DE60314401T2

DE60314401T2 - Flashspeicher mit molekularen kreuzleitungen

Info

Publication number: DE60314401T2
Application number: DE60314401T
Authority: DE
Inventors: James R Palo Alto EATON JR; Philip J Menlo Park KUEKES
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2002-05-01
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2023-04-12
Also published as: US20030206436A1; US6760245B2; WO2003094171A1; KR100968380B1; AU2003224938A1; DE60314401D1; JP2006507660A; JP4767538B2; EP1500110B1; KR20040108760A; EP1500110A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Bauelemente, deren Funktionslängenskalen in Nanometern gemessen werden, und insbesondere auf konfigurierbare Transistoren, die auf überkreuzten Drähten im Nanometerbereich beruhen. Derartige konfigurierbare Transistoren werden beispielsweise als Nanometerbereich-Speicher und besonders als Flash-Speicher im Nanometerbereich eingesetzt.
STAND DER TECHNIK
Flash-Speicher sind hinreichend bekannt; siehe beispielsweise eine Erörterung von NAND-Flash-Speichern von Jung-Dal Choi et al., „Highly Manufacturable 1 Gb NAND Flash Using 0.12 μm Process Technology", International Electron Devices Meeting, 2.–5. Dez. 2001, wie es im IEDM Technical Digest, S. 2.1.1–2.1.4 nachgedruckt wurde. Alle derartigen Flash-Speicher werden unter Verwendung lithographischer Prozesse im Mikrometerbereich hergestellt. Mit „Mikrometer"-Bereich ist gemeint, dass die funktionale Abmessung in Mikrometern gemessen wird (üblicherweise etwa 1 Mikrometer bis hinunter zu Zehntel-Mikrometern). Flash-Speicher, die in Reihen und Spalten angeordnete Zellen aufweisen, sind in der US-B-6295227 offenbart.
Die Dichte derartiger Flash-Speicher im Mikrometerbereich ist für eine ständig zunehmende Nachfrage nach mehr Speicher auf weniger Fläche/Volumen unzureichend.
Speicherbauelemente im Nanometerbereich sind ebenfalls bekannt; siehe beispielsweise US-Patentschrift 6,128,214 mit dem Titel „Molecular Wire Crossbar Memory", die am 3. Oktober 2000 an Philip J. Kuekes et al. erteilt wurde und an dieselbe Anmelderin übertragen wurde wie die vorliegende Erfindung.
Halbleiterbauelemente im Nanometerbereich, z.B. Feldeffekttransistoren (FETs), p-n-Dioden, bipolare Sperrschichttransistoren und komplementäre Inverter, sind ebenfalls bekannt; siehe z.B. Yu Huang et al., „Logic Gates and Computation from Assembled Nanowire Building Blocks", Science, Bd. 294, Ausgabe 5545, S. 1313–1317 (9. Nov. 2001); und (3) Adrian Bachtold et al., „Logic Circuits with Carbon Nanotube Transistors", Science, Bd. 294, Ausgabe 5545, S. 1317-1320 (9. Nov. 2001). Jedoch offenbaren diese Referenztexte keine Speicherbauelemente.
Luyken et al., "Concept for a Highly Scalable Nonvolatile Nanotube Based Memory", AIP Conference Proceedings, American Institute of Physics, New York, US, 03.03.2001, beschreiben ein Konzept für einen stark skalierbaren, nichtflüchtigen Speicher auf Nanoröhrenbasis, bei dem eine ONO-Struktur zwischen überkreuzten Arrays von halbleitenden Röhren und metallischen Röhren angeordnet ist.
Somit besteht weiterhin ein Bedarf an einem im Nanobereich angesiedelten Flash-Speicher, der im Nanobereich angesiedelte Transistorbauelemente verwendet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der hierin offenbarten Erfindung ist ein im Nanobereich liegender Flash-Speicher vorgesehen, der folgende Merkmale aufweist:

(a) Source- und Drain-Regionen in einer Mehrzahl von ungefähr parallelen ersten Drähten (42) eines im Nanometerbereich liegenden Durchmessers, wobei die ersten Drähte (42) ein Halbleitermaterial umfassen, wobei die Source- und Drain-Regionen durch eine Kanalregion getrennt sind;
(b) Gate-Elektroden in einer Mehrzahl von ungefähr parallelen zweiten Drähten (44) eines im Nanometerbereich liegenden Durchmessers, wobei die zweiten Drähte (44) entweder ein Halbleitermaterial oder ein Metall umfassen, wobei die zweiten Drähte (44) die ersten Drähte (42) in einem kleinsten Abstand von im Nanometerbereich liegenden Abmessungen zwischen den zweiten Drähten (44) und den ersten Drähten (42) und in einem nicht null betragenden Winkel über die Kanalregionen hinweg überkreuzen, um ein Array von Nanobereich-Transistoren (110) zu bilden; und
(c) eine Heißelektronenfallenregion (120), die jedem Kreuzungspunkt der ersten Drähte (42) mit den zweiten Drähten (44) zugeordnet ist, zum Steuern des Wirkleitwerts eines zugeordneten Transistors (110),

120

Die offenbarte Erfindung löst das Problem des Herstellens eines Flash-Speichers mit einer sehr hohen Dichte, bei dem die Beabstandung zwischen Bits in der Größenordnung einiger Nanometer liegt. Es wird ein extrem regulärer und somit kostengünstiger Montageprozess verwendet.
