JP2004535677A - 突出したフィーチャが電極間の間隔を画定する単一電子トランジスタ及び製造方法 - Google Patents
突出したフィーチャが電極間の間隔を画定する単一電子トランジスタ及び製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
単一電子トランジスタは、基板（１００）の面から突出した錐体（１５０）などの突出フィーチャを備えている。突出フィーチャ上を延びた第１の電極（１１０）が基板面に設けられている。突出フィーチャ上を延び、かつ、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極（１２０）が基板面に設けられている。第１の電極と第２の電極（１１０、１２０）の間の突出フィーチャ上に、少なくとも１つのナノ粒子（１４０）が設けられている。したがって、突出フィーチャの幾何学形状が、第１の電極と第２の電極（１１０、１２０）の間の間隔を画定している。単一電子トランジスタは、基板面から突出した突出フィーチャを基板上に形成し、突出フィーチャ上を延びた第１の電極（１１０）を基板面に形成し、突出フィーチャ上を延びた、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極（１２０）を基板面に形成し、かつ、第１の電極と第２の電極（１１０、１２０）の間の突出フィーチャ上に少なくとも１つのナノ粒子（１４０）を置くことによって製造されている。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は超小型電子デバイス及びその製造方法に関し、より詳細には単一電子トランジスタ及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度及び／又は高性能超小型電子デバイスのための単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）デバイス及び製造方法については、広範囲にわたって研究されている。当業者によく知られているように、単一電子トランジスタには、ナノ粒子、ナノクラスタあるいは量子ドットとも呼ばれているナノメートル・サイズの粒子を通る単一電子の流れに基づいて動作する単一電子ナノエレクトロニクスが使用されている。単一電子トランジスタの一般原理は、従来の金属酸化膜半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）などの従来の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の一般原理と類似しているが、単一電子トランジスタにおいては、ナノ粒子を介した単一電子のトンネリングに基づいて電子が移動している。単一電子トランジスタについては、たとえば、参照により本明細書において完全にその開示内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、米国特許第５，４２０，７４６号、第５，６４６，４２０号、第５，８４４，８３４号、第６，０５７，５５６号及び第６，１５９，６２０号、及び本発明者Ｂｒｏｕｓｓｅａｕ，ＩＩＩらによる「化学的に修飾された金ナノクラスタ中のｐＨゲート単一電子トンネリング（ｐＨ−Ｇａｔｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｇｏｌｄ Ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌ．１２０，Ｎｏ．３０，１９９８，ｐｐ．７６４５−７６４６）という名称の刊行物、及びＦｅｌｄｈｅｉｍらによる「単一電子トランジスタ及び関連デバイスの自己アセンブリ（Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ）」（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ，Ｖｏｌ．２７，１９９８，ｐｐ．１−１２）という名称の刊行物、並びにＫｌｅｉｎらによる「セレン化カドミウム・ナノ結晶製単一電子トランジスタ（Ａ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｍａｄｅ Ｆｒｏｍ ａ Ｃａｄｍｉｕｍ Ｓｅｌｅｎｉｄｅ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）」（Ｎａｔｕｒｅ，１９９７，ｐｐ．６９９−７０１）という名称の刊行物に記載されている。
【０００３】
参照により本明細書において完全にその開示内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、国際公開第ＷＯ ０１／１３４３２ Ａ１号としても公布されている、Ｄａｎｉｅｌ Ｌ．Ｆｅｌｄｈｅｉｍ及び本発明者Ｌｏｕｉｓ Ｃ．Ｂｒｏｕｓｓｅａｕ，ＩＩＩによる「化学ゲート単一電子トランジスタを使用したセンシング・デバイス（Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ−Ｇａｔｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）」という名称の米国特許出願第０９／３７６，６９５号に、単一電子トランジスタ技術における主要な飛躍的進歩が記載されている。上記特許出願には、化学センサ又は生物学的センサとしての使用に供することができる化学ゲート単一電子トランジスタが記述されている。これらの化学ゲート単一電子トランジスタの実施形態は、基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、また、ソース電極とドレイン電極の間に、空間寸法の大きさが約１２ｎｍ以下のナノ粒子が含まれている。ナノ粒子の表面には分析物特異的結合剤が位置している。目標分析物と結合剤の間に生じる結合事象が、単一電子トランジスタの検出可能な特性変化をもたらしている。
【０００４】
化学ゲート単一電子トランジスタを始めとする単一電子トランジスタのこれら及び他の構成にもかかわらず、これらのデバイスを超小型電子デバイスの製造に使用されている従来のフォトリソグラフィを使用して製造することは困難である。詳細には、ナノ粒子に量子力学的効果をもたらすためには、単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極の間に、約２０ｎｍ未満あるいは約１２ｎｍ未満もしくは約１０ｎｍの間隔が設けられることが望ましい。しかし、従来のリソグラフィを使用して、低コスト及び／又は許容可能なデバイス歩留りでこれらの間隔を設けることは困難である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による実施形態により、錐体などの突出フィーチャが基板面から突出した単一電子トランジスタ及びその製造方法が提供される。突出フィーチャ上を延びた第１の電極が基板面に設けられ、突出フィーチャ上を延び、かつ、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極が基板面に設けられている。第１の電極と第２の電極の間の突出フィーチャ上に、少なくとも１つのナノ粒子が設けられている。したがって突出フィーチャの幾何学形状が、第１の電極と第２の電極の間の間隔を画定しており、したがって、高分解能フォトリソグラフィを必要とすることなく、第１の電極と第２の電極の間に所望の間隔を得ることができる。
【０００６】
本発明による実施形態は、従来の超小型電子製造技術を使用して、錐体などの突出フィーチャを基板上に製造することができる、という認識に由来している。錐体などの突出フィーチャは微小頂点を有しており、したがって、突出フィーチャ上に形成された、頂点に隣接する第１の電極及び第２の電極は、それらの間に約２０ｎｍ未満又は約１２ｎｍ未満もしくは約１０ｎｍの微小間隔を有している。フォトリソグラフィックを使用して、たとえば１０ｎｍの幅の領域を層中に画定することは困難である。したがって、従来の超小型電子技術を使用して、潜在的に可能な低コスト及び／又は高歩留りで単一電子トランジスタ・デバイスを製造することができる。「頂点」という用語は、明細書において使用されているように、錐体の表面上の、錐体の側面が互いに交わる領域、あるいは錐体の側面が互いに接近する領域に適用されていることは理解されよう。頂点は、錐体の最高点あるいは最低点である必要はない。
【０００７】
本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタは基板を備えており、その基板面から錐体が突出している。この錐体には、複数の側面及び頂点が含まれている。頂点に隣接して延びた第１の電極端を備えた第１の電極が、錐体の第１の側面に設けられている。頂点に隣接して延びた、第１の電極端と間隔を隔てた第２の電極端を備えた第２の電極が、錐体の第２の側面に設けられている。頂点には少なくとも１つのナノ粒子が設けられている。いくつかの実施形態では、第１の電極端及び第２の電極端は、頂点に隣接して約２０ｎｍ未満の間隔を隔てており、他の実施形態では、第１の電極端及び第２の電極端は、頂点に隣接して約１０ｎｍの間隔を隔てている。いくつかの実施形態の頂点は点であり、また、他の実施形態の頂点はプラトー（すなわち平坦）である。
【０００８】
いくつかの実施形態では、錐体などのフィーチャが外側に向かって基板面から遠ざかって突出し、たとえば基板面から上昇する錐体などのフィーチャを提供している。他の実施形態では、錐体などのフィーチャが基板面から基板中に内側に向かって突出し、たとえば基板中に延びた錐体形トレンチなどのトレンチを提供している。いくつかの実施形態では、錐体の側面は４面であり、それぞれ第１の電極及び第２の電極が設けられる第１の側面及び第２の側面は、互いに対向している。
【０００９】
いくつかの実施形態では、第１の電極及び第２の電極にはナノ粒子が設けられていない。他の実施形態では、少なくとも１つのナノ粒子は、頂点上、第１の電極端上及び／又は第２の電極端上の複数のナノ粒子からなっている。
【００１０】
本発明の他の実施形態では、複数の単一電子トランジスタが、錐体などの複数のフィーチャ、複数の第１の電極及び複数の第２の電極を備えた基板上に設けられている。少なくとも１つのナノ粒子が錐体の頂点に設けられている。隣接するトランジスタの第１の電極及び第２の電極は、１つに電気接続されている。つまり、錐体の側面から隣接する錐体の側面に向かって延びた電極が設けられている。
【００１１】
さらに他の実施形態では、自己アセンブル単分子層、重合体層及び／又は他の定着層が頂点に設けられ、少なくとも１つのナノ粒子が、頂点とは反対側の定着層上に設けられている。他の実施形態では、第１の電極端及び第２の電極端にも定着層が設けられている。さらに他の実施形態では、頂点に絶縁層が設けられている。
【００１２】
本発明によるいくつかの実施形態は、電気ゲート単一電子トランジスタを形成するべく使用することができ、頂点とは反対側の少なくとも１つのナノ粒子にゲート電極が設けられている。他の実施形態では、少なくとも１つのナノ粒子の表面に分析物特異的結合剤を提供することによって化学ゲート単一電子トランジスタが設けられている。
【００１３】
本発明による方法実施形態に従って、基板面から突出した突出フィーチャを基板上に形成し、突出フィーチャ上を延びた第１の電極を基板面に形成し、突出フィーチャ上を延びた、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極を基板面に形成し、かつ、第１の電極と第２の電極の間の突出フィーチャ上に少なくとも１つのナノ粒子を置くことにより、単一電子トランジスタを製造することができる。いくつかの実施形態では、突出フィーチャは、頂点を備えた錐体である。頂点に隣接して延びた第１の電極端を備えた第１の電極が、錐体の第１の側面に形成されている。頂点に隣接して延びた、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極端を備えた第２の電極が、錐体の第２の側面に形成されている。頂点には少なくとも１つのナノ粒子が置かれている。
【００１４】
