JP3802760B2 - 少なくとも1つのナノエレクトロニクス素子をもつ回路アセンブリおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【0001】
ますます高い実装密度をもつ回路アセンブリを生み出すため、回路アセンブリの素子の寸法はおそらく近々のうちに僅か数ナノメーターになることであろう。そのようないわゆるナノエレクトロニクス素子のひとつに、例えば、単一電子によるスイッチングプロセスを実現する単一電子素子がある。
【0002】
C.D.Chen他の「アルミニウム単一電子不揮発性フローティングゲート・メモリーセル(Aluminium single−electron nonvolatile floating gate memory cell)」Appl.Phys.Lett.71(14)(1997)2038には、主にアルミニウムから製造される単一電子トランジスタの記述がある。
【0003】
ナノエレクトロニクス素子としては、生物学上の神経細胞あるいは分子エレクトロニクス構造であることもある(例えば、C.M.Fischer他の「有機量子井戸:分子整流および単一電子トンネル効果(Organic Quantum Wells:Molecular Rectification and Single−Electron Tunnelling)」、Europhys.Lett.28、129(1994))。
【0004】
一般的には、従来のCMOS素子(CMOSコンポーネント、CMOS−Bauelemente)とは全く異なる技術で製造されるナノエレクトロニクス素子が提案されている。
【0005】
F.G.Pikus他の「ナノスケール電界効果型トランジスタ:極限サイズ分析(Nanoscale field−effect transistors:An ultimate size analysis)」、Appl.Phys.Lett.71(25)(1997)3661では、ナノエレクトロニクスCMOS素子が研究されている。
【0006】
K.Yano他の「微粒ポリクリスタルシリコンを使用する室温単一電子メモリーデバイス(A Room−Temperature Single−Electron Memory Device Using Fine−Grain Polycrystalline Silicon)」、IEDM(1993)541では、1つのトランジスタから成るナノエレクトロニクス・メモリーセルが知られている。トランジスタのソース/ドレイン/チャンネル領域は、4nm厚さのアモルファス・シリコン層の構成により形成される。シリコン層の粒子は約10nmの水平寸法を有する。チャンネル領域およびトランジスタのゲート電極はSiO2 により囲まれている。トランジスタが低電流で駆動されると、チャンネル領域に狭いチャンネルが形成される。この狭いチャンネルは、粒子の連鎖から成り、その粒子の間を単一電子が突き抜ける。トランジスタのしきい値電圧はEEPROMに応じて変えることができ、このことはメモリーセルのプログラミングに対応する。例えば、ロジック1のプログラミングをおこなうためには、コントロール・ゲート電極として機能するゲート電極における電圧を、電子がチャンネル外にあるチャンネル領域粒子に跳躍し、そこに留まるように高める。帯電粒子は、EEPROMのフローティング・ゲート電極に応じて機能するので、その結果、トランジスタのしきい値電圧が変化することになる。
【0007】
本発明の課題は、少なくとも1つのナノエレクトロニクス素子を有する別の回路アセンブリを示すことである。さらに、その製造方法を示すことを課題とする。
【0008】
この課題は、少なくとも1つのCMOS素子が回路アセンブリの一部を成し、半導体基板に設けられる少なくとも1つのナノエレクトロニクス素子を備える回路アセンブリにより解決される。その半導体基板には、そのCMOS素子を覆う絶縁層が設けられる。絶縁層の上方に、そのナノエレクトロニクス素子が設けられる。この絶縁層には、CMOS素子とナノエレクトロニクス素子との連結をおこなう、少なくとも1つの導電構造部が設けられる。
【0009】
本発明の課題は、さらに、少なくとも1つのナノエレクトロニクス素子をもつ回路アセンブリの製造方法により解決される。この製造方法では、半導体基板に、回路アセンブリの一部である少なくとも1つのCMOS素子が、CMOS工程(CMOS−Verfahren)により形成される。CMOS素子形成後、半導体基板にはCMOS素子を覆う絶縁層が被せられる。絶縁層には導電構造部が形成され、CMOS素子に連結される。絶縁層の上方には、ナノエレクトロニクス素子が、絶縁層を介してCMOS素子と連結するように、ナノ構造化技術(Nano−Strukturierungstechnik)により形成される。
