使用半导体微影技术制备单电子电晶体的方法技术

一种使用半导体微影技术制备单电子电晶体的方法，其特征在于：包含以下步骤：　（ａ）在成型于基材阻剂上的奈米结构筒状细孔的顶部开口上，先以原子或分子态的封口材料堆积黏着该顶部开口，使该顶部开口的口径逐渐缩小，形成一比原顶部开口的口径还小的奈米缩小口；　（ｂ）将基材固定在水平方向，再以气体分子或原子型态的镀源材料垂直正对于该奈米缩小口，使该镀源材料穿透该奈米缩小口后，直接在奈米结构筒状细孔的底部基材表面上，镀着形成一个与该奈米缩小口的口径尺度相同的浮闸奈米量子点；　（ｃ）先令基材以奈米缩小口为中心向右倾斜一倾斜角度，且镀源材料输出方向不变，再次将该气体分子或原子型态的镀源材料穿透该奈米缩小口，即会在该浮闸奈米量子点的右侧位置的基材表面上，镀着出一汲极奈米量子点；　（ｄ）再令基材以奈米缩小口为中心向左倾斜一倾斜角度，且镀源材料输出方向不变，再次将该气体分子或原子型态的镀源材料穿透该奈米缩小口，即会在该浮闸奈米量子点的左侧位置的基材表面上，镀着出一源极奈米量子点；　（ｅ）以奈米缩小口的中心线作为轴心，并配合一倾斜角度而旋转一旋转角度，且镀源材料输出方向不变，再经由气体分子或原子型态的镀源材料穿透该奈米缩小口后，即会在该浮闸奈米量子点的前侧位置的基材表面上，镀着出一闸极奈米量子点；　（ｆ）最后以溶剂洗涤或气体腐蚀的方式将基材阻剂上的奈米结构筒状细孔消除，即可在基材上制备出具有奈米尺度的浮闸奈米量子点、汲极奈米量子点、源极奈米量子点与闸极奈米量子点结构的单电子电晶体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一种使用半该方法与制备奈米尺度 导体制程中的微影技术 奈米结构设备的物理极 精准地完成控制源极、 对位置，进而达到大量(二)
技术介绍
-奈米电子学技术被视为未来新一代微电子技术的核心，主要 是因为具有量子效应的奈米电子元件的工作电流为数个到数十个电子，因此其因运算工作所带来的能耗极小，与目前集成电路中 的微电子元件相比，可大幅降低其能耗，且工作时间频率(即运算速度)也可以随之大幅度提高；其中，单电子电晶体(Single Electron Transistor, SET)被视为极有潜力成为下 一 代微处理器 的主要核心，其主要工作原理是基于库伦堵塞效应(Coulomb Blockade Effect ) 和单电子隧道效应(Single - Electron Tunnel Effect )的物理效应，并能产生一种新型奈米电子元件。早在20世纪中期，物理理论便预期了库伦堵塞效应和单电子 隧道效应，且库伦堵塞效应是1980年代固体物理所观测到的重要 物理现象之一；当一个物理体的尺寸达到奈米量级时，这个体系 的充电和放电过程是不连续的，也就是说，其是量子化的，充入 一个电子所需的能量五c为e2/2C (Charging Energy),其中e为一 个电子的电荷，C为该物理体系的电容，体系越小，电容C越 小，能量五c越大，所以把这个能量称为库伦堵塞能；在一个奈导体微影技术制备单电子电晶体的方法， 的单电子电晶体有关，特别是利用现行半 、蚀刻技术等来制备完成，既有突破制备 限，又能同时满足室温操作的条件要求， 浮闸、汲极与闸极的大小与彼此之间的相 生产的目的。属于半导体应用
