纳米电子器件.docx

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1、纳米电子器件学号：M201472157姓名：张路指导老师：范桂芬婢：微纳尺度制造工程M介绍了纳米电子器件与纳米电子技术的概念以及纳米电子器件的分类；综述了现有的光刻、外廷、SPM.特种精细加工等相关的纳米电子器件制备与加工技术：阐述了纳米电子技术中急需解决的假设干关犍问题“关询，纳米电子潜件：纳米电子技术：纳米器件加工Abstract:Theconceptandc1.assificationofaoe1.ectrocmponetandaoe1.ectonictechno1.ogyareintroduced,andthefabricationtechno1.ogiesofnano-e1.ectr

2、oniccomponentszsuchas1.ithography,epitaxia1.growthandSPMrarereported.At1.astsomeimpendingprob1.emsonnano-e1.ectronictechno1.ogyare1.istedaswe1.1.Itshou1.dbebeneficia1.forreaderstocomprehendnano-e1.ectroniccomponentsandnano-e1.ectronictechno1.ogy.Keywords:nano-e1.ectroniccomponents;nano-e1.ectronicte

3、chno1.ogy;fabricationofnano-e1.ectroniccomponents19IW研究的目的及意义按摩尔定律推算，在未来的10余年里，继续提高计豫机的储存密度和运峰能力将面临严岐的挑战。这些挑战既有原理性的物理限制，又有技术性的工艺限制.其主要表现为：1电子器件的尺寸处于微米肽级时其中的电子主要呈粒子性.但是当湍件的尺寸小到纳米价级时,电子那么以波动性为主.电子的波动性是一种尿子效应，这时电子器件将在一个全新的保埋下诳行工作：2任何多体系统都存在热的统计起伏，当器件尺寸缩小到纳米玳级时，这种热起伏便会限制器件性能的一致性，以致集成芯片无法正常工作。然而，纳米电子技术、纳

4、米电子器件与纳米电子学的出现为做电子技术的开展提供了新的途径和转机.这一方面可P1.功于微电子技术与纳米技术的不断开展：另一方面那么要UI功个K世纪来微电子学与信予物埋学对纳米电子器件的制备、特性、机理与我征提供的有力支持.本文将对纳米电子据件与纳米电子技术的概念、纳米电子案件的分类以及现有的纳米电子器件制备技术进行剖析和阐述，最后，指出了纳米电子技术中急需解决的黄设干关键问卷.2 米电子器件2.1 纳米电子通件与纳米电子技术纳米电子器件指利用纳米级加工和制备技术，如光刻、外延、微细加工、自组袋生长及分子合成技术等，设计制备而成的具有纳米级（I-100nm）尺度和特定功能的电子器件.F1.i,

5、人们利J1.J纳米电子材料和纳米光刻技术，己研制出许多纳米电子器件，如电子共振隧穿器件（共振二极管RTD、三极共振隧穿晶体管R）,单电子晶体管Iset:,金阿基set、半导体set、纳米粒子set、单电子静电计、单电子存储涔（SEM）.睢电子逻辑电路、金崩基堆电子晶体管（SEr存储器、半导体SET存储器、硅纳米品体制造的存储器、纳米浮栅存储器、纳米硅微晶薄膜器件和蜃合体电子器件等。纳米电子技术是指在纳米尺寸范困内构筑纳米和景子器件，集成纳米电路，从而实现出子计算机和量子通信系统的信息计修、传输与处理的相关技术，其中,纳米电子器件是目前纳米电子技术开展的关犍Ij核心.现在.纳米电f技术正处在蓬勃

6、开展时期,其最终目标在于立足最新的物理理论和最先进的工艺手段.突破传统的物理尺寸与技术极限,开发物场潜在的估息和结构潜力，按照全新的概念设计制造纳米器件、构造电子系统，使电子系统的储存和处理信息能力实现革命性的飞跳。2.2 纳米电子If件的分类关于纳米电子零件的分类,国内外有着不同的看法,根据纳米电子技术的开展和对未来的狡测.一种分法把纳米电子器件广义地分为以下8类：1纳米级CMoS器件，如绝缘层上硅MoSFET、异质结MOSFET,IttiAMOSFET,双极MOSFET等：2球子效应瑞件，如Ift子干预器件、状子点器件和i普板磁道器件等：3单电子器件,如单电子箱、电容料合和电Pa耦子单电子

