專利名稱：對電荷超敏感的庫侖計及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子器件和微加工方法、納米器件和納米加工方法，特別是涉及一種對電荷超敏感的庫侖計，及利用微加工技術、納米加工技術制備該器件的方法。
納米技術發(fā)展的速度非常快，在不久的將來微電子器件將被納米器件所取代、至少被部分取代?，F獲得成功并得到大家公認的納米器件有單電子晶體管和單電子存儲器?？梢哉f，單電子晶體管是最有希望的納米器件。傳統(tǒng)電子晶體管通過控制千萬以上的成群電子的集體運動來實現開關、振蕩和放大等功能；單電子晶體管則只要通過一個電子的行為就可實現特定的功能。隨著集成度的提高，功耗已成為微電子器件電路穩(wěn)定性的制約因素。以單電子晶體管構成的元件可大大提高微電子的集成度并可使功耗減小到10-5。單電子晶體管如此極低的功耗可解決現集成化電路中因散熱引起的不穩(wěn)定因素問題。它的高度集成化程度可遠遠超越目前大規(guī)模集成化的極限，并能達到海森堡不確定原理設定的極限而成為將來不可被取代的新型器件。另外，隨著微電子器件集成度的提高，單元器件尺寸不斷減小，所含電子數也不斷減少。當系統(tǒng)單元電子數少于10時，每漲落1個電子，系統(tǒng)中電子數的改變大于10％，電子數的漲落將嚴重影響集成電路的穩(wěn)定性?，F解決這一問題的唯一途徑就是用單電子器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的器件，并實現其集成。
單電子晶體管的集成化將依賴于各原器件的無線耦合(《應用物理快報》Appl.Phys.Lett.，1996，69，406)，這與傳統(tǒng)的大規(guī)模集成電路原理不同?；谶@種單電子器件的集成原理，Nakazato等人(《電子快報》Electrinics Letters，1993，29，384.《日本應用物理快報》Jpn.J.Appl.Phys.Part 1，1995，34，700)實現了有存儲功能的單電子存儲器和單電子邏輯電路。它們通過單電子晶體管間的隧穿耦合和電容耦合來實現單電子器件的集成。這種集成方法集成出的電子器件有下列不足1)量子點大小不確定且漲落嚴重，2)量子點的數目無法確定，3)量子點的勢壘高度不可控制、不可調節(jié)，4)量子點間的耦合強度不可調節(jié)。因而，這種集成方法集成出的單電子器件、單電子電路有復雜難控和不穩(wěn)定的缺點。Duncan等人(Appl.Phys.Lett.1999，74，1045)利用表面柵耗盡技術實現了兩個單電子晶體管的集成，但這兩個單電子晶體管間既有電容耦合又有隧穿耦合，且這兩種耦合不能完全獨立控制，這使得集成出的兩個單電子晶體管有復雜難控的缺點。
本發(fā)明的目的之一在于克服上述集成出的電子器件的缺陷，基于庫侖阻塞原理，提供一種利用單電子晶體管集成實現的對電荷超敏感的庫侖計。該對電荷超敏感的庫侖計可用于探測萬分之一的電子電荷，還可用于探測用已知技術無法測量的超弱電流，包括直流電流、交流電流。
本發(fā)明的再一目的是提供一種利用微加工技術、納米加工技術制備對電荷超敏感的庫侖計的方法。
本發(fā)明是通過混合的臺面限制和線條柵耗盡技術實現單電子晶體管的量子點的，量子點間再通過懸浮柵的電容耦合將所有單電子晶體管集成在一起。利用這種集成方法，將一懸浮柵和一單電子晶體管集成在一起就構成了對電荷超敏感的庫侖計。這種庫侖計可探測萬分之一的電子電荷，可在電子邏輯電路研究、納米器件、單光子探測和生物神經電流的探測方面有重要應用。
本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計如圖2所示在襯底12上的導電材料層11中有源極1和漏極2；在導電材料層11的源極1和漏極2處有槽8和槽9，槽8和槽9之間的臺面形成連接源極和漏極的一維波導10，其寬度為3-800納米；在一維波導10上沉積有隧穿勢壘線條柵5、6和探頭線條柵7，隧穿勢壘線條柵5和6之間的一維波導為量子點3，在一維波導的量子點3處有邊線條柵4。
隧穿勢壘線條柵5和6上分別施加負偏壓，形成兩隧穿勢壘并將一維波導10分成3段，邊線條柵4用以調節(jié)、控制量子點3的靜電化學勢和其中的電子數。探頭線條柵7用于耦合連接探測對象。
在襯底上可進一步覆蓋下列材料制成的緩沖外延層1)Si、Ge或GeSi半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子等摻雜到Si、Ge、GeSi、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料；5)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦等絕緣材料。這些緩沖外延層可進一步提高導電材料層的質量。若緩沖外延層為非摻雜層，它可作為摻雜襯底與導電材料層的絕緣層，以阻止漏電電流的產生。緩沖外延層可和構成導電材料層的各種材料相同，但材料的組合不相同，結構也不相同。
所述的襯底可為1)半導體絕緣體上的硅(即SOI)；2)氧化物材料，如藍寶石Al2O3、氧化硅SiO2、氧化鎂MgO或鈦酸鍶SrTiO3表面上有一層氧化物的單晶硅；4)摻雜的半導體材料或非摻雜的半導體材料，如非摻雜的半導體材料是GaAs、Cr-GaAs、Si或InP等；摻雜的半導體材料是N+-GaAs、N+-InP或N+-GaN等。
所述的導電材料包括1)Si、Ge或SiGe半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、鎂、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子等摻雜到Si、Ge、SiGe、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料。
