專(zhuān)利名稱(chēng)：含有垂直排列的納米織物制品的器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及含有垂直排列和其他非水平排列的納米織物制品的器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
有人提出這樣一種存儲(chǔ)器件，它用納米線，如單壁碳納米管形成交叉結(jié)，作為存儲(chǔ)單元。[見(jiàn)WO01/03208，《基于納米線的器件、陣列及其制備方法》；Thomas Rueckes等，《用于分子計(jì)算的基于碳納米管的非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器》(Carbon Nanotube-Based Nonvolatile Random Access Memory forMolecular Computing)，Science，vol.289，pp.94-97，2000年7月7日]。此后，這些器件稱(chēng)作納米管線交叉存儲(chǔ)器(NTWCM)。根據(jù)這些想法，懸置在其他線上面的單個(gè)單壁納米管線就構(gòu)成了存儲(chǔ)單元。電信號(hào)書(shū)寫(xiě)在一根或兩根線上，使它們彼此物理相吸或相斥。每種物理狀態(tài)(即相吸或相斥線)對(duì)應(yīng)于一種電學(xué)狀態(tài)。相斥線是開(kāi)放電路結(jié)，相吸線是閉合狀態(tài)，形成整流結(jié)。如果從結(jié)移去電源，線保持其物理(因而電學(xué))狀態(tài)，則可形成非易失性存儲(chǔ)單元。
NTWCN的想法依賴(lài)于定向生長(zhǎng)或化學(xué)自組裝技術(shù)，生長(zhǎng)存儲(chǔ)單元所需的一個(gè)個(gè)納米管?，F(xiàn)在，人們認(rèn)為這些技術(shù)難以用現(xiàn)代技術(shù)付諸商業(yè)應(yīng)用。而且，它們可能受到固有限制，如利用這些技術(shù)可靠生長(zhǎng)的納米管的長(zhǎng)度有限，而且要控制這樣生長(zhǎng)出來(lái)的納米管線在幾何形狀上的統(tǒng)計(jì)方差也比較困難。因而需要改進(jìn)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。
美國(guó)專(zhuān)利公報(bào)2003-0021966所介紹的內(nèi)容中有一項(xiàng)是機(jī)電電路，如存儲(chǔ)單元，其中電路包括這樣一種結(jié)構(gòu)，它具有導(dǎo)電跡線和從基材表面延伸出來(lái)的載體。納米管帶懸置在載體上，所述載體穿過(guò)導(dǎo)電跡線。每條帶包含一根或多根納米管。所述帶通過(guò)有選擇地從一層納米管或納米管的纏結(jié)織物去除材料而形成。
例如，如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)2003-0021966所述，納米織物可形成帶，所述帶可用作建立非易失性機(jī)電存儲(chǔ)單元的組件。所述帶在控制跡線和/或帶的電學(xué)刺激下可發(fā)生機(jī)電偏向。帶的偏向物理態(tài)可代表相應(yīng)的信息態(tài)。偏向物理態(tài)具有非易失性，意味著帶保持其物理(亦即信息)狀態(tài)，哪怕去除了存儲(chǔ)單元上的電源。如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)2003-0124325所述，三跡線結(jié)構(gòu)可用于機(jī)電存儲(chǔ)器，其中兩條跡線是控制帶偏向的電極。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了含有垂直排列的納米織物制品的新型器件及其制備方法。
在本發(fā)明的某些方面，機(jī)電器件具有這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，它含有主水平表面和在其中形成的溝道。導(dǎo)電跡線位于溝道中；納米管制品垂直懸置在溝道中，與溝道的直立壁相隔。所述制品可發(fā)生機(jī)電偏向，水平指向?qū)щ娵E線。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，納米管制品的垂直懸置程度由薄膜制備工藝決定。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，納米管制品的垂直懸置程度約為50nm或以下。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，納米管制品通過(guò)納米管制品的某些納米管之間的多孔空間中的導(dǎo)電材料夾持。
在本發(fā)明的另一方面，納米管制品由多孔納米織物形成。
在本發(fā)明的另一方面，納米管制品能發(fā)生機(jī)電偏向，與導(dǎo)電跡線接觸，所述接觸為易失性態(tài)或非易失性態(tài)，取決于器件結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的另一方面，垂直取向器件可形成不同形式的三跡線器件。
在本發(fā)明的另一方面，溝道可用于多個(gè)獨(dú)立的器件，或者用于共用一個(gè)電極的若干器件。
附圖簡(jiǎn)述

