形状记忆装置

申请号 CN200680035573.1 申请日 2006-09-27 公开(公告)号 CN101273456A 公开(公告)日 2008-09-24
申请人 康奈尔研究基金公司; 三星电子株式会社; 发明人 桑迪普·蒂瓦里; 金桢雨;
摘要 具有双稳态 位置 的纳米机械装置,用于形成 开关 和 存储器 装置。所述装置可驱动至不同的位置,可连接到不同配置中的晶体管装置,以提供存储器装置。驱动机制包括静电方法和加热。在一个形式中,所述机械装置形成 场效应晶体管 的栅极,参见图2A。在另一形式中,所述装置可以是开关,开关可以不同的方式连接晶体管,当导通和断开时影响其 电子 特性。在一个 实施例 中,所述存储器开关包括用可拉长的或可压缩的膜形成,参见图5B。交叉点开关由多个交叉的导电的导体的列和行形成,参见图11A。可驱动开关位于列和行的各个交叉点之间,使得各个交叉点可单独地 访问 。基于 侧壁 的开关可连接晶体管的 浮栅 (823),参见图8B。
权利要求

1.一种存储器装置,包括:
晶体管,具有栅极、漏极和源极;以及
双稳态纳米尺度结构,连接至所述晶体管。
2.如权利要求1所述的存储器装置,其中所述双稳态纳米尺度结 构具有两个稳态位置,这两个稳态位置对所述晶体管的导电性具有不 同的影响。
3.如权利要求2所述的存储器装置,还包括电路,与所述纳米尺 度结构连接,以改变所述两个稳态位置之间的所述纳米尺度结构。
4.如权利要求3所述的存储器装置,其中所述电路用热或者静电 改变所述两个稳态位置之间的所述纳米尺度结构。
5.如权利要求1所述的存储器装置,其中所述双稳态纳米尺度结 构包括导体,所述导体在应下形成于两个支撑之间,可驱动为释放 了所述应力的不同的稳定形状。
6.如权利要求5所述的存储器装置,其中两个不同的形状包括向 上弯曲的形状和向下弯曲的形状,并且其中所述导体充当所述晶体管 的栅极。
7.如权利要求6所述的存储器装置,其中所述栅极在所述晶体管 的沟道上方,在形状上变形为两个稳定状态。
8.如权利要求6所述的存储器装置,还包括板电极,所述板电极 用于通过在所述板电极与所述栅极之间施加电势,使所述栅极变形。
9.如权利要求1所述的存储器装置,其中所述结构包括:应力多 晶膜、应力金属膜、顶部带硅化物的应力多晶硅膜或者顶部带金属 的应力多晶硅膜。
10.如权利要求1所述的存储器装置,其中所述双稳态纳米结构 包括开关,所述开关具有在稳态位置之间移动以打开和闭合所述开关 的臂,其中所述开关在交叉点开关配置中连接至其它开关和存储器装 置。
11.一种存储器装置,包括:
晶体管,具有栅极、漏极和源极;以及
用于以双稳态纳米尺度机械方式改变所述晶体管的状态的器件。
12.一种基于晶体管的存储器装置,具有栅极和沟道,所述装置 包括:
应力栅极,具有两个双稳态位置;
用于可控制地移动所述栅极至不同的双稳态位置的器件;以及
沟道,接近所述栅极,使得所述沟道的电特性是所述栅极的位置 的函数。
13.一种存储器装置,包括:
晶体管,具有浮栅,所述浮栅调节漏极与源极之间的电流;以及
温度驱动形状记忆开关,连接至所述晶体管,用于将所述晶体管 编程为温度的函数。
14.如权利要求13所述的存储器装置,其中所述温度驱动形状记 忆开关连接在所述栅极与所述漏极之间。
15.如权利要求13所述的存储器装置,其中所述温度驱动形状记 忆开关连接至所述漏极并改变漏极电压
16.如权利要求13所述的存储器装置,其中所述存储器开关包括 侧壁,所述侧壁由可拉长或可压缩的膜形成。
17.如权利要求13所述的存储器装置,其中所述晶体管为平面的、 垂直的,或者形成在导电性硅沟道的鳍上。
18.一种存储器结构,其中形状记忆合金与晶体管相结合以提供 阵列随机存储器访问
19.一种交叉点开关,包括:
多个交叉的导体的导电行和列;
多个可驱动开关,其中开关位于所述行和列的各个交叉点上,使 得各个交叉点可单独寻址。
20.如权利要求19所述的交叉点开关,还包括多个字线,所述字 线静电地连接至所述开关,以可控制地驱动所述开关。
21.如权利要求19所述的交叉点开关,其中所述可驱动开关选自 由形状记忆合金、双金属材料、导电性有机物、形状改变分子以及纳 米管构成的组。
22.一种存储器,在交叉点具有导通-断开开关,其导通位置通过 使用字线栅极施加的静电力驱动。
23.如权利要求22所述的存储器,其中在交叉点的所述开关能够 通过以下方式断开:克服将所述开关保持在导通位置的力而流过允许 所述开关断开的更高电流。
24.如权利要求23所述的存储器,其中在比设定所述开关所需的 电流小很多的电流下进行位的读取。
25.一种存储器开关,具有连接至分子的晶体管栅极,以改变分 子的尺度范围,使得所述分子形成或解除接触
26.一种存储器开关,具有连接至纳米管的晶体管栅极,以改变 纳米管的尺度范围,使得所述纳米管形成或解除接触。