7、晶体管、单电子结阵列、单电子泵、单电子陷阱等：4单分子器件,如单电子开关、审原匕点接触器件、单分子开驾分子线、嘲W漉分子电子器件电化学分子电子器件等：5纳米传感器,如量子磁道传感器等：6纳米集成电路,包括物米电子集成电路和纳米光电集成电路；7纳米存储器，如超高容业讷米存储器、磁道型静态随机存储器、单电子硅基MOS存储器、单电子存储器、单电子量子存储器等:8纳米CMOS混合电路,包括纳米CMOS电路和IMv族化介物半导体共振隧道效应电路,纳米CMOS电路和单电子纳米开关电路.纳米CMOS电路和碳纳米管电路，纳米CMOS电路和人造原子电蛤,纳米CMOS电路和DNA电路等.在这种分类中，纳米级CMO

8、S器件、纳米传感器、制米存储器、纳米集成电路以及纳米CMOS混合电路等分别被作为一种独立的纳米器件类型,但事实上,这纳米传感器、纳米娘的CMOS涔件或电路是否应该纳入纳米器件的范昭.目前还存有争议.根据David等人对纳米电子微件箍跖提出的两个根本条件,即涔件的工作原理基于贵于效应：具有陂穿外垒包围的“岛”（或势阴）的典型结构.文献6认为，纳米传感器、纳米级CMOS等器件虽然尺度为纳米状级，也是用纳米加工技术研啊成功的，但它们只能归典在纳米涔件的大类而不属于纳米电子器件范畴基于这种观点，文献6认为纳米电子器件可分为固体纳米电子器件，包括狭振磁穿器件、量子点(QD)器件和单电子器件(SED):分

9、子电子器件主要包括量子效应分子电子器件和电机械分子电子器件.文献4根据电子在纳米湍件中的量子效应.即电子的波粒二相性,把具有各种豉子功能的纳米电子器件分为两类，即IIR电子器件,这类器件的电子处于点结构中，共行为以粒子性为侧虫，典型的实例行单电子晶体管、单电子开关等：2诉子波器件，这类器件中的电子处F相位相干结构中,其行为以波动性为主,主要包括量子线晶体管、量子干预器件、谐振隧道二极管、品体管等.此外,考虑到原理和材料结构上的明显差异,文赋4还将分子电子器件和上述的单电子器件、量子波器件并列.能独作为一类特殊的纳米电子器件.这类器件的研究属于分子电子学范班，包括分子电子开关、电化学分子器件等。

10、3 米电子叁件的制备技术要制备纳米电子器件及实现我集成电路，有两种可能的方式.一种是将现彳！的电子器件、集成电路进一步向微型化廷伸，研究开发更小跷宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件,即所谓的“由上到下”的方式.另一种方式是利用先进的纳米技术与纳米结构的量子效应身接何成全新的埴子器件和琏子结构体系.即所谓的“由下到上”的方式.纳米电子器件“由上到下”的制备方式主要是指光学光刻、电子束光刻和高干束光刻等技术.“由下到上”的制备方法那么包括金属有机化学汽和沉枳(MOCVD),分子束外延(MBE).方子层外延(AEE)、化学束外延(BE)等外延技术、扫描探针显微镜(SPM)技术、分子自组装合成技术以

11、及特种超微细加工技术等.3.1 光刻技术光学光刻、电子束光刻与窗子束光刻技术统称三束光刻技术，是通过掩模、呸光等工艺将设计的器件图形结构转移到半导体基片上的IC加工技术.目前，随苻光刻技术找宽的不断减小，光学光刻、电子束光刻与离子束光刻技术已在纳米CMoS器件、纳米集成电路,纳米CMOS混合电路等加工领域表现出了很好的应刖前景,并开始在一些纳米电子器件加工方面取得了应用.光学光刻技术光学光刻是通过光学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结构图形“刻”在涂有光刻收硅片上的技术,它是现在IC产业半导体加I：的上游技术.在这种技术中.通常甲基丙烯酸储聚合物(PMMA)被用作抗蚀涂层，甲基异丁胡

