JP5037804B2 - Electronic devices using vertically aligned carbon nanotubes - Google Patents
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Description
本発明は垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイスに関するものであり、機械的スイッチ或いは不揮発性メモリを構成するためのカーボンナノチューブの配向状態及び電極構造に特徴のある垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイスに関するものである。 The present invention relates to an electronic device using vertically aligned carbon nanotubes, and relates to an electronic device using vertically aligned carbon nanotubes characterized by the alignment state and electrode structure of carbon nanotubes for constituting a mechanical switch or nonvolatile memory. It is about.
従来のトランジスタはゲートに電圧を印加することにより、ソース・ドレイン間をON/OFFするものであるが、ソース・ドレイン間の抵抗値を3〜6桁程度変化させているに過ぎず、配線間を物理的に切断・分離している訳ではないので、配線間に寄生抵抗や寄生容量の影響が残り、回路間の干渉を完全に除外することが難しかった。 Conventional transistors turn on / off between the source and drain by applying a voltage to the gate, but only change the resistance value between the source and drain by about 3 to 6 digits. Are not physically cut and separated, the effects of parasitic resistance and capacitance remain between the wires, making it difficult to completely eliminate interference between circuits.
特に、RF(高周波)デバイスでは、回路間の電気的な干渉が大きく、回路間の物理的な切断が悲願であり、非常に小型で、高速動作する機械的なスイッチが望まれている。 In particular, in an RF (high frequency) device, electrical interference between circuits is large, and physical disconnection between circuits is eagerly desired, and a mechanical switch that is very small and operates at high speed is desired.
また、従来のトランジスタでは、OFF時にリーク電流が流れ続け、回路の消費電力が増えてしまうという問題があり、しかもこのリーク電流は、LSIの集積度の向上に伴い、即ち、トランジスタの微細化や高性能化に伴い増える一方であり、今後も増加の一途を辿ると予想され、その改善が急務になっている。 In addition, the conventional transistor has a problem that the leakage current continues to flow when OFF and the power consumption of the circuit increases, and this leakage current is accompanied by the improvement of the integration degree of the LSI, that is, the miniaturization of the transistor. It is increasing as performance increases, and is expected to continue increasing in the future, and there is an urgent need to improve it.
一方、携帯電話をはじめとする情報機器は、機能が多岐に渡り、性能も益々向上していることから、消費電力は増える一方で、充電後の電池の寿命の短さが大きな問題になっている。
したがって、この点からも、使用しない状態にある回路は、直ちに切断して、リーク電流をカットする微小な機械的スイッチのようなものが望まれていた。
On the other hand, information devices such as mobile phones have a wide variety of functions and improved performance. Therefore, while power consumption increases, short battery life after charging has become a major problem. Yes.
Therefore, also from this point, a circuit that is not in use is desired to be a minute mechanical switch that cuts off immediately and cuts off leakage current.
一方、メモリでは、韓国、中国、欧州をはじめとする世界的な規模でコスト競争が激しく、さらに低価格でかつ大容量のメモリの開発が望まれていたが、従来のメモリでは、既に限界に近づいている感があった。 On the other hand, for memory, cost competition was intense on a global scale, including Korea, China, and Europe, and the development of a low-priced and large-capacity memory was desired. However, conventional memory has already reached its limits. There was a feeling of approaching.
また、メモリ市場ではDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)のように電源を切るとすべての記憶内容が損なわれてしまう「揮発性メモリ」から、電源を切っても情報が損なわれない「不揮発性メモリ」へ需要がシフトしている。 In addition, in the memory market, information is not lost even when the power is turned off from the "volatile memory" where all stored contents are lost when the power is turned off as in DRAM (Dynamic Random Access Memory). Demand is shifting to “memory”.
以上のような状況下で、Nantero社からはカーボンナノチューブを用いた不揮発性メモリが提案されているので、図19乃至図23を参照してこれらの不揮発性メモリを説明する。 Under the above circumstances, since the Nantero Inc. has been proposed a non-volatile memory using carbon nanotubes, explain these nonvolatile memory with reference to FIGS. 19 to 23.
図19参照
図19は、Nantero社の不揮発性メモリの概略的斜視図であり、1本のカーボンナオンチューブで構成されたワード線103とビット線105が基板101上に絶縁膜102を介して、互いに上下に少し離れて交差するように(キャパシタを構成するように)配置されている(例えば、特許文献2参照)。
なお、ワード線103はビット線105と空間を介して交差するように支持部材104上に載置される。
See FIG .