Ebenfalls gemäß der Erfindung gemäß der Definition durch Anspruch 7 und der Offenbarung hierin ist ein konfigurierbarer Nanodrahttransistor vorgesehen, der (a) ein Paar von überkreuzten Nanodrähten, wobei einer der Nanodrähte ein Halbleitermaterial umfasst, das eine erste Leitfähigkeit aufweist, und wobei der andere Nanodraht entweder ein Metall oder ein zweites Halbleitermaterial umfasst, und (b) ein organisches Molekül zum Einfangen und Halten heißer Elektronen umfasst. Der Nanobereich-Draht-Transistor bildet entweder einen konfigurierbaren Transistor oder ein Schaltspeicherbit, der bzw. das in der Lage ist, durch Anlegen einer Spannung, die bezüglich ihres Absolutbetrags größer ist als jegliche Spannung, bei der der Transistor arbeitet, eingestellt zu werden. Das Paar von Drähten überkreuzt sich in einem engsten Abstand von im Nanometerbereich liegenden Abmessungen und bei einem nicht null betragenden Winkel.
Es ist ein Verfahren zum Herstellen des Nanobereich-Draht-Transistors vorgesehen, das ein Bereitstellen eines ersten Nanodrahtes, ein Bereitstellen eines zweiten Nanodrahtes, ein Bewirken, dass sich der erste und der zweite Nanodraht in einem engsten Abstand von im Nanometerbereich liegenden Abmessungen und bei einem nicht null betragenden Winkel überkreuzen, und ein Bereitstellen der dem Transistor zugeordneten Heißelektronen-Fängerregion gemäß der Darlegung in Anspruch 17 umfasst.
Ferner ist ein Kreuzschienenarray der vorstehenden Überkreuzter-Draht-Vorrichtungen vorgesehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist ein Seitenaufriss eines bekannten Ausführungsbeispiels eines im Mikrometerbereich liegenden Flash-Speichers;
1b ist eine der 1a ähnliche Ansicht, jedoch eines bekanntes Ausführungsbeispiels eines im Mikrometerbereich liegenden Flash-Speichers, der ein floatendes Gate verwendet;
2, bezüglich Koordinaten eines Stroms (I) und einer Spannung (V), ist eine Auftragung, die die I-V- Charakteristika eines Flash-Speichers zwischen dem Gate und der Source darstellt;
3 ist eine schematische Ansicht eines Arrays von Floatendes-Gate-Feldeffekttransistoren, das als Flash-Speicher verwendet wird;
4 ist eine Draufsicht von oben auf ein Ausführungsbeispiel eines im Nanometerbereich liegenden Flash-Speichers gemäß der Offenbarung hierin;
5 ist eine Darstellung eines Transistors, der ein Paar von im Nanobereich liegenden überkreuzten Drähten und eine denselben zugeordnete Heißelektronenfallenregion umfasst; und
6 ist ein schematisches Diagramm, das eine Kreuzschienenverbindung zeigt und die Merkmale zeigt, die einen Aufbau einer willkürlich komplexen integrierten Schaltung ermöglichen.
BESTE MODI ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Definitionen
Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument bedeutet der Begriff „selbstjustiert", wenn er auf „Verbindungspunkt" angewendet wird, dass der Verbindungspunkt, der die Schalt- und/oder sonstige elektrische Verbindung zwischen zwei Drähten bildet, überall dort erzeugt wird, wo zwei Drähte, von denen einer beschichtet oder funktionalisiert sein kann, einander kreuzen, da der Vorgang des Kreuzens den Verbindungspunkt erzeugt.
Der Begriff „sich selbst organisierend" bezieht sich gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument auf ein System, das auf Grund der Identität der Komponenten des Systems auf natürliche Weise ein bestimmtes geometrisches Muster annimmt; das System erzielt durch Annehmen dieser Konfiguration zumindest ein lokales Minimum bezüglich seiner Energie.
Der Begriff „einmalig konfigurierbar" bedeutet, dass ein Schalter seinen Zustand mittels eines irreversiblen Vorgangs wie z.B. einer Oxidations- oder Reduktionsreaktion nur einmal verändern kann; ein derartiger Schalter kann beispielsweise die Basis eines programmierbaren Nur-Lese-Speichers (PROM) sein.
Der Begriff „rekonfigurierbar" bedeutet, dass ein Schalter seinen Zustand mittels eines reversiblen Vorgangs wie z.B. einer Oxidation oder Reduktion viele Male verändern kann; mit anderen Worten kann der Schalter viele Male geöffnet und geschlossen werden, z.B. die Speicherbits in einem Direktzugriffsspeicher (RAM).
Der Begriff „konfigurierbar" bedeutet entweder „einmalig konfigurierbar" oder „rekonfigurierbar".
Der Begriff „bistabil" bedeutet, wenn er auf ein Molekül angewendet wird, ein Molekül, das zwei Zustände einer relativ geringen Energie aufweist. Das Molekül kann entweder auf irreversible Weise von einem Zustand zum anderen geschaltet werden (einmalig konfigurierbar) oder auf reversible Weise von einem Zustand zum anderen geschaltet werden (rekonfigurierbar).
Abmessungen im Mikrometerbereich bezieht sich auf Abmessungen, die von 1 Mikrometer bis zu einigen wenigen Mikrometern betragen.
