专利名称：利用碳纳米管制作的随机存储器及制备方法
技术领域：
本发明属于存储器领域，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。
本发明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。
本发明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。
本发明与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。本发明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，本发明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为本发明的碳纳米管随机存储器的原理图。
图3为按照本发明实施例1的碳纳米管随机存储器的结构图。
图4为按照本发明实施例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
图1所示Adrian Bachtold等人制作的碳纳米管存储器对本发明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。
下面结合本发明的原理图2和碳纳米管的电学性质，说明本发明的工作原理。
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，导电类型为P型。在正向栅极偏压的作用下，载流子——空穴的浓度将减小。在绝缘层厚度为140nm的情况下，栅极电压在6V左右，碳纳米管中的空穴将被完全耗尽，碳纳米管处于截止状态。同时，我们可知此时，若保持碳纳米管的截止状态，在碳纳米管两端所加的偏压应不大于1.5V。(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，Vol73，NO.17，2447.)所以我们规定在本发明的电路中，1.2V为逻辑值“1”，0V为逻辑值“0”。
在逻辑电路中，统一的逻辑值是非常重要的，在逻辑电路的所有的部分都应遵守这个规定，这样才能够保证电路结构简单、效率较高、计算可靠。除了碳纳米管两端的输入端和输出端要遵守这个规定之外，控制碳纳米管的栅极也必须遵守这个规定。
由以上讨论我们可知在栅极绝缘层厚度为140nm时，栅极的耗尽电压为6V。我们通过下面的计算确定，栅极的耗尽电压为1.2V时，栅极绝缘层的厚度。
已知，碳纳米管与栅极之间的截断电压存在下列关系Q＝CVG，T1VG，T为截断电压，Q为载流子所带电荷，C为碳纳米管和栅极之间的电容。
Q与载流子浓度满足公式Q＝peL 2
p为载流子浓度；e为载流子所带电荷，在p型碳纳米管中载流子为空穴，所以这里e＝+1.6×10-19库仑；L为碳纳米管与栅极接触部分的长度。
又知碳纳米管与栅极之间的电容满足公式C≈2πεε0L/ln(2h/r) 3h为碳纳米管与栅极之间的距离，即栅极绝缘层的厚度；r为碳纳米管直径；ε是介电常数，在这里我们取ε＝2.5。
将公式2、3带入公式1中可得peln(2h/r)＝2πεε0VG，Th=12re(2πϵϵ0VG,Tpe)---4]]>本发明选择载流子浓度为9×106cm-1的P型碳纳米管(《应用物理快报》Appl.Phy.Letters，2001，vol 73，NO.17，2447.)。碳纳米管直径为1nm，截止电压为1.2V。带入公式4可得h≈3nm。即在本发明中，当Al2O3绝缘层厚度不大于3nm的情况下，碳纳米管处于截止状态。
本发明是利用了碳纳米管的栅极控制碳纳米管的导通状态实现信息存储的目的。其原理图如图2所示。开关9闭合，存储器进入写入状态。此时，若输入第二电极4输入电压为1.2V，即逻辑值“1”时，碳纳米管1在栅极6的作用下处于不导通的状态。断开开关9，器件进入存储状态。第二电极4与恒压源5具有相同的电势1.2V，即逻辑值“1”。同时，栅极6与第二电极4连接，因此栅极6将保持电压1.2V，碳纳米管1也将保持截止状态。所以，虽然开关9已断开，但是第二电极4将一直稳定地保持输出电压1.2V，即逻辑值“1”。同理，开关9闭合后，若输入第二电极4输入电压为0V，即逻辑值“1”时，栅极6上电压为0V，碳纳米管1处于导通状态。断开开关9，器件进入存储状态。第二电极4电压为0V，即逻辑值“0”。栅极6与第二电极4连接，所以栅极6电压将保持0V，碳纳米管1也将保持导通状态。虽然开关9已经断开，但是第二电极4仍然将得到稳定的输出电压0V，即逻辑值“0”。
存储数值的读出部分为一内阻可视为无穷大的电压表，测量第二电极4与第一电极3之间的电压。若测得电压为1.2V，则视为逻辑值“1”；若测得电压为0V，则视为逻辑值“0”。这样，我们就实现了容量为1bit的信息存储。
权利要求
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，其特征在于栅极的Al2O3绝缘层厚度在1纳米至5纳米之间，其表面并与位于衬底上绝缘层表面持平。
7.根据权利要求1或2或3所述的利用碳纳米管制作的随机存储器，其特征在于碳纳米管平直放置。
8.一种制备权利要求1所述的利用碳纳米管制作的随机存储器的方法，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，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，并与电极和栅极接触；(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。
全文摘要
本发明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
文档编号H01L27/04GK1466218SQ0212386
公开日2004年1月7日 申请日期2002年7月5日 优先权日2002年7月5日
发明者赵继刚, 王太宏 申请人:中国科学院物理研究所