FIG. 19 is a schematic perspective view of a non-volatile memory of Nantero, in which a
The
特定のワード線103とビット線105の間に電極106及び電極107を介して電圧を印加すると、交点にある上下2本のカーボンナノチューブ間( キャパシタ) に静電気力が働き、2本のカーボンナノチューブが接触し、1ビットの情報が記憶される。
When a voltage is applied between the
一方、一度付着したカーボンナノチューブ同士は、ファンデルワールス力で付着し、電圧を切っても両者は離れず、情報がそのまま記憶され、不揮発性メモリとして動作する(例えば、特許文献2参照)。
しかし、この構成は基本的な概念を表すものにすぎず、具体的構成としては図20に示すものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
On the other hand, the carbon nanotubes once attached adhere to each other by van der Waals force, and even when the voltage is turned off, the two are not separated, information is stored as it is and operates as a nonvolatile memory (see, for example, Patent Document 2).
However, this configuration represents only a basic concept, and a specific configuration shown in FIG. 20 has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
ここで、図21及び図22を参照して、図20に示されたワイアクロスバーメモリの製造工程を説明する。
図21参照
まず、シリコン基板111上にSiO2膜112を介してSiN膜を形成したのち、ストライプ状にパターニングすることによってSiN支持体113を形成し、次いで、全面にn型シリコン層を堆積したのち、上面がSiN支持体113の上面より低くなるようにエッチングしてストライプ状電極114としたのち、熱酸化を施すことによってストライプ状電極114を構成するn型シリコン層の表面に犠牲酸化膜115を形成する。
Here, with reference to FIGS. 21 and 22, illustrating the wire Across the bar a memory of the manufacturing steps shown in FIG. 20.
21. First, an SiN film is formed on a
次いで、スピンコート法等によって、Fe,Mo,Co等からなる触媒微粒子116を散布したのち、CVD法を用いて触媒微粒子116を成長核にしてカーボンナノチューブを成長させてシート状カーボンナノチューブ117を形成する。
この場合、単層カーボンナノチューブが、平面的にモジャモジャ状態(matted)にからんだ、ほぼ単層カーボンナノチューブ1層分の厚さの薄いシートとなる。
Next, after the catalyst
In this case, the single-walled carbon nanotube becomes a thin sheet having a thickness substantially equal to one single-walled carbon nanotube, which is tangled in a planar state.
図22参照
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてシート状カーボンナノチューブ117をエッチングすることによって、ストライプ状電極114に直交する帯状シート電極118としたのち、犠牲酸化膜115をエッチング除去する。
Figure 22 Referring then by etching the sheet-shaped carbon nanotube 117 a resist pattern (not shown) as a mask, after the belt-
最後に、帯状シート電極118の端部に電極119を設けることによって、ワイアクロスバーメモリ基本構成が完成する。
この場合の、犠牲酸化膜115を除去することによって形成された空洞が、帯状シート電極118が上下に動くための可動空間となる。
Finally, by providing the
In this case, the cavity formed by removing the
次に、再び、図20を参照してワイアクロスバーメモリのメモリの動作を説明する。
再び、図20参照
帯状シート電極118に、電極119を介してプラスまたはマイナスの一方の電圧を印加し、ストライプ状電極114に他方の電圧を印加すると、交差する部分で、カーボンナノチューブからなる帯状シート電極118とストライプ状電極114との間にキャパシタが形成され、両電極間には静電気力が働いて帯状シート電極118が下方へ曲がってストライプ状電極114に接触する。
Then, again, the operation of the memory of the Wye Across the bar a memory with reference to FIG. 20.
See FIG. 20 again. When a positive or negative voltage is applied to the belt-
一旦接触した帯状シート電極118は、ファンデルファールス力でストライプ状電極114に付着しているので、印加電圧を切っても元の状態には戻らず付着したままとなるので、情報が不揮発的に記憶されたことになる。
Since the strip-
なお、カーボンナノチューブは、直径方向にはナノサイズのナノマテリアルであるが、長さ方向には、原理的に、いくらでも長く形成することができ、この意味では巨大な単結晶分子でもあり、単結晶であるが故に、機械強度に極めて優れ、引っ張り張力で見ると鋼鉄の約5倍で、かつ非常に柔軟に、フレキシブルに曲げることもできるという優れた性質を持つ。 Carbon nanotubes are nano-sized nanomaterials in the diameter direction, but can be formed in the length direction in principle as long as possible. In this sense, carbon nanotubes are also huge single-crystal molecules. Therefore, it has an excellent property that it is extremely excellent in mechanical strength and can be bent flexibly and flexibly about 5 times as much as steel in terms of tensile tension.
