JP2005526371A - 絶縁層の厚さが電極間の間隔を形成する単一電子トランジスタ及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
単一電子トランジスタは、基板上に第１及び第２の電極並びにそれらの電極の間の絶縁層を含む。この絶縁層の厚さにより、第１及び第２の電極間の間隔が形成される。少なくとも１つのナノ粒子が絶縁層上に設けられる。このため、第１及び第２の電極間の望ましい間隔が、高分解能のフォトリソグラフィを必要とせずに得ることができる。電気的にゲートされた単一電子トランジスタを形成できる。この場合、ゲート電極が絶縁層端部の反対側の少なくとも１つのナノ粒子上に設けられる。別の方法では、少なくとも１つのナノ粒子の表面上に検体特異的結合剤を設けることによって、化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供できる。単一電子トランジスタのアレイを基板上に形成できる。ポスト電極を基板上に形成し、絶縁層をこのポスト電極の少なくとも一部の上に共形的に形成し、また第２の電極をポスト電極の反対側の絶縁層の少なくとも一部の上に共形的に形成することによって、単一電子トランジスタを製造することができる。少なくとも１つのナノ粒子が、ポスト電極と第２の電極との間の絶縁層上に配置される。
Description
本発明はマイクロ電子素子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その製造方法に関する。
単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）素子及びその製造方法は、高密度及び／又は高性能のマイクロ電子素子として広く研究されている。当業者は周知のように、単一電子トランジスタは、単一電子のナノエレクトロニクス（nanoelectronics）を使用する。この単一電子のナノエレクトロニクスは、ナノ粒子、ナノクラスタ（nanocluster）又は量子ドット（quantum dot）と呼ばれることもあるナノメータサイズの粒子による単一電子の流れに基づいて動作できる。単一電子トランジスタは、従来の金属酸化膜半導体（ＭＯＳＦＥＴ）のような従来の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に一般的な原理では似ているが、単一電子トランジスタでは、電子の移動はナノ粒子による単一電子のトンネル電流に基づいて発生する。単一電子トランジスタは、例えば、米国特許第５，４２０，７４６号、５，６４６，４２０号、５，８４４，８３４号、６，０５７，５５６号、及び６，１５９，６２０号、並びにこの発明者Brousseau, IIIらによる題名「pH-Gated Single-Electron Tunneling in Chemically Modified Gold Nanoclusters」、Journal of the American Chemical Society、第１２０巻、Ｎｏ．３０、１９９８年、ページ７６４５〜７６４６、及びFeldheimらによる題名「Self-Assembly of Single Electron Transistors and Related Devices」、Chemical Society Reviews、第２７巻、１９９８年、ページ１〜１２、及びKleinらによる題名「A Single-Electron Transistor Made From a Cadmium Selenide Nanocrystal」、Nature、１９９７年、ページ６９９〜７０１の出版物の中で説明されている。それらの開示内容は、参照することによってあたかも本願に完全に記載されているように全体として本願に組み込まれる。
単一電子トランジスタの技術における主要な躍進は、Daniel L. Feldheim及び本願の発明者 Louis C. Brousseau, IIIによる「Sensing Devices Using Chemically-Gated Single Electron Transistors」という題名の米国特許出願第０９／３７６，６９５号の中で説明されている。この特許出願は、国際公開番号第ＷＯ０１／１３４３２Ａｌ号としても発行されている。この開示内容は、参照することによってあたかも本願に完全に記載されているように全体として本願に組み込まれる。その特許の中で、化学的又は生物学的センサとして使用できるように適合された化学的にゲートされた単一電子トランジスタが説明されている。これらの化学的にゲートされた単一電子トランジスタの実施形態は、基板上にソース及びドレイン電極を、またソース電極とドレイン電極との間のナノ粒子を含む。このナノ粒子の空間的寸法は約１２ｎｍ以下である。検体特異的結合剤がナノ粒子の表面上に配置される。標的の検体と結合剤との間に発生する結合事象が、単一電子トランジスタの特性に検出可能な変化を引き起こす。
化学的にゲートされた単一電子トランジスタを含む単一電子トランジスタのこれら及び他の構成にかかわらず、マイクロ電子素子を製造するために使用される従来のフォトリソグラフィを用いてこれらの素子を製造することは困難である。特に、ナノ粒子による量子機械的効果を提供するために、単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極との間の間隔を約２０ｎｍ以下、又は約１２ｎｍ以下、若しくは約１０ｎｍにすることが望ましい。しかしながら、これらの間隔を従来のリソグラフィを用いて低価格で及び／又は許容できる素子の歩留まりで提供することは困難である。
本発明の実施形態は単一電子トランジスタ及びその製造方法を提供する。この場合、第１及び第２の電極並びにその電極間の絶縁層が基板上に設けられる。この絶縁層の厚さにより、第１及び第２の電極間の間隔が形成される。少なくとも１つのナノ粒子が絶縁層上に設けられる。このため、第１及び第２の電極間の望ましい間隔が、高分解能のフォトリソグラフィを必要とせずに得ることができる。
