專利名稱：納米金屬氧化線單電子晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種納米金屬氧化線單電子晶體管，屬于納米電子技術領域。
已經提出和實驗驗證的多種單電子晶體管結構中，最有代表性的結構是鈦庫侖島單電子晶體管(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，但需要的勢壘占用芯片尺寸太大，而且工藝復雜，對每個庫侖島四周都要精確構建幾十nm寬的勢壘層。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中，基于納米金屬氧化線中電子的輸運依據了局域長度為ξ的局域電子態可以傳輸單個電子的特點，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(或稱其為有源區)，這種納米金屬氧化線溝道區具有厚度為3nm，寬度為1個電子局域長度ξ，長度為2～5個電子局域長度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，單電子晶體管的結構尺寸必須是納米尺度，因而有利于高密度集成，由于結電容極小，RC時間常數相應減小，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特優勢。超薄納米金屬氧化線由于工藝和半導體納米CMOS超大規模集成電路技術兼容，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爭能力的高密度集成納米器件。
本發明的超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結構可以有兩種形式，一種為側柵型超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結構，一種為頂柵型超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結構。側柵型結構中，源電極和漏電極在溝道區的兩端，控制單電子對溝道區傳導的開通或截止的柵電極位于溝道區的一側，柵電極與溝道區之間的氣隙距離為d。頂柵型結構中，源電極和漏電極在溝道區的兩端，控制單電子對溝道區傳導的開通或截止的柵電極位于溝道區的上面，柵電極與溝道區之間為柵氧化層，源電極、漏電極、柵電極之間用場氧化層隔開。
本發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，工藝簡便，能和CMOS超大規模集成電路技術兼容。
本發明的超薄納米金屬氧化線單電子晶體管結構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，鈣鈦礦結構氧化物等制成的單電子晶體管。


及
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。
圖1為本發明側柵型超薄納米金屬氧化線TiOx單電子晶體管結構示意圖。
圖2為頂柵型超薄納米金屬氧化線TiOx單電子晶體管結構示意圖。
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ξ，長度L為2～5個ξ的氧化鈦(TiOx)線作為單電子晶體管的溝道區6，溝道區6的兩端是源電極4和漏電極5，柵電極3位于溝道區6的一側，與溝道區6中心的氣隙間距為d，柵電極3用于控制單電子對溝道區傳導的開通或截止。
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。
本發明的實施例中，首先選取拋光單晶硅片作為襯底1，然后生長一層SiO2絕緣膜2，用于對襯底電絕緣，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6，去掉除源、漏和柵電極以外的所有Ti膜，最后蒸發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單電子晶體管結構。如圖2所示，這種單電子晶體管的結構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ξ，長度L為2～5個ξ的氧化鈦(TiOx)線作為單電子晶體管的溝道區6，溝道區6的兩端是源電極4和漏電極5，柵電極3位于溝道區6的上面，用于控制單電子對溝道區6傳導的開通或截止，柵電極3與溝道區6之間為柵氧化層7，源電極4、漏電極5和柵電極3之間用場氧化層8隔開。
本發明的實施例中，首先選取拋光單晶硅片作為襯底1，然后生長一層SiO2絕緣膜2，用于對襯底電絕緣，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、長度為L的氧化鈦(TiOx)線作為單電子晶體管的溝道區6，去掉除源、漏電極以外的所有Ti膜，接著是沉積場氧化層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，可以看出本發明的單電子晶體管具有良好的庫侖阻塞和單電子振蕩效應。平均振蕩周期大約為1.25V左右，相應的等效柵電容為CG＝e/VG＝1.28×10-19F左右。
權利要求
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ξ，長度L為2～5個ξ的納米金屬氧化線溝道區(6)，溝道區(6)的兩端是源電極(4)和漏電極(5)，柵電極(3)位于溝道區(6)的一側，柵電極(3)與溝道區(6)之間的氣隙間距為d，構成側柵型結構。
2.如權利要求1所說的納米金屬氧化線單電子晶體管，其特征在于所說的柵電極(3)位于溝道區(6)的上面，柵電極(3)與溝道區(6)之間為柵氧化層(7)，源電極(4)、漏電極(5)及柵電極(3)之間用場氧化層(8)隔開，構成頂柵型結構。
3.如權利要求1所說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(6)之間的距離d為10nm。
4.如權利要求1或2所說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.如權利要求1或2所說的納米金屬氧化線單電子晶體管，其特征在于所說的納米金屬氧化線采用氧化鈦TiOx、氧化鈮NbOx、氧化鋁AlOx或鈣鈦礦結構氧化物。
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,其厚度為3nm,寬度為1個電子局域長度ξ,長度為2～5個ξ,源、漏、柵的電極由Au膜或Al膜引出。在側柵型結構中,柵電極位于溝道區的一側,與溝道區之間的氣隙間距為d;在頂柵型結構中,柵電極位于溝道區的上面,與溝道區之間為柵氧化層,源、漏及柵電極之間用場氧化層隔開。本發明單個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特優勢,能夠在室溫和低電壓下工作,能和CMOS超大規模集成電路技術兼容。
文檔編號B82B1/00GK1383213SQ02112059
公開日2002年12月4日 申請日期2002年6月13日 優先權日2002年6月13日
發明者蔣建飛, 蔡琪玉, 程子川, 黃萍, 沈波 申請人:上海交通大學