所述的隧穿勢壘線條柵、探頭線條柵和邊線條柵是Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo金屬層以及它們之間的任意復合層。
本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法包括以下步驟，以體積比計方法1(1)襯底12的制備。采用超聲和有機溶劑水浴對原始襯底反復清洗，去除原始襯底上的塵埃、油污及污染物等，清洗完后，用H2SO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-5000、NH4OH∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-5000、H3PO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-5000或H2SO4∶H3PO4∶H2O＝1-100∶1-60∶0-500等腐蝕液除去原始襯底表面上的傷痕，使原始襯底表面平整；清洗，去除襯底水份，然后將襯底放入處理室進行加熱除氣，得到精加工的襯底12；利用氧化或沉積方法，在精加工的襯底12上可覆蓋一層緩沖外延層；所述的緩沖外延層是1)Si、Ge或GeSi半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NIaAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子等摻雜到Si、Ge、GeSi、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料；5)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦等絕緣材料。
(2)利用氧化、腐蝕或沉積方法，直接在精加工的襯底12上或在襯底12上的緩沖外延層上覆蓋導電材料層11，利用體摻雜、調制摻雜或外加偏壓引起導電材料層中電子氣，電子氣到導電材料層上表面的距離為2-300納米。
導電材料包括1)Si、Ge或SiGe半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、鎂、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子等摻雜到Si、Ge、SiGe、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料。
(3)在導電材料層11上，利用常規(guī)光刻法、X射線光刻法、電子束光刻法、離子束光刻法或移相掩膜光刻法等制備套刻標記，可利用腐蝕形成的部分臺面、腐蝕的槽或沉積的膜(包括金屬膜)等來作為套刻標記；其金屬膜是Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta、或Mo等金屬層以及它們之間的任意復合層。
(4)利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法制備用以制作臺面的掩膜，腐蝕帶有套刻標記的導電材料層11，腐蝕掉導電材料層11掩膜圖形中的部分，掩膜圖形外的導電材料層11即為制作器件的臺面，所述的腐蝕可為已知的干法刻蝕或濕法腐蝕，其中所述的濕法腐蝕液是H2SO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-500、NH4OH∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-5000、H2SO4∶H3PO4∶H2O＝1-100∶1-60∶0-500或H3PO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-5000的溶液。
(5)利用套刻標記定位，用常規(guī)光刻制備掩膜，通過沉積金屬膜、剝離和退火等步驟在帶有臺面的導電材料層11中制備源極1和漏極2。金屬薄膜沉積材料包括Pd、Zr、Ag、Gd、Al、Ni、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta、In或Mo等金屬層以及它們之間的任意復合層。剝離在溶劑中進行，超聲清洗。退火條件是在N2∶H2＝1-900∶0-500的混合氣氛中合金退火，溫度為300-1200℃。
(6)利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法、X射線光刻法、電子束光刻法、離子束光刻法或移相掩膜光刻法等光刻方法直接在導電材料層11上制備用以制作一維波導10的圖形掩膜，其掩膜材料包括1)PMMA、ZEP、AZ或SAL等光刻膠，2)Al、Ge、Ni、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ta或Mo等金屬層以及它們之間的任意復合層，3)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦等絕緣材料。然后利用干腐蝕法或濕腐蝕法挖去導電材料層11上沒有掩膜的部分，構成槽8和槽9，槽8和槽9導致導電材料層11中的連接源極1和漏極2的一維波導10的形成，其寬度為2-800納米，高度為1-150納米。