本発明の実施形態は、厚さが約１０ｎｍの絶縁層のような薄膜の絶縁層を化学蒸着などの従来のマイクロ電子製造技術を用いて製造できるという認識から始まるが、層内に例えば幅が１０ｎｍの領域をフォトリソグラフィにより形成することは困難である。本発明の実施形態によれば、第１及び第２の電極間の絶縁層の厚さが第１及び第２の電極間の間隔を決定できるようにする単一電子の構造体及び製造方法が提供される。このため、単一電子トランジスタの素子を、低価格及び／又は高い歩留まりの潜在能力を有する従来のマイクロ電子技術を用いて製造することができる。
本発明の実施形態による単一電子トランジスタは、面を含む基板を備えている。第１の電極はこの面から伸び、第１の電極端部及び側壁を含む。いくつかの実施形態では、この第１の電極端部は面から離れていて、側壁は面と第１の電極との間に伸びる。第１の電極はポスト、タワー、メサ、チップ、ピラミッド又は円錐形の電極と見なすことができる。絶縁層が側壁上に設けられ、面から離れた絶縁層端部を含む。第２の電極が、側壁と反対側の絶縁層上に設けられる。この第２の電極は第２の電極端部を含む。少なくとも１つのナノ粒子が、この絶縁層端部上に設けられる。いくつかの実施形態では、絶縁層の厚さは約２０ｎｍより小さい。他の実施形態では、絶縁層の厚さは約１２ｎｍより小さく、別の実施形態では、絶縁層は約１０ｎｍである。
本発明のいくつかの実施形態では、絶縁層端部は、側壁を取り囲む連続した絶縁層端部である。他の実施形態では、第２の電極端部は、この連続した絶縁層端部を取り囲む連続した第２の電極端部である。さらに別の実施形態では、連続した絶縁層端部及び連続した第２の電極端部は、それぞれ、第１の電極端部を取り囲む第１及び第２のリングを形成する。さらに別の実施形態では、これらの第１及び第２のリングは、円形、楕円形及び／又は多角形の第１及び第２のリングである。さらに別の実施形態では、第１の電極の絶縁端部及び第２の電極の絶縁端部は同一平面上にある。
いくつかの実施形態では、絶縁層上のこの少なくとも１つのナノ粒子は、絶縁層端部上に複数のナノ粒子を含むが、この場合、第１の電極端部及び第２の電極端部はナノ粒子を含まない。他の実施形態では、ナノ粒子が第１の電極端部及び／又は第２の電極端部上に含まれる。
さらに別の実施形態では、自己組織化単一層が絶縁層端部上に設けられる。この場合、少なくとも１つのナノ粒子が、絶縁層端部の反対側の自己組織化単一層上に存在する。さらに別の実施形態では、自己組織化単一層も、第１の電極端部及び／又は第２の電極他部上に設けられる。
前述したような本発明の実施形態を使用して、電気的にゲートされた単一電子トランジスタを形成できる。この場合、ゲート電極が絶縁層端部の反対側の少なくとも１つのナノ粒子上に設けられる。他の実施形態では、少なくとも１つのナノ粒子の表面上に検体特異的結合剤を設けることによって、化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供できる。さらに、上記の実施形態のいずれかにおいて、単一電子トランジスタのアレイが基板上に形成される。この場合、第１の電極のアレイが基板上に設けられ、１つの絶縁層の一部が第１の電極のアレイ上に絶縁層を提供し、また１つの導電層の一部が第１の電極のアレイ上に第２の電極のアレイを提供する。
本発明の実施形態に基づいて、第１の電極を基板上に形成し、絶縁層をこの第１の電極の少なくとも一部の上に共形的(conformally forming)に形成し、また第２の電極を第１の電極の反対側の絶縁層の少なくとも一部の上に共形的に形成することによって、単一電子トランジスタを製造することができる。少なくとも１つのナノ粒子が、第１の電極と第２の電極との間の絶縁層上に配置される。
幾つかの方法の実施形態では、マスク領域を基板上に形成し、またこのマスク領域を用いて基板を異方性エッチングすることによって第１の電極を形成して、第１の電極端部を有し、マスク領域がこの第１の電極端部上にある第１の電極を第１の基板上に形成する。いくつかの実施形態では、上にマスク領域がある第１の電極端部を除く第１の電極上に、絶縁体が共形的に形成され、上にマスク領域がある第１の電極端部を除く絶縁層上に、第２の電極が共形的に形成される。さらに、他の実施形態では、ナノ粒子を配置する前に、マスク領域が第１の電極端部から取り除かれる。このナノ粒子は、第１の電極端部に隣接した絶縁層上に配置される。
別の方法の実施形態では、第２の電極及び絶縁層が、少なくとも１つのナノ粒子を絶縁層上に配置する前に第１の電極端部から取り除かれる。第２の電極及び絶縁層は基板上に凹部層を形成することによって、第１の電極端部、この第１の電極端部上の絶縁層及び第１の電極端部上の第２の電極がこの凹部層から突き出るように、第１の電極端部から取り除くことができる。凹部層から突き出た第１の電極、第１の電極端部上の絶縁層及び第１の電極端部上の第２の電極層は、次に平坦化される。このため、絶縁層の厚さは第１及び第２の電極間の間隔を決定することができ、これにより、高い性能及び／又は高い歩留まりを可能にしながら、従来のマイクロ電子処理工程を用いて単一電子トランジスタを製造できるようになる。
本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照しながら、本発明をここで以下のようにより完全に説明する。しかしながら、本発明は多くの異なった形態で具体化することができるが、本願に記載された実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、この開示が詳細で完全であり、また発明の範囲を当業者に十分に伝えるように、これらの実施形態が提供される。図面では、層の厚さや領域ははっきりさせるために誇張されている。同じ参照番号は全体を通して同じ素子を指す。
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、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及び平面図である。図１Ａ及び図１Ｂ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を含む基板１００を備えている。当業者は周知のように、この基板は従来の単結晶シリコン基板、絶縁体上半導体（semiconductor-on-insulator）（ＳＯＩ）形基板、炭化ケイ素、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、ダイヤモンドの薄膜及び／又は他の基板から構成することができ、基板上に１つ以上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も含むことができる。基板面１００ａは平面又は非平面（三次元）とすることができる。
