專利名稱：納米金屬氧化線單電子晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米金屬氧化線單電子晶體管，屬于納米電子技術(shù)領(lǐng)域。
已經(jīng)提出和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的多種單電子晶體管結(jié)構(gòu)中，最有代表性的結(jié)構(gòu)是鈦庫(kù)侖島單電子晶體管(K.Matsumomoto，STM/AFM Nano-Oxidation Process toRoomTemperature Operated Single Electron Transistor and Other Devices，Proceeding of theIEEE.Vol.85.No.4，Appil 1997，612-628)。這種單電子晶體管雖然可以在室溫下工作，但需要的勢(shì)壘占用芯片尺寸太大，而且工藝復(fù)雜，對(duì)每個(gè)庫(kù)侖島四周都要精確構(gòu)建幾十nm寬的勢(shì)壘層。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，基于納米金屬氧化線中電子的輸運(yùn)依據(jù)了局域長(zhǎng)度為ξ的局域電子態(tài)可以傳輸單個(gè)電子的特點(diǎn)，直接采用超薄納米金屬氧化線(如TiOx)作為單電子晶體管的溝道區(qū)(或稱其為有源區(qū))，這種納米金屬氧化線溝道區(qū)具有厚度為3nm，寬度為1個(gè)電子局域長(zhǎng)度ξ，長(zhǎng)度為2～5個(gè)電子局域長(zhǎng)度ξ，源電極、漏電極、柵電極由Au膜或Al膜引出。
考慮到室溫工作的需要，單電子晶體管的結(jié)構(gòu)尺寸必須是納米尺度，因而有利于高密度集成，由于結(jié)電容極小，RC時(shí)間常數(shù)相應(yīng)減小，有利于工作速度的提高，由于工作電流和工作電壓均很小，所以功耗極低。在超高集成度和微功耗等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。超薄納米金屬氧化線由于工藝和半導(dǎo)體納米CMOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)兼容，使得超薄納米金屬氧化線單電子晶體管有可能成為一種極其具有競(jìng)爭(zhēng)能力的高密度集成納米器件。
本發(fā)明的超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結(jié)構(gòu)可以有兩種形式，一種為側(cè)柵型超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結(jié)構(gòu)，一種為頂柵型超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結(jié)構(gòu)。側(cè)柵型結(jié)構(gòu)中，源電極和漏電極在溝道區(qū)的兩端，控制單電子對(duì)溝道區(qū)傳導(dǎo)的開(kāi)通或截止的柵電極位于溝道區(qū)的一側(cè)，柵電極與溝道區(qū)之間的氣隙距離為d。頂柵型結(jié)構(gòu)中，源電極和漏電極在溝道區(qū)的兩端，控制單電子對(duì)溝道區(qū)傳導(dǎo)的開(kāi)通或截止的柵電極位于溝道區(qū)的上面，柵電極與溝道區(qū)之間為柵氧化層，源電極、漏電極、柵電極之間用場(chǎng)氧化層隔開(kāi)。
本發(fā)明的超薄納米金屬氧化線單電子晶體管能夠在室溫下工作，單個(gè)器件的尺寸可以小至10nm尺度以下，可以超密度集成，工作電壓低，工藝簡(jiǎn)便，能和CMOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)兼容。
本發(fā)明的超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結(jié)構(gòu)既適用于采用氧化鈦TiOx制成的晶體管，也適用于其他金屬氧化物，如氧化鈮NbOx，氧化鋁AlOx，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物等制成的單電子晶體管。


及
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
圖1為本發(fā)明側(cè)柵型超薄納米金屬氧化線TiOx單電子晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為頂柵型超薄納米金屬氧化線TiOx單電子晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，硅片襯底1上有一層SiO2絕緣層2，絕緣層2上有厚度為3nm，寬度W為一個(gè)ξ，長(zhǎng)度L為2～5個(gè)ξ的氧化鈦(TiOx)線作為單電子晶體管的溝道區(qū)6，溝道區(qū)6的兩端是源電極4和漏電極5，柵電極3位于溝道區(qū)6的一側(cè)，與溝道區(qū)6中心的氣隙間距為d，柵電極3用于控制單電子對(duì)溝道區(qū)傳導(dǎo)的開(kāi)通或截止。
襯底1為0.3mm厚的單晶硅片，絕緣層2為100nm厚的SiO2薄膜，柵電極3與溝道區(qū)6之間的距離d為10nm，漏電極5，源電極4和柵電極3由Au或Al膜形成。
