RU2694155C1 - Способ изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с открытым каналом транзистора и транзистор, изготовленный таким способом - Google Patents
Способ изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с открытым каналом транзистора и транзистор, изготовленный таким способом Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694155C1 RU2694155C1 RU2018119009A RU2018119009A RU2694155C1 RU 2694155 C1 RU2694155 C1 RU 2694155C1 RU 2018119009 A RU2018119009 A RU 2018119009A RU 2018119009 A RU2018119009 A RU 2018119009A RU 2694155 C1 RU2694155 C1 RU 2694155C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- electrodes
- plate
- film
- tunnel
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 44
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 12
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 12
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 9
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Chemical compound CC(C)CC(C)=O NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Natural products CCC(C)C(C)=O UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229940043265 methyl isobutyl ketone Drugs 0.000 claims description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 8
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 abstract description 3
- 239000003513 alkali Substances 0.000 abstract 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 7
- VJQTZOVBQVSIJJ-VDEHWKIFSA-N (2R,3S,4R,5R)-2-(hydroxymethyl)-5-[6-[2-(4-phenylphenyl)ethynyl]purin-9-yl]oxolane-3,4-diol Chemical compound C1(=CC=C(C=C1)C#CC1=C2N=CN(C2=NC=N1)[C@@H]1O[C@@H]([C@H]([C@H]1O)O)CO)C1=CC=CC=C1 VJQTZOVBQVSIJJ-VDEHWKIFSA-N 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 3
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940072049 amyl acetate Drugs 0.000 description 2
- PGMYKACGEOXYJE-UHFFFAOYSA-N anhydrous amyl acetate Natural products CCCCCOC(C)=O PGMYKACGEOXYJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- MNWFXJYAOYHMED-UHFFFAOYSA-M heptanoate Chemical compound CCCCCCC([O-])=O MNWFXJYAOYHMED-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 229920003209 poly(hydridosilsesquioxane) Polymers 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical group [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XYLMUPLGERFSHI-UHFFFAOYSA-N alpha-Methylstyrene Chemical compound CC(=C)C1=CC=CC=C1 XYLMUPLGERFSHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- VTJUKNSKBAOEHE-UHFFFAOYSA-N calixarene Chemical class COC(=O)COC1=C(CC=2C(=C(CC=3C(=C(C4)C=C(C=3)C(C)(C)C)OCC(=O)OC)C=C(C=2)C(C)(C)C)OCC(=O)OC)C=C(C(C)(C)C)C=C1CC1=C(OCC(=O)OC)C4=CC(C(C)(C)C)=C1 VTJUKNSKBAOEHE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к технологиям изготовления одноэлектронных транзисторов с островом в виде единичных атомов в кристаллической решетке. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении высокой (~5 нм) точности позиционирования слоя с управляющими электродами относительно слоя с туннельными электродами. Поставленная задача решается тем, что способ изготовления одноэлектронного одноатомного транзистора с открытым каналом, согласно техническому решению, включает последовательное: нанесение слоя позитивного электронного резиста (ЭРП) на пластину кремния на изоляторе (КНИ); формирование рисунка туннельных электродов проявления экспонированного рисунка в проявителе; напыление пленки стойкого к щелочному травлению металла на пластину с рисунком туннельных электродов с последующим удалением оставшегося резиста и пленки металла на нем в растворителе, нанесение пленки ЭРП на полученную пластину с туннельными электродами и формирование рисунка маски; напыление пленки маскирующего материала, растворимого в щелочном растворе; удаление верхнего слоя кремния пластины КНИ; нанесение слоя резиста на полученную пластину с туннельными электродами с последующим формированием щели в полученном слое резиста; напыление слоя стойкого металла в сформированную щель с образованием управляющих электродов; растворение маскирующего материала с остатками стойкого металла на нем в щелочном травителе. Технический результат достигается за счет использованием одного и того же жертвенного слоя (слой алюминия) как на этапе травления кристаллического канала, так и при напылении управляющих электродов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.
Description
Область техники
Заявляемое изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к технологиям изготовления одноэлектронных транзисторов с островом в виде единичных атомов в кристаллической решетке.
