專利名稱：三維納米級(jí)交叉桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子裝置和電路，并且具體地涉及具有三個(gè)獨(dú)立尺寸 的納米級(jí)，混合納米級(jí)/微米級(jí)，以及混合納米級(jí)/亞微米級(jí)裝置和 電路，其中信號(hào)通路可以被路由，并且其中在通過(guò)內(nèi)部信號(hào)線互連 的結(jié)處可以制備電子部件。
相關(guān)政府聲明
本發(fā)明是在合同并MDA972-01-3-005下由政府支持進(jìn)行的，其被 授予DARPA Moletronics,該政府具有本發(fā)明中的一定權(quán)利'
背景技術(shù)：
最近，隨著通過(guò)傳統(tǒng)的基于光刻方法的電子裝置和電路的設(shè)計(jì)和 制造已經(jīng)開(kāi)始接近用以進(jìn)一步減小部件尺寸的物理極限，已經(jīng)發(fā)展 了用于制造納米級(jí)電子電路的可替代方法。納米線交叉桿 (nanowire-crossbar )技術(shù)是一種特別有前途的新方法，用于制造 具有顯著小于當(dāng)前可以通過(guò)光刻方法制造的亞微米級(jí)電路和部件的 尺寸以及相應(yīng)地大于所述亞微米級(jí)電路和部件的部件密度的電子電 路和裝置。
圖l描述了示范性納米線交叉桿。在圖1中的納米線交叉桿實(shí)施 簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器裝置.納米線交叉桿包括(l)第一組平行的納米線 102; ( 2)雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層104;以及(3 )垂直于第 一層的平行納 米線102的第二層的平行納米線106.在第一層的納米線102的納米 線和第二層的納米線106的納米線之間的最小分離或交叉的每一點(diǎn) 處的位存儲(chǔ)層104的每一個(gè)小的區(qū)域中存儲(chǔ)單個(gè)信息位，例如，在 圖1中用交叉影線示出的位存儲(chǔ)層104的小區(qū)域108，覆蓋在納米線 IIO之上，并且位于納米線112之下，與和該小區(qū)域相接觸的納米線 110和112的部分一起，形成充當(dāng)納米級(jí)存儲(chǔ)器中的單位存儲(chǔ)元件 114的納米線結(jié)。在多種納米級(jí)存儲(chǔ)器實(shí)施例中，單位存儲(chǔ)元件的內(nèi) 容，比如圖1中的單位存儲(chǔ)元件114，通過(guò)施加電壓或電流信號(hào)至納 米線的一個(gè)或兩個(gè)而被修改，所述納米線相互交叉以便形成單位存
儲(chǔ)元件，從而改變納米線結(jié)中雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層的物理狀態(tài)，比如電
阻率。在圖1中，例如，信號(hào)可被施加至納米線110和112的一個(gè) 或兩個(gè)，以便修改單位存儲(chǔ)元件114，如通過(guò)箭頭在圖1中所示的， 比如箭頭116,通常，沒(méi)有信號(hào)，或不同的信號(hào)被施加至剩余的納米 線，以便區(qū)別被尋址的單位存儲(chǔ)元件與全部其他單位存儲(chǔ)元件。在 多個(gè)實(shí)施例中，相對(duì)大振幅的信號(hào)被施加，以便實(shí)施寫(xiě)操作，其中 改變物理狀態(tài)，而相對(duì)較小振幅信號(hào)被施加，以便實(shí)施讀操作，其 中物理狀態(tài)通常不改變，而是代替地僅僅被確定。在讀操作中，通 過(guò)施加一個(gè)或多個(gè)信號(hào)至納米線交叉桿的納米線，由相互交叉以形 成單位存儲(chǔ)元件的兩個(gè)納米線的一個(gè)或兩個(gè)上的信號(hào)的存在、不存
在或強(qiáng)度來(lái)確定單位存儲(chǔ)元件的物理狀態(tài)。通過(guò)納米線交叉桿實(shí)施 的納米級(jí)存儲(chǔ)器可以被認(rèn)為是單位存儲(chǔ)元件的二維陣列，每一個(gè)單
別和唯一地尋址.在一些情況中，可以以單獨(dú)的操作訪問(wèn)二維納米 級(jí)存儲(chǔ)器中的單位存儲(chǔ)元件的整個(gè)行，列或較大的組.
