专利名称：三维cmos与分子开关器件的混合集成电路结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子学与分子电子学中的纳米电路结构技术领域，尤其 涉及一种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结构。
背景技术：
随着大规模集成电路的特征尺寸进入到纳米级，传统的硅基集成电路 技术面临挑战，新材料及新结构的研究成为热点，纳电子学分支之一的分 子电子器件正在蓬勃发展。
基于双稳态开关特性的交叉分子电子器件(Chen Y， Jung G Y， Ohlberg D A A et al. Nanotechnology, 2003, 14:462)是目前分子电子器件的主要结构 之一，受到广泛关注。交叉分子电子器件是一种两端器件，与传统的三端 器件晶体管不同。采用何种电路结构才能充分利用交叉分子电子器件的优
点， 一直是科学家研究的热点。
将交叉分子电子器件与CMOS器件集成在一起的CMOL混合集成电 路结构(Likharev, K,K., and Strukov, D.: 'CMOL: devices, circuits, and architectures', in G, Cuniberti, et al. 'Introduction to molecular electronics' (Springer, Berlin, 2005)， pp. 447477)，由于其综合CMOS器件可靠性高与 分子电子器件集成度高的优点，在未来的分子电路方面有着很高的应用潜 力。
在传统的二维CMOL结构中，分子开关器件的上下电极全部通过通 孔与CMOS器件连接。如图1所示，图1为传统二维CMOS与分子开关 器件的混合集成电路结构的示意图；其中，连接CMOS器件与分子开关器 件上下电极的通孔不在同一平面上，制备难度很大。由于分子开关器件的 上下电极不在同一个平面上，所以如何制备这些通孔以及如何避免通孔与 上下电极间的影响， 一直没有很好的解决。
所以有必要研究新的电路结构以及制备方法来解决这些问题。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三维CMOS与分子开关器 件的混合集成电路结构，以避免不在同一平面上的通孔与上下电极之间的 影响，并简化制作工艺，提高电路的集成度。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的
一种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结构，该结构从上至 下依次由顶层CMOS器件、分子开关器件和底层CMOS器件连接而成； 所述顶层CMOS器件通过通孔与分子开关器件上电极连接，底层CMOS 器件通过通孔与分子开关器件下电极连接，所述顶层CMOS器件与底层 CMOS器件键合连接在一起。
上述方案中，所述顶层CMOS器件包含一个反相器及两个输入输出控 制晶体管，通过两个通孔分别与分子开关器件上电极连接，形成顶层芯片 组。
上述方案中，所述分子开关器件的上下电极成一定角度交叉，中间夹 有具有开关特性的分子材料，该分子材料与上下电极形成分子开关器件。
上述方案中，所述分子开关器件为基于双稳态开关材料的交叉结构两 端器件。
上述方案中，所述底层CMOS器件包含一个反相器及两个输入输出控 制晶体管，通过两个通孔分别与分子开关器件下电极连接，形成底层芯片 组。
上述方案中，所述顶层CMOS器件、分子开关器件、底层CMOS器 件三者互连实现混合集成电路功能。
(三) 有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、本发明提供的这种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结 构，将分子开关器件的上下电极分别与顶层及底层CMOS器件连接，然后通过键合连接在一起，中间夹有具有开关特性的分子层，避免了不在同一 平面上的通孔与上下电极的影响，同时将电路集成度提高了一倍，具有较 高的创新意义及实用价值。
2、 本发明提供的这种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结 构，与之前二维的CMOL电路，有效地简化了制备工艺，同时提高了集 成度，具有工艺简单、集成度高等优点。
3、 本发明提供的这种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结 构，降低了工艺难度，并重复利用了分子开关器件的高集成度，将混合电 路的集成度提高很多倍。
4、 本发明提供的这种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结 构，与CMOS FPGA电路结构相比，三维CMOL结构集成度提高了 16倍， 速度提高1.4倍。
5、 本发明提供的这种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结 构，在纳米电子学与分子电子学等方面有着广泛的应用前景。
图1为传统二维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结构的示意 图；其中，连接CMOS器件与分子开关器件上下电极的通孔不在同一平面 上，制备难度很大；