Уровень техники
Известны отдельные способы изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с островом в виде единичного примесного атома в кристаллической решетке, например, атома бора в кристаллической решетке кремния.
В одном из известных способов дотированный бором кремниевый канал покрывают тонким слоем диэлектрика, и на нем формируется управляющий электрод Sellier Н. et al. Transportspectroscopy of a single dopant in a gated siliconnanowire (Селлиер X. и др. «Спектроскопия транспорта через единичный допант в закрытом кремниевом нанопроводе»). Достоинством данного способа является обеспечение минимального (1.4 нм) расстояния от управляющего электрода до кристаллического канала и, соответственно, острова транзистора. В то же время, основным недостатком известного способа является закрытость кристаллического канала, что не позволяет производить с ним технологические операции после изготовления транзистора.
Из уровня техники известно также решение одноэлектронного транзистора с закрытым каналом и способ его изготовления, опубликованные в патенте JP 2017028153.
Достоинства и недостатки известного способа аналогичны другим схемам одноэлектронных одноатомных транзисторов с закрытым каналом: близкое расположение управляющего электрода позволяет управлять электронным транспортом в таком транзисторе с помощью меньших напряжений, однако закрытость канала исключает возможность добавления/удаления примесных атомов в кристаллический канал.
Изготовление одноэлектронных транзисторов с островом из нескольких примесных атомов фосфора раскрыто в статье (ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2017. №5, Одноэлектронный транзистор с островом из нескольких примесных атомов фосфора, С.А. Дагесян, В.В. Шорохов, Д.Е. Преснов, Е.С. Солдатов, А.С. Трифонов, В.А. Крупенин, О.В. Снигирев).
Недостатком этого метода является удаленное расположение (~80 нм) управляющих электродов от острова транзистора и разброс в их расположении при изготовлении, связанный с ограничением по точности совмещения нескольких литографических слоев (~30 нм).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ изготовления транзистора на основе атома фосфора в кристаллической решетке кремния (Dagesyan S.A. et al. Sequential reduction of the silicon single-electron transistor structure to atomic scale, Nanotechnology 28 (2017), (Дагесян С.А. и др., «Последовательное уменьшение кремниевого одноэлектронного транзистора до атомарного масштаба»), http://dx.doi.org/10.1088/1361-6528/aa6dea). В известном способе управляющие и туннельные электроды изготавливаются в одном литографическом цикле. Достоинством этого метода является возможность модификации уже готового устройства. Кристаллический канал между туннельными электродами может быть дополнительно имплантирован примесными атомами путем ионной имплантации или же наоборот, может уменьшаться для удаления лишних примесных атомов путем реактивно-ионного травления, если изначально для изготовления использовался легированный кристалл.
Недостатком этого метода является удаленное расположение (~100 нм) управляющих электродов от острова транзистора, что приводит к уменьшению влияния управляющих электродов на остров транзистора и, соответственно, для достижения требуемого уровня влияния требует подачи гораздо больших управляющих напряжений.