说明书全文

背景技术

非易失性存储器非常普及。它们用于数码相机、蜂窝电话、音乐 播放器、计算机以及其它需要快速读取非易失性保持数据的装置。半 导体非易失性存储器提供的速度尽管比SRAM慢,但是比通过其它方式 (例如磁盘)快。

非易失性存储器最普通的形式是各种采用浮栅区的电可擦除、可 编程存储器结构形式,电荷储存在浮栅区中。这种结构的许多新形式 使用几个电子、单个电子、缺陷来降低功率,并允许将尺度缩放到小 于那些具有连续浮栅区的结构。存储器也采用缺陷和沟道背部的存 储,从而允许同时充当晶体管和存储器的能

最终,由于所有这些方案都采用电子和空穴来存储,可缩放性受 到电子数目的限制,并且在注入和抽出过程中载流子的泄漏和缺陷的 产生造成可靠性问题。非常希望有可靠的低功率存储器装置,能够缩 放到晶体管接近10nm的极限,并具有高耐久性和高速度。

为了实现存储器功能,需要两个准稳态。在电子硅非易失性存储 器中,通过将电荷储存在连续的或离散的浮栅区来实现准稳态,浮栅 区被化硅和/或其它电介质制成的阻挡区包围,防止储存的电荷的 泄漏。通过晶体管的操作测量该电荷的有或无,晶体管的阈值电压受 储存的电荷影响。非易失性存储器通常以两个稳态实现,但是也可以 更多,这取决于获得可再现的储存的电荷数目之间的区别的能力,以 及电荷的位置,例如在晶体管的源端区域和漏端区域之间。因此,这 些非易失性存储器取决于电子输运现象-在既是读取和写入介质又是浮 栅区域的晶体管中。

还有附加方案。一组方案是为了获得将晶体管连接至附加的无源 元件(即极化改变的磁元件)或者连接至相变元件(导电元件的电阻改 变)的非易失性存储器。这些元件通过改变单元的高、低电势通路之间 的导电性而运行。

基于存储器的浮栅结构的许多新形式使用几个电子、单个电子、 缺陷来降低功率,并允许将尺度缩放到小于那些具有连续浮栅区的结 构。对于信息处理找到有用的替代或增加电流途径超过缩放CMOS的极 限的问题的物理特性受以下限制:

●尺寸范围:采用的任何状态特性必须能够忍受环境,对环境 不敏感,界面在1-10nm的尺度范围,

能量范围:采用的任何状态变化必须有大的能量最小值,即 具有大的阻挡能量(>>kT或者与处理的能量尺度相当)来抑制扰动的可 能性,并且仍然需要足够低的能量使得在集成密度大时特性有用,

●时间范围:状态变化必须在支持电路结构的时间尺度内实时 发生,并且采用的状态特性必须具有大于计算时间的相干时间,

信号灵敏度和强度:状态特性必须保持对环境相对的不敏感, 并足够强烈到容易被检测到,在任何实现中可恢复。

所有可能的方案:采用的电荷、自旋、磁通量子、光子能量、极 化、纠缠等等特性,以及它们在半导体、磁材料、铁电材料、铁磁材 料、光学材料、有机材料-例如分子中的实现由于尺寸、能量、时间和 信号强度而受限制。基于电荷的方案的范围(以电压和电流作为信号), 例如在晶体管和存储器中,其基础在于:在有用的尺度内具有期望的 时间、能量尺度的长相干时间和高信号强度。这种特性保持了多种材 料(半导体性的、无机的、有机的),因为场效应的有效输运和控制。这 种方案在1-10nm尺寸范围内的失效源于失去了输运机制对于隧道效应 的优势,因为失去了使得装置对环境敏感的集体效应,以及能量-时间 相互作用(一种形式是功率耗散)的结果。

