[发明专利]使用半导体微影技术制备单电子电晶体的方法

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种使用半导体微影技术制备单电子晶体管的方法，该方法与制备纳米尺度的单电子晶体管有关，特别是利用现行半导体制程中的微影技术、蚀刻技术等来制备完成，既有突破制备纳米结构设备的物理极限，又能同时满足室温操作的条件要求，精准地完成控制源极、浮栅、漏极与栅极的大小与彼此之间的相对位置，进而达到大量生产的目的。属于半导体应用技术领域。

(二)背景技术：

纳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纳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，单电子晶体管(SingleElectron 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(CoulombBlockade Effect)和单电子隧道效应(Single-Electron TunnelEffect)的物理效应，并能产生一种新型纳米电子元件。

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纳米量级时，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Ec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Ec越大，所以把这个能量称为库伦堵塞能；在一个纳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，这种在纳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eV必需克服电子的库伦堵塞能Ec，亦即V＞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晶体管元件。单电子晶体管元件具有能耗低，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纳米元件之一。

图1所示的已被发表的单电子晶体管(Single ElectronTransistor，简称SET)的基本电路图，是为具有源极(source)S、漏极(drain)D与栅极(gate)G的三极体，其基本电路除包括源极S，漏极D与栅极G外，尚有一可储存电荷的浮栅(island)I，介于源极S与漏极D之间，且此储存电荷的浮栅I的电容极小，相对而言其颗粒大小为纳米级尺度，进而形成小尺寸量子点(quantum dot，QD)所特有的库仑阻塞(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级(discrete energy level)，只有当源极S、漏极D内的费米能级(Fermi level)和量子点内的能级排成一线对准时，电子才能经由量子点从源极S流至漏极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与浮栅I之间的距离d1、或漏极D与浮栅I之间的距离d2、或栅极G与浮栅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晶体管的性能(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。