(7)利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法、X射線光刻法、電子束光刻法、離子束光刻法、移相掩膜光刻法，在帶有源極1、漏極2和一維波導10的導電材料層11上制備光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積金屬膜，其金屬膜厚度為10-150納米。沉積的金屬膜包括Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo以及它們之間的任意復合層。取出制作器件并放入溶劑中浸泡。經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的線條柵5、6、4和7。
(8)經引線連接制備出本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計。
所用溶劑是丙酮。方法2(1)選用在襯底12上已覆蓋有導電材料層11的材料，通過反復氧化、腐蝕的方法減薄導電材料層11。在N2∶O2＝0-900∶1-500的混合氣氛中氧化，其氧化溫度為350-1200℃。用腐蝕液HF∶H2O＝1-100∶1-5000或HCl∶H2O＝1-100∶1-5000去掉氧化層。再氧化，再腐蝕，直到導電材料層11的厚度達到2-300納米。利用體摻雜、調制摻雜或外加偏壓引起導電材料層中電子氣，電子氣到導電材料層上表面的距離為2-300納米。
(2)在減薄后的導電材料層11上，利用常規(guī)光刻法、X射線光刻法、電子束光刻法、離子束光刻法或移相掩膜光刻法等制備套刻標記，可利用腐蝕形成的部分臺面、腐蝕的槽或沉積的膜(包括金屬膜)等來作為套刻標記；其金屬膜是W、Cr、Pt、Ta、或Mo等金屬層以及它們之間的任意復合層。
(3)利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法制備掩膜，腐蝕帶有套刻標記的導電材料層11，腐蝕掉導電材料層11掩膜圖形中的部分，掩膜圖形外的導電材料層11即為制作器件的臺面，所述的腐蝕可為已知的干法刻蝕或濕法腐蝕，其中所述的濕法腐蝕液是H2SO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-500、NH4OH∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-5000、H3PO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-500、KOH∶H2O＝1-100∶1-5000、NaOH∶H2O＝1-100∶1-5000、HF∶H2O＝1-100∶1-5000或HCl∶H2O＝1-100∶1-5000的溶液。
(4)利用套刻標記定位，通過光刻法在帶有套刻標記的導電材料層11上制備用于離子注入的掩膜，其掩膜材料包括1)PMMA、ZEP、AZ或SAL等光刻膠，2)Al、Ge、Ni、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ta或Mo等金屬層以及它們之間的任意復合層，3)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦等絕緣材料。向掩膜注入元素，其中，注入的元素包括硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子、氮離子或氟化硼離子等。離子注入后，去掉用于離子注入的掩膜，高溫退火激活注入的元素，其退火溫度為500-1200℃，時間為5-3600秒。
(5)利用套刻標記定位，通過光刻在精加工的導電材料層11上制備用于制作源極1和漏極2的圖形光刻膠掩膜，在帶光刻膠圖形掩膜上沉積金屬膜，其金屬膜厚度為5-900納米。沉積的金屬膜包括Pd、Zr、Ag、Gd、Al、Ni、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta、In或Mo以及它們之間的任意復合層。取出制作器件并放入溶劑中浸泡。經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的金屬膜，經合金退火即為源極1和漏極2，其退火溫度為300-800℃，時間5-3600秒。
(6)利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法、X射線光刻法、電子束光刻法、離子束光刻法或移相掩膜光刻法等直接在導電材料層11上制備用以制作一維波導10的圖形掩膜，其掩膜材料包括1)PMMA、ZEP、AZ或SAL等光刻膠，2)Al、Ge、Ni、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo等金屬層以及它們之間的任意復合層，3)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦等絕緣材料。利用干腐蝕法或濕腐蝕法挖去導電材料層11上沒有掩膜的部分，構成槽8和槽9，槽8和槽9導致導電材料層11中的連接源極1和漏極2的一維波導10的形成，其寬度為2-800納米，高度為1-150納米。
(7)利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法、X射線光刻法、電子束光刻法、離子束光刻法或移相掩膜光刻法等，在帶有源極1、漏極2和一維波導10的導電材料層11上制備光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積金屬膜，其金屬膜厚度為10-150納米。沉積的金屬膜包括Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo以及它們之間的任意復合層。取出制作器件并放入溶劑中浸泡。經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的線條柵5、6、4和7。
