專利名稱：具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于存儲器領(lǐng)域，特別涉及一種以碳納米管為基礎(chǔ)的隨機(jī)存儲器。
隨著人們對器件的速度和尺寸要求的不斷提高，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝制作的存儲器已經(jīng)暴露出了種種的不足。如傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝使用光刻等方法，受工作介質(zhì)——光的波長的影響，器件的尺寸很難進(jìn)一步縮小。以金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管為例最小的圖形尺寸為0.25μm的256兆DRAM的面積大約為0.72μm2，最小圖形尺寸為0.18μm的1千兆DRAM的面積大約為0.32μm2，最小圖形尺寸為0.13μm的4千兆DRAM的面積大約為0.18μm2，并且最小圖形尺寸為0.1μm的16千兆DRAM的面積大約為0.1μm2。在傳統(tǒng)的工藝下，0.1μm幾乎已經(jīng)達(dá)到了極限。如果要進(jìn)一步縮小器件尺寸，尋找一種新的方法勢在必行。并且，受半導(dǎo)體器件原理的限制，存儲器寫入和讀取的速度也很難進(jìn)一步提高。
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器的種種限制，人們把目光轉(zhuǎn)向另一種新型的材料——碳納米管。碳納米管以其特有的電學(xué)特性成為了下一代電子器件的首選材料。
2001年Adrian Bachtold等人(《科學(xué)》SCIENCE，2001，Vol 294，1317)制作出以碳納米管為基礎(chǔ)的存儲器。這種碳納米管存儲器的原理是由柵極控制碳納米管的導(dǎo)通狀態(tài)，并保持這種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)存儲信息的功能。但是，這種碳納米管存儲器有兩個獨(dú)立的碳納米管組成，這種結(jié)構(gòu)對設(shè)計(jì)和制作帶來了許多困難。
首先，由于電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電路的制作要經(jīng)過一系列如光刻、鍍膜和氧化等工序，增加了電路制作的困難，不利于電路的集成。其次，由于電路有兩個獨(dú)立的碳納米管組成，如何將兩個直徑只有幾個納米的碳納米管同時準(zhǔn)確的放置到位是電路制作中面臨的最大難題。在以碳納米管為基礎(chǔ)的器件和電路的制作中，碳納米管的準(zhǔn)確放置一直困擾著人們。現(xiàn)階段，人們一般使用原子力顯微鏡(AFM)或掃描隧道顯微鏡(STM)控制單根碳納米管將其拖拉到位，或者使用“隨機(jī)取向法”等特殊的方法。這些方法都有效率底、不易獲得良好的接觸等缺點(diǎn)。在以上這種“雙碳納米管存儲器”中，兩個碳納米管的放置會為電路的制作帶來很大的困難。
本實(shí)用新型提供的碳納米管隨機(jī)存儲器，包括以Si作為襯底，該襯底上設(shè)有一SiO2絕緣層、碳納米管、柵極和電極；其特征在于所述的柵極位于Si襯底上SiO2絕緣層中的一條溝槽之中，其內(nèi)沉積Al及經(jīng)表面氧化形成的Al2O3絕緣層，柵極并與一電阻相連接，該電阻與恒壓源相連接；所述的電極包括兩個獨(dú)立的電極，兩電極平行于柵極設(shè)置在柵極的兩側(cè)，位于碳納米管之上或之下，其第二電極還帶有一條方向與柵極垂直的一段，該段與柵極相接觸，其中第一電極接地，第二電極與開關(guān)相連接，同時柵極與第二電極在襯底上短路相連；一根碳納米管垂直于柵極和兩個獨(dú)立的電極，平直放置在SiO2絕緣層的表面上，并與Al2O3絕緣層表面和電極表面相接觸。
所述的電極設(shè)置碳納米管之上是在碳納米管兩端各覆蓋一條貴金屬層，其高度為5nm至200μm，貴金屬包括金或鉑金。
所述的電極設(shè)置于碳納米管之下是由貴金屬沉積在兩柵極兩側(cè)的絕緣層中的溝槽內(nèi)組成。
