Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Herstellung von SETs in integrierten Halbleiterschaltungen

26.11.2015

Einzelelektronentransistoren (SETs) sind hochempfindliche Elektrometer, die z.B. in Einzelektronenschaltungen Verwendung finden. Eine derartige Schaltung ist die selbst-referenzierte Quantenstromquelle der PTB, in der SETs zur Detektion der Fehler von Einzel-elektronenpumpen genutzt werden. Für die Integration der SETs mit Halbleiterpumpen war es notwendig, ein neues Herstellungsverfahren zu entwickeln.

 

Die PTB entwickelt eine selbst-referenzierte Quantenstromquelle (I=e×f), in der Halbleiter-basierte (GaAs) Einzelelektronenpumpen in einer Serienschaltung betrieben werden. Dies ermöglicht es, die Genauigkeit solcher Pumpen deutlich zu verbessern, indem mit einem empfindlichen Elektrometer direkt die Fehler der Pumpen detektiert werden. Für die Fehlerdetektion werden SETs (engl.: Single-Electron-Transistor) verwendet. Wie frühere Arbeiten gezeigt haben, sind diese ultrasensitiven Elektrometer sowohl im DC- als auch im RF-Betrieb dazu in der Lage, die Ladung von einzelnen Elektronen zu detektieren (z.B. auf den Ladungsinseln zwischen den Pumpen).

Hergestellt werden die SETs in einem sogenannten Zwei-Winkel-Schatten-bedampfungs-Verfahren. Dabei wird Aluminium durch eine über dem Substrat schwebende Maske unter zwei verschiedenen Winkeln aufgedampft. Da das Aluminium nach dem ersten Beschichten an der Oberfläche oxidiert wird, bildet der Überlapp von zwei Al-Schichten die Tunnelkontakte, die den eigentlichen SET ausmachen (siehe Bild 1). 

In der bisher dafür verwendeten Technologie wird ein Dreilagensystem aus Copolymer, Germanium und PMMA (Polymethlymethacrylat) verwendet, in dem durch Plasmaätzen ein Unterschnitt erzeugt wird. Obwohl diese Technologie etabliert ist und gut reproduzierbare Ergebnisse liefert, ist sie nur bedingt kompatibel mit der Verwendung in der selbstreferenzierten Quantenstromquelle, da die Halbleiterelektronenpumpen für eine optimale Funktion auf eine möglichst saubere und störstellenfreie Umgebung angewiesen sind. Weil der Plasmaätzvorgang unvermeidlich auch die Substratoberfläche angreift und dabei Störstellen erzeugt, werden die in unmittelbarer Nähe zu den SETs angeordneten Pumpen beeinflusst.

Um die SETs mit den Halbleiterpumpen zu integrieren und den Einfluss ihrer Herstellung auf die Halbleiterpumpen zu minimieren, war es daher notwendig, ein neues Herstellungsverfahren zu entwickeln. Dazu wurde ein Zwei-Lagen-System verwendet, das ohne Plasmaätzen auskommt. Es besteht aus PMGI (Polymethylglutarimide) als Spacer und PMMA als Lackmaske. Beide Lacke reagieren auf unterschiedliche Lösungsmittel, sodass der Unterschnitt nasschemisch erzeugt werden kann. Das Substrat wird dadurch nicht beeinflusst (siehe Bild 1) und es entstehen keine Störstellen, was die Performance der Pumpen verbessern sollte.

Die Umstellung auf das neue Verfahren machte zahlreiche und zeitaufwendige  Vorversuche notwendig. Im Besonderen war durch die Verwendung von nur zwei Lacken eine Feinabstimmung aller technologischen Parameter notwendig, um die kleinen Strukturen herzustellen. Es konnten bereits Linienbreiten bis zu 100 nm realisieren werden, und erste Untersuchungen zeigen, dass diese SETs für die Verwendung in integrierten Schaltungen geeignet sind.

 

Bild 1: REM  Aufnahme des Querschnitts des verwendeten Lacksystems. Das eingefügte Bild zeigt einen mit der neuen Technologie hergestellten SET.