【0010】
CMOS素子がナノエレクトロニクス素子の下に設けられているので、この回路アセンブリは高度の実装密度を有する。
【0011】
本発明は、マイクロエレクトロニクス製品へのナノエレクトロニクス素子の集積を実現化するものである。
【0012】
このナノエレクトロニクス素子は、CMOS素子の形成が終わってからはじめて形成されるのであるから、CMOS素子の形成のための製造工程により害を受けない。ナノ構造化技術は従来のCMOS工程とは異なっていても差し支えない。
【0013】
この回路アセンブリはさらに別のナノエレクトロニクス素子を含むことができる。実装密度を高めるため、ナノエレクトロニクス素子は極力密に隣接して設けられる。導線により互いに連結されている、ある一定数のナノエレクトロニクス素子では、高密度の配置は導線の短縮化をもたらす。このことは、導線の抵抗が低下するという利点をもたらす。
【0014】
このことは、まず一方において、回路アセンブリにおけるエネルギ損失を少なくする。他方、導線の抵抗とキャパシタンスとの積、いわゆるRCタイムも小さくなるので、導線の電圧変化はより迅速化され、回路アセンブリの開閉がより速くなる。
【0015】
多数のナノエレクトロニクス素子であっても短い導線を実現するために、ナノエレクトロニクス素子をナノ回路ブロックにグループ分けすることが適切である。ナノ回路ブロックとは、ナノメートル幅の断面をもつ導線によって上下に重なり合って連結されているナノエレクトロニクス素子集団の配列アセンブリのことである。グループ分けにより回路アセンブリの導線の数は増えるけれども、導線はより短くなる。しかも、グループ分けは回路アセンブリからの熱排除を容易にする。
【0016】
ナノ回路ブロックはそれぞれ小さいことが特徴であり、その導線のRCタイムは1nsよりも大きくない。ナノ回路ブロックは、導電構造部および絶縁層に設けられる別の導電構造部を通じて、CMOS素子を含んでいるCMOS回路(CMOS−Schaltung)に連結している。特に、各ナノ回路ブロックは、導電構造部の少なくとも1つを通じてCMOS回路に連結している。この点が本発明のさらなる利点である。すなわち、CMOS回路はナノ回路ブロックの下に設けられていて、例えば、ナノ回路ブロックの横に設けられているのではないので、導電構造部群は、ナノ回路ブロックが設けられる2次元の平面にではなく、少なくとも部分的にはその面に対して垂直に並んでいる。その結果、導電構造部のスペースは余裕をもつので、ナノ回路ブロックは僅かの間隔で互いに配置されうることになり、比較的高い実装密度がもたらされる。特に、ナノエレクトロニクス素子を複数のナノ回路ブロックにグループ分けするとなれば、導電構造部が余裕のスペースを提供することがなおさら重要であろう。すなわち、各ナノ回路ブロックは別々にCMOS回路に連結されるので、多くの小さいナノ回路ブロックは通常、大きいナノ回路ブロックよりも多くの導電構造部を必要とする。
【0017】
CMOS回路は、例えば、ナノ回路ブロックの第1の制御回路にすることができる。
【0018】
ナノ回路ブロックに連結される導電構造部の数を減らすために、ナノ回路ブロックと第1の制御回路との間に接続される第2の制御回路を各ナノ回路ブロックに接して配置することが適切である。第2の制御回路は、第2の制御回路に連結される導電構造部の数が導線の数よりも少なくなるように、ナノ回路ブロックの導線を統合する。導電構造部は第1の制御回路を第2の制御回路に連結する。このような階層的構成は導電構造部の密度を低くするので、寸法的余裕のあるCMOS回路を形成することができる。第2の制御回路は、例えば、ナノ回路ブロックをつくるナノ構造化技術で形成すればよい。
【0019】
ナノ回路ブロックは、例えば、メモリーセルアセンブリ(Speicherzellen−Anordnungen)であってよい。メモリーセルは、例えば、C.D.Chen他(前述)の方法で形成すればよい。第2の制御回路は、例えば、単一電子トランジスタ群を含んでいる。第2の制御回路は、ビット線信号がシーケンシャルに第1の制御回路に転送されるように、ナノ回路ブロックのビット線を統合することができる。第1の制御回路により、ナノ回路ブロックのどれがアドレス指定されるかが決定される。