圖1提供了示范性的納米線交叉桿的簡(jiǎn)單的示意性描述。盡管利 用矩形截面示出圖1中的各個(gè)納米線，但是納米線也可以具有圓形、 橢圓或多種復(fù)雜截面，并且納米線可以具有多種不同的寬度或直徑 和縱橫比或偏心率.可以利用壓印光刻，通過(guò)表面上的化學(xué)自組裝 和至襯底的轉(zhuǎn)移，通過(guò)合適位置處的化學(xué)合成，以及通過(guò)多種其他 技術(shù)，用金屬和/或半導(dǎo)電元素或化合物、摻雜的有機(jī)聚合物、復(fù)合 物材料、納米管和摻雜的納米管，以及用多種其他類型的導(dǎo)電和半 導(dǎo)電材料來(lái)制備納米線。在圖1中雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層104被示為兩組 平行納米線之間的連續(xù)層，但是可替代地可以是不連續(xù)的，或者可 以構(gòu)成納米線周圍的鞘狀的分子涂層，或納米線中的部件原子或分 子，而不是單獨(dú)層。雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層104也可以由很多種不同的金 屬的、半導(dǎo)電的、摻雜的聚合材料和復(fù)合材料構(gòu)成.
在圖1中示出的二維矩陣狀的納米級(jí)存儲(chǔ)器是利用納米線交叉 桿實(shí)施的最簡(jiǎn)單類型的電子裝置之一。納米線交叉桿也可以用于實(shí) 施可編程邏輯陣列，多路復(fù)用器和多路分離器，以及幾乎不限數(shù)量 的不同的特定的電子電路，在納米級(jí)存儲(chǔ)器中，雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層可 以是均勻的，且每一個(gè)納米線結(jié)例如起二極管的作用，但是在更復(fù)
雜的裝置中，多個(gè)不同類型的電子部件可能需要在不同的納米線結(jié) 處被實(shí)施.多種技術(shù)可以用于產(chǎn)生這些不同的電子部件，比如二極 管，電阻器，晶體管和導(dǎo)電連接，包括交叉桿中區(qū)域的化學(xué)掩蔽， 以便在每一個(gè)區(qū)域中的納米線結(jié)處制備一種類型的電子部件，或者 通過(guò)不確定的自組裝或不同類型的納米線的制備，利用不同的化學(xué) 涂層，其后是測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)和精心設(shè)計(jì)所得到的交叉桿中得 到的電子部件的類型和位置。用于改變納米線交叉桿中納米線結(jié)的 類型的這些技術(shù)和其他技術(shù)會(huì)顯著地增加納米線交叉桿制造的復(fù)雜 性和費(fèi)用，并且會(huì)顯著地減小可接受的裝置的產(chǎn)量。此外，它們通 常局限于將基本上二維裝置劃分成較小的二維部分，其每一個(gè)包括 可能不同類型的電子部件或結(jié)。
關(guān)于納米線交叉桿的各個(gè)納米線引線與亞微米級(jí)和微米級(jí)信號(hào) 線的互連以便將納米線交叉桿并入傳統(tǒng)的電子裝置，包括識(shí)別和處 理各個(gè)納米線，遇到了相當(dāng)大的問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題的一個(gè)解決方法 是采用具有與納米線交叉桿集成的微米級(jí)或亞微米級(jí)地址線的多路
分離器。圖2示出了與納米級(jí)/微米級(jí)多路分離器集成的納米線交叉 桿存儲(chǔ)器，以便允許納米線交叉桿存儲(chǔ)器的各個(gè)位存儲(chǔ)元件經(jīng)由微 米級(jí)或亞微米級(jí)地址線被唯一地訪問(wèn)，在圖2中，16xl6納米線交 叉桿202具有平行的納米線層，其中納米線延伸超過(guò)納米線交叉桿 陣列202的邊界，以便形成第一多路分離器204和第二多路分離器 206。多路分離器204包括從納米線交叉桿的第一平行納米線層延伸 的納米線，比如納米線208，被垂直的微米級(jí)或亞微米級(jí)源電壓線 210和四對(duì)212-215垂直的微米級(jí)或亞微米級(jí)地址線上覆或下復(fù)。由 納米線交叉桿的第二平行納米線層的延伸的納米線類似地實(shí)施第二 多路分離器206.在一些類型的實(shí)施方式中，比如在圖2中示出的實(shí) 施方式，地址線作為互補(bǔ)對(duì)出現(xiàn)，每一對(duì)表示多位地址的一位、其 反轉(zhuǎn)(inverse)，盡管在其他實(shí)施方式中，可以使用單獨(dú)的地址線. 通過(guò)四對(duì)地址線212-215的四位地址輸入足以為16個(gè)納米線的每一 個(gè)比如納米線208提供唯一的地址，并且同時(shí)至兩個(gè)多路分離器204 和206的每一個(gè)的四對(duì)地址線的兩個(gè)四位地址輸入可以從納米線交 叉桿陣列202中的256個(gè)納米線結(jié)中唯一地尋址特定的納米線結(jié). 多路分離器中亞微米級(jí)或微米級(jí)地址線/納米線結(jié)處的電子部件可
