利用碳纳米管制作的随机存储器及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米管随机存储器，包括以Ｓｉ作为衬底，该衬底上有ＳｉＯ＃－［２］绝缘层、碳纳米管、栅极和电极；栅极位于Ｓｉ衬底上ＳｉＯ＃－［２］绝缘层中的一条沟槽之中，其内沉积Ａｌ及经表面氧化形成的Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］绝缘层，栅极并与一电阻相连接，该电阻与恒压源相连接；电极平行于栅极，并在栅极两侧设置碳纳米管之上或之下，其中第一电极接地，第二电极与开关相连接，同时栅极与第二电极在衬底上短路相连；一根碳纳米管垂直于栅极和两个独立的电极，平直放置在ＳｉＯ＃－［２］绝缘层的表面上，并与Ａｌ＃－［２］Ｏ＃－［３］绝缘层表面和电极表面相接触。利用栅极控制碳纳米管截止或导通状态，并且保持碳纳米管的这种状态，从而实现了容量为１ｂｉｔ的信息存储。本发明专利技术结构简单，且易于制作和集成。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于存储器领域，特别涉及一种以碳纳米管为基础的随机存储器及制备方法。随着人们对器件的速度和尺寸要求的不断提高，传统的半导体工艺制作的存储器已经暴露出了种种的不足。如传统半导体工艺使用光刻等方法，受工作介质——光的波长的影响，器件的尺寸很难进一步缩小。以金属氧化物半导体场效应管为例最小的图形尺寸为0.25μm的256兆DRAM的面积大约为0.72μm2，最小图形尺寸为0.18μm的1千兆DRAM的面积大约为0.32μm2，最小图形尺寸为0.13μm的4千兆DRAM的面积大约为0.18μm2，并且最小图形尺寸为0.1μm的16千兆DRAM的面积大约为0.1μm2。在传统的工艺下，0.1μm几乎已经达到了极限。如果要进一步缩小器件尺寸，寻找一种新的方法势在必行。并且，受半导体器件原理的限制，存储器写入和读取的速度也很难进一步提高。传统的半导体存储器的种种限制，人们把目光转向另一种新型的材料——碳纳米管。碳纳米管以其特有的电学特性成为了下一代电子器件的首选材料。2001年Adrian Bachtold等人(《科学》SCIENCE，2001，Vol 294，1317)制作出以碳纳米管为基础的存储器。这种碳纳米管存储器的原理是由栅极控制碳纳米管的导通状态，并保持这种状态，从而实现存储信息的功能。但是，这种碳纳米管存储器有两个独立的碳纳米管组成，这种结构对设计和制作带来了许多困难。首先，由于电路结构比较复杂，电路的制作要经过一系列如光刻、镀膜和氧化等工序，增加了电路制作的困难，不利于电路的集成。其次，由于电路有两个独立的碳纳米管组成，如何将两个直径只有几个纳米的碳纳米管同时准确的放置到位是电路制作中面临的最大难题。在以碳纳米管为基础的器件和电路的制作中，碳纳米管的准确放置一直困扰着人们。现阶段，人们一般使用原子力显微镜(AFM)或扫描隧道显微镜(STM)控制单根碳纳米管将其拖拉到位，或者使用“随机取向法”等特殊的方法。这些方法都有效率底、不易获得良好的接触等缺点。在以上这种“双碳纳米管存储器”中，两个碳纳米管的放置会为电路的制作带来很大的困难。本专利技术提供的碳纳米管随机存储器，包括以Si作为衬底，该衬底上设有一SiO2绝缘层、碳纳米管、栅极和电极；其特征在于所述的栅极位于Si衬底上SiO2绝缘层中的一条沟槽之中，其内沉积Al及经表面氧化形成的Al2O3绝缘层，栅极并与一电阻相连接，该电阻与恒压源相连接；所述的电极包括两个独立的电极，两电极平行于栅极设置在栅极的两侧，位于碳纳米管之上或之下，其第二电极还带有一条方向与栅极垂直的一段，该段与栅极相接触，其中第一电极接地，第二电极与开关相连接，同时栅极与第二电极在衬底上短路相连；一根碳纳米管垂直于栅极和两个独立的电极，平直放置在SiO2绝缘层的表面上，并与Al2O3绝缘层表面和电极表面相接触。