Техническая задача, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам и прототипу, а именно в создании одноэлектронного одноатомного транзистора с близко расположенными управляющими электродами и открытым кристаллическим каналом.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении высокой (~5 нм) точности позиционирования слоя с управляющими электродами относительно слоя с туннельными электродами. При этом заявляемый способ позволяет исключить зависимость точности позиционирования слоев управляющих и туннельных электродов от точности их совмещения, обеспечивая при этом возможность изготовления управляющих электродов на расстояниях 5-50 нм от острова транзистора без использования точного совмещения литографических слоев транзистора за счет использования одной и той же маски для травления кристаллического канала, и формирования управляющих электродов. Упрощение способа изготовления транзисторов напрямую влияет на возможность увеличения выхода годных изготавливаемых образцов, повышая производительность. При этом выход годных транзисторов при изготовлении заявляемым способом составляет не менее 85%.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления одноэлектронного одноатомного транзистора с открытым каналом, согласно техническому решению, включает последовательное выполнение следующих этапов:
1) нанесение слоя позитивного электронного резиста (ЭРП) на пластину кремния на изоляторе (КНИ) в виде тонкой полимерной пленки;
2) формирование рисунка туннельных электродов в виде сужающихся по направлению друг к другу полос с зазором между их торцами в слое резиста посредством электронной литографии и проявления экспонированного рисунка в проявителе;
3) напыление пленки стойкого к щелочному травлению металла толщиной не более 50 нм на пластину с рисунком туннельных электродов с последующим удалением оставшегося резиста и пленки металла на нем в растворителе, в результате чего получают пластину с металлическими выступами, представляющими собой туннельные электроды, расположенные с зазором между их торцами,
4) нанесение пленки ЭРП на полученную пластину с туннельными электродами и формирование рисунка маски с обеспечением покрытия маской туннельных электродов и зазора между ними в слое резиста посредством электронной литографии и проявления экспонированного рисунка;
5) напыление пленки маскирующего материала, растворимого в щелочном растворе, толщиной не менее 5 нм на пластину с рисунком туннельных электродов с последующим удалением оставшегося резиста и пленки на нем посредством помещения пластины в растворитель, в результате чего получают маску, покрывающую туннельные электроды и зазор между ними;
6) удаление верхнего слоя кремния пластины КНИ посредством анизотропного реактивно-ионного травления, при этом слой кремния остается только в местах, которые были защищены материалом маски и металлом туннельных электродов, включая туннельные электроды и зазор между ними, а слой алюминиевой маски выступает за границы оставшегося слоя кремния на расстояние не более 10 нм;
7) нанесение слоя резиста на полученную пластину с туннельными электродами в виде пленки ЭРП с последующим формированием щели в полученном слое резиста с использованием метода электронной литографии и проявления, в виде полосы, ориентированной под углом к линии расположения туннельных электродов;
8) напыление слоя стойкого металла в сформированную щель с образованием управляющих электродов и удаление растворителем остатков резиста с пленкой стойкого металла на нем;
9) растворение маскирующего материала с остатками стойкого металла на нем в щелочном травителе.
Напыление пленки ЭРП или маскирующего материала производят методом электронно-лучевого или термического испарения. Слой наносимого резиста на каждом этапе составляет не более 300 нм. В качестве ЭРП может быть использован полиметилметакрилат (ПММА), ZEP 520А или AR-P 6200. В качестве проявителя для проявления экспонированного рисунка при использовании в качестве ЭРП ПММА может быть использован водно-спиртовой раствор изопропанола, в соотношении 3:97 или MIBK:IPA (метилизобутилкетон, изопропанол) в соотношении 1:3. При использовании в качестве ЭРП ZEP 520А или AR-P 6200 в качестве проявителя может быть использован амилацетат или ксилол и др. Для обеспечения проявления пластину выдерживают в проявителе не менее 30 с при комнатной температуре. В качестве стойкого металла может быть использован хром или титан. Толщина слоя маскирующего материала составляет не менее 5 нм. В качестве растворителя может быть использован ацетон или н-метилпирролидон. В качестве щелочного травителя может быть использован слабый (не более 5 мас. %) водный раствор KOH (гидроксид калия), время травления зависит от концентрации и температуры и подбирается таким образом, чтобы в процессе травления не был поврежден кристаллический канал.
Поставленная задача решается также тем, что одноэлектронный одноатомный транзистор с открытым каналом получен заявляемым по п. 1 формулы изобретения способом, при этом управляющие электроды транзистора расположены на расстоянии не более чем на 5-50 нм от острова транзистора.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1-10 схематично представлена последовательность видоизменений исходного материала, обеспечивающая получение заявляемого транзистора, при этом
на фиг. 1 - схематично изображена пластина кремния на изоляторе;
на фиг. 2 - схематично изображен экспонированный рисунок туннельных электродов;
на фиг. 3 - схематично изображен результат проявления экспонированного рисунка туннельных электродов;
на фиг. 4 - схематично изображено первое напыление пленки стойкого металла;
на фиг. 5 - схематично изображена пластина с сформированными туннельными электродами после удаления слоя резиста;
на фиг. 6 схематично изображено покрытие алюминиевой маской пластины с туннельными электродами;
на фиг. 7 схематично изображен результат реактивно-ионного травления;
на фиг. 8 схематично изображено нанесение слоя резиста на полученную пластину с туннельными электродами и формирование щели;
на фиг. 9 схематично представлена структура после напыления слоя стойкого металла в сформированную щель с образованием управляющих электродов и удаления резиста;
на фиг. 10 схематично показано растворение алюминиевой маски с остатками хрома.