以是電阻器、二極管或晶體管，取決于被實(shí)施的多路分離器的類型， 并且取決于期望的多路分離器的操作特性.通常，在納米級(jí)存儲(chǔ)器
裝置的情況下，比如在圖2中示出的納米級(jí)存儲(chǔ)器裝置，亞微米級(jí) 或微米級(jí)地址線/納米線結(jié)處的電子部件不同于在納米線交叉桿中 的納米線結(jié)處制備的電子部件.在圖2中示出的納米級(jí)存儲(chǔ)器的制 備因此可以包括掩蔽和掩模對(duì)準(zhǔn)操作以化學(xué)地區(qū)別多路分離器區(qū)域 和納米線交叉桿，或者用于制備多路分離器區(qū)域中的一種類型的電 子部件和納米線交叉桿中的另一種類型的電子部件的其他技術(shù)。在 圖2中示出的存儲(chǔ)器裝置也具有明顯的缺陷該裝置的總面積為比 納米線交叉桿的總面積大三倍以上.此外，總裝置面積與納米線交 叉桿面積的比率隨著納米線交叉桿中的納米線的數(shù)量的增加而增 大。為此，納米級(jí)電子裝置的設(shè)計(jì)者、制造者、廠商和集成者，以 及最終這些裝置的使用者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到對(duì)可以利用盡可能大的部件密 度經(jīng)濟(jì)和有效地制造的納米線交叉桿和混合微米級(jí)/納米級(jí)交叉桿 的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例包括三維的、至少部分為納米級(jí)的電子電路 和裝置，其中可以在三個(gè)獨(dú)立的方向上路由信號(hào)，并且其中可以在 通過(guò)內(nèi)部信號(hào)線互連的結(jié)處制備電子部件，這些三維的、至少部分 為納米級(jí)的電子電路和裝置包括層，納米線或微米級(jí)或亞微米級(jí)/納 米線結(jié)，其每一個(gè)可被經(jīng)濟(jì)和有效地制備為一種類型的電子部件. 本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例包括納米級(jí)存儲(chǔ)器，納米級(jí)可編程陣列，納米 級(jí)多路復(fù)用器和多路分離器，以及幾乎不限數(shù)量的專用納米級(jí)電路 和納米級(jí)電子部件.


圖1描述了示范性的納米線交叉桿；
圖2示出了與納米級(jí)/微米級(jí)多路分離器集成的納米線交叉桿存 儲(chǔ)器，以便允許納米線交叉桿存儲(chǔ)器的各個(gè)位存儲(chǔ)元件通過(guò)微米級(jí) 或亞微米級(jí)地址線被唯一地訪問(wèn)；
圖3示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的 第一層；
圖4示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的 第一布線層；
圖5示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的 完整的第一多路分離器層；
圖6描述了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器的雙 穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層；
圖7示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器的，參 照?qǐng)D6在上面討論的雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層上的第二多路分離器層的笫一 部件；
圖8描述了為了在表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ) 器中互連第二多路分離器層的納米線與笫二多路分離器層的源電壓 線和地址線而形成的納米線結(jié)；
圖9示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的完整的、被完全布線的三 維納米級(jí)存儲(chǔ)器；
圖10示意性地示出表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的完整的納米級(jí)三 維存儲(chǔ)器中的層，并且示出通過(guò)這些層的示范性的信號(hào)通路.