所述的电极设置碳纳米管之上是在碳纳米管两端各覆盖一条贵金属层，其高度为5nm至200μm，贵金属包括金或铂金。所述的电极设置于碳纳米管之下是由贵金属沉积在两栅极两侧的绝缘层中的沟槽内组成。所述的栅极与电极之间的距离在5nm至100μm之间。所述的碳纳米管为直径小于2nm的P型单壁碳纳米管，该碳纳米管平直放置。所述的沟槽的深度在10nm至95μm之间；绝缘层的厚度在35nm至100μm之间；栅极和电极的宽度在10nm至50μm之间。本专利技术提供的制备碳纳米管随机存储器的方法包括以下步骤1.选取(001)取向的硅作为衬底。利用有机气相沉积方法(PECVD)，在Si衬底上制备35nm-100nm厚的SiO2绝缘层7；2.首先制作栅极在SiO2绝缘层之上采用常规电子束曝光、光刻工艺，在SiO2绝缘层上形成宽10nm-30nm，深10nm-95μm的沟槽；利用电子束蒸发的方法，在表面沉积一层Al，将光刻胶剥离、清洗，再经过氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al2O3绝缘层，完成了栅极的制备；3.制备第一电极和第二电极重复以上光刻步骤，在SiO2绝缘层7的栅极两侧、距栅极的距离为10nm-50μm、方向与栅极平行、其宽度为10nm-95μm的沟槽，和第二电极还带有一条方向与栅极垂直连接到栅极的沟槽，再利用电子束蒸发的方法，在整个表面沉积一层厚度为30nm的金，然后将电子光刻胶剥离、清洗后既完成了第一电极和第二电极的制备；4.选择一根直径为1nm-5nm、长度为200nm-400nm，载流子浓度为9×106cm-1单壁碳纳米管，用原子力显微镜将其平直放置于整个器件之上，方向基本与电极和栅极方向垂直，并且要与电极和栅极接触良好；5.对器件进行封装后，连接电阻2和恒压源5，第一电极3接地；第二电极4与开关9相连接，并与栅极6相连接，完成整个器件的制备。器件制备完毕后结构如图3所示栅极6以及第一电极3和第二电极4都应与SiO2绝缘层7持平。本专利技术与Adrian Bachtold等人的碳纳米管存储器相比有如下优点使用较为普遍的单壁碳纳米管，从材料上降低了器件制作的难度。本专利技术极大地减小了栅极的面积，并且只使用了一根碳纳米管就可以实现存储功能，使器件的设计更为合理，制作更为简单。从设计上，本专利技术创造性地使用了栅极与电极相连接的结构，简化了器件的结构，为未来器件的大规模集成创造了条件，便于集成等优点。图2为本专利技术的碳纳米管随机存储器的原理图。图3为按照本专利技术实施例1的碳纳米管随机存储器的结构图。图4为按照本专利技术实施例2的碳纳米管随机存储器的结构图。图中所示1、碳纳米管；2、电阻；3、第一电极；4、第二电极；5、恒压源；6、栅极；7、SiO2绝缘层；8、Si衬底；9、开关。器件制备完毕后结构如图3所示栅极6以及第一电极3和第二电极4都应与SiO2绝缘层7持平，第二电极4与开关9相连接，并与栅极6相连接，并且连接电阻2。电阻2与一恒压源5相连。碳纳米管1放置于两电极和栅极6之上，应保持平直。实施例2参照图2和4，结合制作方法对本实施例的碳纳米管随机存储器的结构进行详细说明选取(001)取向的硅作为衬底8。利用有机气相沉积方法(PECVD)，在Si衬底8上制备300nm厚的SiO2绝缘层7。首先制作栅极6在SiO2绝缘层7之上均匀涂抹厚度为80nm厚的电子光刻胶(PMMA)。电子束曝光后的光刻胶经过显影、定影，去除曝光的光刻胶后，在光刻胶层上形成一条宽30nm的沟槽。