12、和异丙解合剂被用作显像剂，目前国际微电子领域最引人关注的热点是新代光刻技术，的着加工尺寸向0.1um遇近，能否突破0.1um成为现有光学光刻技术所面临的最为严竣的挑战.限制光刻所能获得的最小线宽与光刻系统的分辨率直接相关，而减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径.现在,商品化光刻机的光源波长已经从过去的求灯光源紫外光波网进入到深紫外波段，己可以用波长为193nm的Arf准分子激光作光源狭得018um的光刻线宽度.另外，利用更短波长的极紫外光(波长为1.(H4nm)H1.XR1.(Inm)作为光源的极紫外光刻IEUV1.,也称秋X射城光刻)和X射线光刻技术也得到了开展，根据目前光刻技术的开展

13、形势，EUV1.将很可能成为大批量生产特征尺寸为70nm及更细线宽集成电路的主流技术.2001年国际半导体工业协会发布的半导体技术开展蓝图预刈，特征级宽为70nm的半导体电子器件极可能于2006年开始进入批届生产.除此之外,利用光的干预特性以及电磁理论结合光刻实际对魅光成像的深入分析，采用各种波前技术优化工艺参数也是提制光刻分辨率的重要手段.电子束光刻技术(EB1.)电子束光刻是采用离能电子束时光刻胶进行映光而获得结构图形的光刻技术。枝干电子束的像布罗意波长为OQMnm左右，远小于光刻技术的波长,因此,电子束光刻几乎不受衍射极限的影响,便可获得接近原子尺度的分辨率，现在，E81不但成为VIS1

14、.制作中不可缺少的掩模制作工具，同时，也成为加工熟米涔件和纳米结构的主要方法。目前，电子束曝光机的分辨率己到达0.1Um以下.但电子束光刻的1：软率很低.仅为每小时5-10个阳片.远小于目前光学光刻的每小时SO-100个网片的水平,故已成为限制其广泛应用的“做颈。般近，美国朗讯公司开发的用位限制放射投影电了束光刻SCA1.PE1.技术令人眼目，该技术如同光学光刻那样对撞模图形进行缩小投影，并采用特殊滤波技术去除掩模吸收体产生的波射电子，从而在保证分辨率条件卜提Si产出效率，应该指出，无论未来光刻采用何种技术，EB1.都将是集成电路研究与生产不可缺少的根底改俺.育子束光刻(IB1.)禺子束光到是

15、枭用液态原子或气态原子电离后形成的围干通过电磁场加速及电解透镜的聚焦或准宜后对光刻胶进行曝光的光刻技术.其原理与电子束光刻类似.但博布罗意波长更短，且具有无辄近效应小、鹏光场大等优点.离子束光刻主要包括聚焦离子束光刻(FIB1.),离子投影光刻(IP1.)等.其中FIB1.开展最早，最近已在实蕤研究中获得了Ionm的分疥率，但该技术效率极低，很难在生产中作为糜光工具得到应用，目前仅用于V1.SI中的掩模修补工具和特殊涔件的修整。由于F1.B1.的缺点，现在，人们又开始开展具有较高曝光效率的IP1.技术.如欧洲和美国联合了大盘企业、大学和研究机构，开展了一个名为MEDEA的合作工程，用于解决设备

16、和褥模等方面的瓶颈向应.32外延技术金属有机化学汽相淀枳(MOCVD),分子束外延(MBE1,原子层外延(AEE)与化学束外延技术(BE统称外延技术，是在基体上生长纳米薄膜的一种纳米制造技术，可用于纲米集成电路用硅基半导体材料(SOI)X纳米半导体站构/器件的加工与制备。IIAI分子柬外4技术K1.理国图1给出了分子束外延技术的原理示意图，在超高直空系统中相对地放置衬底(一般SI基衬底)和多个分子束喷射炉,将组成化合物(如GaAS等)的各种元素(如Ga、AS等)和修杂剂元素(1.Si.Be等)分别放入不同的喷射炉内,加热(史它们的分子以定的热运动速僮和一定的束流强度比例喷射到加热的村底外表，A