На фиг. 11 укрупненно представлено изображение фиг. 10.
На фиг. 12-15 представлены фотоизображения, характеризующие отдельные этапы изготовления транзистора. Микрофотографии получены в растровом электронном микроскопе Zeiss Supra-40, при этом
на фиг. 12 представлено изображение нанесенной алюминиевой маски;
на фиг. 13 представлено изображение результата реактивно-ионного травления через нанесенную маску;
на фиг. 14 представлена микрофотография образца после напыления слоя управляющих электродов и удаления резиста;
на фиг. 15 представлена микрофотография финальной структуры одноэлектронного одноатомного транзистора после удаления алюминиевой маски.
Позициями на чертежах обозначены:
1. пластина КНИ
2. слой резиста полиметилметакрилата
3. туннельные электроды
4. слой стойкого металла
5. алюминиевая маска
6. управляющие электроды
7. зазор между островом транзистора и управляющими электродами.
Реализация заявляемого способа описана ниже на примере конкретного выполнения, с последовательным выполнением следующих этапов и использованием конкретных соединений в качестве проявителя и растворителя. Использование иных, заявленных в формуле изобретения соединений в качестве проявителя, растворителя, а также других вариантов используемого резиста не противоречит описываемой технологии.
Этап 1.
На пластину кремния на изоляторе (КНИ) (фиг. 1) методом центрифугирования (скорость вращения 3000 об/мин, 30 секунд) наносили тонкий (не более 300 нм) слой резиста полиметилметакрилата (ПММА). Для электронной литографии в настоящее время широко применяются резисты на основе полиметилметакрилата (ПММА). В тех случаях, когда этот материал не удовлетворяет каким-либо специфическим требованиям к процессам, используются другие решения. Основными компонентами для создания альтернативных резистов являются α-хлорметакрилат с α-метилстиролом (например, ZEP 520А и AR-P 6200), водородный силсесквиоксан (HSQ - XR 1541), каликсарены, фуллерены и некоторые другие.
Этап 2.
Методом электронной литографии (ускоряющее напряжение 20 кВ, доза экспонирования 250 мккл/см2) в слое ПММА экспонировался рисунок туннельных электродов (фиг. 2) в виде узких (не более 50 нм) полос с узким зазором (не более 50 нм) между их торцами. Для проявления экспонированного рисунка пластину погружали в проявитель на 60 секунд, при этом минимально возможное время выдержки составляет 30 с. В качестве проявителя использовали водно-спиртовой раствор (вода : изопропанол в соотношении 3:97 по объему) (фиг. 3). В случае использования в качестве ЭРП ZEP 520А и AR-P 6200 следует в качестве проявителя применять амилацетат или ксилол.
Этап 3.
Методом электронно-лучевого испарения (подробно раскрытым, например, в следующем источнике информации: (Савали П.А. Методы получения тонких пленок путем вакуумного напыления: сравнительное исследование Physical Vapor Deposition (PVD) Methods for Synthesis of Thin Films: A Comparative Study P.A. Savale (http://www.scholarsresearchlibrary.com/articles/physical-vapor-deposition-pvd-methods-for-synthesis-of-thin-films-a-comparative-study.pdf, стр. 3) на пластину напыляли тонкую (не более 15 нм) пленку стойкого металла (фиг. 4). В качестве такого металла может быть использован хром или титан. В описываемой реализации был использован хром, однако использование титана дает аналогичный результат. Затем пластину с пленкой хрома погружали в растворитель, в качестве которого использовали ацетон, для растворения резиста и удаления хрома в областях, где он находился на резисте (фиг. 5).
Этап 4.