圖1A-B是示例性機(jī)電開(kāi)關(guān)的透視圖和截面圖；圖2A-B是本發(fā)明某些實(shí)施方式器件的截面圖；圖3A-4C是本發(fā)明某些實(shí)施方式三跡線器件的截面圖；圖5A-L所示為制備本發(fā)明某些實(shí)施方式器件的方法實(shí)例；圖6-10是本發(fā)明其他各種實(shí)施方式截面圖；圖11A-B是示例性機(jī)電器件的截面圖；圖12和13是可貼合于非平整表面的納米織物的顯微圖；圖14是示例性納米織物的透視圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式提供了含有非水平排列的納米管制品的新型制品，并提供了它們的制備方法。某些實(shí)施方式提供了夾持懸置納米管制品的改進(jìn)方法，以提高其性能和可生產(chǎn)性。其他實(shí)施方式提供了機(jī)電存儲(chǔ)單元，這些單元可以是獨(dú)立的，也可以是嵌入式的。在某些實(shí)施方式中，獨(dú)立存儲(chǔ)單元用新方法與其他電路或單元連接，降低了通向存儲(chǔ)單元的跡線的電阻。還有一些實(shí)施方式提供了具有易失性信息狀態(tài)(即斷開(kāi)電源時(shí)失去信息狀態(tài))的存儲(chǔ)單元。其他一些實(shí)施方式采用與美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)2003-0124325相類(lèi)似的三跡線結(jié)構(gòu)，即納米織物制品可放置在兩個(gè)電極之間，使制品偏向或背離一個(gè)電極或另一個(gè)電極。這些實(shí)施方式可組合利用易失性和非易失性特性；例如，信息狀態(tài)可以是非易失性的，但器件可采用三跡線結(jié)構(gòu)，其中納米管制品的偏向可由具有易失性態(tài)特性的跡線引起。
研究表明，通過(guò)生長(zhǎng)或施加一根根管道產(chǎn)生的納米織物或帶基本上能夠貼合于基材表面，如半導(dǎo)體基材表面。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式用納米織物制備諸如機(jī)電開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)單元這樣的器件，這種納米織物可適應(yīng)基本上垂直于半導(dǎo)體基材的表面(即納米織物垂直于水平基材)。下面將介紹這種垂直排列的器件以及開(kāi)發(fā)這種器件的制備技術(shù)，包括形成開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)單元，其中垂直懸置的納米織物制品跨度較短，間隙高度相應(yīng)降低。在某些實(shí)施方式中，這種技術(shù)允許采用更小的器件尺寸和更低的電阻(以及相應(yīng)更短的循環(huán)時(shí)間和更快的速度，例如性能高達(dá)100GHz或更高)。這樣就可以生產(chǎn)易失性與非易失性開(kāi)關(guān)，以及許多類(lèi)型的器件，其實(shí)例將在后面予以說(shuō)明。在某些優(yōu)選實(shí)施方式中，所述制品基本上為單層碳納米管。
圖1A-B是示例性機(jī)電開(kāi)關(guān)的透視圖和截面圖。結(jié)構(gòu)100(圖1(A))表示“關(guān)閉”狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)110(圖1(B))表示“開(kāi)通”狀態(tài)。名稱(chēng)“開(kāi)”和“關(guān)”在某種意義上是人為確定的，它們互換后仍具有普遍性。在此實(shí)施方式中，所述結(jié)構(gòu)包含跨在上絕緣支撐結(jié)構(gòu)104和下絕緣支撐結(jié)構(gòu)106之間的納米織物制品102。位于上下絕緣支撐結(jié)構(gòu)104和106之間的是電極108。
注意，納米織物，如納米織物制品102通常包括任何含有納米管的合適結(jié)構(gòu)或制品，具體來(lái)說(shuō)包括含有納米管的帶和納米織物電極。
在某些優(yōu)選實(shí)施方式中，納米織物制品102具有短于約108nm的跨度T，固定在絕緣支撐結(jié)構(gòu)104和106上(在圖5L中可看得更清楚)。納米織物的跨度依賴(lài)于所用沉積技術(shù)，在某些實(shí)施方式中，懸置跨度可短于通過(guò)平版印刷技術(shù)得到的跨度。本發(fā)明者預(yù)想垂直跨度比較小，或者小于30nm。固定納米織物制品的詳情在下面將要介紹，也可參見(jiàn)所引參考文獻(xiàn)。電極108可由任何合適的導(dǎo)電材料制備，可形成任何合適的形狀。某些優(yōu)選實(shí)施方式利用n型摻雜硅形成這種導(dǎo)電元件，可以寬于但較好不寬于納米織物制品，例如約108nm或以下。其他實(shí)施方式用金屬作為導(dǎo)體。在某些實(shí)施方式中，電極108同樣可由納米織物制成。
類(lèi)似地，絕緣支撐結(jié)構(gòu)104和106可由各種材料制備，并可形成各種形狀，但某些優(yōu)選實(shí)施方式采用諸如旋涂玻璃(SOG)或氮化硅或氧化硅這樣的材料。
如下面將要解釋的，在某些實(shí)施方式中，如圖所示納米織物制品102通過(guò)摩擦力保持在絕緣支撐結(jié)構(gòu)上。在其他實(shí)施方式中，納米織物制品102可通過(guò)其他方式固定，如錨定、針縫，或者用各種技術(shù)將納米織物固定在絕緣支撐結(jié)構(gòu)上。
具體說(shuō)來(lái)，可在多孔納米織物中的納米管之間的空間加入基體材料，形成導(dǎo)電復(fù)合結(jié)，從而將納米織物制品102連接到另一種材料上，如上面所引用的參考文獻(xiàn)所述。采用這種復(fù)合結(jié)和接頭在電學(xué)和機(jī)械方面具有一定優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)例中，將導(dǎo)電材料沉積到納米織物上，使之滲入多孔納米織物的空隙，從而形成與納米織物相連的得到改進(jìn)的電接頭，減少了制品中的接觸電阻。在另一個(gè)實(shí)例中，將絕緣材料沉積到納米織物上，使之滲入多孔納米織物的空隙，從而形成得到改進(jìn)的機(jī)械固定接頭，可提高可靠性和可生產(chǎn)性。