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例包括三維納米級(jí)或混合納米級(jí)/微米級(jí)電路 和裝置，其中可以在三個(gè)獨(dú)立方向上路由信號(hào)，并且其中可以在通 過(guò)內(nèi)部信號(hào)線互連的結(jié)處制備電子部件，通過(guò)在三維上一層一層地 建立這些裝置，而不是跨越二維展開(kāi)該裝置，本發(fā)明的三維裝置可 以更經(jīng)濟(jì)和有效地制造.層的垂直堆疊減小了納米級(jí)部件或裝置的 總面積，并且可以引起明顯較短的信號(hào)通路，例如消除需要用于參 照?qǐng)D2在上面討論的存儲(chǔ)器裝置的實(shí)施的延伸的納米線.減少通過(guò) 納米線的信號(hào)通路，其通常顯示出高電阻率，可以大大降低納米級(jí) 電子裝置或部件的總電阻和熱輸出。通過(guò)施加不同的層間涂層可以 在每一層中制備不同的電子部件，而不需要復(fù)雜的、易出錯(cuò)的和昂 貴的掩蔽以及在二維電路和裝置中制備不同類型的電子部件所需的 掩模對(duì)準(zhǔn)過(guò)程， 一些專用類型的部件，比如用于將裝置的子區(qū)域彼 此隔離的切割器線(cutter wire)，可以在單獨(dú)層中一起被制備，
大大筒化了這類部件的識(shí)別和激勵(lì)。最后，通過(guò)笫三個(gè)獨(dú)立維度提 供的設(shè)計(jì)和實(shí)施方式的自由度可以允許設(shè)計(jì)和制備以二維不能被設(shè) 計(jì)和制備或僅在不可接受的高成本下可以二維設(shè)計(jì)和制備的復(fù)雜部 件和裝置.
本發(fā)明涉及納米級(jí)交叉桿和交叉桿狀電路和裝置。這些裝置是納
米級(jí)的，因?yàn)樗鼈儼ǖ奶卣?，比如信?hào)線，具有小于100納米的 寬度，或者在特定情況下，小于10納米，并且在最高分辨率電路和 裝置中，小于5納米.這些裝置可以是尺寸混合的，除了納米級(jí)部
件之外還包括較大的部件，這些電路和裝置的總尺寸可以在亞微米 級(jí)，微米級(jí)或更大的范圍中。在下面的討論中，術(shù)語(yǔ)"納米線結(jié)" 指的是在納米線和另一個(gè)導(dǎo)電部件的交叉處的結(jié)，所述另一個(gè)導(dǎo)電 部件比如是第二納米線、亞微米級(jí)或微米級(jí)信號(hào)線、或多種尺寸的 任何一種的其他部件.因此，術(shù)語(yǔ)"納米線結(jié)"，
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是納米級(jí)存儲(chǔ)器，該納米級(jí)存儲(chǔ)器通過(guò)兩個(gè) 多路分離器界面連接至微米級(jí)或亞微米級(jí)地址線和源電壓線，相當(dāng)
于參照?qǐng)D2在上面討論的類型的納米級(jí)存儲(chǔ)器。在下面將表示本發(fā) 明的一個(gè)實(shí)施例的三維的、多層納米級(jí)存儲(chǔ)器討論為步進(jìn)式的實(shí)施 方式，盡管沒(méi)有關(guān)于具體的實(shí)施方式細(xì)節(jié)要求本發(fā)明的三維納米級(jí) 存儲(chǔ)器的權(quán)利，步進(jìn)式的討論用于清楚地描述和區(qū)別三維納米級(jí)存 儲(chǔ)器的各個(gè)層.
圖3示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的 第一層。第一層302是襯底，比如用于傳統(tǒng)的微米級(jí)或亞微米級(jí)集 成電路的標(biāo)準(zhǔn)的涂覆有二氧化硅的硅襯底。表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例的三維存儲(chǔ)器可以被獨(dú)立地制備，以包括在較大的裝置中或單獨(dú)
使用，或者可以被制備在傳統(tǒng)的電路內(nèi)，比如利用集成電路處理器 實(shí)施方式，以便增強(qiáng)具有極其高密度的納米級(jí)存儲(chǔ)器的傳統(tǒng)的集成 電路。通常，襯底304的表面被平面化，并且包括接觸焊盤(pán)306-313, 以便制備外部信號(hào)線與三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的兩個(gè)多路分離器層內(nèi) 部的源電壓線和地址線的互連。在下面參照?qǐng)D3-10討論的示范性的 三維納米級(jí)存儲(chǔ)器對(duì)每一個(gè)多路分離器層采用三個(gè)地址線和一個(gè)源 電壓線，因此支持三位地址，其足以唯一地尋址納米線交叉桿存儲(chǔ) 器中的平行納米線層的八個(gè)納米線的每一個(gè)，并且足以唯一地訪問(wèn)64個(gè)單位存儲(chǔ)元件的任何一個(gè)，當(dāng)兩個(gè)地址同時(shí)輸入至兩個(gè)多路分 離器的每一個(gè)時(shí).在一些實(shí)施方式中，包括比最少所需的更多數(shù)量 的尋址線和/或納米線，以便通過(guò)具有可用于后期制備結(jié)構(gòu)的冗余的 納米線和地址線來(lái)防止不可避免的缺陷。