На полученную пластину с туннельными электродами аналогичным этапу 1 образом наносили слой (не более 300 нм) ПММА, и методом электронной литографии с совмещением (с использованием параметров и условий, указанных выше) экспонировался рисунок маски, закрывающей зазор между туннельными электродами и частично перекрывающийся с частью электродов вблизи зазора. Подробная реализация метода электронной литографии раскрыта, например, в следующем источнике информации: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9285/92850C/Technology-of-alignment-mark-in-electron-beam-lithography/10.1117/12.2068112.short?SSO=1 (Мин Зао, Танг Xv и др. Технология совмещения по меткам в электронной литографии Technology of alignment mark in electron beam lithography Min Zhao: Tang Xu et aD. Для проявления экспонированного рисунка пластину погружали в проявитель на 60 секунд, при этом минимально возможное время выдержки составляет 30 с. В качестве проявителя использовали водно-спиртовой раствор (вода : изопропанол в соотношении 3:97 по объему).
Этап 5.
После проявления, методом электронно-лучевого испарения полученный образец покрывался слоем алюминия (толщиной не менее 5 нм) и производился процесс растворения резиста и удаления алюминия в областях, где он находился на резисте (формирование алюминиевой маски).
Вместо алюминия на этом этапе может использоваться другой материал, способный служить в качестве маски при реактивно-ионном травлении во фторсодержащей плазме и растворимый в щелочном травителе, например, оксид алюминия.
Этап 6.
Проводили реактивно-ионное травление через полученную маску верхнего слоя кремния пластины КНИ во фторсодержащей плазме (характеристики: используемый газ SF6, давление 0,2 Па, мощность ВЧ-генератора 50 Вт, продолжительность процесса 50 секунд). Процесс травления при таких параметрах является анизотропным, однако горизонтальная скорость травления не нулевая, из-за чего маска после травления «нависает» над кремнием (выступает за границы слоя кремния) на 5-10 нм. (фиг. 7, 13).
Этап 7.
Следующим шагом на пластину аналогичным этапу 1 образом наносился слой (не менее 200 нм) ПММА и методом электронной литографии с совмещением аналогично этапу 4 экспонировался рисунок управляющих электродов в виде полосы, пересекающей область зазора между туннельными электродами под углом к линии расположения туннельных электродов.
Этап 8.
После проявления в резисте образуется щель шириной не менее 20 нм и глубиной, равной толщине слоя резиста (фиг. 8). Методом электронно-лучевого испарения образец покрывали слоем стойкого металла, в данном случае, хрома, толщиной, примерно равной толщине верхнего слоя кремния пластины КНИ (100 нм). Такая толщина необходима для того, чтобы функционально работало только горизонтальное расстояние от затвора до острова, при меньших толщинах будет добавляться вертикальная составляющая расстояния. Остатки резиста с хромом на нем удалили в растворителе (фиг. 9).
Этап 9.
На данном этапе алюминиевую маску с остатками хрома на ней удаляли путем погружения образца в слабый щелочной раствор гидроксида калия (КОН, 2 мас. %) при комнатной температуре на 1 минуту (фиг. 10), с получением в результате заявляемого транзистора (фиг. 15).
Таким образом, с помощью заявляемого способа в соответствии с приведенными в описании параметрами был изготовлен транзистор со следующими характеристиками: расстояние между туннельными электродами - 20 нм, расстояние от центра кремниевого канала до управляющего электрода - 40 нм, расстояние от края кремниевого канала до затвора - 20 нм. Процентное содержание количества годных к дальнейшему использованию транзисторов, полученный заявляемым способом с использованием приведенных выше параметров и характеристик, составило 90% от общего числа изготовленных транзисторов.
В результате выполнения описанных этапов получили одноэлектронный одноатомный транзистор, характеризующийся тем, что его управляющие электроды расположены на расстояниях 5-50 нм от острова транзистора. Остров транзистора представляет собой примесный атом, который может располагаться как на краю, так и в центре кристаллического канала. Поэтому расстояние, на котором располагаются управляющие электроды от острова транзистора, определяется как расстояние от затвора до края кремниевого канала или от затвора до середины кремниевого канала. То есть, минимальное расстояние определяется «нависанием» алюминиевой маски над кремниевым каналом, а максимальное - суммой полуширины канала и минимального расстояния.