可采用蒸鍍或旋涂的方法增加固定強(qiáng)度，所用材料如金屬、半導(dǎo)體或絕緣體，特別是硅、鈦、氧化硅或甲酰胺。通過(guò)化學(xué)相互作用可增加摩擦作用，包括利用碳化合物，如芘或其他化學(xué)反應(yīng)性物質(zhì)的共價(jià)鍵合作用。對(duì)于通過(guò)金屬固定和涂敷納米管的示例性技術(shù)，可參見(jiàn)R.J.Chen等《用于固定蛋白質(zhì)的單壁碳納米管的非共價(jià)側(cè)壁官能化》(Noncovalent SidewallFunctionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes for ProteinImmobilization)，J.Am.Chem.Soc.，vol.123，p.p.3838-39(2001)，和Dai等，Appl.Phys.Lett.，vol.77，p.p.3015-17(2000)。對(duì)于這些技術(shù)，還可參見(jiàn)WO 01/03208。
在某些實(shí)施方式中，納米織物制品102與對(duì)應(yīng)的位于另一面的電極隔開(kāi)并與之交叉，交叉點(diǎn)就形成存儲(chǔ)單元或邏輯單元、開(kāi)關(guān)或繼電器。一個(gè)以上的存儲(chǔ)單元可以陣列形式使用，或者作為單個(gè)互連開(kāi)關(guān)或互連開(kāi)關(guān)小組使用，具體取決于應(yīng)用，如內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器、雙芯片存儲(chǔ)設(shè)備、繼電器或促動(dòng)器。這種單元的實(shí)際數(shù)目對(duì)于理解本發(fā)明沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響，但該技術(shù)可支持信息存儲(chǔ)能力至少在現(xiàn)代非易失性電路器件的數(shù)量級(jí)上的器件。
圖2A-4C是單個(gè)納米開(kāi)關(guān)的截面圖，顯示了器件的各種狀態(tài)。
圖2A-B顯示了納米織物制品102分別與電極204和210之間存在不同間隙距離202和208的兩個(gè)納米開(kāi)關(guān)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，絕緣支撐結(jié)構(gòu)104與106之間的垂直間隔小于180nm；此高度取決于所用沉積技術(shù)。如果開(kāi)關(guān)中懸置織物的跨度為180nm，則相對(duì)間距即絕緣支撐結(jié)構(gòu)104頂部到納米織物制品102連接到電極204上的偏向位置之間的，間隙距離202約為5-50nm。在跨度較小的開(kāi)關(guān)中，間隙也相應(yīng)較小。間隙距離202的大小要與存儲(chǔ)器或其他電子應(yīng)用的機(jī)電開(kāi)關(guān)能力相適應(yīng)。在采用由碳納米管制備的納米織物102的某些實(shí)施方式中，間隙距離宜為5-50nm，并且反映偏向納米管的應(yīng)變能與內(nèi)聚能之間具體的相互影響。其他材料可能適合其他間隙距離。這些狀態(tài)之間的切換通過(guò)在納米織物制品102與其一個(gè)或多個(gè)電極，例如204和210之間施加特定電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。切換力取決于納米織物制品102與電極，例如204和210之間的靜電引力和斥力相互作用。
通過(guò)選擇間隙距離202，使應(yīng)變能量小于內(nèi)聚能，納米織物制品102可與電極204保持永久性“非易失性”接觸。如果選擇較大的間隙距離208，應(yīng)變能將增加到這樣的程度，使得納米織物制品102與電極210接觸，但不輸入額外力量時(shí)將無(wú)法保持這種接觸，從而形成“易失性”狀態(tài)。某些實(shí)施方式優(yōu)選這種易失性開(kāi)關(guān)，它們可根據(jù)需要與非易失性開(kāi)關(guān)組合使用，產(chǎn)生特定的電子器件。
上面給出的尺寸是示例性的，不構(gòu)成任何限制，在某些實(shí)施方式中可大可小，具體取決于應(yīng)用與所用的材料和技術(shù)。上述及其他垂直排列的制品中納米織物制品102的長(zhǎng)度與其他類(lèi)型的納米織物制品相比，可以非常短。在某些情況下，可采用薄膜技術(shù)，如薄膜沉積或蝕刻，而不是平版印刷技術(shù)來(lái)形成電極和為懸置納米織物帶所隔開(kāi)的間隙。在某些實(shí)施方式中，懸置長(zhǎng)度可小于水平排列的器件中所用納米織物的長(zhǎng)度，如題為《使用水平排列的納米織物制品的機(jī)電開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)單元及其制備方法》(Electro-Mechanical Switches andMemory Cells Using Horizontally-Disposed Nanofabric Articles andMethods of Making the Same)(美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)60/446783，提交于2003年2月12日)的參考文獻(xiàn)和提交于同一天但尚未分配序號(hào)的美國(guó)申請(qǐng)所述。器件依賴(lài)于薄膜沉積而不是平版印刷使得生產(chǎn)更加容易。
納米織物跨度較小可提高可靠性，并將切換速度急劇增加到200GHz，同時(shí)降低間隙高度。此外，納米織物跨度較小還能減小電流流過(guò)納米織物時(shí)所受到的電阻。下面的其他實(shí)施方式將說(shuō)明其他類(lèi)型的垂直排列制品及其制備方法。