(8)經引線連接制備出本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計。
所用溶劑是丙酮。
本發(fā)明的對電荷超敏感庫侖計，其探頭線條柵7與被探測對象連接，如與被探測對象的量子點連接，用以探測量子點中的電荷變化；或與單電子邏輯電路集成連接，用以探測電子的行為、路徑；或與單電子存儲器集成連接，用以探測單電子的存儲過程；或鑲嵌在生物的神經附近，用以探測神經電流。
本發(fā)明的對電荷超敏感庫侖計，其在利用單電子晶體管集成時的方法較已知的集成方法有下列優(yōu)點1)量子點的大小、量子點勢壘及其它們的位置都可完全按需求實現，使其集成有理想可控的電特性；2)晶體管間耦合完全由量子點間電容耦合確定，避免了量子點間的隧穿耦合，使其集成穩(wěn)定可靠；3)可方便地實現有高級功能的邏輯器件和電路。本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計較已知的敏感器有以下優(yōu)點1)大大提高了靈敏度(可探測萬分之一電子的電荷)，2)能高度集成，3)可探測“人造原子”的能級結構，4)適合與其它器件的集成。
下面結合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明

圖1本發(fā)明的對電荷超敏感庫侖計的原理示意圖。
圖2本發(fā)明的對電荷超敏感庫侖計的立體結構示意圖。
圖3本發(fā)明的對電荷超敏感庫侖計的平面投影示意圖。
圖中標示1.源極 2.漏極 3.量子點 4.邊線條柵 5、6.隧穿勢壘線條柵7.探頭線條柵 8、9.槽 10.一維波導 11.導電材料層12.襯底實施例1將所選用的Si-GaAs襯底反復清洗1)三氯乙烯超聲清洗5次，每次10分鐘；2)丙酮水浴清洗5次，每次10分鐘；3)酒精超聲清洗5次，每次10分鐘；4)去離子水超聲清洗6次，每次10分鐘。清洗完再用H2SO4∶H2O2∶H2O＝5∶1∶1腐蝕液除去表面上的傷痕并使表面更平整。用去離子水沖洗5次，每次10分鐘。沖洗后撈出，吹干水分，傳入處理室進行熱處理除氣加熱溫度為450℃，時間為30分鐘。溫度降為50℃后將襯底傳入分子束外延生長室，在As爐快門打開的富As環(huán)境下緩慢加熱Si-GaAs襯底。在580℃燒掉Si-GaAs襯底上的氧化物(即襯底脫膜)，并用高能電子衍射監(jiān)視襯底脫膜過程。當高能電子衍射圖樣出現清晰條紋后，襯底溫度再升到610℃并維持10分鐘，然后溫度降到580℃，在襯底上生長8000納米的GaAs緩沖外延層。在緩沖外延層上生長含有二維電子氣的導電材料層。具體步驟為提高襯底溫度到610℃，關閉Si爐快門，打開Ga爐快門和Al爐快門，生長10納米厚Al0.3Ga0.7As勢壘層，再打開Si爐快門，生長50納米的Si-Al0.3Ga0.7As，其中Si摻雜含量為1×1018cm-3；關閉Ga、As、Al、Si爐快門，降低襯底溫度到580℃，然后Ga、As快門以2秒的的間隔交替開關，生長5納米厚GaAs層，關閉Ga快門，降低襯底溫度。當襯底溫度達到350℃時，關閉As爐快門，這就完成了襯底12上的帶有二維電子氣的導電材料層11的生長。
利用電子束光刻法制備“+”字形的套刻標記1)將已覆蓋導電材料層的襯底分別在三氯乙烯、丙酮、無水乙醇中，超聲清洗5分鐘；2)在110℃烘烤30分鐘，去掉導電材料層表面水汽；3)用勻膠機在導電材料層表面上覆蓋上160納米厚的電子束光刻膠PMMA，并在170℃烘烤60分鐘；4)用電子束光刻法制備左右對稱的兩“+”字標記；5)用甲基異丁基甲酮顯影30秒，并用異丙酮定影50秒；6)用無水乙醇清洗60秒并放進電子束蒸發(fā)室；7)當蒸發(fā)室的真空度達7×10-4Pa時，蒸發(fā)50納米鈦/300納米金；8)超聲剝離；留下掩膜圖形中的Ti/Au為“+”字圖形的套刻標記。組成“+”字圖形的兩條線條的寬度都為1微米，長度都為2000微米。
利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法制備用以制作臺面的掩膜，腐蝕帶有套刻標記的導電材料層，腐蝕掉導電材料層掩膜圖形中的部分，掩膜圖形外的導電材料層即為制作器件的臺面，腐蝕液是H2SO4∶H2O2∶H2O＝5∶1∶50。其腐蝕深度為200納米。
利用制備的套刻標記，通過光刻法制備用以制作源極1和漏極2的圖形AZ1400掩膜，在掩膜上沉積(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8，在丙酮中浸泡60分鐘，經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8，留下掩膜圖形中的(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8，去離子水超聲清洗6次，每次10分鐘。在N2∶H2＝3∶1的混合氣氛中合金退火，溫度為410℃，時間為50秒。這時留下掩膜圖形中的(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8即為源極1和漏極2。
利用電子束光刻法直接在導電材料層11上制備用以制作一維波導10的PMMA圖形掩膜，用濕法腐蝕法挖槽8和槽9，其腐蝕液為H2SO4∶H2O2∶H2O＝6∶1∶30。挖去導電材料層11上沒有掩膜的部分，構成槽8和槽9，槽8和槽9導致導電材料層11中的連接源極1和漏極3的一維波導10的形成，其寬度為280納米，高度為60納米；利用套刻標記定位，采用電子束光刻法在帶有源極1、漏極2和一維波導10的導電材料層11上制備用以制作線條柵的PMMA光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積13納米Ti/34納米Au膜，取出制作器件并放入溶劑中浸泡，經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的Ti/Au膜，留下掩膜圖形中的線條柵5、6、4和7。