Abmessungen im Submikrometerbereich bezieht sich auf Abmessungen, die von 1 Mikrometer bis hinunter zu 0,04 Mikrometern betragen.
Abmessungen im Nanometerbereich bezieht sich auf Abmessungen, die von 0,1 Nanometer bis 50 Nanometer (0,05 Mikrometer) betragen.
Drähte im Mikrometerbereich und im Submikrometerbereich bezieht sich auf stab- oder bandförmige Leiter oder Halbleiter mit Breiten oder Durchmessern, die die Abmessungen von 1 bis 10 Mikrometer aufweisen, Höhen, die zwischen wenigen zehn Nanometern und einem Mikrometer betragen können, und Längen von mehreren Mikrometern oder mehr.
Eine Kreuzschiene ist ein Array von Schaltern, die jeden Draht in einem Satz von parallelen Drähten mit jedem Angehörigen eines zweiten Satzes von parallelen Drähten, der den ersten Satz schneidet, verbinden (üblicherweise sind die zwei Sätze von Drähten zueinander senkrecht, dies ist jedoch keine zwingende Bedingung).
„HOMO" ist das gängige chemische Akronym für „höchstes besetztes Molekularorbital" (engl.: highest occupied molecular orbital), während „LUMO" das gängige chemische Akronym für „niedrigstes unbesetztes Molekularorbital" (engl.: lowest occupied molecular orbital) ist. HOMOs und LUMOs sind verantwortlich für eine elektronische Leitung in Molekülen, und die Energiedifferenz bzw. die -lücke (∆E_HOMO/LUMO) zwischen dem HOMO und LUMO und anderen energetisch nahe gelegenen Molekularorbitalen ist verantwortlich für die Elektronische-Leitung-Eigenschaften des Moleküls.
Flash-Speicher.
Feldeffekttransistoren (FETs) werden zum Bauen von Flash-Speichern verwendet. Unter Bezugnahme auf 1a–1b umfassen derartige FETs 10, 10' ein Substrat 12, in dem Source-Regionen 14 und Drain-Regionen 16 gebildet sind. Eine Kanalregion 18 erstreckt sich zwischen den Source- und Drain-Regionen 14, 16. Wie in 1a gezeigt ist, wird ein Gate 20 dazu verwendet, den Elektronenfluss in der Kanalregion 18 zu steuern. Wie in 1b gezeigt ist, wird das Gate 20 in Kombination mit einem floatenden Gate 22 verwendet, um den Elektronenfluss zu steuern. Man kann erkennen, dass das Substrat 12 eine erste Polarität aufweist, hier p^-, und dass die Source- und Drain-Regionen 14, 16 die entgegengesetzte Polarität aufweisen, hier n⁺.
Wie in 1a–1b gezeigt ist, schreibt ein Flash-Speicher ein Bit, indem er „heiße" Elektronen 24 in eine Falle 25, speziell ein Dielektrikum (das eine Oxidschicht sein kann), das dem Gate 20 zugeordnet ist (1a), oder auf das floatende Gate 22 (1b) injiziert. Diese Injektion geschieht, wenn eine Spannungsschwelle überschritten wird.
Die I-V-Charakteristika eines Flash-Speichers sind in 2 gezeigt, die zwei Kurven zeigt, eine, bei der V_T = Hi (Kurve 26), und eine, bei der V_T = Lo (Kurve 28). V_T ist die Schwellenspannung an dem Gate, bei der der Transistor zu leiten beginnt. Eine dieser Kurven, Kurve 26, zeigt an, dass heiße Elektronen vorliegen. Die zusätzliche Ladung zwischen dem Gate 20, 22 und der Source 14 gibt die Eigenschaften der I-V-Kurve vor. Im Einzelnen gilt, dass, wenn Elektronen die Träger in der Transistorregion (durch den Kanal hindurch) sind, das Vorliegen von heißen Elektronen durch die untere Kurve 26 belegt wird. Wenn Löcher die Träger sind, so wird das Vorhandensein von heißen Elektroden durch die obere Kurve 28 belegt.
3 zeigt ein Array 30 von FETs 10, bei dem jede Spalte in Reihe geschaltet ist (die Source 14 eines FET 10 ist mit dem Drain 16 eines benachbarten FET verbunden). Eine Mehrzahl derartiger paralleler Spalten 32 (zwei sind gezeigt, 32a, 32b) sind vorgesehen. Reihen 34 (vier sind gezeigt, 34a, 34b, 34c, 34d) werden erzeugt, indem ein Gate 20 jeder Spalte 32 mit einem Gate in einer benachbarten Spalte verbunden wird.
Das resultierende Bit, das durch Injektion eines heißen Elektrons geschrieben wird, kann auf Grund der Veränderung des charakteristischen Stroms als Funktion der Gatespannung an dem zugeordneten Transistor gelesen werden. Ein spezifisches Bit in dem Array 30 kann gelesen werden, indem eine Spannung V-Med (eine mittlere Spannung) an der ausgewählten Reihe 34b platziert und V = Hi (eine höhere Spannung) an allen anderen Reihen 34a, 34c, 34d platziert wird. Alle Transistoren in der ausgewählten Spalte, an deren Gates 20 V = Hi angelegt ist, lassen frei Strom durch. Der ausgewählte Transistor mit V = Med lässt eine Strommenge durch, die eine Funktion der Anzahl heißer Elektronen ist, die in der Nähe seines Gates 20 gefangen sind. Dadurch, dass dieser Strom mit einem Stromerfassungs-Amperemeter 36 für die ausgewählte Spalte gemessen wird, kann dann der Wert des Bits gelesen werden.