使用干法刻蚀法刻蚀没有光刻胶覆盖的SiO2，在SiO2绝缘层上形成宽30nm，深30nm的沟槽。利用电子束蒸发的方法，在整个器件表面沉积一层30nm厚的A1。将光刻胶剥离、清洗，再经过氧化，使Al表面形成2-3nm厚的Al2O3绝缘层。这样就完成了栅极6的制备。选取一根直径为1nm、长度为400nm，载流子浓度为9×106cm-1单壁碳纳米管1，用原子力显微镜将其置于整个器件之上。要求栅极基本处于碳纳米管中间的位置，碳纳米管直线放置，方向基本与电极和栅极方向垂直，并且碳纳米管1要与栅极6接触良好。碳纳米管放置到位后，用聚焦离子束(FIB)方法在栅极6两侧、距栅极6的距离为50nm，制备两个宽度为0.1μm、高度为50nm的第一电极3和第二电极4。两电极方向与栅极平行。器件封装完毕后，将第一电极3和栅极6连接。最后连接电阻2和恒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用碳纳米管制作的随机存储器，包括以Ｓｉ作为衬底，该衬底上设有一ＳｉＯ↓［２］绝缘层、碳纳米管、栅极和电极；其特征在于：所述的栅极位于Ｓｉ衬底上ＳｉＯ↓［２］绝缘层中的一条沟槽之中，其内沉积Ａｌ及经表面氧化形成的Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］绝缘层，栅极并与一电阻相连接，该电阻与恒压源相连接；所述的电极包括两个独立的电极，两电极平行于栅极设置在栅极的两侧，位于碳纳米管之上或之下，其第二电极还带有一条方向与栅极垂直的一段，该段与栅极相接触，其中第一电极接地，第二电极与开关相连接，同时栅极与第二电极在衬底上短路相连；一根碳纳米管垂直于栅极和两个独立的电极，平直放置在ＳｉＯ↓［２］绝缘层的表面上，并与Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］绝缘层表面和电极表面相接触。

【技术特征摘要】
1.一种利用碳纳米管制作的随机存储器，包括以Si作为衬底，该衬底上设有一SiO2绝缘层、碳纳米管、栅极和电极；其特征在于所述的栅极位于Si衬底上SiO2绝缘层中的一条沟槽之中，其内沉积Al及经表面氧化形成的Al2O3绝缘层，栅极并与一电阻相连接，该电阻与恒压源相连接；所述的电极包括两个独立的电极，两电极平行于栅极设置在栅极的两侧，位于碳纳米管之上或之下，其第二电极还带有一条方向与栅极垂直的一段，该段与栅极相接触，其中第一电极接地，第二电极与开关相连接，同时栅极与第二电极在衬底上短路相连；一根碳纳米管垂直于栅极和两个独立的电极，平直放置在SiO2绝缘层的表面上，并与Al2O3绝缘层表面和电极表面相接触。2.根据权利要求1所述的利用碳纳米管制作的随机存储器，其特征在于所述的电极设置碳纳米管之上是在碳纳米管两端各覆盖一条贵金属层，其高度为5nm至200μm。3.根据权利要求1所述的利用碳纳米管制作的随机存储器，其特征在于所述的电极设置碳纳米管之下是在衬底上绝缘层中的两条沟槽内沉积贵金属，该电极表面与衬底上绝缘层表面持平。4.根据权利要求1所述的利用碳纳米管制作的随机存储器，其特征在于所述的制作电极的贵金属包括金或铂金。5.根据权利要求1或3所述的利用碳纳米管制作的随机存储器，其特征在于所述的栅极和两个电极位于衬底上绝缘层中的沟槽内，沟槽的深度在10nm至95μm之间；绝缘层的厚度在35nm至100μm之间；栅极和电极的宽度在10nm至50μm之间。6.根据权利要求1所述的利用碳纳米管制作的随机存储器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵继刚，王太宏，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]