圖4示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的 第一布線層。如通過(guò)比較圖4與圖3可以看出的，源電壓線402和 三個(gè)地址線404-406，全部彼此平行，已被跨越襯底的表面水平放 置，每一個(gè)與相應(yīng)的接觸互連.源電壓線402和三個(gè)地址線404-406 可以是通過(guò)傳統(tǒng)的光刻方法制備的亞微米級(jí)或微米級(jí)信號(hào)線，或者 可以是通過(guò)壓印光刻或多種其他技術(shù)制備的納米級(jí)線。如同參照?qǐng)D2 討論的二維納米級(jí)存儲(chǔ)器，這些微米級(jí)、亞微米級(jí)或納米級(jí)線以及 隨后討論的其他信號(hào)線可以由多種不同類型的基本金屬(elemental metal)的任何一種、金屬或半導(dǎo)電化合物、合金、摻雜的有機(jī)聚合 物、或多種其他導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料制備。
圖5示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的 完整的第一多路分離器層。該下一個(gè)邏輯層包括一組8個(gè)平行的納 米線502-509。納米線502-509垂直于先前討論的源電壓線402和三 個(gè)地址線404, 405和406.通過(guò)在圖5中表示的二極管結(jié)，并且在 隨后的圖中，通過(guò)錐形元件，比如納米線502和地址線406之間的 交叉處的二極管結(jié)510，納米線選擇性地與地址線404-406連接。全 部八個(gè)納米線502-509與在圖5中表示的導(dǎo)電互連互相連接，并且 在隨后的圖中是借助短圃柱形部分的，比如表示納米線509和源電 壓線402之間的導(dǎo)電連接的短圓柱形部分512.根據(jù)被實(shí)施的交叉桿 存儲(chǔ)器的類型，地址線可以是成對(duì)的互補(bǔ)線，以及在圖5中示出的 二極管結(jié)，并且在隨后的圖中，可以表示一對(duì)的非倒置的 (uninverted)地址線和上覆的納米線之間的結(jié)，且暗示著，在沒(méi) 有示出二極管結(jié)的情況下，納米線通過(guò)二極管互連至該對(duì)的倒置的 地址線.在其他情況下，采用電阻器或晶體管結(jié).在圖5中使用的 說(shuō)明慣例，并且在隨后的圖中，意味著表示合適的結(jié)被包括以便提 供每一個(gè)納米線的唯一的可尋址能力。例如，在圖5中示出的二極 管結(jié)的圖案意味著對(duì)八個(gè)納米線502-509的每一個(gè)存在唯一的三位 地址，使得每一個(gè)納米線可通過(guò)地址線4Q4-4G6唯一地尋址。
可以通過(guò)多個(gè)不同的可能技術(shù)形成二極管結(jié)和導(dǎo)電互連，包括多 級(jí)壓印光刻，對(duì)地址線和納米線施加配置電壓，通過(guò)化學(xué)沉積，或
通過(guò)其他工藝。二極管結(jié)和互連結(jié)在閨5中呈現(xiàn)為構(gòu)成納米線502-509與源電壓和地址線402和406之間的單獨(dú)層，盡管如上面討論 的，這些結(jié)可被實(shí)施為單獨(dú)的涂層或?qū)?，或被?shí)施為施加至納米線 和/或地址線的鞘狀涂層，乃至納米線和/或源電壓線和地址線的元 素或分子部件.
圖6描述了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器的雙 穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層.如圖6中所示，已經(jīng)在參照?qǐng)D5討論的第一多路分 離器層上添加雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層602,雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層可以被實(shí)施為單 獨(dú)的涂層或膜，或者可替代地可以被實(shí)施為施加至納米線的涂層或 鞘(sheath),或者甚至被實(shí)施為納米線的元素或分子部件.雙穩(wěn) 態(tài)位存儲(chǔ)層通常是允許在兩個(gè)不同的穩(wěn)定的物理狀態(tài)中穩(wěn)定地編碼 位值的雙穩(wěn)態(tài)層，如參照?qǐng)Dl在上面討論的.