所述的柵極與電極之間的距離在5nm至100μm之間。
所述的碳納米管為直徑小于2nm的P型單壁碳納米管，該碳納米管平直放置。
所述的溝槽的深度在10nm至95μm之間；絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；柵極和電極的寬度在10nm至50μm之間。
本實(shí)用新型與Adrian Bachtold等人的碳納米管存儲器相比有如下優(yōu)點(diǎn)使用較為普遍的單壁碳納米管，從材料上降低了器件制作的難度。本實(shí)用新型極大地減小了柵極的面積，并且只使用了一根碳納米管就可以實(shí)現(xiàn)存儲功能，使器件的設(shè)計(jì)更為合理，制作更為簡單。從設(shè)計(jì)上，本實(shí)用新型創(chuàng)造性地使用了柵極與電極相連接的結(jié)構(gòu)，簡化了器件的結(jié)構(gòu)，為未來器件的大規(guī)模集成創(chuàng)造了條件，便于集成等優(yōu)點(diǎn)；該存儲器容量為1bit的信息存儲。
圖2為本實(shí)用新型的碳納米管隨機(jī)存儲器的原理圖。
圖3為按照本實(shí)用新型實(shí)施例1的碳納米管隨機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)圖。
圖4為按照本實(shí)用新型實(shí)施例2的碳納米管隨機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)圖。
圖中所示1、碳納米管；2、電阻；3、第一電極；4、第二電極；5、恒壓源；6、柵極；7、SiO2絕緣層；8、Si襯底；9、開關(guān)。
器件制備完畢后結(jié)構(gòu)如圖3所示柵極6以及第一電極3和第二電極4都應(yīng)與SiO2絕緣層7持平，第二電極4與開關(guān)9相連接，并與柵極6相連接，并且連接電阻2。電阻2與一恒壓源5相連。碳納米管1放置于兩電極和柵極6之上，應(yīng)保持平直。
實(shí)施例2參照圖2和4，結(jié)合制作方法與具體實(shí)施例對本實(shí)用新型的另一隨機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)(電極在碳納米管1之上)進(jìn)行詳細(xì)說明選取(001)取向的硅作為襯底。利用有機(jī)氣相沉積方法(PECVD)，在Si襯底8上制備300nm厚的SiO2絕緣層7。首先制作柵極6在SiO2絕緣層7之上均勻涂抹厚度為80nm厚的電子光刻膠(PMMA)。電子束曝光后的光刻膠經(jīng)過顯影、定影，去除曝光的光刻膠后，在光刻膠層上形成一條寬30nm的溝槽。使用干法刻蝕法刻蝕沒有光刻膠覆蓋的SiO2，在SiO2絕緣層上形成寬30nm，深30nm的溝槽。利用電子束蒸發(fā)的方法，在整個器件表面沉積一層30nm厚的Al。將光刻膠剝離、清洗，再經(jīng)過氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al2O3絕緣層。這樣就完成了柵極6的制備。選取一根直徑為1nm、長度為400nm，載流子濃度為9×106cm-1單壁碳納米管1，用原子力顯微鏡將其置于整個器件之上。要求柵極基本處于碳納米管中間的位置，碳納米管直線放置，方向基本與電極和柵極方向垂直，并且碳納米管1要與柵極6接觸良好。碳納米管放置到位后，用聚焦離子束(FIB)方法在柵極6兩側(cè)、距柵極6的距離為50nm，制備兩個寬度為0.1μm、高度為50nm的第一電極3和第二電極4。兩電極方向與柵極平行。器件封裝完畢后，將第一電極3和柵極6連接。最后連接電阻2和恒壓源5，第一電極3接地，完成器件的制作。
器件制備完畢后，結(jié)構(gòu)如圖4所示柵極6與SiO2絕緣層7持平。碳納米管1放置與柵極6之上，保持平直，兩端由第一電極3和第二電極4固定。連接第二電極4和柵極6，同時連接開關(guān)9和電阻2，電阻2連接恒壓源5。
下面結(jié)合如