Die gesamte obige Beschreibung trifft auf vorhandene Flash-Speicher zu. Gemäß einem hierin offenbarten Ausführungsbeispiel wird ein Speicher 40 geliefert, indem eine Mehrzahl von in etwa parallelen halbleitenden Nanodrähten 42 mit einer Mehrzahl von in etwa parallelen metallischen oder halbleitenden Nanodrähten 44 überkreuzt wird, wie in 4 veranschaulicht ist. Dadurch wird ein zweidimensionales Array 40 von im Nanobereich liegenden Transistoren 110 erzeugt. Als Nächstes wird eine Heißelektronenfallenregion 120 so nahe an jedem Gate 20 vorgesehen, dass sie die Schaltcharakteristika des Transistors beeinflusst. Diese Fallenregion 120 ist ein organisches Molekül zwischen den oder in der Nähe der Drähte. Die Fallenregion 120 wird als dem Gate 20 „zugeordnet" angesehen und weist Abmessungen im Nanometerbereich auf.
Ein Beispiel eines Moleküls, das beim Praktizieren der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele vorteilhafterweise als Elektronenfalle verwendet wird, umfasst ein Molekül, das eine Struktur aufweist, die als I-M-I' dargestellt ist, wobei M einen konjugierten Anteil darstellt, der einen re lativ kleineren HOMO-LUMO-Wert aufweist (um ihn effektiv metallähnlich zu machen), und wobei I und I' einen Isolatorabschnitt des Moleküls darstellen, der mit den im Nanobereich liegenden Drähten 42, 44 verbunden ist, wobei I und I' identisch oder unterschiedlich sind und einen relativ höheren HOMO-LUMO-Wert aufweisen. Das Vorliegen der beiden isolierenden Anteile I und I' dient dazu, den M-Anteil von den im Nanobereich liegenden Drähten 42, 44 zu trennen und den Abstand zwischen dem M-Anteil und besagten Drähten zu steuern.
I und I' müssen eine ausreichende Länge und Starrheit aufweisen, um M von der Elektrode zu isolieren. Beispielsweise ist I, I' ein nicht-konjugierter Lange-Kohlenstoffkette-Anteil. Im Einzelnen wird wünschenswerterweise eine Kohlenstoffkette mit mehr als etwa 6 Kohlenstoffatomen eingesetzt. Derartige Anteile weisen den erforderlichen höheren ΔE_HOMO/LUMO-Wert auf, üblicherweise in der Größenordnung von 3 bis 6 eV.
Dagegen ist M, das ein metallisch-artiges Verhalten aufweist, ein konjugierter Anteil, beispielsweise ein Benzenring oder zwei oder mehrere kondensierte Benzenringe oder Polyacetylen, jedoch nicht beschränkt auf dieselben. Derartige Anteile weisen den erforderlichen niedrigeren ΔE_HOMO/LUMO-Wert auf, üblicherweise in der Größenordnung von 1 bis 2 eV.
Der M-Anteil sollte hochgradig konjugiert und relativ kompakt sein. Diese Kompaktheitsüberlegung tendiert dazu, die aromatischen Anteile für M gegenüber den konjugierten Alkyn-Anteilen zu favorisieren, und somit sind die aromatischen Anteile bevorzugt. Alkyne, die lang und somit weniger starr sind als Aromaten, sind schwieriger zu steuern und könnten somit das Bauelement durch Kurzschluss zu überbrücken. Die Arenringe können in der molekularen Ebene oder senkrecht zu derselben vorliegen. Ein Beispiel, das I = I' = C₈ Kohlenwasserstoffkette und zwei kondensierte Benzenringe zeigt, ist nachstehend veranschaulicht:
Obwohl oben ein Paar von isolierenden Anteilen gezeigt ist, können mehr als ein solches Paar von isolierenden Anteilen vorliegen.
Die freiliegenden Enden der I-Anteile sind an die Elektroden 42, 44 angelagert. I und I' können entsprechende Endgruppen, z.B. -SH, aufweisen, um sich an die Elektroden 42, 44 anzulagern. Die Endgruppen werden als Mittel zum Steuern dessen, welcher Teil des Moleküls sich in Kontakt mit der Elektrode befindet, verwendet.
Auf der Basis der vorstehenden Beschreibung ist es für Fachleute einfach, andere I-M-I'-Konfigurationen zu gestalten, die bei der Praxis der hierin offenbarten Ausführungsbeispiele nützlich sind.
Die I-V-Charakteristika ändern sich je nach dem M-Anteil. Beispielsweise können mehrere Ringe im Vergleich zu einem Ring mehrere Elektronen halten. Somit sind mehr Ringe bevorzugt, wie jedoch oben erwähnt wurde, ist die Länge der Ringe ein einschränkender Faktor bezüglich der Anzahl der Ringe. Je größer der M-Anteil insgesamt, desto metallischähnlicher ist das Molekül bezüglich seiner Eigenschaften. Wenn der M-Anteil relativ klein ist, bedarf es einer größeren Spannung, um ein Elektron an demselben zu platzieren; falls er größer ist, ist die HOMO-LUMO-Lücke geringer, und somit ist es leichter, ein Elektron an dem M-Anteil zu platzieren. Es ist wünschenswert, mehr als einen aromatischen Ring aufzuweisen, es ist jedoch möglich, dass bei zu vielen Ringen ein Kurzschließen des Bauelements auftreten könnte. Die maximale Länge des M-Anteils hängt letztlich von der an den Drähten 42–44 platzierten Spannung als Funktion der erwarteten Lebensdauer des Bauelements ab. Auf der Grundlage der Lehren hierin sind Fachleute ohne weiteres in der Lage, eine derartige Bestimmung durchzuführen.