米体系的充放电过程中，电子无法进行连续的集体传输，而是一 个一个单电子的传输，这种在奈米体系中电子的单个输送特性，就称之为库伦堵塞效应。又，如果两个量子点通过一个隧道结 (Tunnel Junction)连接起来，单个电子从一个量子点穿过势垒 (Tunnel Barrier)到另一个量子点的过程，称为量子穿隧效应。为 了使单个电子从一个量子点隧穿到另一个量子点，这个电子的能 量必需克服电子的库伦堵塞能五c,亦即r> e/2C，此处C为 两个量子点之间隧道结的电容。但直到20世纪80年代后期，人 们才成功地在极低温的环境下实现了利用这些效应的电子元件线 路。实践晚于理论的长达几十年的主要原因是在此之前，人们的 技术还无法成熟到得到非常微小的电极以及对这些电极进行精确 定位。库伦堵塞效应和单电子隧道效应的直接应用就是设计和制 造单电子电晶体元件。单电子电晶体元件具有能耗低，高热敏度 和易于集成等突出优点，因此被认为是在传统的微电子MOS元件 之后，最有发展前途的新型奈米元件之一。图1所示的已被发表的单电子电晶体(Single Electron Transistor,简称SET)的基本电路图，是为具有源极(source)S 、 汲极(drain)D与闸极(gate)G的三极体，其基本电路除包括源极S， 汲极D与闸极G外，尚有 一 可储存电荷的浮闸(island)I ，介于源 极S与汲极D之间，且此储存电荷的浮闸I的电容极小，相对而 言其颗粒大小为奈米级尺度，进而形成小尺寸量子点(quantum dot QD)所特有的库仑障壁(Coulomb Blockade )的效应，而在量子点 两端则为极微小的穿透性接合(tunnel junctions);此结构的特点是 在量子点内形成不连续能阶(discrete energy level),只有当源极 S、汲极D内的费米能阶(Fermi level)和量子点内的能阶排成一线 对准时，电子才能经由量子点从源极S流至汲极D，如此便可控 制每次流过的电子数目，甚至在理想状态下可达到每次只有一个 电子通过，因此该源极S与浮闸I之间的距离dl 、或汲极D与浮 闸I之间的距离d2 、或闸极G与浮闸I之间的距离d3及其自身的大小尺寸，将会影响整个单电子电晶体的性能(performance)和 合格率，以现行的技术要达到前述的要求相当困难且制备的成本 极为高昂，也是至今仍尚未被大量生产使用于半导体或电子产业 的主要原因。再如图2至图4所示，为习知以奈米微影制程 (nano-lithography)所得的奈米结构，其制作步骤为(A).先将预期的奈米图形Q设计于光罩(mask)M上，再将该光罩M置放于表面涂布有阻剂(resist)2的基材1上方(如图2所示);(B)'以光束穿过光罩M上的各奈米图形Q后形成曝光，再经过显影之后即会在基材1表面的阻剂2上生长出与原设计于光罩M上相同图形Q的奈米孔3的结构(如图3所示)；(C). 以镀源装置30将气体分子或原子型态的镀源材料B直接镀着 在该奈米孔3的周围与底部位置上(如图4中X和Y两视图所 示)；(D).最后再以溶剂将阻剂2消除后，即可在基材1表面 上得到所需奈米尺度结构的奈米点4(如图4中Z视图所示)。 其中，前述的习知制做过程因受限于有光刻技术的精度极限 下，使得目前最精密的奈米尺寸只能达到60~65奈米(nm), 因此转印曝光来自光罩M的奈米孔3，其奈米尺寸均在60奈 米(nm)以上，相对地其制备所得到的奈米点4的奈米尺寸也 是在60奈米(nm)以上，故如何突破该奈米孔3的奈米尺度， 使其能更小以达到单电子电晶体所需的1 0奈米(nm)以下，乃是 至今各个领域产业专家们所急欲解决的技术难题，同时在解 决过程中又得遵守成本花费不可太高的原则，致使选择技术 突破的方式相当困难，了解奈米科技的科学家或奈米技术的 制备专家们，都知道要做出小于1 0奈米或小至1 ~2奈米的元 件的好处，但至今仍见不到有任何好的特别方法被提出、发 表或应用。
