單電子晶體管及其制造技術(shù)

單電子晶體管及其制造技術(shù)第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要微電子器件的發(fā)展趨勢及局限

單電子器件（SET）的發(fā)展及前景

SET的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性

SET的制作技術(shù)

問題及前景第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月微電子器件的發(fā)展從1959年第一塊集成電路問世大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路（單位平方毫米上大于一萬個門電路）；1993年：0.35μm技術(shù)；目前水平：0.18μm~0.1μm技術(shù)，2010年：將達到0.07μm技術(shù)，

第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月Intel公司的IC發(fā)展過程1971年英特爾公司生產(chǎn)的第一個芯片只含有2300個晶體管；1997年生產(chǎn)的“奔騰II”芯片集成了2000多萬個晶體管；2000年底推出的“奔騰４”芯片則集成了4200萬個晶體管；2010年，一個芯片上的晶體管數(shù)目將超過10億個晶體管。發(fā)展趨勢完全遵循“摩爾定理”第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月“摩爾定理”每18至24個月，集成電路芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量將翻一番，產(chǎn)品性能將提高一倍，成本將下降一半。1965年，發(fā)表在當年第35期《電子》雜志上，是他一生中最為重要的文章。這篇不經(jīng)意之作也是迄今為止半導(dǎo)體歷史上最具意義的論文。1975年，摩爾做了一些修正，將翻番的時間從一年調(diào)整為兩年。實際上，后來更準確的時間是兩者的平均：18個月。第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月微電子器件的發(fā)展的局限器件散熱；光刻技術(shù)及工藝均勻性；柵氧化層漏電；大電場下的雪崩擊穿；信號串擾加聚；到達線寬物理加工極限；納米尺度下的宏觀量子隧道效應(yīng)的出現(xiàn)。第6頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月局限1--高集成度帶來的散熱問題

據(jù)英特爾公司負責芯片內(nèi)部設(shè)計的首席技術(shù)官蓋爾欣格預(yù)測，如果芯片的耗能和散熱問題得不到解決：到２００５年芯片上集成了２億個晶體管時，就會熱得像“核反應(yīng)堆”；到２０１０年就會達到火箭發(fā)射時高溫氣體噴嘴的水平；２０１５年就會與太陽的表面一樣熱。

第7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月局限2—光刻技術(shù)但當紫外光波長縮短到小于193nm時(蝕刻線寬0.18mm)，傳統(tǒng)的石英透鏡組會吸收光線而不是將其折射或彎曲。

下一代光刻技術(shù)NGL（NextGenerationLithography）包括：極紫外（EUV）光刻、離子束投影光刻技術(shù)（IonProjectionLithography,IPL）、SCALPEL（角度限制投影電子束光刻技術(shù)）以及X射線光刻技術(shù)。附圖顯示了今后10年內(nèi)在光蝕刻技術(shù)方面的發(fā)展趨勢。

第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月局限3--理加工極限問題理論上講，在一平方毫米的硅芯片上能制作的門電路將不會超過23萬個；理論分析預(yù)言0.04~0.05微米是硅集成電路線寬的“極限”尺寸極限，線路與線路相互間的距離越來越窄，導(dǎo)致相互干擾；采取減小電流的方法來解決，導(dǎo)致信號的背景噪聲會變得很大；第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月局限4--信號串擾金屬布線層數(shù)持續(xù)增加，導(dǎo)致相鄰的溝道電容也會增加。 從0.35um工藝的4層或者5層發(fā)展到0.13um工藝中的超過7層金屬布線層。2.復(fù)雜設(shè)計中的電路門數(shù)的劇增使得更多、連線的加長，橫斷面減小都使得線上電阻增加，引入信號串擾。第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月局限5--納米尺度下的宏觀量子隧道效應(yīng)MQT（MacroscopicQuantumTunneling）

對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。在微觀下，電子既具有粒子性又具有波動性，粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展的必然趨勢最多再用10年，量子器件將替代微電子元器單電子晶體管（SET）就是最有前途的、最現(xiàn)實的量子器件第12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET的基本特征比較尺寸（nm）通過的電子數(shù)最小功率（mW）現(xiàn)有最小的晶體管1801000001德國研制的SET1011/1000荷蘭納米碳管SET1x2011/100000第13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET的基本結(jié)構(gòu)庫侖島隧道勢壘（隧道結(jié)約10nm以下）勢壘區(qū)源、漏區(qū)柵氧化層（幾十納米厚）柵極柵●2135漏極柵極第14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道結(jié)及SET工作等效原理圖第15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET工作原理核心----單電子隧穿現(xiàn)象如果有一納米微粒尺寸足夠小且與其周圍外界在電學上是絕緣的，它與外界之間的電容可小到1fF(10－15F)，在這種情況下，某個電子隧穿進入該微粒產(chǎn)生“庫侖阻塞”效應(yīng)，它會阻止第二個電子再進入該微粒，否則會導(dǎo)致系統(tǒng)總能的增加，因而可人為控制電子逐個穿進出該微粒，實現(xiàn)單電子隧穿過程。第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月“庫侖阻塞”效應(yīng) 一個極小的（納米尺寸級）的金屬（或半導(dǎo)體）微粒，如果具有極小的系統(tǒng)電容C，一個電子進入微粒中并通過，就必須增加e2/2CΣ的能量，以克服微粒中的的電子對它的排斥。第17頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月“庫侖阻塞”效應(yīng)第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用能級理論解釋“庫侖效應(yīng)”庫侖島內(nèi)電荷Q的靜電能為：