圖3A-C所示為本發(fā)明某些實(shí)施方式中兩種可能的“開(kāi)通”狀態(tài)。當(dāng)器件如302所示(圖3A，結(jié)構(gòu)300)時(shí)，納米織物制品102與電極304和306均相距202。此狀態(tài)可用前述參考文獻(xiàn)所述任何方法進(jìn)行電學(xué)檢測(cè)。在這種結(jié)構(gòu)中，“斷開(kāi)”狀態(tài)對(duì)應(yīng)于納米織物-電極結(jié)處于開(kāi)路，這一狀態(tài)在尋址時(shí)可在納米織物制品102或電極304上探測(cè)到。當(dāng)單元如308所示(圖3B，結(jié)構(gòu)310)時(shí)，納米織物制品102偏向電極304。在某些實(shí)施方式中，對(duì)應(yīng)于“開(kāi)通”狀態(tài)的納米織物-電極結(jié)是導(dǎo)電整流結(jié)(例如肖特結(jié)或PN結(jié))，尋址時(shí)可在納米織物制品102或電極306上探測(cè)到。當(dāng)單元如312所示(圖3C，結(jié)構(gòu)314)時(shí)，納米織物制品102偏向電極306，產(chǎn)生“開(kāi)通”狀態(tài)。這些圖不是按比例畫(huà)出，例如兩個(gè)距離202不一定相等。另外，這些電極中的一個(gè)或另一個(gè)可作為“固定”電極單獨(dú)使用或與另一個(gè)電極組合使用，使納米管制品偏向并與一個(gè)電極接觸，而另一個(gè)電極則可作為“可脫離”電極單獨(dú)使用或與另一個(gè)電極組合使用，使納米管制品與電極脫離接觸。
圖4A-C所示為其他一些可能的三態(tài)或三跡線器件的圖。第一個(gè)三跡線器件400(圖4A)具有兩個(gè)非易失性“開(kāi)通”狀態(tài)。非偏向納米織物制品102與任意一個(gè)電極402或404之間的距離202足夠小，納米織物制品偏向后可與電極402或404接觸。在此實(shí)施方式中形成了穩(wěn)定的范德華作用，產(chǎn)生偏向納米織物制品102與任意一個(gè)電極接觸的非易失性狀態(tài)，使電路閉合，并與電極保持無(wú)限期接觸，而無(wú)需額外的力量。
第二個(gè)三跡線器件406(圖4B)允許納米織物發(fā)生非易失性或易失性偏向。如果納米織物制品102偏向電極410，則距離202足夠小，產(chǎn)生上述非易失性狀態(tài)。但是，如果納米織物制品102偏向電極408，則納米織物制品102與接觸電極408之間的間隙距離208較大，伸長(zhǎng)的納米織物制品102的應(yīng)變能克服了納米織物制品102與電極408之間的范德華作用；納米織物制品102僅僅構(gòu)成閉合電路的一部分，產(chǎn)生臨時(shí)“開(kāi)通”狀態(tài)，可回復(fù)到其非偏向的開(kāi)路狀態(tài)，產(chǎn)生“斷開(kāi)”狀態(tài)。
比較結(jié)構(gòu)400和406，前者可用作非易失性開(kāi)關(guān)，后者包含與間隙208相關(guān)的易失性開(kāi)關(guān)。在結(jié)構(gòu)406中，納米織物和電極408之間的間隙距離208較大，伸長(zhǎng)的納米織物的應(yīng)變能克服了織物與電極之間的范德華引力。納米織物構(gòu)成閉合電路的一部分，并回復(fù)到其非偏向的開(kāi)路狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)指出，納米織物與其他元件之間的范德華作用的效果可在其界面上受到影響。該效應(yīng)可得到加強(qiáng)或削弱；例如，通過(guò)在電極表面涂敷一薄層氧化物或其他合適的材料可削弱引力。削弱引力的目的是產(chǎn)生易失性納米開(kāi)關(guān)；這種易失性開(kāi)關(guān)特別適用于繼電器、傳感器、晶體管等。
結(jié)構(gòu)412(圖4C)示出了第三種三跡線器件，其中納米織物制品102與電極414和416之間的間隙距離208都足夠大，可形成上述易失性納米開(kāi)關(guān)。
在包含非易失性單元的某些實(shí)施方式中，“斷開(kāi)”和“開(kāi)通”狀態(tài)之間的電阻比很高?！皵嚅_(kāi)”和“開(kāi)通”狀態(tài)之間的電阻差異為識(shí)別結(jié)處于何種狀態(tài)提供了途徑。在一種方法中，在納米織物或電極上施加“讀出”電流，用“傳感放大器”在電極上測(cè)定通過(guò)結(jié)的電壓。如果讀數(shù)不是破壞性的，則表明單元保持其狀態(tài)，不需要半導(dǎo)體DRAM那樣的回寫(xiě)操作。如上面所暗示的，優(yōu)選實(shí)施方式中的三跡線結(jié)具有它們自身的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)使用三態(tài)存儲(chǔ)單元，一個(gè)給定單元可存儲(chǔ)或代表更多的信息。此外，即使只用一個(gè)“開(kāi)通”狀態(tài)，三跡線結(jié)也可提高切換速度，因?yàn)樗軌蛴脙蓚€(gè)導(dǎo)電跡線協(xié)同施力，通過(guò)機(jī)電方式移動(dòng)響應(yīng)納米織物102。
除了其他優(yōu)點(diǎn)外，圖3和4所示結(jié)構(gòu)(一般而言)有利于封裝和輸送，納米管技術(shù)單元也更容易置入其他電路和系統(tǒng)，如混和電路。電結(jié)構(gòu)的垂直性也有利于可堆疊存儲(chǔ)器層的生產(chǎn)和各種連接的簡(jiǎn)化。納米管小段較好夾在部分懸置納米織物制品上(上面和下面)。此外，納米織物制品宜連接到高導(dǎo)通性信號(hào)通路上。
本發(fā)明一方面涉及導(dǎo)電復(fù)合結(jié)的形成，其中合適的基體材料可置于納米管或納米織物纖維或其他多孔納米材料當(dāng)中和周?chē)?。這種結(jié)可提供所需的機(jī)械和/或電學(xué)性質(zhì)。例如，可加強(qiáng)納米織物和金屬接頭或活化點(diǎn)之間的電接觸，或者通過(guò)將金屬接頭用作嵌合納米織物管的基體材料來(lái)減小接觸電阻。另外，納米管與基體材料之間接觸的增大可促進(jìn)機(jī)械接觸，增加應(yīng)力。
截面圖5A-L總體上示出了生產(chǎn)基本上垂直的納米機(jī)電開(kāi)關(guān)的示例性方法?！按怪薄笔侵搁_(kāi)關(guān)元件基本上垂直于基材的主表面。這一點(diǎn)將在下面詳加闡述。保形納米管和/或納米織物材料制備這種器件具有一定的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)結(jié)果就是納米織物制品的長(zhǎng)度在某些實(shí)施方式中可減小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，當(dāng)制品的長(zhǎng)度如上所述減小時(shí)，載流納米織物制品的電阻也大為降低。