引線連接后，就制備出了如圖1-3所示的對電荷超敏感的庫侖計。
實施例2按實施例1的方法，將所選用的Cr-GaAs襯底反復清洗。清洗完再用H2SO4∶H2O2∶H2O＝8∶1∶1腐蝕液除去表面上的傷痕并使表面平整。沖洗、吹干、除氣后將襯底傳入分子束外延生長室，在As爐快門打開的富As環(huán)境下緩慢加熱Cr-GaAs襯底。在590℃燒掉Cr-GaAs襯底上的氧化物(即襯底脫膜)，并用高能電子衍射監(jiān)視襯底脫膜過程。當高能電子衍射圖樣出現清晰條紋后，襯底溫度再升到620℃并維持10分鐘，然后溫度降到590℃在，襯底上生長8000納米的GaAs緩沖外延層。關Ga爐快門，開Si爐快門在緩沖外延層上沉積Si原子，其沉積的Si原子的面密度為1×1013cm-2。關閉Si爐快門，開Ga爐快門，在590℃生長30納米的GaAs。關閉Ga爐快門，降低襯底溫度。當襯底溫度達到350℃時，關閉As爐快門，這就完成了襯底上的帶有二維電子氣的導電材料層的生長。
利用電子束光刻法制備“「”字形的套刻標記1)將已覆蓋導電材料層的襯底分別在三氯乙烯、丙酮、無水乙醇中超聲清洗5分鐘；2)在110℃烘烤30分鐘，去掉導電材料層表面水汽；3)用勻膠機在導電材料層表面上覆蓋上160納米厚的電子束光刻膠PMMA并在170℃烘烤60分鐘；4)用電子束光刻法制備左右對稱的兩“「”字標記，其線寬為1微米，邊長為2000微米；5)用甲基異丁基甲酮顯影30秒，并用異丙酮定影50秒；6)用無水乙醇清洗60秒并放進電子束蒸發(fā)室；7)當蒸發(fā)室的真空度達3×10-4pa時，蒸發(fā)50納米Cr/300納米金；8)超聲剝離；9)長時間UV曝光60分以上并用甲基異丁基甲酮顯影80秒，并用異丙酮定影50秒以去掉殘余的電子束光刻膠。
利用套刻標記定位，采用常規(guī)光刻法制備用以制作臺面的掩膜，腐蝕帶有套刻標記的導電材料層，腐蝕掉導電材料層掩膜圖形中的部分，掩膜圖形外的導電材料層即為制作器件的臺面，腐蝕液是H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶30。其腐蝕深度為200納米。
利用套刻標記定位，通過常規(guī)光刻法制備用于制作源極1和漏極2的AZ1400掩膜，在掩膜上沉積(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8，在丙酮中浸泡60分鐘，經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8，留下掩膜圖形中的(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8，去離子水超聲清洗6次，每次10分鐘。在N2∶H2＝3∶1的混合氣氛中合金退火，溫度為410℃，時間為50秒。這時留下掩膜圖形中的(Au0.88Ge0.12)0.92Ni0.8即為源極1和漏極2。
利用電子束光刻法直接在導電材料層11上制備用以制作一維波導10的PMMA圖形掩膜，用濕法腐蝕法挖槽8和槽9，其腐蝕液為H2SO4∶H2O2∶H2O＝6∶1∶30。挖去導電材料層11上沒有掩膜的部分，構成槽8和槽9，槽8和槽9導致導電材料層11中的連接源極1和漏極2的一維波導10的形成，其寬度為190納米，高度為50納米；利用套刻標記定位，采用電子束光刻法在帶有源極1、漏極2和一維波導10的導電材料層11上制備用以制作線條柵的PMMA光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積13納米Ti/34納米Au膜，取出制作器件并放入溶劑中浸泡，經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的Ti/Au膜，留下掩膜圖形中的線條柵5、6、4和7。
引線連接后，就制備出了本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計。
實施例3將所選的藍寶石(Al2O3)襯底12反復清洗1)三氯乙烯超聲清洗5次，每次10分鐘；2)丙酮水浴清洗5次，每次10分鐘；3)酒精超聲清洗5次，每次10分鐘；4)去離子水超聲清洗3次，每次4分鐘。清洗完再用H2SO4∶H3PO4＝3∶1腐蝕液除去藍寶石Al2O3襯底12表面上的傷痕并使表面平整，其腐蝕液的溫度為160℃。用去離子水沖洗3次，每次8分鐘。沖洗后撈出，吹干水分，傳入處理室進行熱處理除氣加熱溫度為450℃，時間為30分鐘。溫度降為室溫后將襯底傳入分子束外延生長室。關閉所有爐子的快門，向清洗后傳入生長室的藍寶石襯底12表面噴氮氣即襯底的氮化，其氮化溫度為800℃。用高能電子衍射監(jiān)視AlN的退火過程，提高并維持襯底溫度在850℃，當高能電子衍射圖樣出現清晰條紋后，將溫度降到820℃生長2微米厚的GaN，將溫度升到850℃生長10納米厚的Al0.22Ga0.78N和25納米厚的Si-Al0.22Ga0.78N，其Si的摻雜濃度為1×1018cm-2。所生長的2微米GaN、10納米Al0.22Ga0.78N和25納米Si-Al0.22Ga0.78N為藍寶石襯底12上生長的帶有二維電子氣的導電材料層7。
利用電子束光刻法在導電材料層11上制備“+”字形的套刻標記1)將已覆蓋導電材料層的襯底分別在三氯乙烯、丙酮、無水乙醇中，超聲清洗5分鐘；2)在110℃烘烤30分鐘，去掉導電材料層表面水汽；3)用勻膠機在導電材料層表面上覆蓋160納米厚的電子束光刻膠PMMA，并在170℃烘烤60分鐘；4)用電子束光刻法制備左右對稱的兩“+”字標記，組成“+”字標記的兩條線的線寬都為1微米，長度都為2000微米；5)用甲基異丁基甲酮顯影30秒，并用異丙酮定影50秒；6)用無水乙醇清洗60秒。利用電子束光刻法在導電材料層11上制備用以制作“+”套刻標記和隔離臺面的圖形掩膜。利用反應離子刻蝕制備套刻標記臺面和器件隔離臺面，其刻蝕氣體為Cl2，刻蝕溫度為120℃，刻蝕深度為50納米。