しかも金属と異なり、表面に電気を流さない酸化皮膜を作ることもなく、スイッチの接点においても、良好なコンタクトを維持することができると考えられる。こうしたカーボンナノチューブの性質を活かすことで、非常に小さなミクロンサイズのスイッチを構成することが可能性である。 Moreover, unlike metal, it is thought that an oxide film that does not allow electricity to flow on the surface is not formed, and good contact can be maintained even at the contact point of the switch. By making use of the properties of such carbon nanotubes, it is possible to construct a very small micron-sized switch.
また、カーボンナノチューブは、長手方向に、約600nm程度の距離まで、電子がカーボンナノチューブの原子と衝突しないで進むバリステック伝導を示し、抵抗は非常に低く、また、600nm以上の長さでも、Cuを凌ぐ低抵抗を示すと考えられる。 In addition, the carbon nanotube exhibits ballistic conduction in which electrons do not collide with atoms of the carbon nanotube up to a distance of about 600 nm in the longitudinal direction, the resistance is very low, and even at a length of 600 nm or more, Cu It is considered that it exhibits a low resistance exceeding that.
また、一般的に導線に大量の電流を流すと、電子の流れに伴い導線原子が動き、導線が断線してしまうエレクトロマイグレーション現象が起きるが、カーボンナノチューブの場合、銅に比べても3桁程度多い電流を流すことができる( つまり臨界電流密度がCuの1000倍) 。 In general, when a large amount of current is passed through a conducting wire, an electromigration phenomenon occurs where the conducting wire atoms move and the conducting wire breaks along with the flow of electrons. A large amount of current can flow (that is, the critical current density is 1000 times that of Cu).
但し、このワイアクロスバーメモリにおいては、情報の消去方法、即ち、カーボンナノチューブの付着状態の開放動作原理が開示されていないが、次に、図23を参照して開放動作原理を示した改良型カーボンナノチューブスイッチを説明する(例えば、特許文献3参照)。 However, in this Wai Across the bar a memory, the method erasing information, ie, the open operation principle of adhesion state of carbon nanotubes is not disclosed, then, improved showing an open operation principle with reference to FIG. 23 A carbon nanotube switch will be described (see, for example, Patent Document 3).
図23参照
図23は、改良型カーボンナノチューブスイッチの概念的断面図であり、一対の絶縁性支持部材121,122間にカーボンナノチューブ123を設けるとともに、このカーボンナノチューブ123と空間を介して対向する一方の導電体124をアトラクタ電極として配置するとともに、カーボンナノチューブ123上に空間を介して他方の導電体125をリリース電極として設けた構造となっている。
Figure 23 reference
FIG. 23 is a conceptual cross-sectional view of an improved carbon nanotube switch, in which a
このカーボンナノチューブスイッチの閉鎖動作は、下図に示すようにカーボンナチューブ123に一方の極性の電圧を印加するとともに、アトラクタ電極となる一方の導電体124に他方の極性の電圧を印加することによって、カーボンナノチューブ123をアトラクタ電極に付着させることによって、スイッチオン状態或いは情報の書込状態となる。
As shown in the figure below, the carbon nanotube switch is closed by applying a voltage of one polarity to the
カーボンナノチューブの付着状態の開放動作原理は、上図に示すようにカーボンナノチューブ123に一方の極性の電圧を印加するとともに、リリース電極となる他方の導電体125に他方の極性の電圧を印加することによって、カーボンナノチューブ123をリリース電極に引き戻すことによってアトラクタ電極との接続を解除し、スイッチオフ状態或いは情報の消去状態となる。
しかし、上述の提案に係るスイッチについて検討した結果、幾つかの問題がある。これらの問題点を克服しない限り現実的な量産と信頼性の確保が困難であるので、この事情を図24及び図25を参照して説明する。 However, as a result of examining the switch according to the above proposal, there are some problems. Since securing realistic mass and reliability unless overcome these problems it is difficult to explain this situation with reference to FIGS. 24 and 25.
