具有碳纳米管结构的随机存储器制造技术

一种具有碳纳米管结构的随机存储器，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。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本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。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；该存储器容量为1bit的信息存储。图2为本技术的碳纳米管随机存储器的原理图。图3为按照本技术实施例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，结合制作方法与具体实施例对本技术的另一随机存储器结构(电极在碳纳米管1之上)进行详细说明选取(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。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和恒压源5，第一电极3接地，完成器件的制作。器件制备完毕后，结构如图4所示栅极6与SiO2绝缘层7持平。碳纳米管1放置与栅极6之上，保持平直，两端由第一电极3和第二电极4固定。连接第二电极4和栅极6，同时连接开关9和电阻2，电阻2连接恒压源5。下面结合如附图说明图1所示Adrian Bachtold等人制作的碳纳米管存储器对本技术的器件工作原理进行说明第一电极3作为一碳纳米管的输入端，同时又连接着另一碳纳米管的栅极；第二电极4亦然。所以，两碳纳米管的结构相同，即一碳纳米管的输入极和另一碳纳米管的栅极向连接。当第一电极3输入一逻辑值，如逻辑值“1”时，栅极与第一电极3相连接的碳纳米管就处于导通状态。此时，第二电极4上得到的逻辑值为“0”。栅极与第二电极4相连接的碳纳米管就处于截止状态，这样第一电极3上将保持逻辑值“1”。整个系统都将保持这一状态，这样第二电极4上就可以得到稳定的与第一电极3输入值相反的输出值。同理当第一电极3输入逻辑值“0”时，两碳纳米管也将保持相反的状态，使第二电极4上得到稳定的输出。这样通过保持两碳纳米管的状态实现了数据的存储。下面结合本技术的原理图2和碳纳米管的电学性质，说明本技术的工作原理。直径为1nm的单壁碳纳米管，在常温下电阻一般为几个KΩ。由实验可知其载流子为空穴，导电类型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有碳纳米管结构的随机存储器，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所述的具有碳纳米管结构的随机存储器，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...

【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：实用新型
国别省市：