【0020】
CMOS回路のCMOS素子の相互連結、そしてナノ回路ブロックとの連結のために、第1の絶縁層に導電構造部の一部である1つ又は複数のメタライズ層(Metallisierungsebenen)を設けることができる。同様に導電構造部の一部であるコンタクトが絶縁層に設けられ、第1の制御回路がメタライズ層に、あるいはメタライズ層が第2の制御回路に連結される。
【0021】
メタライズ層は、まず絶縁層下部に被せて形成することができる。絶縁層下部の中には、CMOS回路に境界を接しているコンタクトである第1のコンタクトが形成される。絶縁層下部の上には、導電材料を被せ、構造化することにより、メタライズ層が形成される。次いで絶縁層上部が被せられる。絶縁層上部の中には、メタライズ層に境界を接しているコンタクトである第2のコンタクトが形成される。ナノ回路ブロックは、この第2のコンタクトと連結されるように形成される。
【0022】
複数のコンタクトおよび複数のメタライズ層を形成するためには、絶縁層を2つ以上の部分として被せればよい。
【0023】
ナノ回路ブロックの導線の一部は、絶縁構造部に設けられるナノメタライズ層の一部にしてもよい。ナノメタライズ層とは、その導線およびコンタクトが数ナノメートルの寸法を有するメタライズ層である。そのようなメタライズ層を設けることは、ナノ回路ブロックの導線の交差を可能にする。
【0024】
ナノエレクトロニクス素子の形成のためには、絶縁層の上に1つの層を被せ、構造化すればよい。その層は、例えば、アルミニウムを含み、そして、C.D.Chen他(前述)の資料に述べられているように、処理される。
【0025】
この層はチタン又はニオブで構成してもよい。この場合、ナノエレクトロニクス素子は、この層を原子間力顕微鏡を用いて部分的に酸化することによって形成することができる。これは、K.Matsumoto、「室温動作単一電子トランジスタおよび他のデバイスへのSTM/AFMナノ酸化プロセス(STM/AFM Nano−Oxidation Process to Room−Temperature−Operated Single−Electron Transistor and Other Devices)」、Proc.IEEE 85、612(1997)に述べられている。
【0026】
本発明にとって、ナノエレクトロニクス素子の構造はさほど重要なことではない。すなわち、ナノエレクトロニクス素子は、例えば、生物学上の神経細胞やC.M.Fischer他(前述)による分子電子学的構造、F.G.Pikus他(前述)によるCMOS素子、あるいはK.Yano他(前述)によるメモリーセルであってもよい。
【0027】
ナノエレクトロニクス素子は、絶縁材料により包まれる導電材料粒子を有することもできる。単一電子は粒子から粒子へと突き抜けることができる。
【0028】
以下に本発明の実施例を図面により詳述する。
【0029】
図1は、CMOS制御論理回路(CMOS−Ansteuerlogik)をもつ基板、複数のメタライズ層とコンタクト群を備える絶縁層、およびナノ回路ブロックの形態で実現されているメモリーセルアセンブリを含むメモリーを示す。
【0030】
ある実施例では、基礎材料としてシリコンの基板Sが用いられる。従来のCMOS工程により、基板SにCMOS制御論理回路Cが形成される。
【0031】
引き続いて、SiO2 を約1500nmの厚さに析出し、化学的・機械的研磨により平坦化することにより、絶縁層の第1部分1が生成される。
【0032】
絶縁層の第1部分1には、フォトリソグラフィ法により、コンタクト穴(コンタクトホール)が形成される。これらのコンタクト穴にはタングステンが注入され、第1コンタクトK1が形成される。
【0033】
アルミニウムの堆積と成形により、第1コンタクトK1と連結するメタライズ層Mが形成される。
【0034】
絶縁層の第2部分2の形成のために、SiO2 が約1000nmの厚さで析出され、化学的・機械的研磨により平坦化される。フォトリソグラフィ法により、絶縁層の第2部分2にコンタクト穴が形成され、メタライズ層Mの部分が露出される。引き続いて、コンタクト穴にタングステンが注入され、第2コンタクトK2が形成される。
【0035】
