CN1866464A - 镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底上形成一个厚度可以控制的绝缘层；用晶片键合工艺将半导体层键合到带有绝缘层的衬底上；利用智能切断或研磨等工艺将半导体层减薄到100nm以下的厚度；按量子元胞自动机器件和电路的要求，采用刻蚀工艺将半导体层刻蚀成量子点阵列，该量子点阵列包括多个元胞单元，每一元胞单元包括四个量子点；采用氧化和淀积工艺在量子点周围形成氧化层，制成镜像电荷效应量子元胞自动机，每个元胞中有两个电子；利用扫描隧穿电镜和原子力显微镜，注入额外的电子，当电子注入后，衬底上就会同时形成等量的镜像正电荷。

Description

镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法
技术领域
本发明设计一种镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，尤其是一种在高导电能力的衬底如金属衬底或高掺杂半导体衬底上形成一个厚度可以控制的绝缘层如二氧化硅(SiO2)等，用晶片键合工艺将半导体晶片如硅(Si)等键合到带有绝缘层的高导电能力的衬底上，利用减薄工艺将半导体减薄到100nm以下的厚度，采用刻蚀工艺按量子元胞自动机器件和电路的要求将半导体薄层刻蚀成量子点整列，并采用氧化和淀积工艺在量子点周围形成氧化层制成镜像电荷效应量子元胞自动机的工艺；适用于镜像电荷效应量子元胞自动机器件和电路的制作。
背景技术
在过去的几十年中，微电子集成电路的集成度越来越高，随着其特征线宽的不断缩小，晶体管的特性接近其物理极限，量子效应也更加显著，这使集成电路的发展遇到一个不可逾越的瓶颈。为了克服以上问题并利用量子力学效应开发新的器件和电路，Lent提出了一种新的计算模式--量子元胞自动机(Quantum cellular automaton，简称QCA)的概念。量子元胞自动机利用了元胞之间近距离相互作用来实现信息传输和逻辑运算，它可以避免大规模集成电路中长距离布线困难的问题，同时它具有高速，低功耗，高集成度等特点。近些年，对QCA的研究已得到越来越多的关注，很多具体的实现方案被提出来，并且小规模的QCA逻辑电路在实验上得到了验证。其中，我们提出的镜像电荷效应量子元胞自动机(QCA)是最具可实现性的方案之一。镜像电荷QCA与其他的QCA相比的一个突出的优点是容易达到整个器件结构的电荷中性，而且利用量子力学的隧穿效应能在各个元胞中注入二个剩余的工作电荷。尽管镜像电荷效应QCA结构方案被已经被提出来了，但是到目前为止还没有一套完整的实现镜像电荷效应QCA的工艺方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其优点是采用标准的半导体工艺和纳米加工技术相结合的方法，可实现镜像电荷效应量子元胞自动机器件和电路。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明是一种镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底上形成一个厚度可以控制的绝缘层；
2)用晶片键合工艺将半导体层键合到带有绝缘层的衬底上；
3)利用智能切断或研磨等工艺将半导体层减薄到100nm以下的厚度；
4)按量子元胞自动机器件和电路的要求，采用刻蚀工艺将半导体层刻蚀成量子点阵列，该量子点阵列包括多个元胞单元，每一元胞单元包括四个量子点；
5)采用氧化和淀积工艺在量子点周围形成氧化层，制成镜像电荷效应量子元胞自动机，每个元胞中有两个电子；
6)利用扫描隧穿电镜和原子力显微镜，注入额外的电子，当电子注入后，衬底上就会同时形成等量的镜像正电荷。
其中衬底是高导电能力的衬底，是金属材料或高掺杂半导体材料，可以在上面进行各种工艺加工。
其中衬底上的绝缘层是氧化层或氮化层，用高温氧化法形成，或用淀积的方法形成，可以根据镜像电荷效应量子元胞自动机器件和电路的要求，调节温度，时间等参数得到相应的绝缘层的厚度。
其中半导体层是Si、GaAs半导体单晶片或带有超晶格结构的半导体，通过键合方法键合到衬底的绝缘层上。
其中量子点阵列用电子束曝光加离子刻蚀等纳米生长加工技术形成，量子点是柱状或半球状，量子点的尺寸和量子点的间距根据镜像电荷效应量子元胞自动机器件的要求进行加工。
其中量子点阵列形成之后的氧化层根据半导体的种类采用高温氧化加氧化层的淀积的方法形成或单纯的氧化层的淀积的方法形成。
附图说明
为进一步说明本发明的技术，以下结合实施方式及附图详细说明如下，其中：
图1是镜像电荷效应量子元胞自动机器件的结构示意图。
图2是制作镜像电荷效应量子元胞自动机的工艺流程图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，
请参阅图1，图1给出了镜像电荷效应量子元胞自动机的结构示意图。它是由衬底101，绝缘层102，半导体量子点104，及在量子点104周围形成氧化层103所构成的。其衬底101的材料是金属材料。在此衬底101上可形成一个厚度可以控制的二氧化硅(SiO2)绝缘层102。利用晶片键合工艺可以将半导体层108(硅(Si)晶片)键合到带有氧化硅(SiO2)绝缘层102的金属衬底101上。然后采用智能切断(smart cut)工艺可将半导体层(108)减薄到100nm以下的厚度。这个半导体层108的薄层可采用刻蚀工艺按量子元胞自动机器件和电路的要求刻蚀成量子点104整列，四个量子点构成一个元胞106，每个元胞中有两个电子105，相应地会在金属衬底101中存在两个镜像电荷107。最后采用高温氧化和氧化层淀积工艺在量子点周围形成SiO2氧化层103，就可制成镜像电荷效应量子元胞自动机。
请参阅图2，本发明一种镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，包括以下步骤：
1)在衬底101上形成一个厚度可以控制的绝缘层102(图2a)；该衬底101是高导电能力的衬底，是金属材料或高掺杂半导体材料，可以在上面进行各种工艺加工；
2)用晶片键合工艺将半导体层108键合到带有绝缘层102的衬底101上(图2b)；该半导体层108是Si、GaAs半导体单晶片或带有超晶格结构的半导体，通过键合方法键合到衬底101的绝缘层102上；
3)利用智能切断或研磨等工艺将半导体层108减薄到100nm以下的厚度(图2c)；
4)按量子元胞自动机器件和电路的要求，采用刻蚀工艺将半导体层108刻蚀成量子点阵列，该量子点阵列包括多个元胞单元106，每一元胞单元106包括四个量子点104(图2d)；其中量子点阵列用电子束曝光加离子刻蚀等纳米生长加工技术形成，量子点104是柱状或半球状，量子点104的尺寸和量子点104的间距根据镜像电荷效应量子元胞自动机器件的要求进行加工；
5)采用氧化和淀积工艺在量子点104周围形成氧化层103(图2e)，制成镜像电荷效应量子元胞自动机，每个元胞中有两个电子105；其中绝缘层102上的氧化层103用高温氧化法形成，或用淀积的方法形成，可以根据镜像电荷效应量子元胞自动机器件和电路的要求，调节温度，时间等参数得到相应的氧化层103的厚度；
6)利用扫描隧穿电镜和原子力显微镜，注入额外的电子，当电子注入后，衬底101上就会同时形成等量的镜像正电荷107(图2e)。
实施例
请再参阅图2，图2中给出了制作镜像电荷元胞自动机器件的工艺示意图。首先，如图2中(a)所示，在金属衬底101上淀积了一个二氧化硅(SiO2)绝缘层102，可以根据镜像电荷效应量子元胞自动机器件的要求，调节温度，时间等参数得到相应的氧化层的厚度。
然后，如图2中(b)所示，在SiO2绝缘层102上可用晶片键合工艺将半导体层108(Si晶片)键合上去。然后采用智能切断(smartcut)工艺将半导体层108减薄到100nm以下的厚度，得到如图2中(c)所示的结果。
接着，根据我们想要得到的镜像电荷效应量子元胞自动机器件的结构进行加工形成Si量子点104阵列，如图2(d)中所示。量子点104阵列可以用电子束曝光加离子刻蚀等纳米生长加工技术形成，这些量子点104可以是柱状或半球状等形状，量子点104整列中的量子点104的排列，量子点104的尺寸和量子点104的间距都可以根据我们的实际需要进行刻蚀或生长而得到。在量子点104中，利用扫描隧穿电镜(STM)和原子力显微镜(AFM)，可以注入额外的电子。当电子注入后，金属衬底上就会同时形成等量的镜像正电荷107，从而保持整个QCA电路的电荷中性。
最后，如图2(e)所示，在量子点104阵列形成之后，需要在量子点104的周围形成氧化层103。氧化层103可以根据半导体的种类采用高温氧化加氧化层的淀积的方法形成或单纯的氧化层的淀积的方法形成。这个氧化层起着遂穿势垒的作用。
通过以上的工艺过程就可以实现利用镜像电荷107效应的量子元胞自动机的器件结构。