いずれの方法実施形態においても、突出フィーチャ及び／又は錐体は、外側に向かって基板面から遠ざかって突出し、かつ／又は基板面にトレンチを形成するべく内側に向かって突出している。いくつかの方法実施形態では、第１の電極及び第２の電極は、方向性を持たせた導電層の堆積によって設けられている。たとえば、第１の方向の堆積によって錐体の第１の側面に導電層が形成され、また、第２の方向の堆積によって錐体の第２の側面に導電層が形成されている。また、錐体などの間隔を隔てた複数の突出フィーチャ、複数の第１の電極及び複数の第２の電極を基板上に製造することができる。また、自己アセンブル単分子層、絶縁層、分析物特異的結合剤及び／又はゲート電極を製造することも可能である。したがって、第１の電極と第２の電極の間の間隔がフィーチャの幾何学形状によって決定されるため、高性能及び／又は高歩留りを可能にする一方で、従来の超小型電子処理ステップを使用して単一電子トランジスタを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について、本発明による実施形態を示した添付の図面を参照してより詳細に説明するが、本発明は、多くのさまざまな形態で具体化することができ、したがって本発明を本明細書において示す実施形態に限定するのもと解釈してはならない。これらの実施形態は、本発明を本明細書において示す実施形態に限定するためのものではなく、本開示全体を完全に理解し、かつ、当業者に本発明の範囲を完全に伝えることを目的としたものである。図面に示す層及び領域の厚さは、分かりやすくするために誇張されており、また、同一番号は、全図を通して同一要素を表している。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂは、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図を示したものであり、また、図１Ｃは、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図を示したものである。図１Ａ及び１Ｃに示すように、単一電子トランジスタのこれらの実施形態は、面１００ａを有する基板１００を備えている。当業者によく知られているように、基板は、従来の単結晶シリコン基板、絶縁体上半導体（ＳＯＩ）基板、炭化ケイ素基板、ヒ化ガリウム基板、窒化ガリウム基板、ダイヤモンド薄膜基板及び／又は他の基板で構成することができ、また、１つ又は複数のヘテロエピタキシャル層及び／又はホモエピタキシャル層を基板上に備えることもできる。基板面１００ａは、平面であっても非平面（三次元）であってもよい。
【００１７】
図１Ａ及び１Ｃをさらに参照すると、基板は、基板面１００ａから突出した錐体１５０などの突出フィーチャを備えている。突出フィーチャは、基板の形状を変更するトポグラフィック・フィーチャとして把握することもできる。錐体１５０は、側面１５０ａ及び１５０ｂを含む複数の側面を備え、また、側面１５０ａと１５０ｂの間に頂点１５０ｃを備えている。本明細書において使用されているように、「頂点」という用語は、錐体の表面上の、錐体の側面が互いに交わる領域、あるいは錐体の側面が互いに接近する領域に適用されていることは理解されよう。頂点は、錐体の最高点あるいは最低点である必要はない。
【００１８】
図１Ａでは、錐体１５０は、基板１００の面１００ａから外側に向かって遠ざかって突出している。第１の電極端１１０ａを備えた第１の電極１１０が、錐体の第１の側面１５０ａに設けられていて、第１の電極端１１０ａは、頂点１５０ｃに隣接して延びている。第２の電極端１２０ａを備えた第２の電極１２０が、錐体１５０の第２の側面１５０ｂに設けられている。第２の電極端１２０ａは、頂点１５０ｃに隣接して延びていて、第１の電極端１１０ａと間隔を隔てている。第１の電極１１０及び第２の電極１２０はそれぞれ導電性であるか、あるいは少なくとも電極端１１０ａ及び１２０ｂに隣接する部分に導電性部分を備えている。第１の電極及び第２の電極は、上に列挙した基板１００の材料のうちのいずれかからなっており、また、導電性多結晶シリコン、金属及び／又は他の導電性材料などの導電性材料を使用することもできる。
【００１９】
図１Ａ及び１Ｃには、形状及びサイズが同一である４つの側面を有する錐体１５０が示されているが、側面の数が異なる錐体にすることも可能であり、側面は、同じ形状又は面積である必要はなく、また、平面である必要もない。最後に、図１Ａ及び１Ｃには錐体が示されているが、基板１００から突出した円錐尖端及び／又は多面立体などの他のフィーチャを使用することも可能である。
【００２０】
図１Ａ及び１Ｃをさらに参照すると、少なくとも１つのナノ粒子１４０が頂点１５０ｃに設けられている。少なくとも１つのナノ粒子１４０の製造については、たとえば、本明細書に組み込まれているＢｒｏｕｓｓｅａｕらの刊行物、Ｆｅｌｄｈｅｉｍらの刊行物、及びＫｌｅｉｎらの刊行物に記載されており、本明細書においてはその説明は省略する。
【００２１】
図１Ａに示すように、いくつかの実施形態では、少なくとも１つのナノ粒子１４０と頂点１５０ｃの間に、自己アセンブル単分子層１３０が設けられている。化学相互作用を使用して、たとえばＵｌｍａｎの「自己アセンブル単分子層の形成及び構造（Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）」（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９６，ｐｐ．１５３３−１５５４）という名称の刊行物に記載されている技術に従って、基板上にナノ粒子を定着させることができる。自己アセンブル・ナノ層を使用して分子受容体プローブを表面に付着させるために使用することができるプロセスについては、Ｌｅｎｉｇｋらの「シリコン・チップ・ベースＤＮＡマイクロアレイの表面特性化（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｃｈｉｐ−Ｂａｓｅｄ ＤＮＡ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ）」（Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００１，ｐｐ．２４９７−２５０１）に記載されている。上記２つの刊行物の開示は、参照により本明細書において完全にその内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれており、本明細書においてはその説明は省略する。また、重合体の中には、ナノ粒子粘着のための親和力を示す重合体、あるいは強力な親和力を持たせるべく化学的に修飾することができる重合体もあり、それらを定着層として使用することも可能である。
【００２２】
図１Ａ及び１Ｃに示すように、錐体１５０の幾何学形状を使用して、第１の電極端１１０ａと第２の電極端１２０ａの間の間隔を制御することができ、これにより、第１の電極端１１０ａと第２の電極端１２０ａの間の、少なくとも１つのナノ粒子１４０を介した量子力学的トンネリングを提供することができる。錐体の寸法は、従来の超小型電子技術、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）チップの製造に使用されている技術を使用して、ナノメートルのスケールで良好に制御することができるため、単一電子トランジスタのための所望の間隔を比較的安価かつ／又は比較的高い歩留りで得ることができる。
【００２３】
図１Ａ及び１Ｃに示す実施形態では、錐体１５０などの突出（トポグラフィック）フィーチャは、外側に向かって基板面から遠ざかって突出している。これに対して、図１Ｂに示す実施形態では、錐体１５０’などの突出（トポグラフィック）フィーチャは、基板１００の面１００ａから内側に向かって突出しており、それにより錐体形トレンチなどのトレンチを形成している。図１Ｃの上面図は、図１Ｂに示す、突出フィーチャが内側に向かって基板中に突出している実施形態にも適用される。錐体などの内側に向かって突出したフィーチャと外側に向かって突出したフィーチャを、単一基板上で組み合わせて使用することができることは理解されよう。外側に向かって突出した構造に関連して上で説明したように、トレンチにはさまざまなサイズ及び／又は形状を持たせることができる。
【００２４】
寸法に関しては、頂点１５０ｃは、基板１００の面１００ａから約０．０５μｍの距離を置くことができ、また、頂点１５０ｃには、約７０．６°の角度を付けることができる。錐体の辺の長さは約３μｍである。第１の電極１１０及び第２の電極１２０の厚さは約２０ｎｍである。しかしながら、これらの寸法は単なる例示にすぎず、寸法の他の多くの組合せを使用することができる。いくつかの実施形態では、第１の電極端１１０ａと第２の電極端１２０ａの間の間隔は、約２０ｎｍ未満であり、他の実施形態では、その間隔は約１２ｎｍ未満である。さらに他の実施形態では、その間隔は約１０ｎｍである。量子力学的トンネル効果を提供することができる他の寸法を使用することも可能である。
【００２５】
自己アセンブル単分子層１３０により、少なくとも１つのナノ粒子１４０を、第１の電極端１１０ａ及び第２の電極端１２０ａの両方から約１ｎｍの距離に維持することができる。他の実施形態では、約０．５ｎｍと約５ｎｍの間の距離が使用されている。これ以外の距離を使用することも可能である。
【００２６】
図１Ａ〜１Ｃに示す実施形態では、頂点１５０ｃに少なくとも１つのナノ粒子１４０が設けられ、第１の電極端１１０ａ及び第２の電極端１２０ａには、ナノ粒子１４０は設けられていない。しかし、図２Ａ〜２Ｃに示すように、本発明による他の実施形態では、複数のナノ粒子２４０が、頂点１５０ｃ、第１の電極端１１０ａ及び／又は第２の電極端１２０ａに設けられている。また、この複数のナノ粒子２４０は、無作為に間隔を隔てた、及び／又は直線的及び／又は非直線的に間隔を隔てた、一様及び／又は非一様（非周期的及び／又は無作為）に間隔を隔てたナノ粒子の直交アレイ及び／又は非直交アレイである。ナノ粒子２４０は、下部層に対する所定の関係及び／又は無作為の関係を有している。
【００２７】
図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｃは、本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの実施形態では、平らな頂点１５０ｃ’が、図１〜２に示すエジプト形錐体とは異なる、たとえばアステカ形錐体を設けている。切頭錐及び／又は多面立体などの頂部が平らな他の突出フィーチャを設けることもできる。
【００２８】
また、図３Ａ〜３Ｃでは、第１の電極及び第２の電極は、拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’であり、これらの電極も基板面１００ａに沿って延びている。拡張第１電極及び／又は拡張第２電極は、本明細書において説明されているすべての実施形態に設けることができる。
【００２９】
図４Ａ〜４Ｃは、平らな頂点１５０ｃ’、拡張電極１１０’、１２０’、並びに、平らな頂部１５０ｃ上、第１の拡張電極１１０’の端部上、及び／又は第２の拡張電極１２０’の端部上のナノ粒子２４０のアレイを有する錐体を示したものである。第１の電極端及び／又は第２の電極端上のナノ粒子も、本明細書において説明されているすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３０】
図５及び６は、本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの実施形態では、二酸化ケイ素、窒化ケイ素及び／又は従来の他の絶縁材料からなる絶縁層すなわち基板５３０、６３０は、少なくとも１つのナノ粒子１４０、２４０と、頂点１５０’、第１の電極端１１０ａ及び／又は第２の電極端１２０ａとの間に設けられている。また、重合体の中には、ナノ粒子粘着のための親和力を示す重合体、あるいは強力な親和力を持たせるべく化学的に修飾することができる重合体もあり、それらを定着層として使用することも可能である。ナノ粒子を定着させるための絶縁層の使用については、たとえば、Ａｎｄｒｅｓらの「自己アセンブル分子ナノ構造の室温における“クーロン階段”単一電子トンネリング（“Ｃｏｕｌｏｍｂ Ｓｔａｉｒｃａｓｅ”Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｔ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐａｒａｔｕｒｅ ｉｎ ａ Ｓｅｌｆ Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」（Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９６，Ｖｏｌ．２７２，ｐｐ．１３２３−１３２５）に記載されている。この開示は、参照により本明細書において完全にその内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれており、本明細書においてはその説明は省略する。さらに他の実施形態では、図５及び６に示す絶縁層５３０、６３０と、本明細書において記述されている自己アセンブル単分子層の両方が組み合わせて使用されている。他の中間層を使用することも可能である。
