[发明专利]一种基于单电子晶体管的电荷探针及其制备方法

权利要求书

1.一种基于单电子晶体管（SET）的电荷探针，具有探针悬臂梁， SET集成在探针悬臂梁的针尖端面；SET的源极、漏极、侧栅极和库仑岛埋嵌在探针悬臂梁针尖端面的二氧化硅中；其特征在于：所述电荷探针，以绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）为基片，SET的基本组成单元：源极、漏极、侧栅极、库仑岛和隧穿势垒集成在上述基片的顶层硅上，并且SET位于电荷探针针尖的端面，其中纳米金颗粒作为SET的库仑岛，位于源极、漏极和侧栅极之间，库仑岛被由基片顶层硅氧化而来的二氧化硅介质包围，库仑岛与源极、漏极以隧道结的形式耦合，库仑岛与侧栅极以电容的形式耦合。

2.一种如权利要求1所述的基于SET的电荷探针的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）以SOI为基片，在SOI基片的顶层硅上制备SET的源极、漏极、侧栅极、势垒层和库仑岛基本结构；

（2）采用金属辅助化学腐蚀的方法刻蚀顶层硅，腐蚀一定深度；

（3）采用研磨的方法去除一定厚度的顶层硅，再对SOI基片进行氧化，使得SET的源极、漏极、侧栅极和库仑岛埋嵌在二氧化硅中，形成隧穿势垒，然后采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一定厚度的二氧化硅作为保护层；

（4）采用紫外光刻和湿法刻蚀工艺制备探针的针尖；

（5）采用氧化、磁控溅射、聚焦离子束（FIB）刻蚀和聚集离子束诱导沉积工艺，制备与SET源极、漏极、侧栅极相连的微米尺度电极；

（6）采用紫外光刻和湿法刻蚀工艺制备探针的悬臂梁。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：其具体制备工艺流程如下：

（a）、选用双抛SOI基片为制备材料，顶层硅厚度为5 μm，埋氧层厚度为4 μm，底层硅厚度为12 μm；

（b）、采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和剥离的方法，在顶层硅表面制备SET的源极、漏极、侧栅极和库仑岛，库仑岛直径为20 nm，与库仑岛靠近一端的电极宽度为25 nm，Au的沉积厚度为25 nm；源极与库仑岛之间、漏极与库仑岛之间的距离为25 nm，侧栅极和库仑岛之间的距离为50 nm；

（c）、采用金属辅助化学腐蚀的方法刻蚀顶层硅，沉积有Au的顶层硅表面被腐蚀移除，而表面没有金属的顶层硅不受影响，SET的源极、漏极、侧栅极和库仑岛随着下面的顶层硅被刻蚀而沉入孔洞底部；金属辅助化学腐蚀实现顶层硅各向异性腐蚀的深度为150 nm；

（d）、顶层硅腐蚀深度为150 nm，电极厚度为25 nm，利用研磨工艺将顶层硅减薄125 nm，达到顶层硅表面与电极表面平齐的效果，源极、漏极、侧栅极和库仑岛埋嵌在顶层硅中；

（e）、研磨之后，采用氧化的方法制备SET的隧穿势垒；SOI基片在1000 °C的管式炉中，通入纯净的干氧，使顶层硅表面形成300 nm的二氧化硅绝缘层；二氧化硅成为源极与库仑岛之间、漏极与库仑岛之间电子隧穿的势垒层，成为侧栅极和库仑岛之间的电容介电材料；再采用PECVD在顶面沉积10 nm的二氧化硅保护层，填充因退火导致金属电极变形出现的间隙，并形成SET的保护层；

（f）、SOI基片背面用光刻胶保护，在由顶层硅氧化形成的二氧化硅上进行紫外光刻，然后BOE刻蚀氧化层，形成整个探针的二氧化硅掩膜；

（g）、SOI基片顶面用光刻胶保护，在由底层硅氧化形成的二氧化硅上进行紫外光刻，然后BOE刻蚀氧化层，形成背面腐蚀窗口；

（h）、采用KOH溶液对SOI基片进行各向异性湿法刻蚀顶层硅和底层硅，腐蚀深度2 μm；

（i）、顶面进行紫外光刻，背面光刻胶保护，形成探针针尖的光刻胶掩膜，然后BOE刻蚀氧化层，形成探针针尖顶面，SET就位于顶面上；

（j）、采用KOH溶液进行各向异性湿法刻蚀顶层硅和底层硅，直至顶层硅被刻穿而露出埋氧层（因为顶层硅较底层硅薄，顶层硅先被刻穿），形成探针针尖，硅针尖高度3 μm，硅悬臂梁厚度2 μm；

（k）、SOI基片放入管式炉中，通入纯净的干氧，1000 °C高温氧化一定时间，使顶层硅表面形成300 nm厚度的二氧化硅绝缘层；

（l）、探针针尖端面以及SOI基片背面用光刻胶覆盖，再采用磁控溅射，在探针侧壁以及顶层硅上生长金属薄膜，10 nm厚的Ti，然后是300 nm厚的Au；

（m）、去除光刻胶，采用FIB刻蚀Ti/Au薄膜，分隔出SET的源极、漏极和侧栅极的微尺度电极；

（n）、采用聚焦离子束诱导沉积金属Pt，将探针针尖端面的源极、漏极和侧栅极与探针侧壁以及顶层硅上相应的微尺度电极链接起来；

（o）、SOI片放入管式炉中，通入纯净的干氧，高温氧化一定时间，确保FIB刻蚀后露出的顶层硅表面被氧化，防止电极间漏电；

（p）、用光刻胶保护探针和悬臂梁，在底层二氧化硅上进行紫外光刻，然后BOE刻蚀氧化层，形成背面腐蚀窗口；

（q）、采用KOH溶液进行各向异性湿法刻蚀底层硅，直至底层硅被刻穿而露出埋氧层；

（r）、用光刻胶保护探针和悬臂梁，然后BOE刻蚀氧化层，去除底层硅上的氧化层以及埋氧层，形成悬空的硅悬臂梁10；

（s）、采用原子层沉积系统在探针表面生长5 nm氧化铝作为器件保护层；

（t）、采用双束系统的聚焦电子束（FEB）诱导沉积的方法，在针尖顶面生长直径20 nm，高度50 nm的柱体。