图2为本发明提供的三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结构 的示意图；其中，分子开关器件上下电极分别与顶层及底层CMOS器件连 接，然后键合形成三维结构；
图3为本发明基于三维CMOL的类FPGA结构实施例；其中，图3 一l为一个3D CMOL单元的组成结构；图3—2为采用1.5个3D CMOL 单元实现的NOR门电路。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种三维CMOS与分子开关器件(CMOL)的混合集成
5电路，为了降低二维平面CMOL混合集成电路中对通孔以及互连的要求， 简化制备工艺，将分子开关器件中的上下电极分别与上下对应的CMOS 器件相连，形成一种三维结构。
如图2所示，图2为本发明提供的三维CMOS与分子幵关器件的混合 集成电路结构的示意图；其中，分子开关器件上下电极分别与顶层及底层 CMOS器件连接，然后键合形成三维结构。
图2所示的三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结构，从上至 下依次由顶层CMOS器件、分子开关器件和底层CMOS器件连接而成。 所述顶层CMOS器件通过通孔与分子开关器件上电极连接，底层CMOS 器件通过通孔与分子开关器件下电极连接，所述顶层CMOS器件与底层 CMOS器件键合连接在一起。所述顶层CMOS器件、分子开关器件、底 层CMOS器件三者互连实现混合集成电路功能。
所述顶层CMOS器件包含一个反相器及两个输入输出控制晶体管，通 过两个通孔分别与分子开关器件上电极连接，形成顶层芯片组。
所述分子开关器件的上下电极成一定角度交叉，中间夹有具有开关特 性的分子材料，该分子材料与上下电极形成分子开关器件。
所述分子幵关器件为基于双稳态开关材料的交叉结构两端器件。
所述底层CMOS器件包含一个反相器及两个输入输出控制晶体管，通 过两个通孔分别与分子开关器件下电极连接，形成底层芯片组。
以下结合具体的实施例对本发明三维CMOL混合集成电路进一步详 细说明。
图3为本发明基于三维CMOL的类FPGA结构实施例。一个3D CMOL 类FPGA单元包含有8个CMOS晶体管，4个通孔，4个分子开关器件组 成，如图3 — 1所示，图3 — 1为一个3DCMOL单元的组成结构。其中顶 层与底层芯片分别有4个晶体管(2个作为反相器，2个作为输入输出控 制晶体管)，中间夹层有4个分子开关器件。通过控制晶体管即可设置4 个分子开关的状态。
利用1.5个这种类FPGA单元，可实现NOR门逻辑功能，如图3—2 所示，图3—2为采用1.5个3D CMOL单元实现的NOR门电路。A、 B为两输入端，F为输出端。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结构，其特征在于，该结构从上至下依次由顶层CMOS器件、分子开关器件和底层CMOS器件连接而成；所述顶层CMOS器件通过通孔与分子开关器件上电极连接，底层CMOS器件通过通孔与分子开关器件下电极连接，所述顶层CMOS器件与底层CMOS器件键合连接在一起。
2、 根据权利要求1所述的三维CMOS与分子开关器件的混合集成电 路结构，其特征在于，所述顶层CMOS器件包含一个反相器及两个输入输 出控制晶体管，通过两个通孔分别与分子开关器件上电极连接，形成顶层 芯片组。
3、 根据权利要求1所述的三维CMOS与分子开关器件的混合集成电 路结构，其特征在于，所述分子开关器件的上下电极成一定角度交叉，中 间夹有具有开关特性的分子材料，该分子材料与上下电极形成分子开关器 件。
4、 根据权利要求1或3所述的三维CMOS与分子开关器件的混合集 成电路结构，其特征在于，所述分子开关器件为基于双稳态开关材料的交 叉结构两端器件。
5、 根据权利要求1所述的三维CMOS与分子开关器件的混合集成电 路结构，其特征在于，所述底层CMOS器件包含一个反相器及两个输入输 出控制晶体管，通过两个通孔分别与分子开关器件下电极连接，形成底层 芯片组。
6、 根据权利要求1所述的三维CMOS与分子开关器件的混合集成电 路结构，其特征在于，所述顶层CMOS器件、分子开关器件、底层CMOS 器件三者互连实现混合集成电路功能。
全文摘要
本发明涉及微电子学与分子电子学中的纳米电路结构技术领域，公开了一种三维CMOS与分子开关器件的混合集成电路结构，该结构从上至下依次由顶层CMOS器件、分子开关器件和底层CMOS器件连接而成；所述顶层CMOS器件通过通孔与分子开关器件上电极连接，底层CMOS器件通过通孔与分子开关器件下电极连接，所述顶层CMOS器件与底层CMOS器件键合连接在一起。利用本发明，避免了不在同一平面上的通孔与上下电极的影响，同时将电路集成度提高了一倍，具有较高的创新意义及实用价值。
文档编号H01L25/16GK101431070SQ20071017693
公开日2009年5月13日 申请日期2007年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者明 刘, 商立伟, 涂德钰, 慰 王, 谢常青 申请人:中国科学院微电子研究所