さらに図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、面から伸びる第１の電極１５０が設けられている。この第１の電極１５０は、図１Ａでは面１００ａから離れているように図示されている第１の電極端部１５０ａと側壁１５０ｂとを含む。図１Ａでは、側壁１５０ｂは、面１００ａと第１の電極端部１５０ａとの間に伸長する。第１の電極１５０の実施形態は、ポスト、タワー、メサ、チップ、ピラミッド又は円錐形の電極と見なすことができる。この第１の電極１５０は導電性とする又は少なくとも端部１５０ａに隣接した導電性の部分を含むことができることは理解されよう。第１の電極１５０は、基板１００に関して前に説明したような材料のいずれかから構成することができ、また導電性のポリシリコン、金属及び／又は他の導電性の材料も含むことができる。第１の電極１５０は図１Ａでは基板１００と直交して伸びるように図示されているが、この電極は基板に対して斜め又は平行であっても良い。さらに、側壁１５０ｂは面１００ａに対して鈍角を形成するように図示されているが、側壁は直角又は鋭角を形成することもできる。側壁１５０ｂは線形である必要もない。
さらに図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、絶縁層１１０が側壁１５０ｂ上に設けられている。この絶縁層１１０は、面１００から離れている絶縁層端部１１０ａを含む。絶縁層１１０は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、誘電率が高い材料及び／又は他の誘電体の層、又は複数のサブレイヤーであることが好ましい。これらの層は、プラズマエンハンスト化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）などの従来のマイクロ電子工程を用いて形成することができるため、絶縁層１１０は、制御性及び信頼性が高い比較的薄い層にすることができる。より具体的に言うと、絶縁層１１０の厚さ１１０ｂ約２０ｎｍ以下、又は約１２ｎｍ以下、又は約１０ｎｍにすることができる。マイクロ電子基板上に共形的な絶縁層を形成することに関しては当業者は周知であり、本願でさらに説明する必要はない。例えば、薄い絶縁体がＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁層を形成するために伝統的に使用されている。他の実施形態では、絶縁層１１０は１つ以上の自己組織化単一層及び／又はポリマー膜を含むことができる。
さらに図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、第２の電極１２０が側壁１５０ｂと反対側の絶縁層１１０上に設けられている。この第２の電極１２０は第２の電極端部１２０ａを含む。第２の電極１２０は、金属、ドープされたポリシリコン及び／又は他の従来の導電性材料から構成する１つの層又は複数のサブレイヤーを含むことができ、従来の蒸着又は他の技術を用いて共形的に蒸着することができる。マイクロ電子基板上に共形的な金属層を蒸着することに関しては当業者は周知であり、本願でさらに説明する必要はない。例えば、共形的な金属層は、ＭＯＳＦＥＴの電極及び配線層に伝統的に使用されている。
最後に、図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、少なくとも１つのナノ粒子１４０が絶縁層端部１１０ａ上に設けられている。絶縁層上に少なくとも１つのナノ粒子１４０を製造することに関しては、例えば、前に本願に組み込んだBrousseauら、Feldheimら及びKleinらの出版物の中で説明されており、さらに本願で説明する必要はない。
いくつかの実施形態では、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、自己組織化単一層１３０が少なくとも１つのナノ粒子１４０と絶縁層端部１１０ａとの間に設けられている。化学的な相互作用を使用して、例えば、Ulmanの「Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers」という題名の出版物、Chemical Review、１９９６年、ページ１５３３〜１５５４、の中で説明された技術に従って、表面にナノ粒子を固定することができる。分子レセプターのプローブを自己組織化ナノレイヤーを用いて表面に付着させるために使用できる工程は、Lenigkらの「Surface Characterization of a Silicon-Chip-Based DNA Microarray」、Langmuir、２００１年、ページ２４９７〜２５０１、の中で説明されている。これら両方の出版物の開示内容は、参照することによってあたかも本願に完全に記載されているように全体として本願に組み込まれるため、さらに本願で説明する必要はない。また、ポリマーの中には、ナノ粒子の付着に親和性を示したり、又は強い親和性を持つように化学的に変更できるものもある。これらのポリマーは、固定層として使用できる。
図１Ａに示すように、絶縁層１１０の厚さ１１０ｂを使用して、第１の電極端部１５０ａと第２の電極端部１２０ａとの間の間隔を、少なくとも１つのナノ粒子１４０を通るそれらの間の量子の機械的トンネル（quantum mechanical tunneling）を提供するように制御することができる。絶縁層１１０の厚さ１１０ｂは、従来のマイクロ電子技術を用いてナノメータのスケールで適切に制御できるため、単一電子トランジスタ用の望ましい間隔は比較的安価に及び／又は比較的高い歩留まりで得ることができる。
図１Ａ及び図１Ｂで示した実施形態では、絶縁層端部１１０ａは、側壁１５０ｂを取り囲む連続した絶縁層端部である。しかしながら、不連続の絶縁層端部も同様に設けることができる。さらに、図１Ａ及び図１Ｂでは、第２の絶縁層端部１２０ａは、連続する絶縁層端部１１０ａを取り囲む連続的な第２の電極端部として図示されている。しかしながら、他の実施形態では、不連続な第２の電極端部を設けることもできる。