圖7示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器的在 參照?qǐng)D6在上面討論的雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層上的笫二多路分離器層的第 一部件。如圖7中所示的，平行地、跨越雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層602的上 表面、垂直于第一多路分離器層的納米線(在圖5中的502-509 )實(shí) 施八個(gè)納米線702-709。如參照?qǐng)Dl在上面討論的，雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層 的每一個(gè)小區(qū)域，比如在第二多路分離器層的納米線709與第一多 路分離器層的納米線509的交叉處的小區(qū)域710，充當(dāng)存儲(chǔ)器的單位 存儲(chǔ)元件。
圖8描述了為了互連表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維納米級(jí)存 儲(chǔ)器中第二多路分離器層的納米線與第二多路分離器層的源電壓線
和地址線而形成的納米線結(jié)，這些結(jié)在圖8中被示為單獨(dú)的層，但 是如上面討論的，這些結(jié)還可以由單獨(dú)的涂層、膜、或其他層，或 者由納米線和/或地址線上的涂層、或者甚至由納米線和/地址線和 源/電壓線的元素和分子部件來(lái)實(shí)施。注意，制備的二極管元件的圖 案，比如二極管元件802,暗示著對(duì)八個(gè)納米線(在圖7中的702-709 )的每一個(gè)的唯一的可尋址能力.
圖9示出了表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的完整的完全布線的三維 納米級(jí)存儲(chǔ)器。如圖9中示出的，源電壓線902和三個(gè)地址線904-
906已經(jīng)被添加，以便充當(dāng)源電壓和三位地址栽體，以便根據(jù)三位輸 入地址選擇納米線.納米線702-709,源電壓線902和地址線904-906連同二極管與連接它們的導(dǎo)電互連結(jié)一起包括表示本發(fā)明的一 個(gè)實(shí)施例的納米級(jí)、三維存儲(chǔ)器的第二多路分離器層。還需要指出， 在表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的納米級(jí)、三維存儲(chǔ)器中的最高水平處 再次出現(xiàn)接觸310-313.在一些實(shí)施例中，這些連接可以被假定為跨 越納米級(jí)、三維存儲(chǔ)器的各層向下直到村底，或者在可替代的實(shí)施 例中，可以位于上表面上，以便允許與外部信號(hào)線和接口的互連。 類似的考慮應(yīng)用于接觸306-309.
因此，表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的完整的三維納米級(jí)存儲(chǔ)器包括 第一多路分離器層，納米級(jí)交叉桿存儲(chǔ)器層和第二多路分離器層， 全部被一個(gè)在另一個(gè)之上地堆疊，以便形成三維裝置.圖10示意性 地示出表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的完整的納米級(jí)三維存儲(chǔ)器中的 層，并且示出通過(guò)層的示范性的信號(hào)通路.信號(hào)可以通過(guò)納米線結(jié) 1004從較低水平地址線1002傳送至笫一納米線1006、第一多路分 離器層的所有部分。從該第一納米線1006，該信號(hào)可以通過(guò)單位存 儲(chǔ)元件1008傳送至第二納米線1010，雙穩(wěn)態(tài)位存儲(chǔ)層，以及界面連 接的納米線，其構(gòu)成三維納米級(jí)存儲(chǔ)器中的第二層，并且通過(guò)第二 二極管結(jié)1012從第二納米線1010傳送至第二多路分離器層的第二 地址線1014。因此，如由在圖10中示出的多段信號(hào)通路1016所示 的，除了在具有二維陣列狀尋址的傳統(tǒng)的交叉桿或交叉桿狀裝置中 遇到的二維水平和垂直信號(hào)通路以外，非線性信號(hào)通路還可以在笫 三、垂直維度上橫過(guò)三維納米級(jí)存儲(chǔ)器.互連地址線至三維納米級(jí) 存儲(chǔ)器裝置中的納米線的納米線的段明顯短于參照?qǐng)D2討論的二維 納米級(jí)存儲(chǔ)器裝置中的，基本上為結(jié)的長(zhǎng)度.此外，二極管和互連 狀的電子部件全部出現(xiàn)在第一多路分離器層和第二多路分離器層 中，而存儲(chǔ)器位存儲(chǔ)元件出現(xiàn)在三維納米級(jí)多路復(fù)用器的雙穩(wěn)態(tài)位 存儲(chǔ)層中。由于不同類型的結(jié)可與裝置中的不同層隔離，因此可以 避免昂貴的掩蔽和掩模對(duì)準(zhǔn)步驟。
本發(fā)明的三維納米級(jí)電路和裝置在多個(gè)不同的方面中是三維 的.首先，可以在三個(gè)獨(dú)立的方向上在這些電路和裝置中制備非線 性的信號(hào)通路，而不是僅在比如參照?qǐng)D2討論的納米級(jí)存儲(chǔ)器的基
本二維的裝置的兩個(gè)獨(dú)立方向上.例如，在圖2中示出的納米級(jí)存 儲(chǔ)器中，信號(hào)通路可以被任意構(gòu)造成訪問(wèn)裝置的平面中的特定位 置，但一旦選擇位置或單位存儲(chǔ)元件，信號(hào)就僅在單獨(dú)的垂直通路 段中垂直地通過(guò)單位存儲(chǔ)元件傳送.相比之下，如圖10中示出的， 除了特定層的平面中的段之外，信號(hào)通路還可以由多個(gè)垂直的段構(gòu) 造。其次，在三維納米級(jí)電路和裝置中可以在三個(gè)獨(dú)立的方向上一 起互連納米線結(jié)，而不是在當(dāng)前的基本二維的電路和裝置中在兩個(gè) 方向上。最后，本發(fā)明的三維裝置可以包括任意數(shù)量的功能性不同 的層，每一個(gè)具有與在鄰接層中不同類型的納米線結(jié)或其他納米級(jí) 特征.