【００３１】
図７は、本発明によるさらに他の実施形態の横断面図を示したもので、化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、少なくとも１つのナノ粒子１４０の表面に分析物特異的結合剤７６０が設けられている。図７に示す分析物特異的結合剤７６０も、化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、本明細書において説明されているすべての実施形態と共に使用することができる。分析物特異的結合剤については、たとえば、本明細書に組み込まれている、Ｕｌｍａｎの刊行物、Ｌｅｎｉｇｋらの刊行物、Ｆｅｌｄｈｅｉｍらの刊行物、及びＢｒｏｕｓｓｅａｕらの刊行物に記載されており、本明細書においてはその説明は省略する。
【００３２】
図８は、本発明による他の実施形態の横断面図を示したもので、単一電子電界効果トランジスタを提供するべく、少なくとも１つのナノ粒子１４０の頂点１５０ｃとは反対側にゲート電極８６０が設けられている。単一層ゲート電極及び／又は多層ゲート電極を設けることができる。ゲート電極は、本明細書において説明されている他のすべての実施形態にも設けることができる。また、絶縁ゲート電極を提供するべく、ゲート電極８６０と少なくとも１つのナノ粒子の間に絶縁層を設けることもできる。
【００３３】
上で説明したすべての実施形態には、単一電子トランジスタが１つしか示されていないが、図９Ａ〜９Ｂに示すように、単一電子トランジスタ９１０ａ〜９１０ｎのアレイを基板に設けることができる。一次元及び／又は二次元の線形及び／又は非線形の直交及び／又は非直交アレイを、単一電子トランジスタの間で、一様（周期的）及び／又は非一様（非周期的及び／又は無作為）に間隔を隔てて設けることができる。単一電子トランジスタ９１０ａ〜９１０ｎの各々は、同一にすることも、あるいは少なくともいくつかの単一電子トランジスタを異なったものにすることもできる。また、本明細書において説明されているすべての実施形態を、任意の単一電子トランジスタ９１０ａ〜９１０ｎに使用することができる。
【００３４】
同じく図９Ａ〜９Ｂに示すように、いくつかの実施形態では、隣接する単一電子トランジスタ間の第１の電極１１０及び第２の電極１２０は、互いに電気接続されている。第１の電極及び第２の電極のこれらの構成は、本明細書において説明されている本発明によるすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３５】
図１０は、単一電子トランジスタ１０１０ａ〜１０１０ｎのアレイの横断面図を示したもので、第１の電極１１１０及び第２の電極１１２０は、共形（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）電極ではなく、隣接する錐体１５０間の領域を少なくとも部分的に充填している。１つ又は複数の非共形電極を、同じく本明細書において説明されているすべての実施形態に設けることができる。
【００３６】
同じく図１０に示すように、他の実施形態では、導電ビア１０３０及び導電パッド１０４０によって共通裏面コンタクトが設けられている。導電パッド１０４０を互いに電気絶縁し、かつ／又は導電ビア１０３０を互いに及び／又は他の領域から絶縁するべく、当業者によく知られている技術を使用して適切な絶縁領域を設けることができる。はんだバンプ及び／又は他の相互接続技術を使用して、導電パッド１０４０を電気的及び／又は機械的に外部デバイスに接続することができる。これら及び他の外部コンタクト・スキームは、本明細書において説明されている本発明によるすべての実施形態と共に使用することができる。共通コンタクトを設けることにより、単一電子トランジスタのアレイ中の個々の単一電子トランジスタにアドレスするために使用するコンタクト数を少なくすることができる。図１０に示す共通コンタクト及び／又はコンタクト・スキームは、本明細書において説明されているすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３７】
図１１は、本発明による他の実施形態の横断面図である。図１１では、裏面コンタクト・スキームと共に、図１０に関連して説明した導電ビア１０３０及びコンタクト・パッド１０４０を備えた拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’が設けられている。
【００３８】
また、図１１によれば、さらに、基板１００とは反対側の拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’上に絶縁層１１６０が使用されている。絶縁層１１６０は、単層又は多層の副層を含むことができ、この単層又は副層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、１つ又は複数の自己アセンブル単分子層、１つ又は複数の重合体薄膜、及び／又は外部（周囲）環境からデバイスを保護するために使用することができる他の材料を含む。絶縁層１１６０は、化学ゲート単一電子トランジスタが使用されている環境によって変化する専用層であってもよい。絶縁層１１６０は、図１１に示す拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’の有無にかかわらず使用することができ、かつ／又は本明細書において説明されている他のすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３９】
図１２Ａ〜１２Ｅは、本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの方法実施形態を使用して、図１１に示す単一電子トランジスタを製造することができるが、同様の方法実施形態を使用して、本明細書において説明されている他の単一電子トランジスタを製造することもできる。
【００４０】
図１２Ａを参照すると、たとえば、窒化ケイ素からなる従来のマスクを従来の基板上に形成し、次に従来のフォトリソグラフィを使用してパターン化することにより、マスク領域１２１０が基板１２００上に形成されている。マスク領域１２１０の幅には、引き続いて形成される第１の電極と第２の電極の間の間隔を決定する必要がないため、従来のフォトリソグラフィを使用することができることは理解されよう。また、図１Ａに関連して説明したように、基板１２００には、ドープされた多結晶シリコン層及び／又は単結晶シリコン基板上の他の導電材料層などの従来の基板を使用することができることについても理解されよう。
【００４１】
次に図１２Ｂを参照すると、マスク領域１２１０をエッチング・マスクとして使用して、異方性（ウェット）エッチング、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）などの等方性エッチング、及び／又は従来の他のエッチング・プロセスを実行して、基板１００上に錐体１５０などのフィーチャが形成されている。従来の他のエッチング技術及び／又は選択エピタキシャル成長などの従来の他のチップ形成技術を使用することも可能である。
【００４２】
次に図１２Ｃを参照すると、マスク領域１２１０が除去されている。第１の電極１１０’が、たとえば、矢印１２２０で示す方向に方向性を持たせた（角度を付けた）蒸着及び／又は他の方向性堆積を実行することによって形成されている。方向１２２０の方向に方向性を持たせた蒸着により、錐体１５０の第１の側面１５０ａに第１の電極１１０’が形成される。基板面の導電接続を保護するべく、基板部分を適切にマスキングすることができることは理解されよう。
【００４３】
次に図１２Ｄを参照すると、方向１２３０の方向に方向性を持たせた（角度を付けた）第２の堆積及び／又は蒸着を実行することによって、錐体１５０の第２の側面１５０ｂに第２の電極１２０’が形成されている。基板面の導電接続を保護するべく、基板部分を適切にマスキングすることができることは理解されよう。また、頂点１５０ａと結合しないよう、図１２Ｃ及び１２Ｄに示す角度を付けた蒸着中及び／又は蒸着後、十分に加熱し、それにより冷却の際の表面張力によって、第１の電極１１０’の第１の電極端１１０ａ及び第２の電極１２０’の第２の電極端１２０ａを頂点１５０ｃから十分に遠くに引き戻すことができることについても理解されよう。したがって、２つの密に間隔を隔てた電極が形成される。
【００４４】
最後に図１２Ｅを参照すると、たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０の吸収が実行されている。次に、たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０、重合体層及び／又は他の定着層に、少なくとも１つのナノ粒子１４０が取り付けられる。ビア及び／又はパッドは、図１２Ａ〜１２Ｅで説明した任意のステップの前、ステップ実行中及び／又はステップ実行後に形成することができる。
【００４５】
図１３Ａ〜１３Ｆは、本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による他の単一電子トランジスタの横断面図である。これらの方法実施形態を使用して、図１１に示す単一電子トランジスタを製造することができるが、同様の方法実施形態を使用して、本明細書において説明されている他の単一電子トランジスタを製造することもできる。
【００４６】
図１２Ａ〜１２Ｄに示すように、第１の電極及び第２の電極が、図１２Ａ〜１２Ｄと同様の錐体又は他の突出フィーチャ上に形成されている。次に、図１３Ｅを参照すると、錐体１５０間に凹部層１３１０が形成されている。この凹部層１３１０には、引き続く選択エッチング・プロセス及び／又は化学機械研磨プロセスと両立する二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリイミド及び／又は他の材料からなる１つ又は複数の副層を持たせることができる。凹部層１３１０は、第１の電極１１０’と第２の電極１２０’の間の所望する間隔によって決定される距離だけ頂点から凹ませることができる。
【００４７】
次に図１３Ｆを参照すると、化学機械研磨及び／又は従来の他の技術を使用して構造が平坦化され、それにより平らな頂点１５０ｃ’が画定されている。次に凹部層１３１０が除去され、図１２Ｅに関連して説明したように、少なくとも１つのナノ粒子１４０、任意選択の自己アセンブル単分子層１３０、重合体層及び／又は他の定着層が形成される。また、ビア及び／又はパッドが、同じく上で説明したように製造される。
【００４８】
最後に、図１４Ａ〜１４Ｅは、本発明の他の方法実施形態による中間製造ステップにある、本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの方法実施形態を使用して、図７に示す単一電子トランジスタを製造することができるが、同様の方法実施形態を使用して、本明細書において説明されている他の単一電子トランジスタを製造することもできる。
【００４９】
図１４Ａを参照すると、たとえば図１０Ａに関連して説明したように、マスク領域１４１０が基板１４００上に形成されている。次に図１４Ｂを参照すると、マスク領域１４１０をエッチング・マスクとして使用して、異方性エッチング及び／又は等方性エッチングなどのエッチングを実行して、基板１００中に錐体形トレンチ１５０’が形成されている。従来の他のエッチング技術及び／又は他の凹部フィーチャ形成技術を使用することも可能である。