利用制備的套刻標記，通過常規(guī)光刻法制備用以制作源極1和漏極2的圖形AZ1400掩膜，在圖形AZ1400掩膜上沉積20納米Ti/10納米Al，在丙酮中浸泡60分鐘，經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的Ti/Al，留下掩膜圖形中的Ti/Al，去離子水超聲清洗5次，每次8分鐘。在N2中退火30秒，其溫度為900℃。這時留下掩膜圖形中的Ti/Al即為源極1和漏極2。
利用電子束光刻法直接在導電材料層11上制備用以制作一維波導10的PMMA圖形掩膜，采用反應離子刻蝕法挖槽8和槽9，其刻蝕氣體為Cl2。挖去導電材料層11上沒有掩膜的部分，構成槽8和槽9，槽8和槽9導致導電材料層11中的連接源極1和漏極2的一維波導10的形成，其寬度為300納米，高度為30納米。
利用套刻標記定位，采用電子束光刻法在帶有源極1、漏極2和一維波導10的導電材料層11上制備用以制作線條柵的光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積Au金屬膜，其Au金屬膜厚度為150納米。取出制作器件并放入溶劑中浸泡。經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的線條柵5、6、4和7。
引線連接后，就制備出了本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計。
利用電子束光刻法在減薄后的Si單晶膜11上，制備帶“+”字圖形的光刻膠PMMA掩膜，在帶光刻膠圖形PMMA掩膜上用賤射法沉積金屬膜，其金屬膜為50納米Cr/300納米W/50納米Cr。取出制作器件并放入溶劑中浸泡。經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的Cr/W/Cr，留下的掩膜圖形中的Cr/W/Cr為“+”字圖形的套刻標記。組成“+”字圖形的兩條線條的寬度都為1微米，長度都為2000微米。
在帶有套刻標記的Si單晶膜11上沉積20納米厚SiO2和120納米厚的Si3N4。利用已知的反應離子刻蝕法去掉有源區(qū)外的120納米厚的Si3N4，用HF∶H2O＝1∶10腐蝕液去掉露出的20納米厚SiO2，利用已知的濕氧氧化(wet oxidation)方法氧化露出的Si單晶膜11，實現器件的隔離和制作器件的臺面。
在帶有套刻標記的Si單晶膜11上沉積20納米厚SiO2和120納米厚的Si3N4。利用套刻標記定位，通過光刻法在沉積的20納米厚SiO2和120納米厚的Si3N4上制備用于砷離子注入的掩膜，向掩膜注入100keV砷離子，劑量為8×1015cm-2。砷離子注入后，用未稀釋H3PO4在80℃煮38分鐘去掉120納米厚的Si3N4，用HF∶H2O＝1∶10腐蝕液去掉20納米厚SiO2。在N2∶H2＝2∶1的混合氣氛中退火，其溫度為1080℃，退火間為7秒。
再用常規(guī)光刻法在導電材料層11上制備用以制作源極1和漏極2的圖形AZ1400光刻膠掩膜，在帶光刻膠圖形掩膜上沉積1微米厚的Al膜。取出制作器件并放入溶劑中浸泡。經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的金屬膜，經合金退火即為源極1和漏極2，其退火溫度為430℃。
利用套刻標記定位，采用電子束光刻法直接在有套刻標記的Si單晶膜11上制備用以制作一維波導10的圖形掩膜，其掩膜材料為180納米厚的PMMA。利用電子回旋共振干法的刻蝕法在SF6氣氛和120℃刻蝕帶有圖形掩膜的Si單晶膜11，將Si單晶膜11上沒有掩膜的部分刻蝕掉，形成槽8和槽9。槽8和槽9導致Si單晶膜11形成連接源極1和漏極2的一維波導10，其刻蝕深度為70納米，所形成的一維波導10的寬度為350納米。
利用套刻標記定位，采用電子束光刻法在帶有源極1和漏極2、和一維波導10的Si單晶膜11上制備用以制作線條柵的光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積60納米Al膜，取出制作器件并放入溶劑中浸泡。經剝離等工藝去掉掩膜圖形外的Al膜，留下掩膜圖形中的線條柵5、6、4和7。
引線連接，就制備出本發(fā)明的對電荷超敏感的庫侖計。
權利要求
1.一種對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于在襯底(12)上的導電材料層(11)中有源極(1)和漏極(2)；在導電材料層(11)的源極(1)和漏極(2)處有槽(8)和槽(9)，槽(8)和槽(9)之間的臺面形成連接源極(1)和漏極(2)的一維波導(10)；在一維波導(10)上沉積有隧穿勢壘線條柵(5)、(6)和探頭線條柵(7)，隧穿勢壘線條柵(5)和(6)之間的一維波導為量子點(3)，在一維波導的量子點(3)處有邊線條柵(4)。
2.如權利要求1所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的一維波導(10)的寬度為3-800納米。
3.如權利要求1所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的襯底(12)上進一步覆蓋有緩沖外延層。