Außerdem ist es möglich, die Ringe zu stapeln, um eine höhere Dichte einer Heißelektronenspeicherung zu erzielen. Beispielsweise erörtert die US-Patentschrift 5,287,421 die Polyacene (zwei oder mehr kondensierte Benzenringe), die auf Grund ihrer Planaren Struktur gestapelt werden können.
Die Molekülspezies, wie beispielsweise oben offenbart wurde, kann, als erste Annäherung, als Kondensator behandelt werden, wobei man anerkennt, dass eine Energie erforderlich ist, um das Elektron an dem M-Anteil zu platzieren oder den Kondensator (den M-Anteil) zu laden, wobei dies dieselbe Energie ist, die zum Schreiben eines Bits in einen Speicher benötigt wird.
Die Energie, die die heißen Elektroden aufweisen müssen (wie „heiß" sie sein müssen), wird durch drei Faktoren bestimmt. Erstens müssen die Elektronen eine Energie aufweisen, die größer ist als die Barrierenhöhe (in Volt) von I oder I'. Zweitens müssen die Elektronen eine Energie aufweisen, die größer ist als das LUMO des M-Anteils. Drittens müssen die Elektronen eine Energie aufweisen, die groß genug ist, um M, das als eine Platte eines Kondensators behandelt wird, zu laden, wobei die andere Platte die Elektrode ist, die die Quelle der heißen Elektronen ist.
Nanobereich-Draht-Transistor.
Ein weiterer Lösungsansatz zum Aufbauen des Nanobereich-Transistors, der hierin auf geeignete Weise eingesetzt werden kann, ist derjenige, der in der oben erwähnten Anmeldung gelehrt wird, die im Namen von Philip J. Kuekes et al. eingereicht wurde und den Titel „Molecular Wire Transistor" trägt. Wie in jener Anmeldung gelehrt wird, werden FETs unter Verwendung eines Kreuzschienenarrays hergestellt, das ein zweidimensionales Array von überkreuzten Drähten umfasst, wobei eine Mehrzahl von Drähten ein Halbleitermaterial umfasst und die andere Mehrzahl von Drähten ein Metall umfasst. Die Halbleiterdrähte werden zum Transistor, und die Metalldrähte bewirken die Bildung eines Gates in dem Halbleiterdraht. Eine Molekülspezies an dem Verbindungspunkt jedes Drahtpaares erzeugt eine ausreichende Abstandsentfernung von dem Metalldraht, um ihn von dem Gate zu isolieren, das zwischen Source- und Drain-Regionen gebildet ist, die durch Entstehung des Gates in dem Halbleiterdraht definiert sind.
Bei einem wieder anderen Ausführungsbeispiel kann ein Speichereffekt (gefangenes heißes Elektron, das Konfigurierungszustand betrachtet wird) in den Nanobereich-Transistor integriert sein. Durch Liefern einer Elektronenfalle wird es dann möglich, eine spezielle Art von Transistor zu haben. Die Elektronenfalle umfasst die oben erörterte Molekülspezies.
Falls der Konfigurierungszustand nicht eingestellt ist (keine Elektronen in der Falle), so wird ein Transistor gebildet, wenn jedoch der Konfigurierungszustand eingestellt ist (Elektronen in der Falle), dann wird entweder ein offener oder ein geschlossener Schalter gebildet. Ob ein Schalter offen oder geschlossen ist, hängt davon ab, ob die Gate-gesteuerte Region des Transistors mit Elektronen oder Löchern leitet. Falls der Transistor mit Elektronen leitet, so bildet bzw. bilden ein oder mehrere Elektronen in der Falle einen offenen Schalter. Wenn der Transistor mit Löchern leitet, so bildet bzw. bilden ein oder mehrere Elektronen in der Falle einen geschlossenen Schalter.
In jedem Fall weisen bei einem Ausführungsbeispiel hierin die ersten Drähte 42 und die zweiten Drähte 44 jeweils ei nen Durchmesser von bis zu 50 nm auf, und die zweiten Drähte sind von den ersten Drähten bis zu 50 nm beabstandet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass Transistoren mit einer Größe der Größenordnung von zehn Nanometern bis zu einigen wenigen Nanometern gebildet werden. Durch Auswählen einer Heißelektronenfallenregion, die jedem Kreuzungspunkt der ersten Nanodrähte mit den zweiten Drähten zugeordnet ist, zum Steuern des Wirkleitwerts des zugeordneten Transistors ist es möglich, Transistoren mit einer großen Vielzahl an speziell gewünschten elektrischen Eigenschaften zu bauen. Die Aufnahme eines elektrisch einstellbaren Speicherbits durch ein Einfangen von heißen Elektronen in der Nähe der Gate-Region, ermöglicht, dass Transistoren mit einer neuen und nützlichen Funktion ausgestattet werden.