【００５０】
次に図１４Ｃを参照すると、マスク領域１４１０が除去され、第２の電極１２０’が、たとえば、図１２Ｃに関連して説明したように、方向１４２０の方向に方向性を持たせた（角度を付けた）堆積を実行することによって形成されている。次に図１４Ｄを参照すると、図１２Ｄに関連して説明した方法と同様の方法で、たとえば方向１４３０に沿った第２の方向性堆積が実行され、それにより第１の電極１１０’が形成されている。
【００５１】
最後に図１４Ｅを参照すると、たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０、重合体層及び／又は他の定着層の吸収が実行されている。たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０に少なくとも１つのナノ粒子１４０が取り付けられる。また、ビア及び／又はパッドが、上で説明したように製造される。
【００５２】
したがって、本発明による実施形態により、密に間隔を隔てた電極の大規模アレイを備えたアレイが提供される。これらの電極は、錐体及び／又は他の突出フィーチャの各々の頂点でモニタされる電気化学反応を生じさせることができる。反応が表面で生じるよう、電極を変性して化学的特異性を持たせることができる。電極間の領域にナノメートル・サイズのコロイド状粒子を付着させることにより、感度を向上させることが可能であり、それにより単一電子トランジスタを生成することができる。コロイドは、これらの反応に特異性を組み込むべく、化学特異的受容体及び／又は分子を使用して機能化することができる。
【００５３】
本発明の実施形態による単一電子トランジスタ又はそれらのアレイは、たとえば生物学的評価のためのマイクロタイター・プレートの井戸中のセンシング・プラットホームとして使用することができる。従来のより大型の電極と比較して感度が向上しているため、薬品の発見及び／又は生化学に有益である。また、そのサイズが小型であるため、生きた細胞中にアレイを挿入することができ、それにより生物化学研究及び／又は化学的通路及び／又は細胞内の濃度の直接マッピングを可能にしている。
【００５４】
図面及び明細書には、本発明の好ましい典型的な実施形態が開示されている。また、特定の用語が使用されているが、それらは包括的かつ説明的な意味合いでのみ使用されており、特許請求の範囲の各請求項に示す本発明の範囲を制限することを目的としたものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図４Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図５】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図６】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図７】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図８】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図１０】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１１】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｃ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｄ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｅ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ａ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｄ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｅ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｆ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｃ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｄ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｅ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【０００１】
本発明は超小型電子デバイス及びその製造方法に関し、より詳細には単一電子トランジスタ及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度及び／又は高性能超小型電子デバイスのための単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）デバイス及び製造方法については、広範囲にわたって研究されている。当業者によく知られているように、単一電子トランジスタには、ナノ粒子、ナノクラスタあるいは量子ドットとも呼ばれているナノメートル・サイズの粒子を通る単一電子の流れに基づいて動作する単一電子ナノエレクトロニクスが使用されている。単一電子トランジスタの一般原理は、従来の金属酸化膜半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）などの従来の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の一般原理と類似しているが、単一電子トランジスタにおいては、ナノ粒子を介した単一電子のトンネリングに基づいて電子が移動している。単一電子トランジスタについては、たとえば、参照により本明細書において完全にその開示内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、米国特許第５，４２０，７４６号、第５，６４６，４２０号、第５，８４４，８３４号、第６，０５７，５５６号及び第６，１５９，６２０号、及び本発明者Ｂｒｏｕｓｓｅａｕ，ＩＩＩらによる「化学的に修飾された金ナノクラスタ中のｐＨゲート単一電子トンネリング（ｐＨ−Ｇａｔｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｇｏｌｄ Ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌ．１２０，Ｎｏ．３０，１９９８，ｐｐ．７６４５−７６４６）という名称の刊行物、及びＦｅｌｄｈｅｉｍらによる「単一電子トランジスタ及び関連デバイスの自己アセンブリ（Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ）」（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ，Ｖｏｌ．２７，１９９８，ｐｐ．１−１２）という名称の刊行物、並びにＫｌｅｉｎらによる「セレン化カドミウム・ナノ結晶製単一電子トランジスタ（Ａ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｍａｄｅ Ｆｒｏｍ ａ Ｃａｄｍｉｕｍ Ｓｅｌｅｎｉｄｅ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）」（Ｎａｔｕｒｅ，１９９７，ｐｐ．６９９−７０１）という名称の刊行物に記載されている。
【０００３】
参照により本明細書において完全にその開示内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、国際公開第ＷＯ ０１／１３４３２ Ａ１号としても公布されている、Ｄａｎｉｅｌ Ｌ．Ｆｅｌｄｈｅｉｍ及び本発明者Ｌｏｕｉｓ Ｃ．Ｂｒｏｕｓｓｅａｕ，ＩＩＩによる「化学ゲート単一電子トランジスタを使用したセンシング・デバイス（Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ−Ｇａｔｅｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）」という名称の米国特許出願第０９／３７６，６９５号に、単一電子トランジスタ技術における主要な飛躍的進歩が記載されている。上記特許出願には、化学センサ又は生物学的センサとしての使用に供することができる化学ゲート単一電子トランジスタが記述されている。これらの化学ゲート単一電子トランジスタの実施形態は、基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、また、ソース電極とドレイン電極の間に、空間寸法の大きさが約１２ｎｍ以下のナノ粒子が含まれている。ナノ粒子の表面には分析物特異的結合剤が位置している。目標分析物と結合剤の間に生じる結合事象が、単一電子トランジスタの検出可能な特性変化をもたらしている。
【０００４】
化学ゲート単一電子トランジスタを始めとする単一電子トランジスタのこれら及び他の構成にもかかわらず、これらのデバイスを超小型電子デバイスの製造に使用されている従来のフォトリソグラフィを使用して製造することは困難である。詳細には、ナノ粒子に量子力学的効果をもたらすためには、単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極の間に、約２０ｎｍ未満あるいは約１２ｎｍ未満もしくは約１０ｎｍの間隔が設けられることが望ましい。しかし、従来のリソグラフィを使用して、低コスト及び／又は許容可能なデバイス歩留りでこれらの間隔を設けることは困難である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による実施形態により、錐体などの突出フィーチャが基板面から突出した単一電子トランジスタ及びその製造方法が提供される。突出フィーチャ上を延びた第１の電極が基板面に設けられ、突出フィーチャ上を延び、かつ、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極が基板面に設けられている。第１の電極と第２の電極の間の突出フィーチャ上に、少なくとも１つのナノ粒子が設けられている。したがって突出フィーチャの幾何学形状が、第１の電極と第２の電極の間の間隔を画定しており、したがって、高分解能フォトリソグラフィを必要とすることなく、第１の電極と第２の電極の間に所望の間隔を得ることができる。
【０００６】
本発明による実施形態は、従来の超小型電子製造技術を使用して、錐体などの突出フィーチャを基板上に製造することができる、という認識に由来している。錐体などの突出フィーチャは微小頂点を有しており、したがって、突出フィーチャ上に形成された、頂点に隣接する第１の電極及び第２の電極は、それらの間に約２０ｎｍ未満又は約１２ｎｍ未満もしくは約１０ｎｍの微小間隔を有している。フォトリソグラフィックを使用して、たとえば１０ｎｍの幅の領域を層中に画定することは困難である。したがって、従来の超小型電子技術を使用して、潜在的に可能な低コスト及び／又は高歩留りで単一電子トランジスタ・デバイスを製造することができる。「頂点」という用語は、明細書において使用されているように、錐体の表面上の、錐体の側面が互いに交わる領域、あるいは錐体の側面が互いに接近する領域に適用されていることは理解されよう。頂点は、錐体の最高点あるいは最低点である必要はない。
【０００７】
本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタは基板を備えており、その基板面から錐体が突出している。この錐体には、複数の側面及び頂点が含まれている。頂点に隣接して延びた第１の電極端を備えた第１の電極が、錐体の第１の側面に設けられている。頂点に隣接して延びた、第１の電極端と間隔を隔てた第２の電極端を備えた第２の電極が、錐体の第２の側面に設けられている。頂点には少なくとも１つのナノ粒子が設けられている。いくつかの実施形態では、第１の電極端及び第２の電極端は、頂点に隣接して約２０ｎｍ未満の間隔を隔てており、他の実施形態では、第１の電極端及び第２の電極端は、頂点に隣接して約１０ｎｍの間隔を隔てている。いくつかの実施形態の頂点は点であり、また、他の実施形態の頂点はプラトー（すなわち平坦）である。