17、i终与外表相互作用进行单晶薄膜的外延生长。备喷射炉前的挡板用来改变外延股的祖分和掺杂。根据设定的程序开关挡板.改变炉讯和控制生长时间，那么可生长出不同厚度的化合初或不同组分比的三元、四元固溶体以及它们的异质结，从而制法出各种超薄微结构材料.目前，采用外延生长最常见的纳米集成电路用硅基半导体材料有绝集体上硅（So1.）材料和错硅（SiGe）异质材料,So1.和SiGe异质材料以及派生出的新型硅基半导体材料，虫干可满足低电乐、低功率、高速度、抗场射等电路要求.已开始应用于各种微纳电子器件和集成电路.MBE,MOCVD,A1.E等外延技术能够满足设计精度要求，如外延层组分、厚度、掺杂浓度和电学均匀性

18、等，故可以生长出各种高质例的胡品格信子阱材料。为外，采用V形槽外去或台阶外表上的选择外加、条柢掩模选择水平外廷、应变诱导限制外延以及激光辅助阻子束外延等改良的外延技术,还UJ以制造出各种具行特殊功能的低维纳米结构,如一维Iitf线和零维维干点等。33肝自合成麻自组装是依赖分子间非共价键力自发结合成粒定的蜜媒体的过程，自从80年代提出分子器件的概念至今,人们己从IB技术开展到了分子白姐装技术,从双液态隔膜（B1.M）技术开展到了SBM1.技术，已在分子组装有序分子薄腴、加1工具有特定功能的分子麋集体方面取得丰硕的成果.如美国马萨诸塞州技术大学化学系采用股体晶体的自组装技术合成CdSe纳米晶三维瓜

19、子点：A1.ivisatos等人采用金屈胶体纳米结构自组装技术，通过WatsonMck的做法配对作用把AU纳米粒子自祖装到DNA分子上，形成了“纳米品分子”；Yang等人采用多孔纳米结构自祖装技术将正跳酸乙的ITEoS）与氯代I六烧基三甲镇的酸性水溶液混合,然后让其在新鲜解理云母外表上于80度下成核生长,得到了取向生长连续的介孔SiO薄膜等.近年来，分子自组装技术还被许多科技工作者用来合成具有特定电子特性的纳米结构材料.这些果用分子自组装合成的纳米结构主要包括纳米株、纳米管、多层膜和介孔材料.如U等人用B和丫环糊精通过二茶基己三烯连接成功地合成了长2O35nm出径为2nm的纳米管：美国伊利诺斯

20、大学的工作者成动地合成了落菇形状的高分子聚集体，并以此为结构单元，自组装了具有纳米结构的超分子多层原:FUjita等用4个仔机旭体和6个金属Pdn1.）离子通过分子自组装制爵出了自然界不存在的中空的介孔超分子等。3.4SPM自从1982年第一台扫描隧道显微毛（STM）诞生,以及后来各种扫描探针M微镜创造以来,人类对微/纳规世界的认识胡开了新的贡.SPM不仅可以进行高分辨率的：维成像和测信，还可对材料的不同性质进行研龙，因此，己不仅是种微观测状分析的工具，而且是种正要的微观加工与操纵工具。（1）利用SPM探针巨.接在样品外表刻划形成纳米图案或拨动颗粒至指定地方，构造特定的纳米电J器件/结构.此技

21、术一般需要选用特殊的SPM探针,探针针尖一般是坚硬的金刚石颗粒,探针悬储梁需要其有高弹性模设的材料,通常到达20Nm.如北京大学陈海峰等人利用自行开发的AFM刻蚀系统在Au-Pd合金膜上成功地刻划出了纳米尺度的孔沟、沟槽和各种复杂的图形。（2）使用扫描探针技术与其他技术相结合，可操双控制分子和原子、加工出纳米级尺度的微型机构，甚至可以用来设计、制造、加装新型的盘子器件和设备.近年来,科学家在这方面取得不少至要成果,已设计出单电子开关、单电子晶体管、通电子逻辑器、置纳米管整流器、分子开关、化学分子马达及用AFM加工出纳米锁和纳米钥匙等.3.5抬和超IIia加工技术还有一些特殊的超微细加工技术,可

