料中的復(fù)合材料。
10.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的絕緣材料包括氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦。
11.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的點(diǎn)接觸平面柵包括Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo金屬層以及它們之間的任意復(fù)合層。
12.如權(quán)利要求1所述的單電子晶體管，其特征在于所述的表面柵是蒸鍍金屬膜或經(jīng)沉積、注入和退火的N+摻雜多晶硅膜。
13.如權(quán)利要求12所述的單電子晶體管，其特征在于所述的金屬膜是Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta、Mo或In金屬層以及它們之間的任意復(fù)合層。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于微電子器件和微加工方法,特別是涉及一種點(diǎn)接觸平面柵型單電子晶體管。在襯底上的導(dǎo)電材料層中有源極和漏極;在源極和漏極之間是一含有量子點(diǎn)的窄通道,在窄通道兩邊是點(diǎn)接觸平面柵,在導(dǎo)電材料層上為一沉積的絕緣材料層,在絕緣材料層上覆蓋有表面柵。本實(shí)用新型的單電子晶體管量子點(diǎn)的大小可達(dá)原子尺度,能在室溫下工作,滿(mǎn)足單電子晶體管正常動(dòng)作的兩個(gè)基本條件。
文檔編號(hào)H01L29/66GK2496135SQ0120051
公開(kāi)日2002年6月19日 申請(qǐng)日期2001年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月15日
發(fā)明者王太宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所