【０００８】
いくつかの実施形態では、錐体などのフィーチャが外側に向かって基板面から遠ざかって突出し、たとえば基板面から上昇する錐体などのフィーチャを提供している。他の実施形態では、錐体などのフィーチャが基板面から基板中に内側に向かって突出し、たとえば基板中に延びた錐体形トレンチなどのトレンチを提供している。いくつかの実施形態では、錐体の側面は４面であり、それぞれ第１の電極及び第２の電極が設けられる第１の側面及び第２の側面は、互いに対向している。
【０００９】
いくつかの実施形態では、第１の電極及び第２の電極にはナノ粒子が設けられていない。他の実施形態では、少なくとも１つのナノ粒子は、頂点上、第１の電極端上及び／又は第２の電極端上の複数のナノ粒子からなっている。
【００１０】
本発明の他の実施形態では、複数の単一電子トランジスタが、錐体などの複数のフィーチャ、複数の第１の電極及び複数の第２の電極を備えた基板上に設けられている。少なくとも１つのナノ粒子が錐体の頂点に設けられている。隣接するトランジスタの第１の電極及び第２の電極は、１つに電気接続されている。つまり、錐体の側面から隣接する錐体の側面に向かって延びた電極が設けられている。
【００１１】
さらに他の実施形態では、自己アセンブル単分子層、重合体層及び／又は他の定着層が頂点に設けられ、少なくとも１つのナノ粒子が、頂点とは反対側の定着層上に設けられている。他の実施形態では、第１の電極端及び第２の電極端にも定着層が設けられている。さらに他の実施形態では、頂点に絶縁層が設けられている。
【００１２】
本発明によるいくつかの実施形態は、電気ゲート単一電子トランジスタを形成するべく使用することができ、頂点とは反対側の少なくとも１つのナノ粒子にゲート電極が設けられている。他の実施形態では、少なくとも１つのナノ粒子の表面に分析物特異的結合剤を提供することによって化学ゲート単一電子トランジスタが設けられている。
【００１３】
本発明による方法実施形態に従って、基板面から突出した突出フィーチャを基板上に形成し、突出フィーチャ上を延びた第１の電極を基板面に形成し、突出フィーチャ上を延びた、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極を基板面に形成し、かつ、第１の電極と第２の電極の間の突出フィーチャ上に少なくとも１つのナノ粒子を置くことにより、単一電子トランジスタを製造することができる。いくつかの実施形態では、突出フィーチャは、頂点を備えた錐体である。頂点に隣接して延びた第１の電極端を備えた第１の電極が、錐体の第１の側面に形成されている。頂点に隣接して延びた、第１の電極と間隔を隔てた第２の電極端を備えた第２の電極が、錐体の第２の側面に形成されている。頂点には少なくとも１つのナノ粒子が置かれている。
【００１４】
いずれの方法実施形態においても、突出フィーチャ及び／又は錐体は、外側に向かって基板面から遠ざかって突出し、かつ／又は基板面にトレンチを形成するべく内側に向かって突出している。いくつかの方法実施形態では、第１の電極及び第２の電極は、方向性を持たせた導電層の堆積によって設けられている。たとえば、第１の方向の堆積によって錐体の第１の側面に導電層が形成され、また、第２の方向の堆積によって錐体の第２の側面に導電層が形成されている。また、錐体などの間隔を隔てた複数の突出フィーチャ、複数の第１の電極及び複数の第２の電極を基板上に製造することができる。また、自己アセンブル単分子層、絶縁層、分析物特異的結合剤及び／又はゲート電極を製造することも可能である。したがって、第１の電極と第２の電極の間の間隔がフィーチャの幾何学形状によって決定されるため、高性能及び／又は高歩留りを可能にする一方で、従来の超小型電子処理ステップを使用して単一電子トランジスタを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明について、本発明による実施形態を示した添付の図面を参照してより詳細に説明するが、本発明は、多くのさまざまな形態で具体化することができ、したがって本発明を本明細書において示す実施形態に限定するのもと解釈してはならない。これらの実施形態は、本発明を本明細書において示す実施形態に限定するためのものではなく、本開示全体を完全に理解し、かつ、当業者に本発明の範囲を完全に伝えることを目的としたものである。図面に示す層及び領域の厚さは、分かりやすくするために誇張されており、また、同一番号は、全図を通して同一要素を表している。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂは、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図を示したものであり、また、図１Ｃは、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図を示したものである。図１Ａ及び１Ｃに示すように、単一電子トランジスタのこれらの実施形態は、面１００ａを有する基板１００を備えている。当業者によく知られているように、基板は、従来の単結晶シリコン基板、絶縁体上半導体（ＳＯＩ）基板、炭化ケイ素基板、ヒ化ガリウム基板、窒化ガリウム基板、ダイヤモンド薄膜基板及び／又は他の基板で構成することができ、また、１つ又は複数のヘテロエピタキシャル層及び／又はホモエピタキシャル層を基板上に備えることもできる。基板面１００ａは、平面であっても非平面（三次元）であってもよい。
【００１７】
図１Ａ及び１Ｃをさらに参照すると、基板は、基板面１００ａから突出した錐体１５０などの突出フィーチャを備えている。突出フィーチャは、基板の形状を変更するトポグラフィック・フィーチャとして把握することもできる。錐体１５０は、側面１５０ａ及び１５０ｂを含む複数の側面を備え、また、側面１５０ａと１５０ｂの間に頂点１５０ｃを備えている。本明細書において使用されているように、「頂点」という用語は、錐体の表面上の、錐体の側面が互いに交わる領域、あるいは錐体の側面が互いに接近する領域に適用されていることは理解されよう。頂点は、錐体の最高点あるいは最低点である必要はない。
【００１８】
図１Ａでは、錐体１５０は、基板１００の面１００ａから外側に向かって遠ざかって突出している。第１の電極端１１０ａを備えた第１の電極１１０が、錐体の第１の側面１５０ａに設けられていて、第１の電極端１１０ａは、頂点１５０ｃに隣接して延びている。第２の電極端１２０ａを備えた第２の電極１２０が、錐体１５０の第２の側面１５０ｂに設けられている。第２の電極端１２０ａは、頂点１５０ｃに隣接して延びていて、第１の電極端１１０ａと間隔を隔てている。第１の電極１１０及び第２の電極１２０はそれぞれ導電性であるか、あるいは少なくとも電極端１１０ａ及び１２０ｂに隣接する部分に導電性部分を備えている。第１の電極及び第２の電極は、上に列挙した基板１００の材料のうちのいずれかからなっており、また、導電性多結晶シリコン、金属及び／又は他の導電性材料などの導電性材料を使用することもできる。
【００１９】
図１Ａ及び１Ｃには、形状及びサイズが同一である４つの側面を有する錐体１５０が示されているが、側面の数が異なる錐体にすることも可能であり、側面は、同じ形状又は面積である必要はなく、また、平面である必要もない。最後に、図１Ａ及び１Ｃには錐体が示されているが、基板１００から突出した円錐尖端及び／又は多面立体などの他のフィーチャを使用することも可能である。
【００２０】
図１Ａ及び１Ｃをさらに参照すると、少なくとも１つのナノ粒子１４０が頂点１５０ｃに設けられている。少なくとも１つのナノ粒子１４０の製造については、たとえば、本明細書に組み込まれているＢｒｏｕｓｓｅａｕらの刊行物、Ｆｅｌｄｈｅｉｍらの刊行物、及びＫｌｅｉｎらの刊行物に記載されており、本明細書においてはその説明は省略する。
【００２１】
図１Ａに示すように、いくつかの実施形態では、少なくとも１つのナノ粒子１４０と頂点１５０ｃの間に、自己アセンブル単分子層１３０が設けられている。化学相互作用を使用して、たとえばＵｌｍａｎの「自己アセンブル単分子層の形成及び構造（Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）」（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９６，ｐｐ．１５３３−１５５４）という名称の刊行物に記載されている技術に従って、基板上にナノ粒子を定着させることができる。自己アセンブル・ナノ層を使用して分子受容体プローブを表面に付着させるために使用することができるプロセスについては、Ｌｅｎｉｇｋらの「シリコン・チップ・ベースＤＮＡマイクロアレイの表面特性化（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｃｈｉｐ−Ｂａｓｅｄ ＤＮＡ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ）」（Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２００１，ｐｐ．２４９７−２５０１）に記載されている。上記２つの刊行物の開示は、参照により本明細書において完全にその内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれており、本明細書においてはその説明は省略する。また、重合体の中には、ナノ粒子粘着のための親和力を示す重合体、あるいは強力な親和力を持たせるべく化学的に修飾することができる重合体もあり、それらを定着層として使用することも可能である。
【００２２】
図１Ａ及び１Ｃに示すように、錐体１５０の幾何学形状を使用して、第１の電極端１１０ａと第２の電極端１２０ａの間の間隔を制御することができ、これにより、第１の電極端１１０ａと第２の電極端１２０ａの間の、少なくとも１つのナノ粒子１４０を介した量子力学的トンネリングを提供することができる。錐体の寸法は、従来の超小型電子技術、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）チップの製造に使用されている技術を使用して、ナノメートルのスケールで良好に制御することができるため、単一電子トランジスタのための所望の間隔を比較的安価かつ／又は比較的高い歩留りで得ることができる。
【００２３】
図１Ａ及び１Ｃに示す実施形態では、錐体１５０などの突出（トポグラフィック）フィーチャは、外側に向かって基板面から遠ざかって突出している。これに対して、図１Ｂに示す実施形態では、錐体１５０’などの突出（トポグラフィック）フィーチャは、基板１００の面１００ａから内側に向かって突出しており、それにより錐体形トレンチなどのトレンチを形成している。図１Ｃの上面図は、図１Ｂに示す、突出フィーチャが内側に向かって基板中に突出している実施形態にも適用される。錐体などの内側に向かって突出したフィーチャと外側に向かって突出したフィーチャを、単一基板上で組み合わせて使用することができることは理解されよう。外側に向かって突出した構造に関連して上で説明したように、トレンチにはさまざまなサイズ及び／又は形状を持たせることができる。
【００２４】
寸法に関しては、頂点１５０ｃは、基板１００の面１００ａから約０．０５μｍの距離を置くことができ、また、頂点１５０ｃには、約７０．６°の角度を付けることができる。錐体の辺の長さは約３μｍである。第１の電極１１０及び第２の電極１２０の厚さは約２０ｎｍである。しかしながら、これらの寸法は単なる例示にすぎず、寸法の他の多くの組合せを使用することができる。いくつかの実施形態では、第１の電極端１１０ａと第２の電極端１２０ａの間の間隔は、約２０ｎｍ未満であり、他の実施形態では、その間隔は約１２ｎｍ未満である。さらに他の実施形態では、その間隔は約１０ｎｍである。量子力学的トンネル効果を提供することができる他の寸法を使用することも可能である。
【００２５】
自己アセンブル単分子層１３０により、少なくとも１つのナノ粒子１４０を、第１の電極端１１０ａ及び第２の電極端１２０ａの両方から約１ｎｍの距離に維持することができる。他の実施形態では、約０．５ｎｍと約５ｎｍの間の距離が使用されている。これ以外の距離を使用することも可能である。
【００２６】