通过尺度缩放失去的集体效应是所有替代方案的特性的共同变 化。5nm×5nm×5nm的体积内有可能容纳几万个原子/核子和电子在金 属性系统中,以及大量的束缚电子。在半导体性的无机、有机系统内 可能有用的电子数量非常小,甚至减少到单位数,出现经典的单电子 效应。类似的增加也保持基于光子的方案。磁、铁电现象以及金属性 导电是状态特性的实例,这些状态特性连续得益于最小尺度的大集体 效应,尽管不可避免地,这些也必须克服表面和界面感应竞争(顺磁性、 表面散射等等)。

附图说明

图1A、图1B和图1C示出根据示例性实施例,利用机械效应提供双 稳态位置。

图2A、图2B、图2C和图2D示出根据示例性实施例,利用与晶体管 相结合的机械效应提供存储器装置。

图3A和图3B示出根据示例性实施例,利用膜的变形的单个存储器 单元。

图4A、图4B、图4C、图4D和图4F示出根据示例性实施例,使用 具有双稳态位置的侧壁的存储器装置。

图5A、图5B、图5C和图5D示出根据示例性实施例,使用带有盖子 的侧壁的存储器装置。

图6A和图6B示出根据示例性实施例的温度触发形状记忆开关

图7A和图7B示出根据示例性实施例,与双稳态结构结合使用晶体 管沟道背部的浮栅。

图8A、图8B、图8C、图8D、图8E和图8F示出根据示例性实施例, 带有平面晶体管的双稳态结构的实例。

图9A和图9B示出另一浮栅实施例中的双稳态结构的实例。

图10示出根据示例性实施例,存储器阵列构造的实例。

图11A、图11B、图11C、图11D、图11E和图11F示出根据示例性 实施例的静电机械开关。

图12为示出根据示例性实施例,将力F施加于双稳态结构之后的单 向效应的曲线图,该单向效应如应力-应变-温度特性的虚线路径所示。

图13示出根据示例性实施例,在化学刺激下能够改变长度的单分 子线性阵列。

图14示出根据示例性实施例,用于一种配置的交叉点构造的实例, 在这种配置中,存储器采用双稳态机械结构。

具体实施方式

在以下说明书中,所参照的附图构成说明书的一部分,附图中示 出可实施的示例性具体实施例。这些实施例被充分详细地描述,以使 本领域技术人员能够实施本发明,应理解也可以采用其它实施例,可 作出结构的、逻辑的、电的改变而不脱离本发明的范围。因此,下面 对示例性实施例的描述不是限制性的,并且本发明的范围由所附权利 要求书限定。
已有的存储器方案包括利用材料的电或磁状态。这些方案不采用 机械方式,因为传统上机械方式更难以实现,任何显著的动作都需要 大的静电电压。但是机械器件的优点在于它们明显有区别的导电性。
在这里的详细说明书中描述了几个不同的实施例,其中使用的材 料是在至少两个具有极小纳米尺度类型的足迹的双稳态可改变形状中 所保留的一个。该材料可包括形状记忆金属合金,可用作场效应晶体 管的栅极,通过可静电控制的两种不同的栅极形状提供不同的晶体管 特性。在第二实施例中,形状记忆合金用作晶体管的栅极与沟道之间 的热驱动开关,以提供导电性,避免向FET的电荷注入的热载流子减 少。其它实施例包括使用形状记忆合金作为高密度的交叉杆或交叉点 开关。利用写入和读取控制逻辑,形成存储器装置。
在一个实施例中,存储器装置结构利用静电力造成的栅极变形, 使晶体管特性经历可再现的变化。变形是双稳态的,产生可用作存储 器的双稳态晶体管特性。在制造中可采用至少其中一种以应力编程的 传统材料。利用形状记忆合金的大弹性应变,也可以改善特性。
在另一实施例中,将晶体管的栅极变形时使用静电力,从而直接 地改变晶体管特性,获得可用作存储器的双稳态电子装置。静电或者 至少一个应力膜都可以使用。
在双稳态元件向晶体管提供一系列元件的其它配置中也可采用双 稳态特性,因此,双稳态特性被晶体管用以评估存储器状态。
双稳态栅极实施例
第一实施例包括应力栅极堆叠物,可变形为两个稳态位置。这允 许在装置中迅速编程非易失性状态。由于通过栅极控制特性的变化和 通过晶体管结构中的本征增益,由晶体管的运行能够容易地感测小到 纳米的几分之一的变形,所以装置在以相当的速度提供比SRAM显著 更高的密度时,功率极低。在连接晶体管沟道的栅极中使用这种变形 能力获得耐久的、可靠的纳米尺度存储器。