圖1所示Adrian Bachtold等人制作的碳納米管存儲器對本實(shí)用新型的器件工作原理進(jìn)行說明第一電極3作為一碳納米管的輸入端，同時又連接著另一碳納米管的柵極；第二電極4亦然。所以，兩碳納米管的結(jié)構(gòu)相同，即一碳納米管的輸入極和另一碳納米管的柵極向連接。當(dāng)?shù)谝浑姌O3輸入一邏輯值，如邏輯值“1”時，柵極與第一電極3相連接的碳納米管就處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時，第二電極4上得到的邏輯值為“0”。柵極與第二電極4相連接的碳納米管就處于截止?fàn)顟B(tài)，這樣第一電極3上將保持邏輯值“1”。整個系統(tǒng)都將保持這一狀態(tài)，這樣第二電極4上就可以得到穩(wěn)定的與第一電極3輸入值相反的輸出值。同理當(dāng)?shù)谝浑姌O3輸入邏輯值“0”時，兩碳納米管也將保持相反的狀態(tài)，使第二電極4上得到穩(wěn)定的輸出。這樣通過保持兩碳納米管的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲。
下面結(jié)合本實(shí)用新型的原理圖2和碳納米管的電學(xué)性質(zhì)，說明本實(shí)用新型的工作原理。
直徑為1nm的單壁碳納米管，在常溫下電阻一般為幾個KΩ。由實(shí)驗(yàn)可知其載流子為空穴，導(dǎo)電類型為P型。在正向柵極偏壓的作用下，載流子——空穴的濃度將減小。在絕緣層厚度為140nm的情況下，柵極電壓在6V左右，碳納米管中的空穴將被完全耗盡，碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。同時，我們可知此時，若保持碳納米管的截止?fàn)顟B(tài)，在碳納米管兩端所加的偏壓應(yīng)不大于1.5V。(《應(yīng)用物理快報(bào)》Appl.Phy.Letters，2001，Vol73，NO.17，2447.)所以我們規(guī)定在本實(shí)用新型的電路中，1.2V為邏輯值“1”，0V為邏輯值“0”。
在邏輯電路中，統(tǒng)一的邏輯值是非常重要的，在邏輯電路的所有的部分都應(yīng)遵守這個規(guī)定，這樣才能夠保證電路結(jié)構(gòu)簡單、效率較高、計(jì)算可靠。除了碳納米管兩端的輸入端和輸出端要遵守這個規(guī)定之外，控制碳納米管的柵極也必須遵守這個規(guī)定。
由以上討論我們可知在柵極絕緣層厚度為140nm時，柵極的耗盡電壓為6V。我們通過下面的計(jì)算確定，柵極的耗盡電壓為1.2V時，柵極絕緣層的厚度。
已知，碳納米管與柵極之間的截?cái)嚯妷捍嬖谙铝嘘P(guān)系Q＝CVG，J1VG，T為截?cái)嚯妷?，Q為載流子所帶電荷，C為碳納米管和柵極之間的電容。
Q與載流子濃度滿足公式Q＝peL 2p為載流子濃度；e為載流子所帶電荷，在p型碳納米管中載流子為空穴，所以這里e＝+1.6×10-19庫侖；L為碳納米管與柵極接觸部分的長度。
又知碳納米管與柵極之間的電容滿足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) 3h為碳納米管與柵極之間的距離，即柵極絕緣層的厚度；r為碳納米管直徑；ε是介電常數(shù)，在這里我們?nèi)ˇ牛?.5。
將公式2、3帶入公式1中可得peln(2h/r)＝2πεε0VG，Th=12re(2πϵϵ0VG,Tpe)]]>本實(shí)用新型選擇載流子濃度為9×106cm-1的P型碳納米管(《應(yīng)用物理快報(bào)》Appl.Phy.Letters，2001，vol 73，NO.17，2447.)。碳納米管直徑為1nm，截止電壓為1.2V。帶入公式4可得h≈3nm。即在本實(shí)用新型中，當(dāng)Al2O3絕緣層厚度不大于3nm的情況下，碳納米管處于截止?fàn)顟B(tài)。