盡管已經(jīng)根據(jù)具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但并不旨在將本發(fā)明限 制在這些實(shí)施例.在本發(fā)明的精神內(nèi)的修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯 而易見(jiàn)的.例如，可以應(yīng)用用于構(gòu)造在上面關(guān)于三維納米級(jí)存儲(chǔ)器 討論的三維多層納米級(jí)電子裝置的一般方法來(lái)構(gòu)造基本上不限數(shù)量 的不同類型的裝置，包括可編程陣列、多路復(fù)用器、多路分離器、 組合邏輯和存儲(chǔ)器電路，以及任何數(shù)量的專用電路和裝置.不同類
型的納米級(jí)三維裝置和電路可能需要不同數(shù)量的層，每一層具有不 同的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、組織和其他可利用的特征。作為一個(gè)具體的 例子，特定類型的納米線，被稱作"切割器線"，可被包括在傳統(tǒng) 的二維納米線交叉桿中，以便允許通過(guò)化學(xué)或電子地切割一個(gè)或多 個(gè)切割器線來(lái)劃分交叉桿。不幸的是，對(duì)給定的應(yīng)用識(shí)別合適的切 割器線，以及為了切割切割器線而施加必需的刺激物可以是有問(wèn) 題，并且會(huì)顯著地增大利用切割器線制備的裝置的成本。相比之下， 一個(gè)或多個(gè)切割器線層可被包括在多層、三維納米級(jí)裝置中，消除 了對(duì)各個(gè)切割器線的精確識(shí)別，以及專用的掩蔽和掩模對(duì)準(zhǔn)操作的 需要。如上面討論的，可以由幾乎不限數(shù)量的不同材料制備納米線， 亞微米級(jí)和微米級(jí)地址線，源電壓線和其他部件，所述材料包括基 本金屬，金屬合金，導(dǎo)電聚合物，復(fù)合材料，半導(dǎo)體以及其他導(dǎo)電 或半導(dǎo)電材料和化合物.用于制備納米線的技術(shù)包括自組裝和從表 面轉(zhuǎn)移，在適當(dāng)?shù)奈恢没瘜W(xué)合成，壓印光刻和其他技術(shù)。用于制備 具體類型的納米線結(jié)的技術(shù)包括沉積特定化學(xué)成分的特定層，電子 或化學(xué)地訪問(wèn)結(jié)以配置具體類型的納米線結(jié)，以及其他技術(shù).也可
以通過(guò)改變納米線交叉的幾何形狀和距離來(lái)制備不同類型的結(jié)。三 維納米級(jí)電路和裝置可被界面連接至較大的電路和裝置，并且被包 括在較大的電路和裝置中，在尺寸上不管是納米級(jí)，混合微米級(jí)/納 米級(jí)，還是傳統(tǒng)的亞微米級(jí)或微米級(jí)。
為了解釋的目的，前面的描述使用具體的名稱來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的 完全理解。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，為了實(shí)踐 本發(fā)明，不需要具體的細(xì)節(jié).為了解釋和描述而提出本發(fā)明的具體 實(shí)施例的前面描述，它們并不旨在是詳盡的或者將本發(fā)明限制于公 開(kāi)的精確形式。明顯地，考慮到上面的教導(dǎo)，多種修改和變形是可 能的.示出和描述這些實(shí)施例是為了最佳解釋本發(fā)明的原理和它的 實(shí)際應(yīng)用，從而允許本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員最佳地利用本發(fā)明和具 有適用于預(yù)期的具體應(yīng)用的多種修改的多種實(shí)施例.本發(fā)明的范圍 旨在由下面的權(quán)利要求及其等價(jià)物來(lái)限定。
權(quán)利要求
1、一種三維納米級(jí)電子裝置，包括第一功能層，包括納米線(502-509)和第一類型的納米線結(jié)(510)；以及一個(gè)或多個(gè)附加功能層，包括納米線(702-709)和一個(gè)或多個(gè)附加類型的納米線結(jié)(802)，第一功能層和一個(gè)或多個(gè)附加功能層通過(guò)納米線、納米線結(jié)、微米級(jí)信號(hào)線、以及亞微米級(jí)信號(hào)線的一個(gè)或多個(gè)互連。
2、 權(quán)利要求1的三維納米級(jí)電子裝置，其中可以在三個(gè)獨(dú)立的 方向上制備信號(hào)通路(1016).