Ein extrem regulärer und somit kostengünstiger Montageprozess wird dazu verwendet, die Nanodrähte zu bilden und reguläre Arrays von Nanodrähten zu bilden. Beispiele derartiger Montageprozesse finden sich in den folgenden erteilten Patentschriften, deren Inhalt durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist: US-Patentschrift 6,128,214 mit dem Titel „Molecular Wire Crossbar Memory", erteilt an Philip J. Kuekes et al. am 3. Oktober 2000; US-Patentschrift 6,248,674 mit dem Titel „Method of Aligning Nanowires", erteilt an Theodore I. Kamins et al. am 19. Juni 2001; US-Patentschrift 6,256,767 mit dem Titel „Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar Network (MWCN DEMUX), erteilt an Philip J. Kuekes et al. am 3. Juli 2001; US-Patentschrift 6,294,450 mit dem Titel „Nanoscale Patterning for the Formation of Extensive Wires", erteilt an Yon Chen et al. am 25. September 2001; und US-Patentschrift 6,314,019 mit dem Titel „Molecular-Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications", erteilt an Philip J. Kuekes et al. am 6. November 2001, die allesamt an dieselbe Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden.
5 zeigt einen einzelnen Transistor 110, der ein Paar von überkreuzten Nanobereich-Drähten 112, 114 umfasst, wobei die Heißelektronenfallenregion 120 in Zuordnung zu dem durch die zwei Nanobereich-Drähte gebildeten Verbindungspunkt 118 angeordnet ist. Einer der Nanobereich-Drähte 112, 114 umfasst ein dotiertes Halbleitermaterial, während der andere der Nanobereich-Drähte 114, 112 entweder ein Metall oder ein dotiertes Halbleitermaterial umfasst. Falls beide Nanobereich-Drähte 112, 114 ein Halbleitermaterial umfassen, können beide Halbleitermaterialien dieselbe Leitfähigkeit oder eine entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen. Der Abstand zwischen den zwei Drähten liegt in der Größenordnung von Nanometern.
Kreuzschienenarray von Überkreuzte-Drähte-Transistoren.
6 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Kreuzschiene 50 dar, die die hierin offenbarten konfigurierbaren Molekulardrahttransistoren 110 verwendet. Die Kreuzschiene 50, die in der US-Patentschrift 6,314,019 mit dem Titel „Molecular-Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications", die am 6. November 2001 an Philip J. Kuekes et al. erteilt wurde und an dieselbe Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung übertragen wurde, offenbart und beansprucht ist, besteht aus einer Schicht aus vertikalen Nanodrähten 112 und einer Schicht aus horizontalen Nanodrähten 114. Verbindungspunkte 118 sind dort gebildet, wo die vertikalen Drähte 112 und die horizontalen Drähte 114 einander kreuzen. Gesonderte elektrische Netze (eines durch gestrichelte Linien 52 angegeben, eines durch dicke durchgezogene Linien 54 angegeben und eines durch gepunktete Linien 56 angegeben) können in der Kreuzschiene 50 als Teil einer integrierten Schaltung erzeugt werden. Diese separaten Schaltungen 52, 54, 56 können einander kreuzen, ohne elektrisch verbunden zu sein, wo ein Kreuzschienenschalter offen ist, mit 58 bezeichnet (nicht Strom leitend). Alternativ dazu können horizontale und vertikale Drähte durch Schalter, die geschlossen sind, mit 60, 62, 64, 66, 68 bezeichnet, elektrisch verbunden sein. Schaltungen können auf Segmente von horizontalen oder vertikalen Kreuzschienendrähten beschränkt werden, indem die Konfiguration des Nanodraht-Transistors hierin dahin gehend eingestellt wird, einen elektrisch offenen Schalter zu machen, mit 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84 bezeichnet. Dadurch, dass der Nanodraht-Transistor hierin verwendet wird, um elektrische Verbindungen entlang Drähten in einer Schicht herzustellen und aufzulösen (segmentierte Drähte), und dadurch, dass spannungsgesteuerte Schalter (elektrochemische Zellen) verwendet werden, die durch einige Paare von überkreuzten Nanodrähten gebildet sind, zwischen Drähten in zwei Schichten (Durchgangskontaktierungen) gebildet werden, kann man eine integrierte Schaltung einer willkürlich komplexen Topologie erzeugen. Die Drähte können mit einem elektronischen Bauelement (z.B. Resonanztunneldiode oder Transistor) (nicht gezeigt), das sich außerhalb des Kreuzschienenarrays 50 befindet, verbunden sein. Alternativ dazu können zwei oder mehr Netze, z.B. 54, 56, mit einem elektronischen Bauelement 86 (z.B. Resonanztunneldiode oder Transistor), das sich innerhalb des Kreuzschienenarrays 50 befindet, verbunden sein. Das elektronische Bauelement, ob es sich außerhalb oder innerhalb 86 befindet, kann bei dem vorliegenden Dokument einen konfigurierbaren Nanobereich-Transistor 110 umfassen.
Bei der in 6 gezeigten Schaltung versteht es sich, dass bei allen Paaren von Drähten 112, 114, die einander kreuzen, der Schalter 118 zwischen denselben offen ist, es sei denn, durch den Entwurf der integrierten Schaltung ist speziell beabsichtigt, dass er geschlossen sei. Die Freiheit eines Schaltungsentwerfers, die Mischung von Bauelementtypen und Verbindungstopologien (von denen 6 lediglich willkürliche Beispiele zeigt) willkürlich auszuwählen, macht die Schaltung wertvoll.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Man geht davon aus, dass der hierin offenbarte und beanspruchte im Nanobereich liegende Flash-Speicher in im Nanobereich liegenden elektronischen Schaltungen und als Speicher einer sehr hohen Dichte Anwendung finden wird.