可利用静电产生的小变形来形成晶体管的两种稳定变形状态。由 于通过增益的超高灵敏度,通过晶体管的电子特性能够感测这种变形 的小于1nm的动作。由于晶体管技术可使得再现性很高,所以将机械 变形结合到快速电子感测以提供双稳态非易失性存储器。
在一个实施例中,通过将高度压缩膜或膜的堆叠物用于栅极来产 生变形。当在晶体管上的该区域中释放时,此栅极变形为两种可能的 状态。通过向板或者向通过晶体管源区和漏区的沟道施加偏压,可获 得这些状态的每一个状态。
将变形用作晶体管运行的内在部分,以实现双稳定性。通过利用 基于普通半导体工艺的简单实例,描述该结构中利用的机械原理。图 1A、图1B和图1C示出对机械效应的利用。衬底110用于支撑保持柱 115、120以及形成在保持柱115、120之间的选择性的可移动牺牲层 125(例如氧化物柱和氮化物的选择性层)。高度压缩应力膜130沉积在 柱115、120以及牺牲层125的顶部,构图为希望的形状用于与电路结 合。将牺牲层125去除后,因为压力通过延长被释放,所以沉积膜130 变形为凹形或者凸形,如图1B和图1C所示。
沉积的压缩应力膜130可以是单一材料(应力金属膜、多晶硅等等) 或者例如金属、多晶硅与应力电介质(例如二氧化硅)的合成物。如果下 层衬底110为半导体性的-像晶体管一样-并且变形的顶层130用作栅 极,则在两个状态中沟道与栅极之间距离的变化提供晶体管的两种不 同运行区域(阈值电压以及增益等等的变化)。
这种简单的原理非常容易应用于例如FET200这样的晶体管, FET200具有源极210和漏极215,如图2A、图2B、图2C和图2D所 示。图2A和图2B示出构图后结合在一起的应力栅极膜130,应力栅 极膜130以两种不同的位置通过柱远离晶体管的有源区或者正好在衬 底的隔离区。暴露的表面可具有可提供稳定性的薄氧化物层。
板线220垂直于栅极越过此组件的顶部,如图2C和图2D所示的 两种不同位置所示。板在板与栅极之间可具有间隙,可通过利用牺牲 层来设置该间隙。现在可通过在栅极与板之间或者在栅极与晶体管的 源/漏极之间施加电压将栅极变形为任一形状。电压可编程为高,但是 没有粒子流流过,并且不形成接触。通过施加在栅极、源极和漏极之 间的更小的电压可发生感测。
通过在板与栅极之间施加电势差,栅极向上朝板变形,如图2A和 图2C所示。通过在板与沟道之间施加电势差(通过向源极、漏极之一 或全部施加电势),栅极向下朝沟道变形,如图2B和图2D所示。这两 种状况都需要足够大的电压以发生变形。当较小的电压施加在栅极与 晶体管之间时,通过从漏极流向源极的电流,可读取晶体管。
在一些实施例中,栅极处于压缩应力。可采用多晶硅、金属、硅 化物以及其它材料以实现此目的。也可以通过高应力薄电介质膜与栅 极材料的组合物实现。形状记忆合金可用于获得高弹性应变。在不同 的实施例中栅极材料可以是单一材料或合成物材料。
在一个实施例中,板线基本上垂直于栅极延伸,并且在沟道中的 栅极线的顶部。板线可以是超大尺寸的。将相比于较小的读取电压的 大电压施加在板与栅极之间,使得晶体管上的栅极线局部地向上变形。 将大电压施加在晶体管的栅极与源极-漏极之间,使得栅极线向下变形。 前者比后者的阈值电压高。
图3A和图3B示出将膜305的变形用于记忆效应的单个单元300。 板线310在栅极305上延伸,并可以在源极315与漏极320之间的沟 道312上变形。三个偏压线、栅极325、漏极330以及板335被提供以 接地或者连接其它线的源极。在一个实施例中,板线垂直于栅极线延 伸,并且板线平行于漏极线延伸。
当将比读取电压相对较大的电压施加在栅极与板之间时,栅极朝 着板变形。这增加了晶体管的阈值电压。当将比读取电压相对较大的 电压施加在栅极与源极/漏极之间时,栅极朝着沟道变形,从而降低了 晶体管的阈值电压。
晶体管上的读取操作类似于大多数浮栅非易失性存储器。施加给 栅源和漏极的电压感测晶体管的导电性,以评估其存储器状态。在一 个实施例中,源极接地,如图3A所示。在另一实施例中,源极单独地 连接,如图3B所示,这可以提供用于更密集的存储器阵列的能力。