図１Ａ〜１Ｃに示す実施形態では、頂点１５０ｃに少なくとも１つのナノ粒子１４０が設けられ、第１の電極端１１０ａ及び第２の電極端１２０ａには、ナノ粒子１４０は設けられていない。しかし、図２Ａ〜２Ｃに示すように、本発明による他の実施形態では、複数のナノ粒子２４０が、頂点１５０ｃ、第１の電極端１１０ａ及び／又は第２の電極端１２０ａに設けられている。また、この複数のナノ粒子２４０は、無作為に間隔を隔てた、及び／又は直線的及び／又は非直線的に間隔を隔てた、一様及び／又は非一様（非周期的及び／又は無作為）に間隔を隔てたナノ粒子の直交アレイ及び／又は非直交アレイである。ナノ粒子２４０は、下部層に対する所定の関係及び／又は無作為の関係を有している。
【００２７】
図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｃは、本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの実施形態では、平らな頂点１５０ｃ’が、図１〜２に示すエジプト形錐体とは異なる、たとえばアステカ形錐体を設けている。切頭錐及び／又は多面立体などの頂部が平らな他の突出フィーチャを設けることもできる。
【００２８】
また、図３Ａ〜３Ｃでは、第１の電極及び第２の電極は、拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’であり、これらの電極も基板面１００ａに沿って延びている。拡張第１電極及び／又は拡張第２電極は、本明細書において説明されているすべての実施形態に設けることができる。
【００２９】
図４Ａ〜４Ｃは、平らな頂点１５０ｃ’、拡張電極１１０’、１２０’、並びに、平らな頂部１５０ｃ上、第１の拡張電極１１０’の端部上、及び／又は第２の拡張電極１２０’の端部上のナノ粒子２４０のアレイを有する錐体を示したものである。第１の電極端及び／又は第２の電極端上のナノ粒子も、本明細書において説明されているすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３０】
図５及び６は、本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの実施形態では、二酸化ケイ素、窒化ケイ素及び／又は従来の他の絶縁材料からなる絶縁層すなわち基板５３０、６３０は、少なくとも１つのナノ粒子１４０、２４０と、頂点１５０’、第１の電極端１１０ａ及び／又は第２の電極端１２０ａとの間に設けられている。また、重合体の中には、ナノ粒子粘着のための親和力を示す重合体、あるいは強力な親和力を持たせるべく化学的に修飾することができる重合体もあり、それらを定着層として使用することも可能である。ナノ粒子を定着させるための絶縁層の使用については、たとえば、Ａｎｄｒｅｓらの「自己アセンブル分子ナノ構造の室温における“クーロン階段”単一電子トンネリング（“Ｃｏｕｌｏｍｂ Ｓｔａｉｒｃａｓｅ”Ｓｉｎｇｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｔ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐａｒａｔｕｒｅ ｉｎ ａ Ｓｅｌｆ Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」（Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９６，Ｖｏｌ．２７２，ｐｐ．１３２３−１３２５）に記載されている。この開示は、参照により本明細書において完全にその内容のすべてを示したものとして本明細書に組み込まれており、本明細書においてはその説明は省略する。さらに他の実施形態では、図５及び６に示す絶縁層５３０、６３０と、本明細書において記述されている自己アセンブル単分子層の両方が組み合わせて使用されている。他の中間層を使用することも可能である。
【００３１】
図７は、本発明によるさらに他の実施形態の横断面図を示したもので、化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、少なくとも１つのナノ粒子１４０の表面に分析物特異的結合剤７６０が設けられている。図７に示す分析物特異的結合剤７６０も、化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、本明細書において説明されているすべての実施形態と共に使用することができる。分析物特異的結合剤については、たとえば、本明細書に組み込まれている、Ｕｌｍａｎの刊行物、Ｌｅｎｉｇｋらの刊行物、Ｆｅｌｄｈｅｉｍらの刊行物、及びＢｒｏｕｓｓｅａｕらの刊行物に記載されており、本明細書においてはその説明は省略する。
【００３２】
図８は、本発明による他の実施形態の横断面図を示したもので、単一電子電界効果トランジスタを提供するべく、少なくとも１つのナノ粒子１４０の頂点１５０ｃとは反対側にゲート電極８６０が設けられている。単一層ゲート電極及び／又は多層ゲート電極を設けることができる。ゲート電極は、本明細書において説明されている他のすべての実施形態にも設けることができる。また、絶縁ゲート電極を提供するべく、ゲート電極８６０と少なくとも１つのナノ粒子の間に絶縁層を設けることもできる。
【００３３】
上で説明したすべての実施形態には、単一電子トランジスタが１つしか示されていないが、図９Ａ〜９Ｂに示すように、単一電子トランジスタ９１０ａ〜９１０ｎのアレイを基板に設けることができる。一次元及び／又は二次元の線形及び／又は非線形の直交及び／又は非直交アレイを、単一電子トランジスタの間で、一様（周期的）及び／又は非一様（非周期的及び／又は無作為）に間隔を隔てて設けることができる。単一電子トランジスタ９１０ａ〜９１０ｎの各々は、同一にすることも、あるいは少なくともいくつかの単一電子トランジスタを異なったものにすることもできる。また、本明細書において説明されているすべての実施形態を、任意の単一電子トランジスタ９１０ａ〜９１０ｎに使用することができる。
【００３４】
同じく図９Ａ〜９Ｂに示すように、いくつかの実施形態では、隣接する単一電子トランジスタ間の第１の電極１１０及び第２の電極１２０は、互いに電気接続されている。第１の電極及び第２の電極のこれらの構成は、本明細書において説明されている本発明によるすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３５】
図１０は、単一電子トランジスタ１０１０ａ〜１０１０ｎのアレイの横断面図を示したもので、第１の電極１１１０及び第２の電極１１２０は、共形（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）電極ではなく、隣接する錐体１５０間の領域を少なくとも部分的に充填している。１つ又は複数の非共形電極を、同じく本明細書において説明されているすべての実施形態に設けることができる。
【００３６】
同じく図１０に示すように、他の実施形態では、導電ビア１０３０及び導電パッド１０４０によって共通裏面コンタクトが設けられている。導電パッド１０４０を互いに電気絶縁し、かつ／又は導電ビア１０３０を互いに及び／又は他の領域から絶縁するべく、当業者によく知られている技術を使用して適切な絶縁領域を設けることができる。はんだバンプ及び／又は他の相互接続技術を使用して、導電パッド１０４０を電気的及び／又は機械的に外部デバイスに接続することができる。これら及び他の外部コンタクト・スキームは、本明細書において説明されている本発明によるすべての実施形態と共に使用することができる。共通コンタクトを設けることにより、単一電子トランジスタのアレイ中の個々の単一電子トランジスタにアドレスするために使用するコンタクト数を少なくすることができる。図１０に示す共通コンタクト及び／又はコンタクト・スキームは、本明細書において説明されているすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３７】
図１１は、本発明による他の実施形態の横断面図である。図１１では、裏面コンタクト・スキームと共に、図１０に関連して説明した導電ビア１０３０及びコンタクト・パッド１０４０を備えた拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’が設けられている。
【００３８】
また、図１１によれば、さらに、基板１００とは反対側の拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’上に絶縁層１１６０が使用されている。絶縁層１１６０は、単層又は多層の副層を含むことができ、この単層又は副層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、１つ又は複数の自己アセンブル単分子層、１つ又は複数の重合体薄膜、及び／又は外部（周囲）環境からデバイスを保護するために使用することができる他の材料を含む。絶縁層１１６０は、化学ゲート単一電子トランジスタが使用されている環境によって変化する専用層であってもよい。絶縁層１１６０は、図１１に示す拡張第１電極１１０’及び拡張第２電極１２０’の有無にかかわらず使用することができ、かつ／又は本明細書において説明されている他のすべての実施形態と共に使用することができる。
【００３９】
図１２Ａ〜１２Ｅは、本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの方法実施形態を使用して、図１１に示す単一電子トランジスタを製造することができるが、同様の方法実施形態を使用して、本明細書において説明されている他の単一電子トランジスタを製造することもできる。
【００４０】
図１２Ａを参照すると、たとえば、窒化ケイ素からなる従来のマスクを従来の基板上に形成し、次に従来のフォトリソグラフィを使用してパターン化することにより、マスク領域１２１０が基板１２００上に形成されている。マスク領域１２１０の幅には、引き続いて形成される第１の電極と第２の電極の間の間隔を決定する必要がないため、従来のフォトリソグラフィを使用することができることは理解されよう。また、図１Ａに関連して説明したように、基板１２００には、ドープされた多結晶シリコン層及び／又は単結晶シリコン基板上の他の導電材料層などの従来の基板を使用することができることについても理解されよう。
【００４１】
次に図１２Ｂを参照すると、マスク領域１２１０をエッチング・マスクとして使用して、異方性（ウェット）エッチング、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）などの等方性エッチング、及び／又は従来の他のエッチング・プロセスを実行して、基板１００上に錐体１５０などのフィーチャが形成されている。従来の他のエッチング技術及び／又は選択エピタキシャル成長などの従来の他のチップ形成技術を使用することも可能である。
【００４２】
次に図１２Ｃを参照すると、マスク領域１２１０が除去されている。第１の電極１１０’が、たとえば、矢印１２２０で示す方向に方向性を持たせた（角度を付けた）蒸着及び／又は他の方向性堆積を実行することによって形成されている。方向１２２０の方向に方向性を持たせた蒸着により、錐体１５０の第１の側面１５０ａに第１の電極１１０’が形成される。基板面の導電接続を保護するべく、基板部分を適切にマスキングすることができることは理解されよう。
【００４３】
次に図１２Ｄを参照すると、方向１２３０の方向に方向性を持たせた（角度を付けた）第２の堆積及び／又は蒸着を実行することによって、錐体１５０の第２の側面１５０ｂに第２の電極１２０’が形成されている。基板面の導電接続を保護するべく、基板部分を適切にマスキングすることができることは理解されよう。また、頂点１５０ａと結合しないよう、図１２Ｃ及び１２Ｄに示す角度を付けた蒸着中及び／又は蒸着後、十分に加熱し、それにより冷却の際の表面張力によって、第１の電極１１０’の第１の電極端１１０ａ及び第２の電極１２０’の第２の電極端１２０ａを頂点１５０ｃから十分に遠くに引き戻すことができることについても理解されよう。したがって、２つの密に間隔を隔てた電極が形成される。
【００４４】
最後に図１２Ｅを参照すると、たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０の吸収が実行されている。次に、たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０、重合体層及び／又は他の定着層に、少なくとも１つのナノ粒子１４０が取り付けられる。ビア及び／又はパッドは、図１２Ａ〜１２Ｅで説明した任意のステップの前、ステップ実行中及び／又はステップ実行後に形成することができる。