従って、図１Ａ及び図１Ｂでは、連続的な絶縁層端部１１０ａ及び連続的な第２の電極端部１２０ａは、それぞれ、第１の電極端部１５０ａを取り囲む第１及び第２のリングを形成する。さらに、図１Ａ及び図１Ｂでは、第１及び第２のリングは円形の第１及び第２のリングである。
図１Ｃ及び図１Ｄは、本発明の別の実施形態の平面図である。これらの図面では、図１Ｂの第１及び第２のリング１１０ａ及び１２０ａは、それぞれ、楕円形の第１及び第２のリング１１０ａ’及び１２０ａ’又は多角形の第１及び第２のリング１１０ａ”及び１２０ａ”になる。第１の電極端部は、それぞれ同様に、楕円形又は多角形の第１の電極端部１５０ａ’又は１５０ａ”となる。さらに、図１Ａでは、第１の電極端部１５０ａ、絶縁層端部１１０ａ及び第２の電極端部１２０ａは同一平面上にある。しかしながら、それらは同一平面上にある必要はなく、基板面１００に対して平行に伸びる必要もない。
寸法の観点からすると、第１の電極端部１５０ａ，１５０ａ’，１５０”は直径すなわち１００ｎｍ程度の最大寸法を有する。絶縁層１１０の厚さ１１０ｂは約１０ｎｍと約２０ｎｍとの間であり、第２の電極１２０ａ，１２０ａ’，１２０ａ”の厚さ１１０ｂは約１０ｎｍと約２０ｎｍとの間である。機能的に、絶縁層１１０の厚さ１１０ｂを使用して、ナノ粒子１４０を用いる量子の機械的トンネルを支持することができ、一方第１及び第２の電極１５０及び１２０の寸法は、単一電子トランジスタに対する望ましい全体的な寸法や構造的な安定性などの他の多くの検討事項に基づいて、高範囲にわたって変化する。
自己組織化単一層１３０は、少なくとも１つのナノ粒子１４０を第１の電極端部１５０ａ及び第２の電極端部１２０ａの両方から約１ｎｍの距離で保持する。しかしながら、他の実施形態では、約０．５ｎｍから約５ｎｍの間の距離も使用される。他の距離も使用できる。
図１Ａ〜図１Ｄの実施形態では、複数のナノ粒子１４０が絶縁層端部１１０ａ上に設けてあるのに対して、第１の電極端部１５０ａ，１５０ａ’，１５０ａ”及び第２の電極端部１２０ａ，１２０ａ’，１２０ａ”の上にはナノ粒子が付いていない。しかしながら、本発明の別の実施形態では、図２Ａ〜図２Ｄに示すように、複数のナノ粒子２４０が絶縁層端部１１０ａ，１１０ａ’，１１０”、第１の電極端部１５０ａ，１５０ａ’，１５０ａ”及び第２の電極端部１２０ａ，１２０ａ’，１２０ａ”上に設けられている。ナノ粒子２４０が第１の電極端部１５０ａ，１５０ａ’，１５０ａ”又は第２の電極端部１２０ａ，１２０ａ’，１２０ａ”のどちらの上にも設けられていることも理解されたい。さらに、複数のナノ粒子２４０は無作為に及び／又は直線的に間隔を空けて配置する、及び／又は均一及び／又は不均一に（非周期的及び／又は無作為に）間隔を空けた非直線的な、直交する及び／又は直交しないアレイのナノ粒子とすることができる。ナノ粒子２４０は、下側の層に対して所定の関係及び／又はそれに対して無作為の関係を有する。
図３及び図４は、本発明の別の実施形態による単一電子トランジスタの断面図である。これらの実施形態では、二酸化ケイ素、窒化ケイ素及び／又は他の従来の絶縁層から成る絶縁層すなわちサブレイヤー３３０，４３０が、少なくとも１つのナノ粒子１４０，２４０と第１の電極端部１５０ａ、絶縁層端部１１０ａ及び／又は第２の電極端部１２０ａとの間に設けられている。絶縁層をナノ粒子に固定する使用法は、例えば、Andresらの「"Coulomb Staircase" Single Electron Tunneling at Room Temperature in a Self Assembled Molecular Nanostructure」という題名の出版物、Science、１９９６年、第２７２巻、ページ１３２３〜１３２５、の中で説明されている。この開示内容は、参照することによってあたかも本願に完全に記載されているように全体として本願に組み込まれるため、さらに本願で説明する必要はない。絶縁層３３０は絶縁層１１０の一部から構成することも理解されよう。さらに別の実施形態では、図３及び図４の両方の絶縁層３３０，４３０並びに図１及び図２の自己組織化単一層１３０を組み合わせて使用できる。他の中間の層も使用できる。
図５は、本発明のさらに別の実施形態の断面図である。この場合、検体特異的結合剤５６０を少なくとも１つのナノ粒子１４０の表面上に設けて、化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供する。図５の検体特異的結合剤５６０を上記の図面のいずれかに関連して説明した実施形態のいずれかの上に設けて、化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供する。検体特異的結合剤は、例えば、上記の本願に組み込まれたUlman、Lenigkら、Feldheimら及びBrousseauらの出版物の中で説明されているため、本願でさらに説明する必要はない。
図６は、本発明の別の実施形態の断面図である。この場合、ゲート電極６７０が絶縁層端部１１０ａの反対側の少なくとも１つのナノ粒子１４０上に設けられ、単一電子形電界効果トランジスタを提供する。１つの層及び／又は複数の層のゲート電極が提供される。ゲート電極は、本願のいずれかの図面に関連して説明された実施形態のいずれかの中でも提供される。絶縁層をゲート電極６７０と少なくとも１つのナノ粒子との間に設けて、絶縁されたゲート電極を提供することもできる。
前述した実施形態の全てにおいて、基板上にはただ１つの単一電子トランジスタしか図示していない。しかしながら、図７に示したように、単一電子トランジスタ７１０ａ〜７１０ｎのアレイを基板上に設けることができる。一次元及び／又は二次元の、直線的及び／又は非直線的な、直交する及び／又は直交しないアレイを、単一電子トランジスタ間の間隔を均一（周期的）及び／又は非均一（非周期的及び／又は無作為）にして設けることができる。各単一電子トランジスタ７１０ａ〜７１０ｎを同一にする、又は少なくとも幾つかの単一電子トランジスタを異なるようにすることができる。さらに、本願の図面の実施形態のいずれかを、単一電子トランジスタ７１０ａ〜７１０ｎのいずれかに対して使用することができる。最後に、これらの実施形態では、単一電子トランジスタ７１０ａ〜７１０ｎのアレイのいくつか又は全ての絶縁層１１０は、１つの絶縁層の一部から構成することができる。さらに、単一電子トランジスタ７１０ａ〜７１０ｎのいくつか又は全ての第２の電極１２０は、１つの導電層の一部から構成することができる。