对于各个存储器点可进行随机访问。各个变形在可在纳秒或更小 的时间常数内发生。这提供一种与SRAM结构一样快的结构。这种结 构高度密集,因为它是单元件存储器,并且高度可缩放、高度可靠, 因为没有发生热载流子或其它缺陷产生的隧道效应。没有移动部分需 要接触其它移动部分,因此类似MEMS的可靠性问题在这种结构中不 存在。
注意,这些方案可应用于不同的晶体管结构形式。它们可用以鳍 (fin)形布局(FINFET)以及垂直FET。
温度驱动机械存储器实施例
在一个实施例中,存储器装置结构使用一种完全新颖的概念:基 于形状记忆合金中的温度触发机械运动的电荷转移和电势平衡。形状 记忆合金可用于提供两种稳定状态,以实现机械-电子存储器。与电子 增益结合的驱动提供可靠的、可缩放的存储器。
在另一实施例中,形状记忆合金提供明显有区别的导电性,避免 了电荷注入的热载流子减少和在相变效应中出现的导电性变化的小效 应。这些存储器的许多形式提供双稳定性,这也可以使用纳米尺度的 现代工艺技术来实现。
使用应力膜与形状记忆合金的组合物来制造通过加热触发的开 关,能够在室温下得到非易失性状态。以这种方式制造的存储器可使 得以ns时间常数迅速运行。结合包含浮栅的电子晶体管使用形状记忆 合金可用于获得耐久的、可靠的纳米尺度存储器。
在一个实施例中,结合有意图的应力层利用形状记忆效应提供两 种不同的可实现状态。可以这样的方式使用该结构:当热/暖时,开关 导通,当冷时,不导通。
形状记忆合金的独特在于它们具有“存储器”的形状。如果在适 当条件下它们的形状由于变形而改变,当被加热至适当温度范围导致 相变时,形状记忆合金恢复预定的形状。该温度取决于材料的成分。 通过对组合物的适当选择,该温度可以为室温、或更高、或更低。形 状记忆合金的一般实例为Ti-Ni合金(其中转换在奥氏体和氏体相之 间发生)、CuZn、CoCrMo、AuCd(被最早发现)等等。NiTi合金和一些 其它形状记忆材料能够适度地与硅工艺技术相容。
形状记忆合金使得可能出现大的形变。10%的弹性应变允许显著 的移动,即使在可用于电子流动和感测缺陷的小尺度内。
图4和图5示出基于一般半导体工艺的简单实例。附图示出利用 作为与形状记忆合金结构一起出现的压缩或可拉长的膜的结果而出现 的效应。
在图4A、图4B、图4C、图4D和图4F中示出侧壁(例如晶体管 的侧壁)的形成。利用被支撑在衬底415上的牺牲图案410(可以是由硅、 或氧化物、或氮化物组成的传统的半导体材料,但是被选择为能够被 选择性地去除),由压缩或可拉长的材料形成垂直侧壁420。该材料的 两个实例是二氧化硅或氮化硅。然后,形状记忆合金425也形成作为 侧壁并被退火。如果现在将牺牲图案1去除,则侧壁结构不是直立, 而是将改变形状。如果侧壁膜可拉长,则它需要收缩,并将形成图4D 所示的形状,也就是会缩回。另一方面,如果侧壁是压缩膜,则它需 要伸展,并将形成图4E所示的形式。
因为有了这种形状记忆合金,当加热到超过转变温度时,结构将 恢复至没有牺牲图案的初始形式,如图4F所示。取决于与形状记忆合 金结合的侧壁膜的应力的在两个位置之间壁的移动构成一些温度驱动 机械开关的基础。
图5A、图5B、图5C和图5D示出其中形状记忆合金又构成牺牲 结构410(因为部的腐蚀通常有一点凸起)顶部的盖子层510的相同实 例。在这种情况下,如果侧壁层可拉长,则盖子将上托,如图5B所示, 如果侧壁层是可压缩的,则盖子将撤回,如图5C所示。因此顶部形状 记忆合金层上下移动。因为形状记忆合金的记忆效应和高弹性应变, 当被加热时,即使没有牺牲层或结构410,也会恢复初始结构,如图 5D所示。
由于晶体管的快速和载流子移动迅速,所以感测状态的最快方式 之一通常是通过电子器件。为了使存储器快速,感测存储器的最快方 式之一是通过晶体管的电流或导电性的变化,即类似于读取操作极快 的采用浮栅的非易失性闪存-类似于晶体管速度。非易失性闪存的问题 在于电荷进出浮栅的传导导致缺陷的产生,是一种相对较慢的工艺, 有相关的尺度限制。
形状记忆合金开关可用于避免对基于隧道效应的电荷注入浮栅的 需要,并用提供低电阻电荷传导的机械运动来代替它。