図24及び図25参照
図20に示したワイアクロスバーメモリの場合、帯状シート電極を拡大して見ると図24の上段図のようになっており、中には下段のように、カーボンナノチューブ120同士が接触したり交差したりするものや、図25の上段図に示すようにカーボンナノチューブ120が蛇行したもの、さらには、下段図に示すようにカーボンナノチューブ120の端部が、空洞上にあり不連続なものと様々な状態が存在し、物性が安定しないばかりか、繰り返し疲労に対し非常に弱いという問題点がある。
See FIGS . 24 and 25
In the case of the wire crossbar memory shown in FIG. 20 , when the belt-like sheet electrode is enlarged, it is as shown in the upper part of FIG. 24 , and inside, as shown in the lower part, the
例えば、カーボンナノチューブ120とカーボンナノチューブ120が単に重なり合っている(接して合っている)部分では、単独のカーボンナノチューブ120が有している強度は得ることができず、機械的な繰り返し疲労に対しては非常に弱く、この部分から裂けてしまうと考えられる。
For example, in the portion where the
また、カーボンナノチューブ120とカーボンナノチューブ120の側壁同士が接続される直径方向の抵抗は、先の長手方向と比べると約1000倍と非常に高く、また流すことができる電流の最大密度も著しく低いため、このようなスイッチあるいはメモリを作る際にはカーボンナノチューブ120の方向、向き、並び方等をきちんと揃えてやることが非常に重要になる。
Further, the resistance in the diametrical direction in which the
図26参照
理想的には、図26に示すように、空洞上に、カーボンナノチューブの不連続箇所が無く連続的で、しかも曲がりがなく直線的で、カーボンナノチューブの向きが揃っていることが望まれる。
しかし、上述の従来の方法ではこのような理想的なカーボンナノチューブ配列を得ることは非常に困難である。
Figure 26 reference
Ideally, as shown in FIG. 26 , it is desirable that the carbon nanotubes are continuous without any discontinuous portions of the carbon nanotubes, and are straight without bending, and the orientations of the carbon nanotubes are aligned.
However, it is very difficult to obtain such an ideal carbon nanotube array by the above-described conventional method.
また、従来の技術では、帯状シート電極118とストライプ状電極114との間或いはカーボンナノチューブ123とアトラクタ電極124との間に、カーボンナノチューブ123や帯状シート電極118の変形(可動)を許す空洞が必要であるが、このような空洞を形成するためには、ウエット処理を用いて犠牲膜を除去する必要がある。
Further, in the conventional technology, a cavity that allows deformation (movability) of the
図27参照
しかし、このウエット処理をおこなうと、図に示すようにカーボンナノチューブ123或いは帯状シート電極118がアトラクタ電極124或いはストライプ状電極114と表面張力により付着してしまい、さらに乾燥すると、より強固に固定されてしまうという現象、即ち、スティッキング現象が生じ、スイッチ等として動作しないという問題がある。
Figure 27 reference
However, when this wet treatment is performed, as shown in the figure, the
また、同様な理由により、カーボンナノチューブ同士も付着し束になる現象、即ち、バンドル化現象も発生し、安定した製造が困難で、歩留まりの向上が困難であるという問題がある。 Further, for the same reason, a phenomenon that carbon nanotubes adhere to each other and become bundled, that is, a bundling phenomenon also occurs, and there is a problem that stable production is difficult and yield is difficult to improve.
また、上述の従来技術においては、表面に形成された触媒微粒子116の中には、カーボンナノチューブが生えないものも現実的には存在するため、犠牲酸化膜115を除去する際、犠牲酸化膜115上のカーボンナノチューブが生えない触媒微粒子116が、犠牲酸化膜115の除去と共にエッチング溶液中を漂い、カーボンナノチューブシートとストライプ状電極114との間に付着する事態が発生し、触媒微粒子を介してストライプ状電極114と帯状シート電極118との間が短絡し、歩留まりが低下するという問題がある。
In the above-described prior art, some of the catalyst
さらに、メモリを消去する機構を形成するためには、リリース電極を形成するための一連の工程が必要となり、例えば、犠牲酸化膜115を除去する場合には、サイドエッチングによって除去する必要があり、除去に時間がかかったり、或いは、除去が不完全でカーボンナノチューブの動作空間が得られなくなるという問題点がある。
Furthermore, in order to form a mechanism for erasing the memory, a series of steps for forming the release electrode is required. For example, when removing the
また、上述のスイッチあるいはメモリを多層構造で3次元化しようとした場合、下層のスイッチ或いはメモリの可動部分に層間絶縁膜が入り込んでカーボンナノチューブの自由な動きが妨げられてしまうため、多層化が非常に困難であるという問題がある。 In addition, when trying to make the above-mentioned switch or memory three-dimensional with a multi-layer structure, an interlayer insulating film enters the movable part of the lower layer switch or memory and the free movement of the carbon nanotubes is hindered. There is a problem that it is very difficult.