図８は、本発明のさらに別の実施形態の断面図であり、伸長した絶縁層及び／又は電極を含んでいる。特に、図８では、絶縁層１１０’及び第２の電極１２０’の両方が、第１の電極の側壁１５０ｂに沿って伸びると共に、基板面１００ａに沿って伸びている。絶縁層１１０’又は第２の電極１２０’の１つだけが基板面１００ａに沿って伸びていることも理解されよう。本願の図面のいずれかに関連して説明されたどの構成も、図８の伸長された絶縁層１１０’及び／又は伸長された第２の電極１２０’と組み合わせることができる。
さらに図８を参照すると、第２の絶縁層８１０も絶縁層１１０’の反対側の第２の電極１２０’の上に設けられている。この第２の絶縁層８１０は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、１つ以上の自己組織化単一層、１つ以上のポリマーフィルム及び／又は外部（周囲）環境から素子を保護するために使用される他の材料から成る１つの層又は複数のサブレイヤーから構成することができる。第２の絶縁層８１０は、化学的にゲートされた単一電子トランジスタが使用される環境に依存する特殊な層とすることができる。第２の絶縁層８１０は、図８の伸長された層１１０’及び１２０’と共に又はそれら無しで、及び／又は本願のいずれかの図面に関連して説明されたいずれかの他の実施形態と共に使用することができる。
図９は、本発明の他の実施形態の断面図である。図９では、第２の電極１２０’を基板１００の背面上のパッド９２０に電気的に接続する導電性バイア９１０を使用する外部電気接点が設けられる。第１の電極１５０も、基板の内部ドープ領域及び／又は他の従来の技術を用いて、基板１００の背面の第２のパッド９３０に接触する。適当な絶縁領域を設けて、第１及び第２のパッド９２０及び９３０を互いに電気的に絶縁する、及び／又は当業者には周知の技術を用いて、導電性のバイア９１０を他の領域から絶縁する。はんだバンプ及び／又は他の相互接続技術を使用して、第１及び第２の接点パッド９２０及び９３０を外部装置に電気的及び／又は機械的に接続する。これら及び他の外部接点方式も、説明された本発明の実施形態のいずれかと共に使用できる。
図１０Ａ〜図１０Ｆは、本発明の実施形態による中間の製造工程の間の、本発明の実施形態による単一電子トランジスタの断面図である。これらの方法の実施形態は、図１Ａに示すような単一電子トランジスタを製造するために使用できる。しかしながら、図１Ｂ〜図９の単一電子トランジスタ及び／又はその組合せを製造するために、同様の方法の実施形態が使用される。
ここで図１０Ａを参照する。例えば従来の基板上に窒化ケイ素から成る従来のマスクを形成し、次に従来のフォトリソグラフィを用いてパターンニングすることによって、マスク領域１０１０を基板１０００上に形成する。マスク領域１０１０の幅が続いて形成される第１及び第２の電極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できることは理解されよう。基板１０００は、図１Ａに関連して説明された、単結晶のシリコン基板上のドープされたポリシリコン及び／又は他の導電性材料の層のような従来の基板とすることができることも理解されよう。
次に、図１０Ｂを参照する。マスキング領域１０１０をエッチングマスクとして使用して、非等方性（湿式）エッチングを行って、基板１００上に第１の電極１５０を形成する。他の従来のエッチング技術及び／又は選択的エピタキシャル成長などの従来のポストフォーミング技術も使用できる。
ここで、図１０Ｃを参照する。例えばプラズマエンハンスト化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）のような化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いてコンフォーマル蒸着（conformal deposition）を行って、絶縁層１１０を形成する。これは、マスク領域上に連続的な絶縁層は形成しない。絶縁層１１０は、マスク領域１０１０上にも形成されることは理解されよう。
次に、図１０Ｄを参照する。例えば指向性（角度付き）蒸着技術を用いて、第２の電極１２０を絶縁層１１０上に形成する。これは、マスク領域１０１０上に連続的な層は形成しない。別の方法では、マスク領域１０１０上にコンフォーマル層（conformal layer）を形成できる別の蒸着技術を実行する。
次に、図１０Ｅを参照する。絶縁層１１０及び／又はその上の第２の電極１２０のどの部分も除くことができるマスク領域１０１０が取り除かれて、第１の電極端部１５０ａ、絶縁層端部１１０ａ及び第２の電極端部１２０ａが形成される。
ここで、図１０Ｆを参照する。例えば前述した技術を用いて、固定式自己組織化単一層１３０の吸収が行われる。次に、少なくとも１つのナノ粒子１４０が、例えば前述した技術を用いて、この固定式自己組織化単一層１３０に付着される。
図１１Ａ〜図１１Ｉは、本発明の実施形態による中間の製造工程の間の、本発明の実施形態による別の単一電子トランジスタの断面図である。図１１Ａに示すように、マスク領域１０１０が図１０Ａと同様に基板上に形成される。図１１Ｂに示すように、非等方性エッチング及び／又は他の技術を用いて、図１０Ｂと同様の第１の（ポスト）電極１５０を作る。図１１Ｃに示すように、マスキング領域１０１０がここで除かれる。図１１Ｄでは、例えば従来のコンフォーマル蒸着技術を用いて、共形的な絶縁層１１１０が第１の電極１５０上に形成される。別の実施形態では、指向性蒸着を使用する必要がない。図１１Ｅに示すように、例えば従来のコンフォーマル蒸着技術を用いて、共形的な第２の導電層１１２０が共形的な絶縁層１１１０上に形成される。他の実施形態では、指向性蒸着を使用する必要がない。層１１１０及び１１２０は、それぞれ、前に層１１０及び１２０に対して説明された材料から構成することができる。
ここで、図１１Ｆを参照する。凹部層１１３０を次に図１１Ｂの構造体の間に形成する。この凹部層１１３０は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリイミド及び／又はこの後の選択的エッチング工程及び／又は化学的−機械的な研磨工程に適合する他の材料から成る１つ以上のサブレイヤーを含む。凹部層１１３０は、導電層１１２０の頂部から少なくとも層１１１０及び１１２０の厚さまでを引き込むように作られる。しかしながら、もっと小さい又は大きい凹部も設けることができる。