对于在晶体管的栅极与沟道之间存在浮栅的浮栅结构,图6A和图 6B中示出开关配置的两个实例。在图6A中,将温度触发形状记忆开 关610设置在栅极615与浮栅620之间。当开关610导通(也就是将晶 体管置于会出现升温的高电流、高电压状态)时,栅极电势与浮栅电势 通过电荷的转移而平衡。当通过取消对存储器的偏压将开关610断开 时,浮栅仍然保持在先前步骤中它被驱动到的电荷状态。如果通过施 加大栅极电压、超过阈值的大栅极至源极电压以及适当的漏极电压将 晶体管加热(此实例中考虑n沟道),使得通过漏极至源极电压而放大的 大电流随后导致转移到栅极的电势高。因此晶体管现在处于较高的导 通状态(即较低的阈值电压状态)。也可以通过施加低栅极电压、但是实 际上更低的源极和漏极电压(负)来加热晶体管。在这种情况下,电流乘 以漏极至源极电压造成功率耗散,导致低栅极电压至浮栅的转移。现 在取消偏压导致较少导通和相等的存储器具有较高的阈值电压。因此 在该结构中通过电动机械动作,两种状态都能够被编程,并且诀窍是 找到实现它的简洁的方式。
偏压也施加给漏极630,因此也能够将电势从漏极转移到浮栅, 如图6B中开关635的配置所示。这是通过流过的电流加热晶体管时需 要转移的漏极电压的适当的选择来实现的,其中电流是由于施加栅极 偏压和漏极至源极偏压而产生的。通过温度触发的开关导通,两种不 同的电势可被编程到漏极630。当功率耗散导致形状记忆开关导通时, 如果漏极630处于较低的电压,则转移的电势低(晶体管处于较低的导 通状态)。当形状记忆开关导通时,如果漏极630处于较高的电压,则 转移的电势高,并且晶体管处于较高的导通状态。
图6A和图6B的上述两个实例提供了存储器对于“0”和“1”状 态的写入操作。通过使用低栅极电压和低漏极电压的读取,使得晶体 管的温度保持为低,结构提供对这些编程的“0”和“1”状态的低扰 动读取。
在上述实例中使用的浮栅也可形成在晶体管沟道的背部,例如绝 缘体上硅的布局。这种配置的一个优点是顶部栅极现在可以显著更好 地在绝缘体厚度上缩放,并且获得较高的静电以允许更好的缩放。我 们在图7A和图7B中示出这种配置。
这些附图绘出开关打开的正常位置,尽管闭合也有可能。作为在 较高的电流×电压的条件下导通晶体管的结果,晶体管加热并触发开 关至导通位置。由此引起的动作导致当降低温度时保持的变化将开关 恢复至断开位置。由于通常栅极和漏极上施加了电压(低和高),形状记 忆合金开关最多的逻辑应用是连接至栅极或漏极。实例中示出流动的 栅极位于晶体管沟道的背部。
注意在图6A、图6B和图7A、图7B这两种情况中,晶体管都处 于不同的导通状态;正电压转移相比于没有转移时造成更高的传导性。 负电压也可以转移。在写入操作过程中,当保持栅极至漏极、栅极至 源极、以及漏极至源极的电势差相同(即电势改变)时,通过适当的栅极 或漏极偏压,能够实现上述状态。
在所有这些实例中,装置的读取在较低电压和电流、因此较低的 功率耗散条件下进行。这允许结构的温度保持为低,不会触发形状记 忆转变。
图8A、图8B、图8C、图8D、图8E和图8F以及图9A和图9B 示出以平面晶体管实施的实例。图8A、图8B、图8C、图8D、图8E 和图8F示出栅极连接浮栅的实例,图9A和图9B示出漏极连接浮栅的 实例。
在图8A、图8B、图8C、图8D、图8E和图8F中,作为实例, 在形状记忆合金侧壁815外侧形成可拉长的侧壁810,侧壁815通过垂 直堆叠物820连接栅极817。当将牺牲粘合层去除后,因为编程于侧壁 中的张应力,形状记忆开关脱开,如图8B所示。通过低电压、电流完 成开关的读取,使得开关不被扰动。
形状记忆结构集成在带有浮栅823的场效应晶体管中。栅极本身 或者延伸结构使用形状记忆合金连接/断开。当使用高VG(低S/D电压) 使晶体管热时,浮栅823要求更高的电势,晶体管要求低VT。如果使 用低VG(但是S/D偏置,用于与先前的写入类似的过驱动)使晶体管热, 浮栅结构要求低电势,晶体管具有高VT。这是有利于装置的擦除状态 的状态。
在图8A中,在栅极堆叠物820与可拉长的侧壁815之间示出原子 分离层。在图8C中,晶体管的高VG导通导致更高的温度和VG向浮 动层的转移。通过消除偏压,如图8D所示,晶体管处于低阈值电压状 态。在图8E中,带有S/D偏压的晶体管的低VG导通导致更高的温度 和VG向浮动层的转移。通过消除图8F中的偏压,晶体管处于高阈值 电压状态。