Технический результат достигается за счет использованием одного и того же жертвенного слоя (слой алюминия) как на этапе травления кристаллического канала, так и при напылении управляющих электродов. Такая методика позволяет изготавливать одноэлектронные одноатомные транзисторы с высоким выходом годных (не менее 85%). Точность позиционирования управляющих электродов относительно острова транзистора не зависит от точности совмещения литографического оборудования, а обеспечивается автоматически последовательностью действий и геометрией системы, что позволяет свести к минимуму различия между транзисторами, изготовленными описанным способом.
Claims (21)
1. Способ изготовления одноэлектронного одноатомного транзистора с открытым каналом, характеризующийся тем, что последовательно выполняют следующие этапы:
1) нанесение слоя позитивного электронного резиста (ЭРП) на пластину кремния на изоляторе (КНИ) в виде тонкой полимерной пленки;
2) формирование рисунка туннельных электродов в виде сужающихся по направлению друг к другу полос с зазором между их торцами в слое ЭРП посредством электронной литографии и проявления экспонированного рисунка в проявителе;
3) напыление пленки стойкого к щелочному травлению металла толщиной не более 50 нм на пластину с рисунком туннельных электродов с последующим удалением оставшегося резиста и пленки металла на нем растворителем, в результате чего получают пластину с металлическими выступами, представляющими собой туннельные электроды, расположенные с зазором между торцами;
4) нанесение пленки ЭРП на полученную пластину с туннельными электродами и формирование рисунка маски с обеспечением покрытия маской туннельных электродов и зазора между ними в слое резиста посредством электронной литографии и проявления экспонированного рисунка;
5) напыление пленки маскирующего материала толщиной не менее 5 нм на пластину с рисунком туннельных электродов с последующим удалением оставшегося резиста и пленки металла на нем посредством помещения пластины в растворитель, в результате чего получают на пластине маску, покрывающую туннельные электроды и зазор между ними;
6) удаление верхнего слоя кремния пластины КНИ посредством анизотропного реактивно-ионного травления, при этом слой кремния остается только в местах, которые были защищены маской, включая туннельные электроды и зазор между ними, а слой маски выступает за границы оставшегося слоя кремния на расстояние не более 10 нм;
7) нанесение пленки ЭРП на полученную пластину с туннельными электродами с последующим формированием щели в полученном слое резиста в виде полосы, ориентированной под углом к линии расположения туннельных электродов, с использованием метода электронной литографии и проявления;
8) напыление слоя стойкого металла в сформированную щель с образованием управляющих электродов и удаление растворителем остатков резиста с пленкой металла на нем;
9) растворение маски с остатками стойкого металла в щелочном травителе.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой наносимого резиста на каждом этапе составляет не более 300 нм.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ЭРП может быть использован полиметилметакрилат (ПММА), ZEP 520А или AR-P 6200.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве проявителя для проявления экспонированного рисунка используют водно-спиртовой раствор изопропанола в соотношении 3:97 или MIBK : IPA (метилизобутилкетон, изопропанол) в соотношении 1:3, при этом пластину выдерживают в проявителе не менее 30 с при комнатной температуре.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют ацетон или н-метилпирролидон.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве стойкого металла используют титан или хром.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве стойкого металла при формировании туннельных электродов используют хром, а при формировании управляющих электродов используют титан, или наоборот.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя маски составляет не менее 5 нм.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве маскирующего материала используют алюминий или оксид алюминия.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщина верхнего слоя кремния КНИ составляет 50 нм.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напыление пленки стойкого металла или маскирующего материала выполняют методом электронно-лучевого или термического испарения.