次に、図１１Ｇを参照する。化学的−機械的な研磨及び／又は他の従来の技術を用いて構造体を平面化し、これにより、絶縁層端部１１０ａを含む絶縁層１１０及び第２の電極端部１２０ａを含む第２の電極１２０を形成する。ここで、図１１Ｈを参照する。凹部層１１３０を従来の技術を用いて取り除いて、図１０Ｅに類似した構造体を提供する。最後に、図１１Ｉにおいて、少なくとも１つのナノ粒子１４０及び選択自由な自己組織化単一層１３０を、図１０Ｆに関連して説明したように形成する。
その結果、本発明の実施形態は、二重で同軸の電極の、大きなアレイを含むアレイを提供することができる。導電性の中心電極及び外側のリング電極により、電気化学的な反応を各電極−絶縁体−電極のタワーの頂点でモニタすることができる。電極は表面で発生する反応に対して化学的な特異性を含むように誘導される。ナノメータサイズのコロイド状の粒子を、単一電子トランジスタを作ることができる電極間の絶縁領域に付着させることによって、感度を向上させることができる。コロイドは化学的に特異的なリセプター及び／又は分子により機能的にされて、これらの反応に対する特異性を組み込むことができる。
本発明の実施形態による単一電子トランジスタ又はそのアレイは、例えば、生物学的検定用のマイクロタイター用プレート（microtiter plate）の井戸の中の感知プラットフォームとして使用することができる。従来のより大きな電極と比べた場合にそれらの感度が向上していることは、麻薬の発見及び／又は生化学に役立つことができる。それらの大きさが小さいために、アレイを生体細胞の中に直接挿入することもできる。これにより、生体内の化学的な研究及び／又は、化学的な経路及び／又は細胞内の濃度の直接的なマッピングが可能にされる。
図面及び明細書の中で、本発明の典型的な好ましい実施形態を開示してきた。特定の用語が使用されるが、それらの用語は一般的で説明のためのみに使用されたものであり、限定する目的で使用したのではない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲において述べる。
Claims (58)
- 面を含む基板と、
第１の電極端部及び側壁を含む、前記面から伸びる第１の電極と、
前記面から離れた絶縁層端部を含む、前記側壁上の絶縁層と、
前記面から離れた第２の電極端部を含む、前記側壁の反対側の前記絶縁層上の第２の電極と、
前記絶縁層端部上の少なくとも１つのナノ粒子と、
を含む単一電子トランジスタ。 - 請求項１に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層の厚さが約２０ｎｍより小さい単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層の厚さが約１０ｎｍである単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層端部が前記側壁を取り囲む連続した絶縁層端部である単一電子トランジスタ。
- 請求項４に記載の単一電子トランジスタであって、前記第２の電極端部が前記連続した絶縁層端部を取り囲む連続した第２の電極端部である単一電子トランジスタ。
- 請求項５に記載の単一電子トランジスタであって、前記連続した絶縁層端部及び前記第２の電極端部が、それぞれ、第１の電極端部を取り囲む第１及び第２のリングを形成する単一電子トランジスタ。
- 請求項６に記載の単一電子トランジスタであって、前記第１及び第２のリングが円形、楕円形又は多角形の第１及び第２のリングである単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタであって、前記第１の電極端部、前記絶縁層端部及び前記第２の電極端部が同一平面上にある単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層端部上の前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記絶縁層端部上の複数のナノ粒子から構成し、前記第１の電極端部及び前記第２の電極端部の上にはナノ粒子が存在しない単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層端部上の前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記絶縁層端部、前記第１の電極端部及び前記第２の電極端部上の複数のナノ粒子を含む単一電子トランジスタ。
- 請求項６に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層端部上の前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記第１のリング上の複数のナノ粒子から構成し、前記第１の電極端部及び前記第２のリングの上にはナノ粒子が存在しない単一電子トランジスタ。
- 請求項６に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層端部上の前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記第１のリング、前記第１の電極端部及び前記第２のリングの上の複数のナノ粒子を含む単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタが、
前記絶縁層端部上に自己組織化単一層をさらに含み、前記少なくとも１つのナノ粒子が前記絶縁層端部の反対側の前記自己組織化単一層上に存在する、
単一電子トランジスタ。 - 請求項１に記載の単一電子トランジスタが、
前記絶縁層端部、前記第１の電極端部及び前記第２の電極端部上に自己組織化単一層をさらに含み、前記少なくとも１つのナノ粒子が前記絶縁層端部、前記第１の電極端部及び前記第２の電極端部の反対側の前記自己組織化単一層上の複数のナノ粒子を含む、
単一電子トランジスタ。 - 請求項１４に記載の単一電子トランジスタが、
前記自己組織化単一層と前記絶縁層端部、前記第１の電極端部及び前記第２の電極端部との間に第２の絶縁層をさらに含む、
