[發明專利]一種基于單電子晶體管的電荷探針及其制備方法

有效

• 申請號: 201610907246.6
• 申請日: 2016-10-19
• 公開（公告）號: CN106430082B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 方靖岳;李欣幸;王飛;張學驁;秦華;常勝利;秦石喬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B82B1/00;B82B3/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 魏國先

1.一種基于單電子晶體管（SET）的電荷探針，具有探針懸臂梁， SET集成在探針懸臂梁的針尖端面；SET的源極、漏極、側柵極和庫侖島埋嵌在探針懸臂梁針尖端面的二氧化硅中；其特征在于：所述電荷探針，以絕緣襯底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）為基片，SET的基本組成單元：源極、漏極、側柵極、庫侖島和隧穿勢壘集成在上述基片的頂層硅上，并且SET位于電荷探針針尖的端面，其中納米金顆粒作為SET的庫侖島，位于源極、漏極和側柵極之間，庫侖島被由基片頂層硅氧化而來的二氧化硅介質包圍，庫侖島與源極、漏極以隧道結的形式耦合，庫侖島與側柵極以電容的形式耦合。

2.一種如權利要求1所述的基于SET的電荷探針的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

（1）以SOI為基片，在SOI基片的頂層硅上制備SET的源極、漏極、側柵極、勢壘層和庫侖島基本結構；

（2）采用金屬輔助化學腐蝕的方法刻蝕頂層硅，腐蝕一定深度；

（3）采用研磨的方法去除一定厚度的頂層硅，再對SOI基片進行氧化，使得SET的源極、漏極、側柵極和庫侖島埋嵌在二氧化硅中，形成隧穿勢壘，然后采用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）沉積一定厚度的二氧化硅作為保護層；

（4）采用紫外光刻和濕法刻蝕工藝制備探針的針尖；

（5）采用氧化、磁控濺射、聚焦離子束（FIB）刻蝕和聚集離子束誘導沉積工藝，制備與SET源極、漏極、側柵極相連的微米尺度電極；

（6）采用紫外光刻和濕法刻蝕工藝制備探針的懸臂梁。

3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于：其具體制備工藝流程如下：

（a）、選用雙拋SOI基片為制備材料，頂層硅厚度為5 μm，埋氧層厚度為4 μm，底層硅厚度為12 μm；

（b）、采用電子束曝光、電子束蒸發鍍膜和剝離的方法，在頂層硅表面制備SET的源極、漏極、側柵極和庫侖島，庫侖島直徑為20 nm，與庫侖島靠近一端的電極寬度為25 nm，Au的沉積厚度為25 nm；源極與庫侖島之間、漏極與庫侖島之間的距離為25 nm，側柵極和庫侖島之間的距離為50 nm；

（c）、采用金屬輔助化學腐蝕的方法刻蝕頂層硅，沉積有Au的頂層硅表面被腐蝕移除，而表面沒有金屬的頂層硅不受影響，SET的源極、漏極、側柵極和庫侖島隨著下面的頂層硅被刻蝕而沉入孔洞底部；金屬輔助化學腐蝕實現頂層硅各向異性腐蝕的深度為150 nm；

（d）、頂層硅腐蝕深度為150 nm，電極厚度為25 nm，利用研磨工藝將頂層硅減薄125 nm，達到頂層硅表面與電極表面平齊的效果，源極、漏極、側柵極和庫侖島埋嵌在頂層硅中；

（e）、研磨之后，采用氧化的方法制備SET的隧穿勢壘；SOI基片在1000 °C的管式爐中，通入純凈的干氧，使頂層硅表面形成300 nm的二氧化硅絕緣層；二氧化硅成為源極與庫侖島之間、漏極與庫侖島之間電子隧穿的勢壘層，成為側柵極和庫侖島之間的電容介電材料；再采用PECVD在頂面沉積10 nm的二氧化硅保護層，填充因退火導致金屬電極變形出現的間隙，并形成SET的保護層；

（f）、SOI基片背面用光刻膠保護，在由頂層硅氧化形成的二氧化硅上進行紫外光刻，然后BOE刻蝕氧化層，形成整個探針的二氧化硅掩膜；

（g）、SOI基片頂面用光刻膠保護，在由底層硅氧化形成的二氧化硅上進行紫外光刻，然后BOE刻蝕氧化層，形成背面腐蝕窗口；

（h）、采用KOH溶液對SOI基片進行各向異性濕法刻蝕頂層硅和底層硅，腐蝕深度2 μm；

（i）、頂面進行紫外光刻，背面光刻膠保護，形成探針針尖的光刻膠掩膜，然后BOE刻蝕氧化層，形成探針針尖頂面，SET就位于頂面上；

（j）、采用KOH溶液進行各向異性濕法刻蝕頂層硅和底層硅，直至頂層硅被刻穿而露出埋氧層（因為頂層硅較底層硅薄，頂層硅先被刻穿），形成探針針尖，硅針尖高度3 μm，硅懸臂梁厚度2 μm；

（k）、SOI基片放入管式爐中，通入純凈的干氧，1000 °C高溫氧化一定時間，使頂層硅表面形成300 nm厚度的二氧化硅絕緣層；

（l）、探針針尖端面以及SOI基片背面用光刻膠覆蓋，再采用磁控濺射，在探針側壁以及頂層硅上生長金屬薄膜，10 nm厚的Ti，然后是300 nm厚的Au；

（m）、去除光刻膠，采用FIB刻蝕Ti/Au薄膜，分隔出SET的源極、漏極和側柵極的微尺度電極；

（n）、采用聚焦離子束誘導沉積金屬Pt，將探針針尖端面的源極、漏極和側柵極與探針側壁以及頂層硅上相應的微尺度電極鏈接起來；

（o）、SOI片放入管式爐中，通入純凈的干氧，高溫氧化一定時間，確保FIB刻蝕后露出的頂層硅表面被氧化，防止電極間漏電；

（p）、用光刻膠保護探針和懸臂梁，在底層二氧化硅上進行紫外光刻，然后BOE刻蝕氧化層，形成背面腐蝕窗口；

（q）、采用KOH溶液進行各向異性濕法刻蝕底層硅，直至底層硅被刻穿而露出埋氧層；

（r）、用光刻膠保護探針和懸臂梁，然后BOE刻蝕氧化層，去除底層硅上的氧化層以及埋氧層，形成懸空的硅懸臂梁10；

（s）、采用原子層沉積系統在探針表面生長5 nm氧化鋁作為器件保護層；

（t）、采用雙束系統的聚焦電子束（FEB）誘導沉積的方法，在針尖頂面生長直徑20 nm，高度50 nm的柱體。