E=-QVg+Q2/2C（1）令Q0=CgVg

（Q0

為外部電荷）（1）改寫為

E=(Q-Q0)2/2C+常數(shù)島內(nèi)電荷Q=Ne，當Q0=Ne時，見右圖。第19頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用能級理論解釋“庫侖效應(yīng)”改變Vg

使Q0=（N+1/2）e時，Q=Ne與Q=(N+1)e的電子能態(tài)簡并。庫侖阻塞效應(yīng)消失。第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET工作原理當Vg=0時，庫侖島內(nèi)產(chǎn)生“庫侖阻塞”，源漏極電導(dǎo)為零。當Vg=e/2Cg時， 一個電子穿過隧道結(jié)，漏極電導(dǎo)最大。導(dǎo)體向庫侖島內(nèi)增加一個電子需要增加e2/2CΣ的能量，這個能量的變化是由柵極電壓提供的。第21頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET工作原理（續(xù)1）柵極電壓繼續(xù)增加一個e/2Cg周期，島內(nèi)又進入一個電子。因此，柵極電壓的不斷增加使得柵、漏極之間的電導(dǎo)出現(xiàn)周期振蕩（稱為庫侖振蕩）。將庫侖島內(nèi)的電子能量量子化考慮，則會出現(xiàn)振幅的隨機性。振蕩周期對應(yīng)的柵壓值稱為“庫侖間隙”。第22頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET工作原理（續(xù)2）柵壓一定，提高柵漏電壓，使庫侖島能態(tài)增加，通過庫侖島的電子數(shù)增加。柵漏電流隨柵漏電壓階梯上升，稱為“庫侖臺階”。第23頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月庫侖臺階第24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET工作原理小結(jié)SET與MOSFET和庫侖系統(tǒng)有許多許多相似之處：

--結(jié)構(gòu)上，各組成部分的命名借用了MOSFET和庫侖阻塞系統(tǒng)的名稱；

--工作形式，通過在柵極施加一定的電壓來控制源、漏電流。SET是用“隧道勢壘-庫侖島-隧道勢壘”取代MOSFET的溝道，所以工作機理完全不同。SET實際是基于庫侖阻塞效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)的一個受柵極控制的庫侖阻塞系統(tǒng)。第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET的應(yīng)用前景實現(xiàn)超低功耗；超高集成度，制作超大集成度的存儲器；超高頻率響應(yīng)；用于制作單光子器件；可制造超高靈敏靜電計。第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET的典型實際應(yīng)用舉例多柵極的“或”門第27頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET的特性理論上講，SET的特性必須在一定的低溫下才能取得；SET的臨界工作溫度T0=e2/2KBCΣT0與C成反比，必須通過降低系統(tǒng)電容才能提高工作溫度。第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月降低C的問題不能依靠增大隧道結(jié)厚度，否則會限制隧道電流。不能采用增大柵氧化層厚度，否則會增大柵控電壓。第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)實的方法選擇適合的材料和縮小庫侖島的尺寸SET隧道結(jié)面積/nmxnm結(jié)電容/aF臨界溫度/T100x100300330x30303010x103300SET單結(jié)尺寸與臨界溫度的關(guān)系第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月制作能在室溫下工作的SET的關(guān)鍵問題制作或形成均勻的、形狀和大小精確可控的極小三維庫侖島；制作或形成厚度起伏極小的隧道結(jié)；實現(xiàn)各部分的連接；實現(xiàn)與其他器件的隔離和連接；與現(xiàn)有硅工藝的兼容性第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SET研究進展1988年，MIT的ScottThomas在200mK下偶然發(fā)現(xiàn)了SET現(xiàn)象；IBM的Meirav等采用MBE方法制造了完整的SET，并在4K溫度下觀測到SET特性；1997年，美國明尼蘇達州大學，斯蒂芬·喬小組研制出在室溫下工作的SET；日立劍橋?qū)嶒炇?，由哈魯·阿邁德小組宣布：一個單電子晶體管首次放大輸入的信號，雖然只能放大3.7倍，比傳統(tǒng)的晶體管小幾百倍；1999日本NTT公司研究成功了使用多個單電子晶體管構(gòu)成的電子計算機邏輯電路，這種電路經(jīng)過改進，可用于制造高性能的PC和便攜式通信終端設(shè)備。第32頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月國內(nèi)SET研究進展1999年，北大納米研究中心成功地構(gòu)造了“單分子隧道結(jié)/納米島”結(jié)構(gòu)，不僅將au、cds納米粒子組裝在站立于基底的線狀分子上，而且還可組裝到掃描探針顯微鏡的針尖上。在多年碳富勒烯研究的基礎(chǔ)上，進一步研究了碳納米管的制備、結(jié)構(gòu)和特性，掌握了有效制造和提純單壁碳納米管技術(shù)，目前純度達到90%。利用STM研究了生長于自組裝硫醇單分子膜上的、不同尺寸的二維金團簇和單層硫醇分子包裹的三維金團簇的I-V特性，澄清了庫侖阻塞效應(yīng)和分立量子能級在金屬納米團簇的單電子隧穿過程中各自所起的作用。第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月目前比較成功的SET工藝技術(shù)以MBE生長異質(zhì)結(jié)技術(shù)為特征的制備技術(shù)；以STM或AFM納米氧化技術(shù)為特征的制備技術(shù)；以EBL和SOI技術(shù)為特征的制備方法；以EBL與微結(jié)構(gòu)材料技術(shù)結(jié)合的制備技術(shù)；用碳納米管制備SET。第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用MBE生長異質(zhì)結(jié)技術(shù)制備SET在GaAs的基片上用MBE技術(shù)生長異質(zhì)結(jié)形成一維或二維電子氣（2DEG），以限制電子在Z方向上的運動；再在GaAs上生長勢壘區(qū)（限制電子再Y方向的運動）和隧道結(jié)，形成庫侖島；在庫侖島上面制作柵極。第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用MBE生長異質(zhì)結(jié)技術(shù)制備SET（續(xù)）第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用STM或AFM進行納米氧化制備SETSTM陽極納米氧化加工電流誘導(dǎo)局部氧化過程（CILO）第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月STM陽極納米氧化加工在Si/SiO2的基片上沉淀3nm厚的Ti；以STM探針作陰極，通過吸附在Ti表面的空氣中的水，形成納米尺寸的氧化鈦線；形成源極和漏極；制造柵極。