4.如權利要求3所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的緩沖外延層是1)Si、Ge或GeSi半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子摻雜到Si、Ge、GeSi、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料；5)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦絕緣材料。
5.如權利要求1所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的襯底是1)半導體絕緣體上的硅；2)氧化物材料；3)玻璃、SiC、Ge、硅或在硅表面上有一層氧化物的單晶硅；4)摻雜的半導體材料或非摻雜的半導體材料。
6.如權利要求5所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的氧化物材料是Al2O3、氧化硅、氧化鎂或鈦酸鍶。
7.如權利要求5所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的非摻雜的半導體材料是GaAs、Cr-GaAs、Si或InP；摻雜的半導體材料是N+-GaAs、N+-InP或N+-GaN。
8.如權利要求1所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的導電材料是1)Si、Ge或SiGe半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、鎂、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子摻雜到Si、Ge、SiGe、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料。
9.如權利要求1所述的對電荷超敏感的庫侖計，其特征在于所述的隧穿勢壘線條柵、探頭線條柵和邊線條柵是Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo金屬層以及它們之間的任意復合層。
10.如權利要求1-9所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟方法11)對原始襯底反復清洗，清洗完后，用腐蝕液除去原始襯底表面上的傷痕；清洗，去除襯底水份，然后對襯底除氣，得到精加工的襯底(12)；利用氧化或沉積方法，在精加工的襯底(12)上覆蓋一層緩沖外延層；2)利用氧化、腐蝕或沉積方法，直接在精加工的襯底(12)上或在襯底(12)上的緩沖外延層上覆蓋導電材料層(11)，利用體摻雜、調制摻雜或外加偏壓引起導電材料層中電子氣；3)在導電材料層(11)上利用腐蝕形成的部分臺面、腐蝕的槽或沉積的膜來作為套刻標記；4)利用套刻標記定位，采用常規(guī)方法制備用以制作臺面的掩膜，腐蝕帶有套刻標記的導電材料層(11)，腐蝕掉導電材料層(11)掩膜圖形中的部分，掩膜圖形外的導電材料層(11)即為制作器件的臺面；所述的腐蝕是干法刻蝕或濕法腐蝕；5)利用套刻標記定位，用常規(guī)方法制備掩膜，通過沉積金屬膜、剝離和合金退火步驟在帶有臺面的導電材料層(11)中制備源極(1)和漏極(2)；6)利用套刻標記定位，采用常規(guī)方法直接在導電材料層(11)上制備用以制作一維波導(10)的圖形掩膜，然后利用干腐蝕法或濕腐蝕法挖去導電材料層(11)上沒有掩膜的部分，構成槽(8)和槽(9)，槽(8)和槽(9)導致導電材料層11中的連接源極(1)和漏極(2)的一維波導(10)的形成；7)利用套刻標記定位，在帶有源極(1)、漏極(2)和一維波導(10)的導電材料層(11)上制備光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積金屬膜；取出制作器件并放入溶劑中浸泡，經剝離工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的線條柵(5)、(6)、(4)和(7)；8)經引線連接制備出對電荷超敏感的庫侖計；或方法21)選用在襯底(12)上已覆蓋有導電材料層(11)的材料，通過反復氧化、腐蝕的方法減薄導電材料層(11)；利用體摻雜、調制摻雜或外加偏壓引起導電材料層中電子氣；2)在減薄后的導電材料層(11)上，利用腐蝕形成的部分臺面、腐蝕的槽或沉積的膜來作為套刻標記；3)利用套刻標記定位，采用常規(guī)方法制備掩膜，腐蝕帶有套刻標記的導電材料層(11)，腐蝕掉導電材料層(11)掩膜圖形中的部分，掩膜圖形外的導電材料層(11)即為制作器件的臺面，所述的腐蝕為干法刻蝕或濕法腐蝕；4)利用套刻標記定位，在帶有套刻標記的導電材料層(11)上制備用于離子注入的掩膜，離子注入后，去掉用于離子注入的掩膜，高溫退火激活注入的元素，其退火溫度為500-1200℃；5)利用套刻標記定位，在精加工的導電材料層(11)上制備用于制作源極(1)和漏極(2)的圖形光刻膠掩膜，在帶光刻膠圖形掩膜上沉積金屬膜；取出制作器件并放入溶劑中浸泡，經剝離工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的金屬膜，經合金退火即為源極(1)和漏極(2)；6)利用套刻標記定位，直接在導電材料層(11)上制備用以制作一維波導(10)的圖形掩膜，利用干腐蝕法或濕腐蝕法挖去導電材料層(11)上沒有掩膜的部分，構成槽(8)和槽(9)，槽(8)和槽(9)導致導電材料層(11)中的連接源極(1)和漏極(2)的一維波導(10)的形成；7)利用套刻標記定位，在帶有源極(1)、漏極(2)和一維波導(10)的導電材料層(11)上制備光刻膠圖形掩膜，在制備的光刻膠圖形掩膜上沉積金屬膜；取出制作器件并放入溶劑中浸泡，經剝離工藝去掉掩膜圖形外的金屬膜，留下掩膜圖形中的線條柵5、6、4和7；8)經引線連接制備出對電荷超敏感的庫侖計。