本發(fā)明的實(shí)施例中，首先選取拋光單晶硅片作為襯底1，然后生長(zhǎng)一層SiO2絕緣膜2，用于對(duì)襯底電絕緣，接著用濺射法在SiO2絕緣膜2上沉積3nm厚的超薄鈦(Ti)膜，用掃描隧道顯微鏡(STM)局域氧化出溝道區(qū)6，去掉除源、漏和柵電極以外的所有Ti膜，最后蒸發(fā)1000nm左右厚的Au或Al膜，反刻后形成(Au/Ti或Al/Ti)漏電極5、源電極4和柵電極3。
圖2所示為頂柵型超薄納米金屬氧化線TiOx單電子晶體管結(jié)構(gòu)。如圖2所示，這種單電子晶體管的結(jié)構(gòu)與位置的連接為硅片襯底1上有一層SiO2絕緣層2，絕緣層2上有厚度為3nm，寬度W為一個(gè)ξ，長(zhǎng)度L為2～5個(gè)ξ的氧化鈦(TiOx)線作為單電子晶體管的溝道區(qū)6，溝道區(qū)6的兩端是源電極4和漏電極5，柵電極3位于溝道區(qū)6的上面，用于控制單電子對(duì)溝道區(qū)6傳導(dǎo)的開(kāi)通或截止，柵電極3與溝道區(qū)6之間為柵氧化層7，源電極4、漏電極5和柵電極3之間用場(chǎng)氧化層8隔開(kāi)。
本發(fā)明的實(shí)施例中，首先選取拋光單晶硅片作為襯底1，然后生長(zhǎng)一層SiO2絕緣膜2，用于對(duì)襯底電絕緣，接著用濺射法在絕緣膜2上沉積3nm厚的超薄鈦(Ti)膜，用掃描隧道顯微鏡(STM)局域氧化出寬度為W、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的氧化鈦(TiOx)線作為單電子晶體管的溝道區(qū)6，去掉除源、漏電極以外的所有Ti膜，接著是沉積場(chǎng)氧化層SiO2，刻蝕掉源、漏和柵電極上300nm厚的SiO2，緊接著再沉積50nm厚的柵氧，再刻蝕掉源、漏電極上50nm厚的SiO2。最后蒸發(fā)1000nm左右厚的Au或Al膜，反刻后形成Au/Ti或Al/Ti漏電極5、源電極4，Au或Al柵電極3，隔離源、漏和柵電極的是場(chǎng)氧化層8，厚度為300nm。
從超薄納米金屬氧化線TiOx單電子晶體管柵控漏、源電流-電壓特性曲線中，可以看出本發(fā)明的單電子晶體管具有良好的庫(kù)侖阻塞和單電子振蕩效應(yīng)。平均振蕩周期大約為1.25V左右，相應(yīng)的等效柵電容為CG＝e/VG＝1.28×10-19F左右。
權(quán)利要求
1.一種納米金屬氧化線單電子晶體管，其特征在于硅片襯底(1)上有一層SiO2絕緣層(2)，絕緣層(2)上有厚度為3nm，寬度W為一個(gè)ξ，長(zhǎng)度L為2～5個(gè)ξ的納米金屬氧化線溝道區(qū)(6)，溝道區(qū)(6)的兩端是源電極(4)和漏電極(5)，柵電極(3)位于溝道區(qū)(6)的一側(cè)，柵電極(3)與溝道區(qū)(6)之間的氣隙間距為d，構(gòu)成側(cè)柵型結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的納米金屬氧化線單電子晶體管，其特征在于所說(shuō)的柵電極(3)位于溝道區(qū)(6)的上面，柵電極(3)與溝道區(qū)(6)之間為柵氧化層(7)，源電極(4)、漏電極(5)及柵電極(3)之間用場(chǎng)氧化層(8)隔開(kāi)，構(gòu)成頂柵型結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所說(shuō)的納米金屬氧化線單電子晶體管，其特征在于襯底(1)為單晶硅片，絕緣層(2)為100nm厚的SiO2薄膜，柵電極(3)與溝道區(qū)(6)之間的距離d為10nm。
4.如權(quán)利要求1或2所說(shuō)的納米金屬氧化線單電子晶體管，其特征在于漏電極(5)，源電極(4)和柵電極(3)由Au或Al膜形成。
5.如權(quán)利要求1或2所說(shuō)的納米金屬氧化線單電子晶體管，其特征在于所說(shuō)的納米金屬氧化線采用氧化鈦TiOx、氧化鈮NbOx、氧化鋁AlOx或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物。
全文摘要
一種納米金屬氧化線單電子晶體管,采用超薄納米金屬氧化線作為單電子晶體管的溝道區(qū),其厚度為3nm,寬度為1個(gè)電子局域長(zhǎng)度ξ,長(zhǎng)度為2～5個(gè)ξ,源、漏、柵的電極由Au膜或Al膜引出。在側(cè)柵型結(jié)構(gòu)中,柵電極位于溝道區(qū)的一側(cè),與溝道區(qū)之間的氣隙間距為d;在頂柵型結(jié)構(gòu)中,柵電極位于溝道區(qū)的上面,與溝道區(qū)之間為柵氧化層,源、漏及柵電極之間用場(chǎng)氧化層隔開(kāi)。本發(fā)明單個(gè)器件的尺寸可以小至10nm尺度以下,在超高集成度和微功耗等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),能夠在室溫和低電壓下工作,能和CMOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)兼容。
文檔編號(hào)B82B1/00GK1383213SQ02112059
公開(kāi)日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2002年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月13日
發(fā)明者蔣建飛, 蔡琪玉, 程子川, 黃萍, 沈波 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)