第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月STM陽極納米氧化加工（續(xù)1）用AFM觀測的加工結(jié)果典型參數(shù)：1TiOx線的寬為15-25nm，長為30-50nm。 2島尺寸為30-50nm乘35-50nm。 3隧道結(jié)電容10-19F。第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月STM陽極納米氧化加工（續(xù)2）典型參數(shù)：1TiOx線的寬為15-25nm，長為30-50nm。2島尺寸為30-50nm乘35-50nm。3隧道結(jié)電容10-19F。SET結(jié)構(gòu)示意圖第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用EBL和SOI技術(shù)制備H.Ishikuro采用EBL技術(shù)與各向異性腐蝕技術(shù)在SIMOX襯底上制造了MOSFET型SET。在40K時出現(xiàn)振蕩尖脈沖；EffendiLeobandung采用EBL方法在頂層硅膜60nm厚的SIMOX襯底制造出SET，在170K下觀測到60meV的庫侖間隙；LeiZhuang改進了EffendiLeobandung的方法，制備了能在室溫下呈現(xiàn)明顯庫侖振蕩的SET；T.Sakamoto用EBL直接“寫”工藝制造出，在15K-3.5K下觀測的周期相等的單島SET；第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用EBL和SOI技術(shù)制備（續(xù)）H.Ishikuro又改進了EffendiLeobandung的方法，制造出在同一量子點和量子線結(jié)構(gòu)上同時形成單電子SET和單空穴SET；王太宏教授針對EBL分辨率的限制、氧化工藝不均勻性以及Si/SiO2介面態(tài)、固定電荷對量子線和量子點形狀和尺寸的影響，提出了“納米電極對”理論，制造出單庫侖島的SET，在90K下，呈現(xiàn)單島振蕩特性。第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用EBL與微結(jié)構(gòu)材料技術(shù)結(jié)合制備SETS.Tarucha用EBL和MBE在N性GaAs襯底上制備了縱向SET；W.Chen將EBL與離子束淀積金屬納米粒技術(shù)結(jié)合形成SET結(jié)構(gòu)，在77K下呈現(xiàn)SET特性；ToshihikoSato將團簇化學技術(shù)與EBL結(jié)合制造出SET結(jié)構(gòu)，在77K下呈現(xiàn)庫侖臺階。第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用碳納米管制備SET納米碳管中存在大量未成對電子，但其在納米碳管中的徑向運動卻受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng)；而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認為納米碳管是一維量子導(dǎo)線。金屬性的納米碳管在低溫下表現(xiàn)出典型的庫侖阻塞效應(yīng)。所以單根單層納米碳管和3個微電極,便可制成在室溫下工作的場效應(yīng)三極管。當施加合適的柵極電壓時，納米碳管便由導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體，從而實現(xiàn)了0,1狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。第44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用碳納米管制備SET