チタン層を形成するために約3nmの厚さのチタンが堆積される。トンネルバリヤ(Tunnelbarrieren)および絶縁ブリッジ(Isolationsstegen)の形成のために、チタン層は原子間力顕微鏡(AFM)をもちいて局部的に酸化される。そのために、導電性のあるAFM先端およびその先端と連結している片持ち梁において−10Vの電圧がチタン層に印加される。酸化は陽極での酸化であり、チタン層およびAFMの先端に吸着されるH2 O膜を用いておこなわれる。
【0036】
これにより、約10nm幅のビット線Bおよびワード線に連結させるメモリーセルをそれぞれ含むナノ回路ブロックNがチタン層から形成される。(図1に図解で示す)。さらに、チタン層から、ビット線Bおよびワード線の信号がシーケンシャルにCMOS制御論理回路Cに転送されるように、ビット線Bとワード線とを統合するナノ制御回路(Nano−Ansteuerschaltungen)Aがつくりだされる。
【0037】
メタライズ層M、第1コンタクトK1および第2コンタクトK2は、ナノ回路ブロックNとCMOS制御論理回路Cとの間の連絡をおこなう導電構造部を形成している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 CMOS制御論理回路(CMOS−Ansteuerlogik)をもつ基板、複数のメタライズ層とコンタクト群を備える絶縁層、およびナノ回路ブロックの形態で実現されているメモリーセルアセンブリを含むメモリーを示す。
Claims (5)
- ナノメーター単位のエレクトロニクス素子であるナノエレクトロニクス素子を有する回路アセンブリにおいて、
半導体基板(S)に、CMOS素子を有するCMOS回路(C)、および、CMOS素子を覆う絶縁層(1、2)が備えられ、
絶縁層(1、2)上に、複数のナノエレクトロニクス素子(E)と、これらの素子を互いに連結する、RCタイムが1ns以下の複数の導線(B)とを有するナノ回路ブロック(N)を複数備えており、
上記のCMOS回路(C)は、ナノ回路ブロック(N)の第1の制御回路であり、
絶縁層(1、2)上に、ナノ回路ブロック(N)に隣接し、その導線(B)を統合する第2の制御回路(A)が、ナノ回路ブロック(N)ごとに設けられており、
絶縁層(1、2)に、ナノ回路ブロック(N)とCMOS素子とを第2の制御回路(A)を介して連結する導電構造部が、ナノ回路ブロック(N)ごとに備えられており、
導電構造部は、メタライズ層(M)と第1のコンタクト(K1)と第2のコンタクト(K2)とを有しており、
第1のコンタクト(K1)によって、CMOS回路(C)がメタライズ層(M)に連結されている一方、第2のコンタクト(K2)によって、メタライズ層(M)が第2の制御回路(A)に連結されていることを特徴とする回路アセンブリ。 - ナノエレクトロニクス素子(E)は、大部分がアルミニウム、チタン、またはニオブから成ることを特徴とする請求項1に記載の回路アセンブリ。
- ナノ回路ブロック(N)は、メモリーセルアセンブリであることを特徴とする請求項1または2に記載の回路アセンブリ。
- ナノメーター単位のエレクトロニクス素子であるナノエレクトロニクス素子を有する回路アセンブリの製造方法において、
半導体基板(S)に、CMOS工程により、CMOS回路(C)を構成するCMOS素子を形成し、
CMOS素子形成後、半導体基板(S)に、CMOS素子を覆うように、絶縁層下部(1)被せ、この絶縁層下部(1)に、CMOS回路(C)に連結する第1のコンタクト(K1)を形成し、
絶縁層下部(1)の上に、第1のコンタクト(K1)と連結させてメタライズ層(M)を形成し、
さらに、絶縁層下部(1)およびメタライズ層(M)の上に、絶縁層上部(2)を被せ、
この絶縁層上部(2)に、メタライズ層(M)と連結させて第2のコンタクト(K2)を形成し、
絶縁層上部(2)上に、複数のナノエレクトロニクス素子(E)と、これらを互いに連結する、RCタイムが1ns以下の導線(B)とを有する、複数のナノ回路ブロック(N)を形成し、
ナノ回路ブロック(N)と、このナノ回路ブロック(N)の第1の制御回路である上記CMOS回路(C)とが、第1のコンタクト(K1)および第2のコンタクト(K2)によって連結されるように、ナノ回路ブロック(N)に隣接、かつ、第2のコンタクト(K2)と連結させて第2の制御回路(A)をナノ回路ブロック(N)ごとに形成することを特徴とする回路アセンブリの製造方法。 - エレクトロニクス素子(E)は、大部分がアルミニウム、チタン、又はニオブから成ることを特徴とする請求項4に記載の回路アセンブリの製造方法。
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