12. Одноэлектронный одноатомный транзистор с открытым каналом, отличающийся тем, что он получен способом по п. 1, при этом управляющие электроды транзистора удалены от острова транзистора не более чем на 5-50 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018119009A RU2694155C1 (ru) | 2018-05-23 | 2018-05-23 | Способ изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с открытым каналом транзистора и транзистор, изготовленный таким способом |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018119009A RU2694155C1 (ru) | 2018-05-23 | 2018-05-23 | Способ изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с открытым каналом транзистора и транзистор, изготовленный таким способом |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694155C1 true RU2694155C1 (ru) | 2019-07-09 |
Family
ID=67252370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018119009A RU2694155C1 (ru) | 2018-05-23 | 2018-05-23 | Способ изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с открытым каналом транзистора и транзистор, изготовленный таким способом |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694155C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU206166U1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-08-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ) | Одноэлектронный транзистор с отрицательным дифференциальным сопротивлением |
| RU2759243C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-11-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Электронное устройство на основе одноэлектронного транзистора, реализующее отрицательное дифференциальное сопротивление |
| RU2777199C1 (ru) * | 2021-08-10 | 2022-08-01 | Общество ограниченной ответственностью "Старт-Волга" | Способ изготовления проводящей наноячейки с квантовыми точками |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014003196A (ja) * | 2012-06-20 | 2014-01-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体装置 |
-
2018
- 2018-05-23 RU RU2018119009A patent/RU2694155C1/ru active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014003196A (ja) * | 2012-06-20 | 2014-01-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Martin Fuechsle et al., A single-atom transistor. Nature Nanotechnology, v.7, 2012, p.242-246. * |
| V.V.Shorokhov et al., Single-electron tunneling through an individual arsenic dopant in silicon. Nanoscale, v.2, 2017. С.А.Дагесян и др., Одноэлектронный транзистор с островом из нескольких примесных атомов фосфора. BМУ. Серия 3. Физика. Астрономия, 5, 2017, стр.32-38. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU206166U1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-08-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ) | Одноэлектронный транзистор с отрицательным дифференциальным сопротивлением |
| RU2759243C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-11-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) | Электронное устройство на основе одноэлектронного транзистора, реализующее отрицательное дифференциальное сопротивление |
| RU2777199C1 (ru) * | 2021-08-10 | 2022-08-01 | Общество ограниченной ответственностью "Старт-Волга" | Способ изготовления проводящей наноячейки с квантовыми точками |
| RU2795297C1 (ru) * | 2022-09-05 | 2023-05-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Катод" | Способ и устройство для травления заготовки |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7144680B2 (en) | Electron beam lithography method using new material | |
| US7902637B2 (en) | Nano structure and method of manufacturing nano structure | |
| US8349527B2 (en) | Conductive layer including implanted metal ions | |
| RU2694155C1 (ru) | Способ изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с открытым каналом транзистора и транзистор, изготовленный таким способом | |
| TW200929329A (en) | Resolution enhancement techniques combining interference-assisted lithography with other photolithography techniques | |
| CN108217578A (zh) | 一种微纳弯曲结构的制备方法 | |
| US4101782A (en) | Process for making patterns in resist and for making ion absorption masks useful therewith | |
| US6569578B2 (en) | Method for forming photo-mask | |
| TWI407264B (zh) | Microcomputer and its application | |
| US20040067627A1 (en) | Dry lithograpy method and method of forming gate pattern using the same | |
| JPH08220771A (ja) | パターン形成方法 | |
| US4368215A (en) | High resolution masking process for minimizing scattering and lateral deflection in collimated ion beams | |
| CN107248367A (zh) | 一种防伪结构及其制作和使用方法 | |
| Basu | Optimization of reactive ion etching to fabricate silicon nitride stencil masks in SF6 plasma | |
| Zhu et al. | Edge lithography based on aluminum dry etching | |
| JP2004272049A (ja) | Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む固体化合物膜の形成方法、固体化合物膜の酸化ケイ素への改質方法、パターン形成方法及びリソグラフイー用レジスト | |
| JPS63254728A (ja) | レジストパタ−ンの形成方法 | |
| CA3228784A1 (en) | Multi-layer high-aspect ratio x-ray grating and method of manufacture | |
| RU2112300C1 (ru) | Способ изготовления защитной маски для нанолитографии | |
| CN116844956A (zh) | 一种图案化金属氧化物层的制备方法 | |
| JP2676746B2 (ja) | 微細パターンの形成方法 | |
| JPH03138938A (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
| RU147587U1 (ru) | Маска для травления тонких слоев платины методом физического распыления | |
| Appleton et al. | Multi-ion beam lithography and processing studies | |
| JPS6074521A (ja) | パタ−ン形成方法 |