技术实现思路
本专利技术一种， 其主要目的在于利用现有生产半导体的设备，不必改变或重新 设计原有设备的精准度，即可精准地制备出奈米结构的单电子电 晶体，且同时达成控制单电子电晶体中源极、浮闸、汲极与闸极 的大小和彼此之间的相对位置，以及满足室温操作的条件要求， 进而达到大量生产的目的。本专利技术本专利技术一种使用半导体微影技术制备单电子电晶体的 方法，包含以下步骤(a) 在成型于基材阻剂上的奈米结构筒状细孔的顶部开口上， 先以原子或分子态的封口材料堆积黏着该顶部开口，使该顶部开口 的口径逐渐縮小，形成 一 比原顶部开口的口径还小的奈米縮小口 ；(b) 将基材固定在水平方向，再以气体分子或原子型态的镀源材 料垂直正对于该奈米縮小口，使该镀源材料穿透该奈米縮小口后， 直接在奈米结构筒状细孔的底部基材表面上，镀着形成一个与该 奈米缩小口的口径尺度相同的浮闸奈米量子点；(C )先令基材以奈米缩小口为中心向右倾斜 一 倾斜角度，且镀 源材料输出方向不变，再次将该气体分子或原子型态的镀源材料 穿透该奈米縮小口，即会在该浮闸奈米量子点的右侧位置的基材 表面上，镀着出一汲极奈米量子点；(d) 再令基材以奈米縮小口为中心向左倾斜 一 倾斜角度，且镀 源材料输出方向不变，再次将该气体分子或原子型态的镀源材料 穿透该奈米縮小口 ，即会在该浮闸奈米量子点的左侧位置的基材 表面上，镀着出一源极奈米量子点；(e) 以奈米縮小口的中心线作为轴心，并配合一倾斜角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种使用半导体微影技术制备单电子电晶体的方法，其特征在于包含以下步骤(a)在成型于基材阻剂上的奈米结构筒状细孔的顶部开口上，先以原子或分子态的封口材料堆积黏着该顶部开口，使该顶部开口的口径逐渐缩小，形成一比原顶部开口的口径还小的奈米缩小口；(b)将基材固定在水平方向，再以气体分子或原子型态的镀源材料垂直正对于该奈米缩小口，使该镀源材料穿透该奈米缩小口后，直接在奈米结构筒状细孔的底部基材表面上，镀着形成一个与该奈米缩小口的口径尺度相同的浮闸奈米量子点；(c)先令基材以奈米缩小口为中心向右倾斜一倾斜角度，且镀源材料输出方向不变，再次将该气体分子或原子型态的镀源材料穿透该奈米缩小口，即会在该浮闸奈米量子点的右侧位置的基材表面上，镀着出一汲极奈米量子点；(d)再令基材以奈米缩小口为中心向左倾斜一倾斜角度，且镀源材料输出方向不变，再次将该气体分子或原子型态的镀源材料穿透该奈米缩小口，即会在该浮闸奈米量子点的左侧位置的基材表面上，镀着出一源极奈米量子点；(e)以奈米缩小口的中心线作为轴心，并配合一倾斜角度而旋转一旋转角度，且镀源材料输出方向不变，再经由气体分子或原子型态的镀源材料穿透该奈米缩小口后，即会在该浮闸奈米量子点的前侧位置的基材表面上，镀着出一闸极奈米量子点；(f)最后以溶剂洗涤或气体腐蚀的方式将基材阻剂上的奈米结构筒状细孔消除，即可在基材上制备出具有奈米尺度的浮闸奈米量子点、汲极奈米量子点、源极奈米量子点与闸极奈米量子点结构的单电子电晶体。2. 根据权利要求l所述的使用半导体微影技术制备单电子电晶体 的方法，其特征在于该步骤(C)中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林明农，
申请(专利权)人：林明农，陈崇钦，
类型：发明
国别省市：