3、 權(quán)利要求1的三維納米級(jí)電子裝置，其中第一功能層和該一 個(gè)或多個(gè)附加功能層均包括通過(guò)選擇性制備的納米線結(jié)(510， 802 ) 與附加特征互連的多重平行納米線(502-509和702-709 ).
4、 權(quán)利要求3的三維納米級(jí)電子裝置，其中所述附加特征包括 下述中的一個(gè)或多個(gè)納米線；微米級(jí)線；亞微米級(jí)線；接觸(306-313 );以及電子部件，包括晶體管、電阻器、二極管、以及互連.
5、 權(quán)利要求1的三維納米級(jí)電子裝置，進(jìn)一步包括第一多路分離器層； 納米線交叉桿存儲(chǔ)器(602 );以及 第二多路分離器層。
6、 權(quán)利要求6的三維納米級(jí)電子裝置，進(jìn)一步包括接觸(306-313 )，其允許外部信號(hào)和源電壓線與三維納米級(jí)電 子裝置互連.
7、 一種用于實(shí)施納米級(jí)裝置的方法，該方法包括 制備包括納米線(502-509 )和第一類型的納米線結(jié)(510)的第一功能層；以及對(duì)于一個(gè)或多個(gè)附加功能層， 制備包括納米線(702-709 )和一個(gè)或多個(gè)附加類型的納米線結(jié)(802 )的下一功能層，以及提供通過(guò)納米線、納米線結(jié)、微米級(jí)信號(hào)線、以及亞微米級(jí)信 號(hào)線的一個(gè)或多個(gè)在該下一功能層和前面功能層之間的互連。
8、 權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括在每一個(gè)功能層中制備通過(guò) 選擇性制備的納米線結(jié)(510， 802 )與附加特征互連的多重平行納 米線(502-509和702-709 ),
9、 權(quán)利要求7的方法，其中納米級(jí)裝置是存儲(chǔ)器裝置，并且進(jìn) 一步包括制備第一多路分離器層；在第一多路分離器層上制備納米線交叉桿存儲(chǔ)器(602 );以及在納米線交叉桿存儲(chǔ)器上制備第二多路分離器層，
10、 權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括制備允許外部信號(hào)和源電壓線與存儲(chǔ)器裝置互連的接觸(306-313),
全文摘要
本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例包括三維的、至少部分為納米級(jí)的電子電路和裝置，其中可以在三個(gè)獨(dú)立的方向上路由(1016)信號(hào)，并且其中可以在通過(guò)內(nèi)部信號(hào)線(502-509和702-709)互連的結(jié)(510，802)處制備電子部件。所述三維的、至少部分為納米級(jí)的電子電路和裝置包括層，納米線或微米級(jí)或亞微米級(jí)/納米線結(jié)，其每一個(gè)可被經(jīng)濟(jì)和有效地制備為一種類型的電子部件。本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例包括納米級(jí)存儲(chǔ)器，納米級(jí)可編程陣列，納米級(jí)多路復(fù)用器和多路分離器，以及幾乎不限數(shù)量的專用納米級(jí)電路和納米級(jí)電子部件。
文檔編號(hào)G11C13/02GK101167137SQ200680013948
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月25日
發(fā)明者P·J·屈克斯, R·S·威廉斯 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司