【００４５】
図１３Ａ〜１３Ｆは、本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による他の単一電子トランジスタの横断面図である。これらの方法実施形態を使用して、図１１に示す単一電子トランジスタを製造することができるが、同様の方法実施形態を使用して、本明細書において説明されている他の単一電子トランジスタを製造することもできる。
【００４６】
図１２Ａ〜１２Ｄに示すように、第１の電極及び第２の電極が、図１２Ａ〜１２Ｄと同様の錐体又は他の突出フィーチャ上に形成されている。次に、図１３Ｅを参照すると、錐体１５０間に凹部層１３１０が形成されている。この凹部層１３１０には、引き続く選択エッチング・プロセス及び／又は化学機械研磨プロセスと両立する二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリイミド及び／又は他の材料からなる１つ又は複数の副層を持たせることができる。凹部層１３１０は、第１の電極１１０’と第２の電極１２０’の間の所望する間隔によって決定される距離だけ頂点から凹ませることができる。
【００４７】
次に図１３Ｆを参照すると、化学機械研磨及び／又は従来の他の技術を使用して構造が平坦化され、それにより平らな頂点１５０ｃ’が画定されている。次に凹部層１３１０が除去され、図１２Ｅに関連して説明したように、少なくとも１つのナノ粒子１４０、任意選択の自己アセンブル単分子層１３０、重合体層及び／又は他の定着層が形成される。また、ビア及び／又はパッドが、同じく上で説明したように製造される。
【００４８】
最後に、図１４Ａ〜１４Ｅは、本発明の他の方法実施形態による中間製造ステップにある、本発明の他の実施形態による単一電子トランジスタの横断面図である。これらの方法実施形態を使用して、図７に示す単一電子トランジスタを製造することができるが、同様の方法実施形態を使用して、本明細書において説明されている他の単一電子トランジスタを製造することもできる。
【００４９】
図１４Ａを参照すると、たとえば図１０Ａに関連して説明したように、マスク領域１４１０が基板１４００上に形成されている。次に図１４Ｂを参照すると、マスク領域１４１０をエッチング・マスクとして使用して、異方性エッチング及び／又は等方性エッチングなどのエッチングを実行して、基板１００中に錐体形トレンチ１５０’が形成されている。従来の他のエッチング技術及び／又は他の凹部フィーチャ形成技術を使用することも可能である。
【００５０】
次に図１４Ｃを参照すると、マスク領域１４１０が除去され、第２の電極１２０’が、たとえば、図１２Ｃに関連して説明したように、方向１４２０の方向に方向性を持たせた（角度を付けた）堆積を実行することによって形成されている。次に図１４Ｄを参照すると、図１２Ｄに関連して説明した方法と同様の方法で、たとえば方向１４３０に沿った第２の方向性堆積が実行され、それにより第１の電極１１０’が形成されている。
【００５１】
最後に図１４Ｅを参照すると、たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０、重合体層及び／又は他の定着層の吸収が実行されている。たとえば上で説明した技術を使用して、定着自己アセンブル単分子層１３０に少なくとも１つのナノ粒子１４０が取り付けられる。また、ビア及び／又はパッドが、上で説明したように製造される。
【００５２】
したがって、本発明による実施形態により、密に間隔を隔てた電極の大規模アレイを備えたアレイが提供される。これらの電極は、錐体及び／又は他の突出フィーチャの各々の頂点でモニタされる電気化学反応を生じさせることができる。反応が表面で生じるよう、電極を変性して化学的特異性を持たせることができる。電極間の領域にナノメートル・サイズのコロイド状粒子を付着させることにより、感度を向上させることが可能であり、それにより単一電子トランジスタを生成することができる。コロイドは、これらの反応に特異性を組み込むべく、化学特異的受容体及び／又は分子を使用して機能化することができる。
【００５３】
本発明の実施形態による単一電子トランジスタ又はそれらのアレイは、たとえば生物学的評価のためのマイクロタイター・プレートの井戸中のセンシング・プラットホームとして使用することができる。従来のより大型の電極と比較して感度が向上しているため、薬品の発見及び／又は生化学に有益である。また、そのサイズが小型であるため、生きた細胞中にアレイを挿入することができ、それにより生物化学研究及び／又は化学的通路及び／又は細胞内の濃度の直接マッピングを可能にしている。
【００５４】
図面及び明細書には、本発明の好ましい典型的な実施形態が開示されている。また、特定の用語が使用されているが、それらは包括的かつ説明的な意味合いでのみ使用されており、特許請求の範囲の各請求項に示す本発明の範囲を制限することを目的としたものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図４Ｃ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図５】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図６】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図７】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図８】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの上面図である。
【図１０】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１１】本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ａ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｃ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｄ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１２Ｅ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ａ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｄ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｅ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１３Ｆ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｃ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｄ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
【図１４Ｅ】本発明の実施形態による中間製造ステップにある、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの側断面図である。
Claims (56)
- 複数の側面及び頂点を備えた錐体が面から突出した基板と、
前記頂点に隣接して延びた第１の電極端を備えた、前記錐体の第１の側面上の第１の電極と、
前記頂点に隣接して延びた、前記第１の電極端と間隔を隔てた第２の電極端を備えた、前記錐体の第２の側面上の第２の電極と、
前記頂点上の少なくとも１つのナノ粒子とを備えた単一電子トランジスタ。 - 前記錐体が、外側に向かって前記基板の前記面から遠ざかって突出した、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記錐体が、前記基板の前記面から内側に向かって前記基板中に突出した錐体形トレンチからなる、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記第１の電極端及び前記第２の電極端が、前記頂点に隣接して約２０ｎｍ未満の間隔を隔てた、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記第１の電極端及び前記第２の電極端が、前記頂点に隣接して約１０ｎｍの間隔を隔てた、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記頂点が点である、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記頂点がプラトーである、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記錐体が４つの側面を備え、前記第１及び第２の側面が、前記錐体上で互いに向い合っている、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記第１及び第２の電極にはナノ粒子が存在しない、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記頂点上、前記第１の電極端上及び前記第２の電極端上の複数のナノ粒子からなる、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記基板面から突出した、複数の側面及び頂点を備えた第２の錐体と、
前記第２の錐体の前記頂点に隣接して延びた第３の電極端を備えた、前記第２の錐体の第１の側面上の第３の電極と、
前記第２の錐体の前記頂点に隣接して延びた、前記第３の電極端と間隔を隔てた第４の電極端を備えた、前記第２の錐体の第２の側面上の第４の電極と、
前記第２の錐体の前記頂点上の少なくとも１つのナノ粒子とを組み合わせた、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。 - 前記第３の電極が前記第２の電極と隣接した、請求項１１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記第３の電極及び前記第２の電極が互いに電気接続された、請求項１１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記基板面から突出した、複数の側面及び頂点を備えた第２の錐体、及び前記第２の錐体の前記頂点に隣接して延びた第２の第２電極端を備えた、前記第２の錐体の第１の側面上を延びた第２の電極と、
前記第２の錐体の前記頂点に隣接して延びた、前記第２の第２電極端と間隔を隔てた第２の電極端を備えた、前記第２の錐体の第２の側面上の第３の電極と、
前記第２の錐体の前記頂点上の少なくとも１つのナノ粒子とを組み合わせた、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。 - 前記頂点上に自己アセンブル単分子層をさらに備え、前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記頂点とは反対側の前記自己アセンブル単分子層上に存在する、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記頂点上、前記第１の電極端上及び前記第２の電極端上に自己アセンブル単分子層をさらに備え、前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記頂点とは反対側の前記自己アセンブル単分子層上、前記第１の電極端上及び前記第２の電極端上に存在する、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記頂点上に定着層をさらに備え、前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記頂点とは反対側の前記定着層上に存在する、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面に分析物特異的結合剤をさらに備えた、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 単一電子電界効果トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子上にゲート電極をさらに備えた、請求項１に記載の単一電子トランジスタ。