Claims

Ein im Nanobereich liegender Flash-Speicher, der folgende Merkmale aufweist: (a) Source- und Drain-Regionen in einer Mehrzahl von ungefähr parallelen ersten Drähten (42) eines im Nanometerbereich liegenden Durchmessers, wobei die ersten Drähte (42) ein Halbleitermaterial umfassen, wobei die Source- und Drain-Regionen durch eine Kanalregion getrennt sind; (b) Gate-Elektroden in einer Mehrzahl von ungefähr parallelen zweiten Drähten (44) eines im Nanometerbereich liegenden Durchmessers, wobei die zweiten Drähte (44) entweder ein Halbleitermaterial oder ein Metall umfassen, wobei die zweiten Drähte (44) die ersten Drähte (42) in einem kleinsten Abstand von im Nanometerbereich liegenden Abmessungen zwischen den zweiten Drähten (44) und den ersten Drähten (42) und in einem nicht null betragenden Winkel über die Kanalregionen hinweg überkreuzen, um ein Array von Nanobereich-Transistoren (110) zu bilden; und (c) eine Heißelektronenfallenregion (120), die jedem Kreuzungspunkt der ersten Drähte (42) mit den zweiten Drähten (44) zugeordnet ist, zum Steuern des Wirkleitwerts eines zugeordneten Transistors (110), wobei die Heißelektronenfallenregion (120) ein organisches Molekül umfasst, das zwischen den ersten Drähten und den zweiten Drähten oder in der Nähe des Kreuzungspunktes derselben konfiguriert ist.
Der im Nanobereich liegende Flash-Speicher gemäß Anspruch 1, bei dem das organische Molekül ein Molekül umfasst, das die durch I-M-I' dargestellte Struktur aufweist, wobei M einen konjugierten Anteil darstellt, der einen relativ kleineren HOMO-LUMO-Wert aufweist, und wobei I und I' einen Isolatorabschnitt des Moleküls darstellen, der mit den ersten Drähten und den zweiten Drähten verbunden ist, wobei I und I' identisch oder unterschiedlich sind und einen relativ höheren HOMO-LUMO-Wert aufweisen.
Der im Nanobereich liegende Flash-Speicher gemäß Anspruch 2, bei dem I, I' ein nicht-konjugierter Lange-Kohlenstoffkette-Anteil ist und bei dem M ein konjugierter Anteil ist.
Der im Nanobereich liegende Flash-Speicher gemäß Anspruch 2, bei dem I, I' eine Kohlenstoffkette von mehr als 6 Kohlenstoffatomen ist und einen ∆E_HOMO/LUMO-Wert von etwa 3 bis 6 eV aufweist.
Der im Nanobereich liegende Flash-Speicher gemäß Anspruch 2, bei dem M aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Benzenring, Polyacenen und Polyacetylen besteht, und einen ∆E_HOMO/LUMO-Wert von etwa 1 bis 2 eV aufweist.
Der im Nanobereich liegende Flash-Speicher gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Drähte und die zweiten Drähte jeweils einen Durchmesser von bis zu 50 nm aufweisen und bei dem die zweiten Drähte von den ersten Drähten bis zu 50 nm beabstandet sind.
Ein Nanobereich-Draht-Transistor (110), der (a) ein Paar von überkreuzten Nanodrähten (112, 114) umfasst, die einen Kreuzungspunkt bilden, wobei einer der Nanodrähte (112, 114) ein Halbleitermaterial umfasst und ein anderer der Nanodrähte (112, 114) entweder ein Metall oder ein zweites Halbleitermaterial umfasst, wobei sich die Drähte (112, 114) in einem geringsten Abstand einer im Nanobereich liegenden Abmessung zwischen denselben und in einem nicht null betragenden Winkel überkreuzen, und (b) eine Heißelektronenfallenregion (120) umfasst, die dem Kreuzungspunkt zugeordnet ist, zum Steuern des Wirkleitwerts des zugeordneten Transistors (110), wodurch ein konfigurierbarer Transistor oder ein Schaltspeicherbit gebildet wird, der beziehungsweise das in der Lage ist, durch Anlegen einer Spannung, deren Absolutbetrag größer ist als der jeglicher Spannung, bei der der Transistor (110) arbeitet, eingestellt zu werden, wobei die Heißelektronenfallenregion (120) ein organisches Molekül umfasst, das zwischen den Nanodrähten oder in der Nähe eines Kreuzungspunktes derselben konfiguriert ist.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 7, bei dem das organische Molekül (120) ein Molekül umfasst, das die durch I-M-I' dargestellte Struktur aufweist, wobei M einen konjugierten Anteil darstellt, der einen relativ kleineren HOMO-LUMO-Wert aufweist, und wobei I und I' einen Isolatorabschnitt des Moleküls darstellen, der mit den ersten Drähten und den zweiten Drähten verbunden ist, wobei I und I' identisch oder unterschiedlich sind und einen relativ höheren HOMO-LUMO-Wert aufweisen.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 8, bei dem I, I' ein nicht-konjugierter Lange-Kohlenstoffkette-Anteil ist und bei dem M ein konjugierter Anteil ist.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 9, bei dem I, I' eine Kohlenstoff kette von mehr als 6 Kohlenstoffatomen ist und einen ∆E_HOMO/LUMO-Wert von etwa 3 bis 6 eV aufweist.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 9, bei dem M aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Benzenring, Polyacenen und Polyacetylen besteht, und einen ∆E_HOMO/LUMO-Wert von etwa 1 bis 2 eV aufweist.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 7, bei dem die ersten Drähte und die zweiten Drähte jeweils einen Durchmesser von bis zu 50 nm aufweisen und bei dem die zweiten Drähte von den ersten Drähten bis zu 50 nm beabstandet sind.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 7, bei dem der Konfigurationszustand nicht eingestellt ist, wodurch ein Transistor gebildet wird.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 7, bei dem der Konfigurationszustand eingestellt ist, wodurch entweder ein offener oder ein geschlossener Schalter gebildet wird.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 7, bei dem beide der Nanodrähte (112, 114) ein Halbleitermaterial umfassen und bei dem beide Halbleitermaterialien dieselbe Leitfähigkeit aufweisen.