图9A和图9B示出漏极插塞连接浮栅或从浮栅断开的实例。连接 或断开操作的原理与栅极-浮栅连接的原理类似。
图10示出示例性结构实现1000,其中各个元件1010和1020通 过施加栅极、源极和漏极偏压可被访问。用于存储器的编程例如写入、 擦除和读取的偏压可通过对施加在线路间电压的适当选择来实现。存 储器也可具有共同的源极。
注意,这些方案可应用于不同的晶体管结构形式。它们可用以鳍 形布局(FINFET)以及垂直FET。
交叉点、交叉杆静电机械存储器实施例
继续利用集体效应主要在于可再现性以及获得能够增加(或可能 的代替)电子的电流途径。通过这个主要原理,描述了以纳秒运行的、 能够缩小至5nm以下尺度的非易失性存储器。该存储器通过提供打开 和短接的条件运行,并提供非常直接的方式,获得带有电子外围电路 的高度密集的交叉杆开关,用于写入、读取和控制逻辑。存储器提供 直接的方式利用与导通结合的机械特性,以控制电子环境中的集体效 应,同时获得有用的尺寸、能量、时间以及信号特性。
在一个实施例中,交叉杆开关利用通过静电吸引获得的移动、通 过利用界面力保持开关接触获得的稳定、以及通过大电流的流动获得 的开关的打开状态,其中大电流的流动克服了界面力,以回复至已形 成的断开状态条件。开关的臂可由各种材料制成。一种有吸引力的选 择是使用形状记忆合金。这些材料可具有高达10%的弹性应变。进一 步的材料包括双金属材料、有机物、纳米管、以及可利用静电力驱动 的其它材料。
多种这样的材料可用于形成交叉点开关,交叉点开关可通过静电 力设定、通过用于打开或短接条件(存储器状态)的小电流读取、通过大 电流的流动复位至打开条件。
因为作为使用的两种条件的打开和短接,交叉杆配置中的交叉点 开关没有交叉杆配置中常见的扰动问题。
在一个实施例中,在交叉点可实现机械开关,通过栅极驱动,通 过栅极或者通过更大电流来复位。在室温下可获得非易失性状态,并 使得存储器以ns时间常数快速运行。
在图11A、图11B、图11C、图11D、图11E和图11F中示出静 电机械开关的一些实例。这些都依赖于导通臂的机械运动以建立或解 除导通接触。如图11A所示,开关的正常状态是断开。图11B中的第 二准稳态导通状态由范德瓦尔斯相互作用获得。通过施加偏压实现第 二态,偏压吸引臂从而闭合开关。图11A的断开状态是组合结构的稳 定态,而图11B的导通状态通过臂的应变获得,是准稳态,因为接触 界面的吸引力大于所有恢复力。为了回复到图11A的断开状态,利用 与这种简单布局相容的方法。
如果导通的形状记忆合金用于臂,则尽管在纳米尺度平的小电 流,大电流导致臂加热,并且相转换导致克服保持开关导通的吸引力。 镍诺(Ti-Ni合金)经过从马氏体到奥氏体的转换提供一种可能实际实 现的开关,结构中可忍受高达10%的应变。注意,臂不必由形状记忆 合金制成。通过加热和通过电流(因数比读取电流稍高)能够克服范德瓦 尔斯吸引力的导电材料就足够了。掺杂多晶硅、金属、双金属材料带、 导电有机物都可以选择。
在图11C和图11D中的两种状态通过在板顶部和底部的偏压所致 的静电吸引而发生。在图11C和图11D的结构中,可使用导电聚合物(聚 苯胺以及其它所示例的分子),也可使用弹性纳米管,以通过栅极提供 吸引力,栅极允许在两个电极之间形成导电沟道。
这些开关的潜在行为是在横向上或纵向上获得显著的位移,位移 足以抑制任何量级大小的任何隧道电流,并且在断开状态下使得开关 电流极低或者零电流(因此断开)。为了以低漏电流获得可再现性,必须 超过1nm的位移来限制隧道效应。为了使装置为纳米尺度可替代的, 可将表面上尺度范围限制在10nm或以下。为了实现这个目的,形状 记忆合金、导电分子和聚合物、形状变化导电超分子组件、双金属材 料或具有热膨胀变化的更大金属以及纳米管都是可能的选择。下面 是对这些特性的讨论以及怎样应用它们。