22、用于加工*制符纳米电子跳件.它们包括机械控制裂隙连接电极技术制备AU原子线：纳米碳管构建FET：以DNA分子、纳米碳管、介孔材料为模板，制备届子线以及和精密或合加工、电解射流加工、电火花加工，电化学加工技术等，4纳米电子技术急需解决的假设干知向题由于纳米器件的特征尺寸处于纳米吊级，因此，其机理和现行的电子元件截然不同，理论方面有许多量子现象和相关问题需要解决，如电子在势阱中的隧穿过程、非弹性散射效应机理等.尽管如此，纳米电子学中急需解决的关键问题E要还在于纳米电子器件与纳米电子电路相关的纳米电子技术方面,其主要表现在以下几个方面.（1）纳米Si基子异质结加工要鳍续把现有的硅基电子器件缩小到纳米

23、尺度，呆H截了当的方法是采用外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋桂的纳米半导体结构.其中.不同层通常是由不同势能的半导体材料制成的构建成纳米尺度的后子势阱，这种结构称作“半导体异质结”.但由目前的工艺水平，在纳米尺度上制造出性能桧定、可靠的半导体异质结通常是很困难的，因此，必须尽快开展高性能的纳米S1.联册子异质结加工技术。（2）分子晶体管和导线组装纳米号件即使知道如何制造分子晶体管和分子导战，但把这些元件祖装成,个可以运转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种UJ能的途役是利用扫描隧道显微境把分子元件排列在一个平面上；另一种如装较大电子器件的可能途径是通过阵列的自组装.尽管PurdueUn

24、iVerSitY等研尢机构在这个方向上取得了可喜的进展，但该技术何时能够走出实验室进入实用，仍无法断古.（3）超高密度鱼子效应存储器超高密度存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件,它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机信息系统提供海Iit存储手段.但是，有了制造纳米电子逻辑器件的能力后,如何用这种器件组装成超高密度存:储的中子效应存储器阵列或芯片I可样给纳米电子学研究者提出了新的挑战。（4）纳米计算机的“互连向题”一台由数万亿的纳米电子元件以演所未有的密集度组装成纳米计分机注定需要巧妙的结构及合理整体布同，而察体结构问SS中首当其冲需要解决的就是所谓的“互连问题”,换

25、句话说，就是计翼结构中信息的输入/输出问题.纳米计笫机要把海地信息存储在一个很小的空间内，并极快地使用和产生信息.需要有特殊的结构来捽制和协调计算机的诸多元件.而纳米计算元件之间、计算元件与外部环境之间需要有大鼠的连接.就现有传统计免机设计的微型化而言，由于电线之间要相互隔开以防止过热或“本规”，这样就有些几何学上的考虑和限制，连接的数演不可能无限制地增加。因此，纳米计豫机导线间的埴子隧穿效应和B战与纳米电子器件之间的“连接”问题急需解决。（三）SPM纳米IS件加工技术效率SPM技术为纳米电子器件的加工制品提供了新的途径，纳米电子器件以终要变得实用且经济上可行，那么要求纳米结构能被迅速大埴地俎

26、装出来.然而，目前使用SPM纳米那件加工技术效率极低，因此,仅靠一台微型扫描隧道显微悔或微型原子力显微镜一次组装一个纳米结构是远远不峪的.如果纳米也予器件要实现机械化组装，那么需要大量高效的并行显微“纳米探纵器”来完成，（6）纳米/分子电子叁件制备、掾纵、设计、性能分析模报环境当前,分子力学、求子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速开展,利用这些技术建立一个能终完成纳米电子器件制备、操纵、设计与性能分析的模拟虚拟环境，井使纳米技术研究人员获得虚拟的体5金已成为可能.但由于现有计算机的速度、分子力学与曲于力学簿法的效率等问即，目前建立这种迅速、触感、精细的收干模拟虚拟环境还存在巨大困碓.林鸿溢，跨世纪新学科-纳米电子学J电子学报颐宇，制造纳米电子器件的技术途径口华北工学院测试技术学报程开富，纳米光电子器件初露端倪UJ世界产品与技术郭维廉，固体纳米电子罂件和分子器件J微纳电子技术郭万林，张田中，纳米科学技术与模拟A虚拟工程与科学Ce北京气象出版罗先刚，姚汉民等，纳米光刻技术口物理