- 面から突出した突出フィーチャを備えた基板と、
前記突出フィーチャ上を延びた、前記基板面上の第１の電極と、
前記突出フィーチャ上を延びた、前記第１の電極と間隔を隔てた、前記基板面上の第２の電極と、
前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上の少なくとも１つのナノ粒子とを備えた単一電子トランジスタ。 - 前記突出フィーチャが、外側に向かって前記基板面から遠ざかって突出した、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記突出フィーチャが、前記基板中に前記基板面から内側に向かって突出したトレンチからなる、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記突出フィーチャ上で約２０ｎｍ未満の間隔を隔てた、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記第１の電極及び前記第２の電極が、前記突出フィーチャ上で約１０ｎｍの間隔を隔てた、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記間隔を隔てた第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上に自己アセンブル単分子層をさらに備え、前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記突出フィーチャとは反対側の前記自己アセンブル単分子層上に存在する、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記間隔を隔てた第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上、前記第１の電極上及び前記第２の電極上に自己アセンブル単分子層をさらに備え、前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記間隔を隔てた第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャとは反対側の前記自己アセンブル単分子層上、前記第１の電極上及び前記第２の電極上に存在する、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 前記間隔を隔てた第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上に定着層をさらに備え、前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記間隔を隔てた第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャとは反対側の前記定着層上に存在する、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面に分析物特異的結合剤をさらに備えた、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 単一電子電界効果トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子上にゲート電極をさらに備えた、請求項２０に記載の単一電子トランジスタ。
- 基板面から突出した、複数の側面及び頂点を備えた錐体を基板上に形成するステップと、
前記頂点に隣接して延びた第１の電極端を備えた第１の電極を、前記錐体の第１の側面に形成するステップと、
前記頂点に隣接して延びた、前記第１の電極と間隔を隔てた第２の電極端を備えた第２の電極を、前記錐体の第２の側面に形成するステップと、
少なくとも１つのナノ粒子を前記頂点に配置するステップとを含む単一電子トランジスタを製造する方法。 - 錐体を形成する前記ステップが、外側に向かって前記基板面から遠ざかって突出した錐体を形成するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
- 錐体を形成する前記ステップが、前記基板中に前記基板面から内側に向かって突出した錐体形トレンチを形成するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
- 第１の電極を形成する前記ステップが、前記錐体の前記第１の側面に導電層を方向性を持たせて堆積させるステップを含む、請求項３０に記載の方法。
- 第２の電極を形成する前記ステップが、前記錐体の前記第２の側面に導電層を方向性を持たせて堆積させるステップを含む、請求項３０に記載の方法。
- 錐体を形成する前記ステップが、前記頂点を平らにするステップを含む、請求項３０に記載の方法。
- 前記錐体が４つの側面を備え、前記第１及び第２の側面が、前記錐体上で互いに向い合っている、請求項３０に記載の方法。
- 少なくとも１つのナノ粒子を前記頂点に配置する前記ステップが、少なくとも１つのナノ粒子を前記頂点に配置し、前記第１及び第２の電極上には配置しないステップを含む、請求項３０に記載の方法。
- 少なくとも１つのナノ粒子を前記頂点に配置する前記ステップが、少なくとも１つのナノ粒子を、前記頂点上及び前記第１及び第２の電極の少なくとも一部に配置するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
- 錐体を形成する前記ステップが、基板面から突出し、かつ、複数の側面及び頂点を個々に備えた、間隔を隔てた複数の錐体を基板上に形成するステップを含み、
第１の電極を形成する前記ステップが、対応する頂点に隣接して延びた第１の電極端を個々に備えた複数の第１の電極を、前記錐体の対応する第１の側面に形成するステップを含み、
第２の電極を形成する前記ステップが、対応する頂点に隣接して延びた、対応する第１の電極と間隔を隔てた第２の電極端を個々に備えた複数の第２の電極を、前記錐体の対応する第２の側面に形成するステップを含み、また、
少なくとも１つのナノ粒子を配置する前記ステップが、頂点の各々に少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップを含む、請求項３０に記載の方法。 - 前記配置ステップに先立って、
自己アセンブル単分子層を前記頂点に形成するステップが実行され、また、
前記配置ステップが、前記少なくとも１つのナノ粒子を、前記頂点とは反対側の前記自己アセンブル単分子層上に配置するステップを含む、請求項３０に記載の方法。 - 前記配置ステップに先立って、
定着層を前記頂点に形成するステップが実行され、また、
前記配置ステップが、前記少なくとも１つのナノ粒子を、前記頂点とは反対側の前記定着層上に配置するステップを含む、請求項３０に記載の方法。 - 化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面に分析物特異的結合剤を形成するステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
- 単一電子電界効果トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子上にゲート電極を形成するステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
- 基板面から突出した突出フィーチャを基板上に形成するステップと、
前記突出フィーチャ上を延びた第１の電極を前記基板面に形成するステップと、
前記突出フィーチャ上を延びた、前記第１の電極と間隔を隔てた第２の電極を前記基板面に形成するステップと、
前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上に、少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップとを含む単一電子トランジスタを製造する方法。 - 突出フィーチャを形成する前記ステップが、外側に向かって前記基板面から遠ざかって突出した突出フィーチャを形成するステップを含む、請求項４４に記載の方法。
- 突出フィーチャを形成する前記ステップが、前記基板中に前記基板面から内側に向かって突出したトレンチを形成するステップを含む、請求項４４に記載の方法
- 第１の電極を形成する前記ステップが、前記突出フィーチャ上に導電層を方向性を持たせて堆積させるステップを含む、請求項４４に記載の方法。
- 第２の電極を形成する前記ステップが、前記突出フィーチャ上に導電層を方向性を持たせて堆積させるステップを含む、請求項４４に記載の方法。
- 少なくとも１つのナノ粒子を前記突出フィーチャ上に配置する前記ステップが、少なくとも１つのナノ粒子を、前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上に配置し、前記第１及び第２の電極上には配置しないステップを含む、請求項４４に記載の方法。
- 少なくとも１つのナノ粒子を前記突出フィーチャ上に配置する前記ステップが、少なくとも１つのナノ粒子を、前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上及び前記第１及び第２の電極上に配置するステップを含む、請求項４４に記載の方法。
- 少なくとも１つのナノ粒子を前記頂点に配置する前記ステップが、少なくとも１つのナノ粒子を、前記頂点上及び前記第１及び第２の電極の少なくとも一部に配置するステップを含む、請求項４４に記載の方法。
- 突出フィーチャを形成する前記ステップが、基板面から突出した、間隔を隔てた複数の突出フィーチャを基板上に形成するステップを含み、
第１の電極を形成する前記ステップが、それぞれ個々の突出フィーチャ上を延びた複数の第１の電極を前記基板面に形成するステップを含み、
第２の電極を形成する前記ステップが、それぞれ個々の突出フィーチャ上を延びた、対応する第１の電極と間隔を隔てた複数の第２の電極を前記基板面に形成するステップを含み、また、
少なくとも１つのナノ粒子を配置する前記ステップが、前記第１の電極と第２の電極の間の各突出フィーチャ上に、少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップを含む、請求項４４に記載の方法。 - 前記配置ステップに先立って、
自己アセンブル単分子層を前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上に形成するステップが実行され、また、
前記配置ステップが、前記少なくとも１つのナノ粒子を、前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャとは反対側の前記自己アセンブル単分子層上に配置するステップを含む、請求項４４に記載の方法。 - 前記配置ステップに先立って、
定着層を前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャ上に形成するステップが実行され、また、
前記配置ステップが、前記少なくとも１つのナノ粒子を、前記第１の電極と第２の電極の間の前記突出フィーチャとは反対側の前記定着層上に配置するステップを含む、請求項４４に記載の方法。 - 化学ゲート単一電子トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面に分析物特異的結合剤を形成するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
- 単一電子電界効果トランジスタを提供するべく、前記少なくとも１つのナノ粒子上にゲート電極を形成するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
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