在圖5A中，提供了半導(dǎo)體基材501，它上面涂有絕緣層502，如二氧化硅或氮化硅。絕緣層502的厚度宜為幾個(gè)納米，但也可以達(dá)到1μm，取決于不同應(yīng)用所需的電學(xué)性質(zhì)。第二層504沉積在絕緣層502上。制備第二層504的材料的兩個(gè)非限制性例子是金屬和半導(dǎo)體；第二層具有頂表面506?？昭?07位于第二層504中?？昭?07可通過(guò)在第二層504中進(jìn)行反應(yīng)性離子蝕刻形成；空穴507由內(nèi)壁508和絕緣層502的外露頂表面510構(gòu)成。在某些實(shí)施方式中，第二層504的一部分保持空穴507底部具有導(dǎo)電性?；蛘?，可在頂表面506上提供絕緣層502，蝕刻頂表面形成空穴?？昭?07可預(yù)先制成溝槽或通孔的一部分，作為預(yù)加工步驟的一部分，例如作為形成電子器件的整體方案的一部分。
圖5B所示有由氮化硅或其他材料形成的第一絕緣層512，這些材料沉積在外露頂表面510和頂表面506上，形成中間結(jié)構(gòu)516的頂層514。根據(jù)一種實(shí)施方式，第一絕緣層512可在多晶硅、納米管和氧化硅或其他選定絕緣體上有選擇地加以蝕刻。第一絕緣層512可作為犧牲層，在下面各層之間形成間隙。絕緣層512的厚度在下面介紹中間結(jié)構(gòu)516時(shí)所述的范圍之內(nèi)。
圖5C所示有加在中間層516上的單層納米織物518，形成中間結(jié)構(gòu)520。納米織物518可通過(guò)納米管懸置液、氣溶膠化納米管懸置液的化學(xué)氣相沉積、旋涂或浸入懸置納米管溶液中進(jìn)行施涂。
納米織物層518適應(yīng)底絕緣層512，基本上符合空穴507的形狀。納米織物制品及其制備和使用方法的實(shí)例見(jiàn)前面提到的參考文獻(xiàn)。這樣得到的結(jié)構(gòu)520包含納米織物518的兩個(gè)垂直部分518a，它垂直于基材501的主表面。用這些基本上平行于溝道507側(cè)壁508的垂直部分形成的器件，例如納米開(kāi)關(guān)，稱(chēng)作“垂直”器件或開(kāi)關(guān)。
圖5D所示有施加在納米織物508上的第二絕緣層522。絕緣保護(hù)層524沉積在具有頂表面526的第二絕緣層522上，形成中間結(jié)構(gòu)528。絕緣保護(hù)層524沒(méi)有沉積在溝道的側(cè)壁上。舉例來(lái)說(shuō)，絕緣保護(hù)層524的厚度可以為100nm左右。涂敷絕緣保護(hù)層524，例如氧化物層的方法的非限制性例子是濺鍍或高密度等離子體沉積氧化硅。最佳厚度取決于具體應(yīng)用，要能保護(hù)絕緣層524以下各層免遭蝕刻或沉積。
圖5E所示有沉積在中間結(jié)構(gòu)528頂表面526上的多晶硅層530，它填充了空穴507中兩個(gè)壁508之間的空隙。多晶硅層530沉積的高度可高出頂表面526，以便在空穴507中引入適量多晶硅層，在中間結(jié)構(gòu)532中產(chǎn)生過(guò)量填注的狀態(tài)。隨后對(duì)多晶硅層530進(jìn)行平坦化操作，得到蝕刻的多晶硅534，含有氧化層524的頂表面526，如中間結(jié)構(gòu)536所示(圖5F)。
圖5G所示有用合適的方法蝕刻到第一深度538的多晶硅層534。產(chǎn)生這個(gè)深度的示例性方法是反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)，如中間結(jié)構(gòu)540所示；第一深度538在以后有助于確定懸置納米織物片段的邊緣。蝕刻多晶硅層534的厚度541取決于溝槽初始深度509；例如，所述深度可以在200nm-1μm范圍之內(nèi)，對(duì)于需要超高速機(jī)電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，深度宜小于200nm。此深度可用薄膜制備技術(shù)縮小，如本說(shuō)明書(shū)在其他地方以及所引文獻(xiàn)中提到的。
圖5H所示有沉積在中間結(jié)構(gòu)540外露表面上的氧化物層542。氧化物層的水平部分544覆蓋溝槽壁，垂直氧化層546覆蓋多晶硅層534的外露頂表面。水平氧化物層544用氧化物隔離蝕刻等方法除去，留下中間結(jié)構(gòu)550(圖5I)。
圖5J所示有蝕刻到第二深度552的多晶硅層534。第二深度552約比第一深度534深50nm。所形成的間隙554讓第二絕緣層522的部分區(qū)域露出來(lái)，如中間結(jié)構(gòu)556所示。
由于優(yōu)選的納米織物具有滲透性或孔性，納米管織物518A下面的第一絕緣層512的部分區(qū)域512A可通過(guò)濕法蝕刻等除去。至于從多孔織物下面除去材料的方法，本申請(qǐng)人已經(jīng)在上面提到的專(zhuān)利文獻(xiàn)中作過(guò)介紹。用合適的濕法蝕刻條件除去第一絕緣層512和第二絕緣層522后，留下具有垂直高度560的懸置納米織物558，如中間結(jié)構(gòu)562所示(圖5K)。濕法蝕刻可能留下伸出來(lái)的殘留物，因?yàn)闈穹ㄎg刻條件具有各向異性的特點(diǎn)?？刹捎酶煞ㄎg刻等其他技術(shù)，進(jìn)行各向同性蝕刻步驟。
垂直高度560由蝕刻過(guò)程確定。對(duì)于200nm的垂直高度560，第一絕緣層512和第二絕緣層522的厚度約為20nm，以提供間隙距離，從而產(chǎn)生兩種非易失性狀態(tài)。本發(fā)明的某些實(shí)施方式宜采用較小的垂直間隙，例如間隙高度為30nm。
將電極材料566沉積到溝槽507中，在電極材料566和懸置納米管材料558之間留下間隙568，如中間結(jié)構(gòu)570所示(圖5L)。