Claims (6)

1.一种镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底上形成一个厚度可以控制的绝缘层；
2)用晶片键合工艺将半导体层键合到带有绝缘层的衬底上；
3)利用智能切断或研磨等工艺将半导体层减薄到100nm以下的厚度；
4)按量子元胞自动机器件和电路的要求，采用刻蚀工艺将半导体层刻蚀成量子点阵列，该量子点阵列包括多个元胞单元，每一元胞单元包括四个量子点；
5)采用氧化和淀积工艺在量子点周围形成氧化层，制成镜像电荷效应量子元胞自动机，每个元胞中有两个电子；
6)利用扫描隧穿电镜和原子力显微镜，注入额外的电子，当电子注入后，衬底上就会同时形成等量的镜像正电荷。
2.根据权利要求1所述的镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，其中衬底是高导电能力的衬底，是金属材料或高掺杂半导体材料，可以在上面进行各种工艺加工。
3.根据权利要求1或2所述的镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，其中绝缘层是氧化层或氮化层，可以用高温氧化法形成，或用淀积的方法形成，可以根据镜像电荷效应量子元胞自动机器件和电路的要求，调节温度，时间等参数得到相应的绝缘层的厚度。
4.根据权利要求1所述的镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，其中半导体层是Si、GaAs半导体单晶片或带有超晶格结构的半导体，通过键合方法键合到衬底的绝缘层上。
5.根据权利要求1所述的镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，其中量子点阵列用电子束曝光加离子刻蚀等纳米生长加工技术形成，量子点是柱状或半球状，量子点的尺寸和量子点的间距根据镜像电荷效应量子元胞自动机器件的要求进行加工。
6.根据权利要求1和5所述的镜像电荷效应量子元胞自动机的制作方法，其特征在于，其中量子点阵列形成之后的氧化层根据半导体的种类采用高温氧化加氧化层的淀积的方法形成或单纯的氧化层的淀积的方法形成。
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