本實(shí)用新型是利用了碳納米管的柵極控制碳納米管的導(dǎo)通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)信息存儲的目的。其原理圖如圖2所示。開關(guān)9閉合，存儲器進(jìn)入寫入狀態(tài)。此時，若輸入第二電極4輸入電壓為1.2V，即邏輯值“1”時，碳納米管1在柵極6的作用下處于不導(dǎo)通的狀態(tài)。斷開開關(guān)9，器件進(jìn)入存儲狀態(tài)。第二電極4與恒壓源5具有相同的電勢1.2V，即邏輯值“1”。同時，柵極6與第二電極4連接，因此柵極6將保持電壓1.2V，碳納米管1也將保持截止?fàn)顟B(tài)。所以，雖然開關(guān)9已斷開，但是第二電極4將一直穩(wěn)定地保持輸出電壓1.2V，即邏輯值“1”。同理，開關(guān)9閉合后，若輸入第二電極4輸入電壓為0V，即邏輯值“1”時，柵極6上電壓為0V，碳納米管1處于導(dǎo)通狀態(tài)。斷開開關(guān)9，器件進(jìn)入存儲狀態(tài)。第二電極4電壓為0V，即邏輯值“0”。柵極6與第二電極4連接，所以柵極6電壓將保持0V，碳納米管1也將保持導(dǎo)通狀態(tài)。雖然開關(guān)9已經(jīng)斷開，但是第二電極4仍然將得到穩(wěn)定的輸出電壓0V，即邏輯值“0”。
存儲數(shù)值的讀出部分為一內(nèi)阻可視為無窮大的電壓表，測量第二電極4與第一電極3之間的電壓。若測得電壓為1.2V，則視為邏輯值“1”；若測得電壓為0V，則視為邏輯值“0”。這樣，我們就實(shí)現(xiàn)了容量為1bit的信息存儲。
權(quán)利要求1.一種具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，包括以Si作為襯底，該襯底上設(shè)有一SiO2絕緣層、碳納米管、柵極和電極；其特征在于所述的柵極位于Si襯底上SiO2絕緣層中的一條溝槽之中，其內(nèi)沉積Al及經(jīng)表面氧化形成的Al2O3絕緣層，柵極并與一電阻相連接，該電阻與恒壓源相連接；所述的電極包括兩個獨(dú)立的電極，兩電極平行于柵極設(shè)置在柵極的兩側(cè)，位于碳納米管之上或之下，其第二電極還帶有一條方向與柵極垂直的一段，該段與柵極相接觸，其中第一電極接地，第二電極與開關(guān)相連接，同時柵極與第二電極在襯底上短路相連；一根碳納米管垂直于柵極和兩個獨(dú)立的電極，平直放置在SiO2絕緣層的表面上，并與Al2O3絕緣層表面和電極表面相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，其特征在于所述的電極設(shè)置碳納米管之上是在碳納米管兩端各覆蓋一條貴金屬層，其高度為5nm至200μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，其特征在于所述的電極設(shè)置碳納米管之下是在襯底上絕緣層中的兩條溝槽內(nèi)沉積貴金屬，該電極表面與襯底上絕緣層表面持平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，其特征在于所述的制作電極的貴金屬包括金或鉑金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，其特征在于所述的柵極和兩個電極位于襯底上絕緣層中的溝槽內(nèi)，溝槽的深度在10nm至95μm之間；絕緣層的厚度在35nm至100μm之間；柵極和電極的寬度在10nm至50μm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，其特征在于柵極的Al2O3絕緣層厚度在1納米至5納米之間，其表面并與位于襯底上絕緣層表面持平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，其特征在于碳納米管平直放置。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有碳納米管結(jié)構(gòu)的隨機(jī)存儲器，包括以Si作為襯底，該襯底上有SiO
文檔編號H01L27/04GK2566463SQ0223961
公開日2003年8月13日 申請日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月5日
發(fā)明者趙繼剛, 王太宏 申請人:中國科學(xué)院物理研究所