11.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于所述的腐蝕液是(以體積比計)H2SO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-500、NH4OH∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-5000、H3PO4∶H2O2∶H2O＝1-100∶1-60∶1-500、H2SO4∶H3PO4∶H2O＝1-100∶1-60∶0-500、KOH∶H2O＝1-100∶1-5000、NaOH∶H2O＝1-100∶1-5000、HF∶H2O＝1-100∶1-5000或HCl∶H2O＝1-100∶1-5000的溶液。
12.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于所述的緩沖外延層是1)Si、Ge或GeSi半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子摻雜到Si、Ge、GeSi、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料；5)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦絕緣材料。
13.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于所述的導電材料是1)Si、Ge或SiGe半導體元素材料；2)GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NAlGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體化合物；3)由硅、鎂、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子或氟化硼離子摻雜到Si、Ge、SiGe、GaN、NAlGaAs、NInGaAs、NInAlGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAs或InAlGaAs半導體材料中的復合材料；4)上述1)、2)和3)所述的晶格常數相近似且可任意組合的材料。
14.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于方法1中的步驟3)、步驟7)或方法2中的步驟7)所述的沉積的膜是Al、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta、或Mo金屬層以及它們之間的任意復合層。
15.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于方法1或方法2中的步驟5)所述的沉積的金屬膜是Pd、Zr、Ag、Gd、Al、Ni、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta、In或Mo金屬層以及它們之間的任意復合層。
16.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于方法1中的步驟5)所述的退火條件是在N2∶H2＝1-900∶0-500的混合氣氛中合金退火，溫度為300-1200℃。
17.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于所述的掩膜材料是1)PMMA、ZEP、AZ或SAL光刻膠，2)Al、Ni、Au、W、Cr、Ti、Ni、Pt、Ge、Ta或Mo金屬層以及它們之間的任意復合層，3)氧化硅、氧化鋁、氮化硅或氧化鈦絕緣材料。
18.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于方法2)中的步驟2)所述的膜包括金屬W、Cr、Pt、Ta、或Mo等金屬層以及它們之間的任意復合層。
19.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于方法2)中的步驟1)所述的氧化條件是在(以體積比計)N2∶O2＝0-900∶1-500的混合氣氛中氧化，氧化溫度為350-1200℃；腐蝕條件是用腐蝕液(以體積比計)HF∶H2O＝1-100∶1-5000或HCl∶H2O＝1-100∶1-5000去掉氧化層。
20.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于方法2)中的步驟4)所述的注入元素是硅、磷離子、氮離子、砷離子、氧離子、氮離子或氟化硼離子。
21.如權利要求10所述的對電荷超敏感的庫侖計的制備方法，其特征在于方法2中的步驟5)所述的合金退火溫度為300-800℃。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子器件和微加工方法,特別是涉及一種對電荷超敏感的庫侖計及其制備方法。在襯底上的導電材料層中有源極1和漏極2;在導電材料層的源極和漏極處有槽8和槽9,槽8和槽9之間的臺面形成連接源極和漏極的一維波導,其寬度為3－800納米;在一維波導上沉積有隧穿勢壘線條柵5、6和探頭線條柵,隧穿勢壘線條柵5和6之間的一維波導為量子點3,在一維波導的量子點處有邊線條柵?？捎糜谔綔y萬分之一的電子電荷。
文檔編號H01L27/10GK1366178SQ0110194
公開日2002年8月28日 申請日期2001年1月18日 優(yōu)先權日2001年1月18日
發(fā)明者王太宏 申請人:中國科學院物理研究所