形状记忆合金得自它们的能力以维持大应变(因此形状变化)以及 通过相转换的温度调节变化。在TiNi合金中,这个机制基于可反转的、 在高温奥氏体相与低温马氏体相之间的马氏体转换,转换在熔化温度 之下100-200C的范围内发生。这些特性使得“单向效应”成为可能。 在图12所示的应力-应变-温度特性的虚线路径所示的单向效应中,施 加力F后,变形为永久性的,好像弹性变形。在一个实施例中,这将 是接触位置或者通过施加静电力获得的开关导通状态。通过加热,弹 性变形完全恢复,开关也恢复之前的状态。在一个实施例中,这将是 已形成的状态(开关断开),并可通过加热形状记忆合金的更大电流获 得。因为横截面小,所以加热所需的电流小。如果我们的开关的臂为 10nm长,以小的应变(低于4%)可获得通过弯曲的1至2nm的位移, 这个位移完全在许多形状记忆合金以及其它材料和它们的组合物的能 力之内。
图11C和图11D所示的开关形式的实现虽然复杂,但是能够自对 准,其中单个高分辨率尺度可在垂直方向上转移。因为利用静电力将 臂在断开和导通位置之间移动,所以这种结构具有允许将更多种材料: 金属、掺杂多晶硅、导电聚合物等等应用于开关臂的优点。
图11E和图11F总结了要求制造和分子合成的自组装的配置。提 出了多种经历转换的变化的化合物,这些化合物由超分子化学学会通 过综合、建模做了积极的研究。许多这种化合物由于它们的大位移变 化而被感兴趣,大位移变化在不倾向于装置至装置变化的集体组装中 可有利地利用。例如图13所示的单分子线性阵列已经被建模,在化学 刺激下能够有~27%的长度变化。特别地,索和轮烷提供分子组件的 可逆收缩和伸展的基础,类似于生物肌肉。通过环的移动的分子配置 的灵活性使得在表面的单层中自组装时能够静电收缩和伸展。通过~ 1eV范围的范德瓦尔斯能量,令人极其感兴趣的是在与电子器件的需要 非常相容的电压和长度尺度利用这样大尺度的变化的潜力。可使用这 些材料以及待发现的材料。
这种通过静电吸引的通/断配置的实现的最简单形式是采用导电 性生长纳米管,其中纳米管伸直去连接电极。分子和纳米管的极端以 导电性金属性端部功能化。硫醇基是这种端部的一个实例。这样的直 立柔软纳米管的组件能够伸展以形成接触。这些结构是简单的通断开 关,具有不同的复位机制,能够以非常直接的方式用于交叉点方案, 这种方式带来包装密度、缩放和自组装的巨大优点。
图14示出用于通过更大电流复位到断开位置的存储器的配置的 交叉点方案的实例。在此阵列中,各交叉点可单独寻址。注意:如图 11A至图11F所示,字线(WL0、WL1、WL2...)是施加静电电势的延伸 的栅极线。列线(Col0、Col1、Col2...)和行线(Row0、Row1、Row2...) 正交地延伸,它们的交叉点上形成开关。为了短接开关。交叉字线关 于列线导通为高。仅有一个这样的开关存在,并且它将设定并导通。 为了将开关断开,电流在列与行之间通过(即通过电流或电压驱动适当 列与行的交叉点上的开关)。没有其它开关承载此电流。因此,只有该 交叉点开关复位。为了读取,小电流通过列线,从行线读取。这样读 取这些线的交叉点上的开关位。
注意,因为开关为断开(极低电流)或导通(短接),所以在读取、写 入和擦除时没有扰动。这是一种独特的特性,使得该交叉点配置可再 现。附图中所示的其它布局也具有类似的配置。对于双栅极配置,两 条线可延伸翻过开关臂的设置。这种配置非常普遍,允许多种材料(形 状记忆合金、双金属材料、导电有机物、形状改变分子、纳米管)的组 合物形成开关和交叉点配置来访问它们。
这种结构可形成在绝缘体上,并连接到硅电子器件以写入、读取、 擦除,用于控制逻辑。由于它自然地具有三维集成配置,所以有可能 非常密集,在三维集成配置中,电子器件在下面,开关结构集成在上 面的多个平面中。
遵照37C.F.R.§1.72(b)提供摘要,以使读者迅速确认该技术公开 的实质和要点。提供的摘要应理解为不用于解释或限制权利要求书的 范围和含义。
政府资助
本发明根据Tera级纳米装置的国家项目授予的OSP号46108/A001 下的政府支持进行。美国政府具有本发明的某些权利。
相关申请
本申请要求美国临时申请号60/721,150(2005年9月27日提交,名 称为“MEMORY DEVICE”)的优先权,并通过参考合并于此。
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