Der Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß Anspruch 7, bei dem beide der Nanodrähte (112, 114) ein Halbleitermaterial umfassen und bei dem beide Halbleitermaterialien die entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen.
Ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines Nanobereich-Draht-Transistors (110), der (a) ein Paar von überkreuzten Nanodrähten (112, 114) umfasst, die einen Kreuzungspunkt bilden, wobei einer der Nanodrähte (112, 114) ein Halbleitermaterial, das eine erste Leitfähigkeit aufweist, umfasst, und ein anderer der Nanodrähte (112, 114) entweder ein Metall oder ein zweites Halbleitermaterial, das eine zweite und entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist, umfasst, und (b) eine Heißelektronenfallenregion (120) umfasst, die jedem Kreuzungspunkt von ersten Nanodrähten mit zweiten Nanodrähten zugeordnet ist, zum Steuern des Wirkleitwerts des zugeordneten Transistors (110), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellen zumindest eines ersten Nanodrahtes (112); (b) Bereitstellen zumindest eines zweiten Nanodrahtes (114), der den zumindest einen ersten Draht in einem nicht null betragenden Winkel kreuzt, so dass der kürzeste Abstand zwischen dem ersten Draht (112) und dem zweiten Draht (114) im Nanometerbereich liegende Abmessungen aufweist; und (c) Bereitstellen einer Heißelektronenfallenregion (120), die dem Transistor (110) zugeordnet ist, wobei die Heißelektronenfallenregion (120) ein organisches Molekül umfasst, das zwischen den Nanodrähten und in der Nähe des Kreuzungspunktes derselben konfiguriert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das organische Molekül ein Molekül umfasst, das die durch I-M-I' dargestellte Struktur aufweist, wobei M einen konjugierten Anteil darstellt, der einen relativ kleineren HOMO-LUMO-Wert aufweist, und wobei I und I' einen Isolatorabschnitt des Moleküls darstellen, der mit den ersten Drähten und den zweiten Drähten verbunden ist, wobei I und I' identisch oder unterschiedlich sind und einen relativ höheren HOMO-LUMO-Wert aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem I, I' ein nicht-konjugierter Lange-Kohlenstoffkette-Anteil ist und bei dem M ein konjugierter Anteil ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem I, I' eine Kohlenstoffkette von mehr als 6 Kohlenstoffatomen ist und einen ∆E_HOMO/LUMO-Wert von etwa 3 bis 6 eV aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem M aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Benzenring, Polyacenen und Polyacetylen besteht, und einen ∆E_HOMO/LUMO-Wert von etwa 1 bis 2 eV aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die Nanodrähte (112, 114) jeweils einen Durchmesser von bis zu 50 nm aufweisen und bei dem die kreuzenden Nanodrähte um einen Abstand von bis zu 50 nm voneinander getrennt sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die Heißelektronenfallenregion (120) einen konfigurierbaren Transistor oder ein Schaltspeicherbit bildet, der beziehungsweise das in der Lage ist, durch Anlegen einer Spannung, die bezüglich ihres Absolutbetrags größer ist als jegliche Spannung, bei der der Transistor arbeitet, eingestellt zu werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem der Konfigurationszustand nicht eingestellt wird, wodurch ein Transistor gebildet wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem der Konfigurationszustand eingestellt wird, wodurch entweder ein offener oder ein geschlossener Schalter gebildet wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die beiden Nanodrähte (112, 114) ein Halbleitermaterial umfassen und bei dem beide Halbleitermaterialien dieselbe Leitfähigkeit aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die beiden Nanodrähte (112, 114) ein Halbleitermaterial umfassen und bei dem beide Halbleitermaterialien die entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen.
Ein Kreuzschienenarray von Überkreuzter-Draht-Bauelementen, wobei jedes Bauelement einen Verbindungspunkt umfasst, der durch ein Paar von überkreuzten Nanodrähten gebildet ist, wobei ein Draht einen anderen in einem nicht null betragenden Winkel kreuzt, wobei der Verbindungspunkt eine funktionale Abmessung in Nanometern aufweist, wobei zumindest einer der Verbindungspunkte in dem Kreuzschienenarray einen Molekular-Nanobereich-Draht-Transistor (110) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 16 umfasst.