結(jié)構(gòu)570含有一對(duì)垂直懸置納米織物部分572，它們周?chē)谴怪遍g隙574、576。該結(jié)構(gòu)可作為一對(duì)雙態(tài)或三態(tài)開(kāi)關(guān)器件的基礎(chǔ)，下面將作解釋。開(kāi)關(guān)器件的行為受到懸置納米織物部分中的應(yīng)變和周?chē)拈g隙距離的影響，如本說(shuō)明書(shū)所討論的。同樣，用結(jié)構(gòu)570可得到許多結(jié)構(gòu)，包括普通電極(例如566)結(jié)構(gòu)。可將結(jié)構(gòu)570分成(左右)兩個(gè)獨(dú)立的部分，例如，垂直分界線垂直通過(guò)電極566，形成兩個(gè)可獨(dú)立操作的雙態(tài)或三態(tài)開(kāi)關(guān)。
在上述及其他實(shí)施方式中，所得器件和開(kāi)關(guān)的性質(zhì)取決于電極和接頭的結(jié)構(gòu)和排列，以及其他因素。請(qǐng)注意以下實(shí)施方式中各類(lèi)電極的結(jié)構(gòu)，它們顯示了這些器件在設(shè)計(jì)和構(gòu)思上的靈反應(yīng)性以及其潛在應(yīng)用的多樣性。例如，某些器件在一個(gè)以上的納米織物制品之間共用電極(例如兩個(gè)納米織物開(kāi)關(guān)元件受同一共用電極的影響)。其他器件具有獨(dú)立電極，控制著納米織物的性能。每個(gè)納米織物制品可用一個(gè)或多個(gè)電極控制制品，如所引用的題為《機(jī)電三跡線結(jié)器件》(Electromechanical Three-Trace Junction Devices，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/033323，提交于2001年12月28日)的文獻(xiàn)所提到的。
如果垂直高度560為200nm，第一絕緣層512和第二絕緣層522的厚度增加到50nm左右，某些器件類(lèi)型的納米開(kāi)關(guān)會(huì)在必要的偏壓下變成易失性開(kāi)關(guān)，因?yàn)槠虻募{米織物的應(yīng)變能高于使織物與金屬區(qū)504或電極566接觸的范德華力。第一絕緣層512和第二絕緣層522的厚度可進(jìn)行調(diào)整，為給定垂直間隙560產(chǎn)生非易失性或易失性狀態(tài)，按具有所需電學(xué)特性的特定應(yīng)用所需要的。
截面圖6所示為具有相繼的金屬化層的示例性結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)包含與納米織物518接觸的電極接頭602和通孔604，以及從四周和下面包繞機(jī)電開(kāi)關(guān)的毗鄰金屬層504，如中間結(jié)構(gòu)600所示。
截面圖7所示為具有相繼的金屬化層的示例性結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)在幾個(gè)方面類(lèi)似于中間結(jié)構(gòu)600。但是，絕緣層702將金屬層504各部分隔開(kāi)，因此金屬層504不包圍電氣機(jī)械開(kāi)關(guān)元件，避免了中間結(jié)構(gòu)600那樣的串?dāng)_。
截面圖8所示為具有相繼的金屬化層的示例性結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)類(lèi)似于結(jié)構(gòu)700。但是，納米織物層518不是連續(xù)的，而是在底部斷開(kāi)了，因此存在兩個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)802和804，它們之間沒(méi)有串?dāng)_，如中間結(jié)構(gòu)800所示。
截面圖9所示為具有相繼的金屬化層的示例性結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)類(lèi)似于中間結(jié)構(gòu)800；但是，它有兩個(gè)被絕緣層906所隔開(kāi)的中央電極902和904，而不是單個(gè)中央電極。因此，中間結(jié)構(gòu)900具有兩個(gè)納米機(jī)電開(kāi)關(guān)，它們可獨(dú)立操作。
截面圖10所示為具有相繼的金屬化層的示例性結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)類(lèi)似于中間結(jié)構(gòu)800和900，不同之處是它根本就沒(méi)有中央電極。在此實(shí)施方式中，納米織物開(kāi)關(guān)可與金屬層504接觸，形成易失性或非易失性開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)也可彼此接觸，形成易失性或非易失性開(kāi)關(guān)。
前面的實(shí)施方式所介紹的器件和制品只是起說(shuō)明的目的，其他技術(shù)也可用來(lái)形成同樣的器件或等同物。此外，所述制品可用其他實(shí)施方式中的其他類(lèi)型和形狀的材料的代替。例如，本發(fā)明的某些實(shí)施方式可用納米管代替金屬電極。實(shí)際上，用納米管和納米織物制品代替上述電極的器件同樣可以進(jìn)行制備。
在某些實(shí)施方式中，較好采用這種納米織物電極作為晶體管部分的接頭或作為晶體管的構(gòu)成部分，或者與后面的讀出放大器或?qū)ぶ愤壿嬰娐返慕宇^接觸或作為接頭的一部分，例如可參見(jiàn)題為《含有納米管機(jī)電存儲(chǔ)器的混和電路》(Hybrid Circuit Having Nanotube Electromechanical Memory)的美國(guó)專(zhuān)利10/379973。
增加電極可為本說(shuō)明書(shū)中所制備的開(kāi)關(guān)或器件提供額外的控制。例如，圖6包含兩個(gè)獨(dú)立電極，可以將垂直納米織物各部分推和/或拉到一起。在一套給定的參數(shù)下，間隙距離將決定所述器件是易失性還是非易失性的。