単一電子トランジスタ。 - 請求項１に記載の単一電子トランジスタが、
化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供するために、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面上に検体特異的結合剤をさらに含む、
単一電子トランジスタ。 - 請求項１に記載の単一電子トランジスタが、
単一電子形電界効果トランジスタを提供するために前記絶縁層端部の反対側の前記少なくとも１つのナノ粒子上のゲート電極と組み合わされる、
単一電子トランジスタ。 - 請求項１に記載の単一電子トランジスタが、
前記面から離れた第３の電極端部と、前記面と前記第３の電極端部との間の第３の電極用側壁とを含む、前記面から伸び前記第１の電極から間隔を空けて配置された第３の電極と、
前記面から離れた第２の絶縁層端部を含む、前記第３の電極用側壁上の第２の絶縁層と、
第４の電極端部を含む、前記第３の電極用側壁の反対側の前記第２の絶縁層上の第４の電極と、
前記第２の絶縁層上の少なくとも１つのナノ粒子と、
組み合わされる単一電子トランジスタ。 - 請求項１８に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層及び前記第２の絶縁層が、それぞれ、１つの絶縁層の第１及び第２の部分を含み、前記第２の電極及び前記第４の電極が、それぞれ、１つの導電層の第１及び第２の部分を含む単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタが、前記絶縁層の反対側の前記第２の電極上に第２の絶縁層をさらに含む単一電子トランジスタ。
- 請求項１に記載の単一電子トランジスタであって、前記第１の電極端部が前記面から離れた位置にあり、前記側壁が前記面と前記第１の電極端部との間に伸長する単一電子トランジスタ。
- 基板上の第１及び第２の電極、並びに前記第１及び第２の電極間の間隔を形成する厚さを有する前記第１及び第２の電極間の絶縁層と、
前記絶縁層上の少なくとも１つのナノ粒子と、
を含む単一電子トランジスタ。 - 請求項２２に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層の厚さが約２０ｎｍより小さい単一電子トランジスタ。
- 請求項２２に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層の厚さが約１０ｎｍである単一電子トランジスタ。
- 請求項２２に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層上の前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記絶縁層上の複数のナノ粒子から構成し、前記第１の電極及び前記第２の電極の上にはナノ粒子が存在しない単一電子トランジスタ。
- 請求項２２に記載の単一電子トランジスタであって、前記絶縁層上の前記少なくとも１つのナノ粒子が、前記絶縁層、前記第１の電極及び前記第２の電極上の複数のナノ粒子を含む単一電子トランジスタ。
- 請求項２２に記載の単一電子トランジスタが、
前記絶縁層上に自己組織化単一層をさらに含み、前記少なくとも１つのナノ粒子が前記絶縁層の反対側の前記自己組織化単一層上に存在する、
単一電子トランジスタ。 - 請求項２２に記載の単一電子トランジスタが、
前記絶縁層、前記第１の電極及び前記第２の電極上に自己組織化単一層をさらに含み、前記少なくとも１つのナノ粒子が前記絶縁層、前記第１の電極及び前記第２の電極の反対側の前記自己組織化単一層上の複数のナノ粒子を含む、
単一電子トランジスタ。 - 請求項２８に記載の単一電子トランジスタが、
前記自己組織化単一層と前記絶縁層、前記第１の電極及び前記第２の電極との間に第２の絶縁層をさらに含む単一電子トランジスタ。 - 請求項２２に記載の単一電子トランジスタが、
化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供するために、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面上に検体特異的結合剤をさらに含む単一電子トランジスタ。 - 請求項２２に記載の単一電子トランジスタが、
単一電子形電界効果トランジスタを提供するために前記絶縁層の反対側の前記少なくとも１つのナノ粒子上にゲート電極をさらに含む単一電子トランジスタ。 - 単一電子トランジスタを製造する方法であって、
基板上に第１の電極を形成するステップと、
前記第１の電極の少なくとも一部の上に絶縁層を共形的に形成するステップと、
前記第１の電極の反対側の前記絶縁層の少なくとも一部の上に第２の電極を共形的に形成するステップと、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記絶縁層上に少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップと、
を含む方法。 - 請求項３２に記載の方法であって、前記第１の電極を形成するステップが、
前記基板上にマスク領域を形成するステップと、
前記基板上に第１の電極端部を有し、前記第１の電極端部上に前記マスク領域を有する前記第１の電極を形成するように、上に前記マスク領域が付いた基板を非等方性的にエッチングするステップと、
を含む方法。 - 請求項３３に記載の方法であって、
前記絶縁層を共形的に形成するステップが、前記マスク領域を上に有する前記第１の電極端部を除いて、前記第１の電極上に絶縁体を共形的に形成するステップを含み、
前記第２の電極を共形的に形成するステップが、前記マスク領域を上に有する前記第１の電極端部を除いて、前記絶縁層上に第２の電極を共形的に形成するステップを含む方法。 - 請求項３４に記載の方法であって、前記第２の電極を共形的に形成するステップと前記ナノ粒子を配置するステップとの間に、
前記マスク領域を前記第１の電極端部から取り除くステップを実行する方法。 - 請求項３５に記載の方法であって、前記ナノ粒子を配置するステップが、前記第１の電極端部に隣接した前記絶縁層上にナノ粒子を配置するステップを含む方法。