圖7包含3個(gè)獨(dú)立電極，為器件提供了額外的自由度(額外的豐富性、額外的信息存儲(chǔ)容量等)。圖8也包含3個(gè)電極。
圖9包含4個(gè)獨(dú)立電極，因?yàn)榉指羝?06將中央電極分成了兩個(gè)電極(902和904)。
圖10在溝道兩邊包含兩個(gè)電極，并用與頂部電極602相連的納米織物部分作為結(jié)構(gòu)1000的第三個(gè)電極。
如前所述，采用垂直排列的納米織物制品時(shí)，用薄膜技術(shù)得到的尺寸小于水平排列的納米織物制品中用平版印刷技術(shù)得到的尺寸。例如，回到圖1A，懸掛納米織物的跨度的尺寸T或者電極108的厚度小到若干納米(例如10-100nm)，并用薄膜技術(shù)形成。隨著這方面技術(shù)的發(fā)展，厚度T可小于10nm。因此，所述尺寸隨著薄膜技術(shù)成比例下降，而不是隨著平版印刷技術(shù)成比例下降。應(yīng)當(dāng)指出，長(zhǎng)度縮短的納米織物制品所采用的間隙距離也相應(yīng)減小。
圖11A-B所示為本發(fā)明具有氧化電極的實(shí)施方式。結(jié)構(gòu)1110具有基于納米織物的開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)在一個(gè)電極108的外露表面上具有一個(gè)絕緣層1112。(這種氧化電極的形成將在下面詳細(xì)介紹。)絕緣層1112可用來(lái)將開(kāi)關(guān)特性改為易失性狀態(tài)，或者為所需性能進(jìn)一步提供保障。圖11B所示為具有兩個(gè)相對(duì)電極的結(jié)構(gòu)，納米織物開(kāi)關(guān)位于這兩個(gè)電極之間。放在一個(gè)相對(duì)電極前表面上的絕緣層可用來(lái)防止納米織物元件中的不同纖維在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間同時(shí)與兩個(gè)電極(304、306)發(fā)生電接觸。這種接觸可防止或妨礙織物在兩種狀態(tài)之間的切換。
圖12和13是示例性保形納米織物的顯微圖。從這些圖中可以看出織物形成之后的樣子以及貼合在垂直和水平表面上的樣子。
優(yōu)選實(shí)施方式用納米管的膜、層或非織造織物制備，因而它們可形成各種有用的圖案組件、元件或制品。(這里“膜”、“層”或“非織造織物”統(tǒng)稱(chēng)作“織物”或“納米織物”。)由納米織物形成的組件保持形成它們的納米管和/或納米織物的所需物理性質(zhì)。此外，優(yōu)選實(shí)施方式允許采用現(xiàn)代制備技術(shù)(例如半導(dǎo)體生產(chǎn)中所用技術(shù))，并利用納米織物制品和器件。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式包括在納米織物中增加應(yīng)變的制品和方法，易失性和非易失性機(jī)電開(kāi)關(guān)具有可選結(jié)構(gòu)，包括具有易失性和非易失性狀態(tài)的三態(tài)或三跡線開(kāi)關(guān)。某些實(shí)施方式中的納米織物還提供了獨(dú)立的單元式制品，如存儲(chǔ)單元。
圖14是示例性納米管織物的透視圖。從圖中可以看到，織物可以具有高度多孔性的，看上去是若干根線，線之間有間隙。在此圖中，實(shí)際上有幾條納米織物帶，從左到右，彼此被沒(méi)有納米管的區(qū)域所隔開(kāi)?？梢宰⒁獾?，圖13所示織物同樣是高度多孔性的，有一些納米管跨在溝道上并接觸電極。在兩幅圖中，圖的分辨率受成像技術(shù)影響，所以直些納米管沒(méi)有聚焦好或者看不清。
還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍不限于上述實(shí)施方式，而是由所附的如權(quán)利要求決定，這些如權(quán)利要求涵蓋已述實(shí)施方式的變化形式和改進(jìn)形式。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)電器件，它包括具有主水平表面和在其中形成的溝道的結(jié)構(gòu)；位于溝道中的導(dǎo)電跡線；垂直懸置在溝道中的納米管制品，它與溝道的直立壁相隔，可發(fā)生水平指向或背向?qū)щ娵E線的機(jī)電偏向。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品具有垂直懸置程度，所述納米管制品的垂直懸置程度由薄膜工藝決定。
3.如權(quán)利要求2所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品的垂直懸置程度約為50nm或以下。
4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述導(dǎo)電跡線位于溝道的垂直壁中。
5.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品在兩端夾了起來(lái)，一端靠近溝道基底，另一端靠近溝道開(kāi)口。
6.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品夾住時(shí)，在納米管制品的一些納米管之間的多孔空間中有導(dǎo)電材料。
7.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品由多孔納米織物形成。
8.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品發(fā)生機(jī)電偏向，與導(dǎo)電跡線接觸，所述接觸為非易失性態(tài)。
9.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品發(fā)生機(jī)電偏向，與導(dǎo)電跡線接觸，所述接觸為易失性態(tài)。
10.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，它還包括位于溝道中的導(dǎo)電跡線，與納米管制品相隔，在納米管制品的機(jī)電偏向中與導(dǎo)電跡線協(xié)作。
11.如權(quán)利要求10所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米管制品與導(dǎo)電跡線和第二導(dǎo)電跡線中的至少一條是易失性狀態(tài)關(guān)系。
12.如權(quán)利要求10所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述納米制品具有兩個(gè)垂直延伸結(jié)構(gòu)，每個(gè)溝道的垂直壁具有一個(gè)垂直延伸結(jié)構(gòu)，其中所述器件包括獨(dú)立的第三導(dǎo)電跡線，相對(duì)于導(dǎo)電跡線和第二導(dǎo)電跡線可獨(dú)立操作。
13.如權(quán)利要求10所述的機(jī)電器件，其特征在于，它還包括第二納米管制品，其中所述器件包括獨(dú)立的第三導(dǎo)電跡線，相對(duì)于導(dǎo)電跡線和第二導(dǎo)電跡線可獨(dú)立操作，其中所述納米管制品垂直懸置且與導(dǎo)電跡線相隔，第二納米管制品垂直懸置且與第三導(dǎo)電跡線相隔，其中第二導(dǎo)電跡線位于納米管制品和第二納米管制品之間。
14.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，導(dǎo)電跡線位于溝道的垂直壁內(nèi)，所述器件還包括位于溝道中的第二和第三導(dǎo)電跡線，以及位于溝道另一垂直壁中的第四導(dǎo)電跡線，其中所述器件包括第二納米管制品，與第四導(dǎo)電跡線相隔，其中第一至第四導(dǎo)電跡線可獨(dú)立操作，至少一個(gè)納米管制品偏向至少一個(gè)導(dǎo)電跡線。
15.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，它還在溝道中包括第二導(dǎo)電跡線，所述導(dǎo)電跡線位于溝道的一個(gè)垂直壁中，第二導(dǎo)電跡線位于溝道的另一個(gè)垂直壁中，所述器件包括第二垂直懸置納米管制品，所述納米管制品與導(dǎo)電跡線相隔，第二納米管制品與第二導(dǎo)電跡線相隔。
16.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電器件，其特征在于，所述導(dǎo)電跡線包括絕緣涂層。
17.一種制造機(jī)電器件的方法，它包括提供一種結(jié)構(gòu)，它包括溝道和導(dǎo)電跡線，其中溝道含有兩個(gè)垂直壁和基底，導(dǎo)電跡線具有暴露于且平行于垂直壁的面；在導(dǎo)電跡線上提供犧牲材料；在犧牲層上提供納米管制品，并基本上貼合在溝道和犧牲材料的至少一個(gè)垂直延伸部分上；除去至少一部分犧牲材料，這樣納米管制品就垂直懸置，與導(dǎo)電跡線相隔。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述犧牲層沉積為薄膜，所述納米管制品的垂直懸置部分由薄膜沉積確定。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述納米管制品通過(guò)形成納米管織物，然后除去部分織物形成。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，它還包括除去犧牲材料之前在溝道中形成導(dǎo)電電極。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述納米管制品形成具有兩個(gè)垂直延伸結(jié)構(gòu)，平行于溝道的每個(gè)壁，導(dǎo)電電極位于兩個(gè)垂直延伸結(jié)構(gòu)之間。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，它還包括在除去犧牲材料之前在溝道中形成導(dǎo)電電極，所述犧牲材料在溝道的第二垂直壁中形成第二導(dǎo)電跡線，第二納米管制品形成為垂直懸置的，與一條導(dǎo)電跡線和第二垂直壁相隔。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，它還包括在溝道中形成第二導(dǎo)電電極。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，它還包括在溝道的第二垂直壁中形成第二導(dǎo)電跡線，并形成垂直懸置的第二納米管，所述納米管與第二導(dǎo)電跡線和第二垂直壁相隔。
全文摘要
介紹了采用垂直排列納米織物制品的機(jī)電開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)單元及其制備方法。機(jī)電器件具有包含主水平表面和在其中形成的溝道的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電跡線位于溝道中；納米管制品垂直懸置在溝道中，與溝道的垂直壁相隔。制品可發(fā)生機(jī)電偏向，水平朝向?qū)щ娵E線。在某些實(shí)施方式中，納米管制品的垂直懸置程度由薄膜工藝決定。在某些實(shí)施方式中，納米管制品夾住時(shí)，納米管制品的某些納米管之間的多孔空間中有導(dǎo)電材料。在某些實(shí)施方式中，納米管制品由多孔納米織物形成。在某些實(shí)施方式中，納米管制品可發(fā)生機(jī)電偏向，與導(dǎo)電跡線接觸，所述接觸為易失性態(tài)或非易失性態(tài)，取決于器件結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施方式中，垂直取向器件可形成不同形式的三跡線器件。在某些實(shí)施方式中，溝道可用于多個(gè)獨(dú)立的器件，或者用于共用一個(gè)電極的器件。
文檔編號(hào)B82B1/00GK1748321SQ200480003939
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月12日
發(fā)明者V·C·賈帕卡斯, J·W·沃德, T·呂克斯, B·M·塞加爾 申請(qǐng)人:南泰若股份有限公司