- 請求項３２に記載の方法であって、前記第１の電極が第１の電極端部を含み、前記第２の電極を共形的に形成するステップと前記少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップとの間に、
前記第２の電極と前記絶縁層とを前記第１の電極端部から取り除くステップを実行する方法。 - 請求項３７に記載の方法であって、前記ナノ粒子を配置するステップが前記第１の電極端部に隣接した前記絶縁層上にナノ粒子を配置するステップを含む方法。
- 請求項３７に記載の方法であって、前記取り除くステップが、
前記第１の電極端部、前記第１の電極端部上の前記絶縁層及び前記第１の電極端部上の前記第２の電極が凹部層から突き出るように、前記基板上に前記凹部層を形成するステップと、
前記凹部層から突き出た前記第１の電極端部、前記第１の電極端部上の前記絶縁層及び前記第１の電極端部上の前記第２の電極を平坦化するステップと、
を含む方法。 - 請求項３２に記載の方法であって、前記絶縁層の厚さが約２０ｎｍより小さい方法。
- 請求項４０に記載の方法であって、前記絶縁層の厚さが約１０ｎｍである方法。
- 請求項３２に記載の方法であって、前記配置するステップが、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記絶縁層上に複数のナノ粒子を配置するステップを含み、前記第１の電極及び前記第２の電極の上にはナノ粒子を含まない方法。
- 請求項３２に記載の方法であって、前記配置するステップが、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記絶縁層、前記第１の電極及び前記第２の電極の上に複数のナノ粒子を配置するステップを含む方法。
- 請求項３２に記載の方法であって、
前記第２の電極を共形的に形成するステップと前記少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップとの間に、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記絶縁層上に自己組織化単一層を形成するステップを実行し、
前記少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップが、前記絶縁層の反対側の前記自己組織化単一層上に少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップを含む方法。 - 請求項４４に記載の方法であって、
前記第２の電極を共形的に形成するステップと前記自己組織化単一層を形成するステップとの間に、
前記絶縁層上に第２の絶縁層を形成するステップを実行し、
前記自己組織化単一層を形成するステップが、前記絶縁層の反対側の前記第２の絶縁層上に自己組織化単一層を形成するステップを含む方法。 - 請求項３２に記載の方法が、
化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供するために、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面上に検体特異的結合剤を形成するステップをさらに含む方法。 - 請求項３２に記載の方法が、
単一電子形電界効果トランジスタを提供するために前記絶縁層の反対側の前記少なくとも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方法。 - 請求項３２に記載の方法が、前記絶縁層の反対側の前記第２の電極上に第２の絶縁層を形成するステップをさらに含む方法。
- 単一電子トランジスタを製造する方法であって、
絶縁層の厚さが第１及び第２の電極間の間隔を形成するように、基板上に前記第１及び第２の電極並びに前記第１及び第２の電極の間に前記絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上に少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップと、
を含む方法。 - 請求項４９に記載の方法であって、前記絶縁層の厚さが約２０ｎｍより小さい方法。
- 請求項５０に記載の方法であって、前記絶縁層の厚さが約１０ｎｍである方法。
- 請求項４９に記載の方法であって、前記配置するステップが、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記絶縁層上に複数のナノ粒子を配置するステップを含み、前記第１の電極及び前記第２の電極の上にはナノ粒子を含まない方法。
- 請求項４９に記載の方法であって、前記配置するステップが、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記絶縁層、前記第１の電極及び前記第２の電極の上に複数のナノ粒子を配置するステップを含む方法。
- 請求項４９に記載の方法であって、
前記形成するステップと前記配置するステップとの間に、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記絶縁層上に自己組織化単一層を形成するステップを実行し、
前記配置するステップが、前記絶縁層の反対側の前記自己組織化単一層上に少なくとも１つのナノ粒子を配置するステップを含む方法。 - 請求項５４に記載の方法であって、
前記第１及び第２の電極及びそれらの電極の間の絶縁層を形成するステップと前記自己組織化単一層を形成するステップとの間に、
前記絶縁層上に第２の絶縁層を形成するステップを実行し、
前記自己組織化単一層を形成するステップが、前記絶縁層の反対側の前記第２の絶縁層上に自己組織化単一層を形成するステップを含む方法。 - 請求項４９に記載の方法が、
化学的にゲートされた単一電子トランジスタを提供するために、前記少なくとも１つのナノ粒子の表面上に検体特異的結合剤を形成するステップをさらに含む方法。 - 請求項４９に記載の方法が、
単一電子形電界効果トランジスタを提供するために前記絶縁層の反対側の前記少なくとも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方法。 - 請求項４９に記載の方法が、前記絶縁層の反対側の前記第２の電極上に第２の絶縁層を形成するステップをさらに含む方法。
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