また、最終的には、可動部分を阻害しないような空洞を確保した特殊なパッケージが必要になるが、このようなパッケージは、価格がチップと同程度に高く、低価格化が困難であるという問題がある。
以上のように、カーボンナノチューブで形成されたスイッチ或いはメモリを実現するためには、上記問題点の克服と解決が必要であった。
Finally, a special package that secures a cavity that does not obstruct the moving parts is required, but such a package is as expensive as a chip, and it is difficult to reduce the price. There's a problem.
As described above, in order to realize a switch or memory formed of carbon nanotubes, it is necessary to overcome and solve the above problems.
したがって、本発明は、動作が確実で且つ生産性の高い工程により製造が可能な素子構造を実現することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to realize an element structure that can be manufactured through a process that is reliable in operation and high in productivity.
ここで、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
上記課題を解決するために、本発明は、垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイスにおいて、基板の主面に対して垂直方向に配向したカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブに隣接して設けられるとともに、絶縁層/第1電極/絶縁層/第2電極/絶縁層からなり且つ前記第1電極及び第2電極の前記カーボンナノチューブとの対向面が前記絶縁層の端部より後退している積層電極とを備えたことを特徴とする。
Here, means for solving the problems in the present invention will be described.
To solve the above Symbol object, the present invention is an electronic device using the vertically aligned carbon nanotubes, and carbon nanotubes oriented in the direction perpendicular to the main surface of the substrate, and provided adjacent to the carbon nanotube A laminated electrode comprising: insulating layer / first electrode / insulating layer / second electrode / insulating layer, and a surface of the first electrode and the second electrode facing the carbon nanotube is recessed from an end of the insulating layer characterized by comprising and.
このように、素子構造を横型ではなく縦型にし、基板1に垂直に生える垂直配向のカーボンナノチューブ2をそのまま電極間に設けることで、カーボンナノチューブ2の向きや形状が揃えられ、しかも1本のカーボンナノチューブ2で連続的に切れ目無く形成できるので、電気的な特性ばらつきを少なくすることができ、また繰り返し疲労に対しても十分な強度を得ることが可能になる。
In this way, by making the device structure vertical instead of horizontal, and by providing the vertically aligned
また、カーボンナノチューブ2が曲がることなく真っ直ぐに成長する性質を利用することによって、ウエット処理を用いず可動空間の確保が可能になり、スティッキング問題やバンドル化の問題を回避することができる。
Further, by utilizing the property that the
また、アトラクタ電極或いはリリース電極となる第1電極4及び第2電極7を同時に形成できるので、一度の工程でアトラクタ電極とリリース電極を同時に形成でき、製造工程を簡単に且つ工程数を少なくすることができるので、低コスト化が可能になる。
In addition, since the
特に、積層電極を、絶縁層/第1電極/絶縁層/第2電極/絶縁層から構成するとともに、第1電極及び第2電極のカーボンナノチューブとの対向面を絶縁層の端部より後退させているので、カーボンナノチューブの局所的な屈曲を利用したスイッチを構成することができる。 In particular, the laminated electrode is composed of an insulating layer / first electrode / insulating layer / second electrode / insulating layer, and the opposed surfaces of the first electrode and the second electrode to the carbon nanotube are made to recede from the end of the insulating layer. since it is, it is possible to construct a switch utilizing a local bending of mosquitoes over carbon nanotubes.
また、第1電極をカーボンナノチューブを吸着して導通状態にする吸引電極、即ち、アトラクタ電極とし、第2電極をカーボンナノチューブを第1電極から引き離して非導通状態にする開放電極、即ち、リリース電極としても良いし、或いは、第1電極及び第2電極をカーボンナノチューブを吸着して導通状態にする吸引電極としても良いものであり、第1電極及び第2電極の機能を変えることによって、各種の異なった動作が可能になる。 Also, the first electrode is an attracting electrode that adsorbs carbon nanotubes, ie, an attractor electrode, and is an attractor electrode, and the second electrode is an open electrode that separates carbon nanotubes from the first electrode and is not conducting, ie, a release electrode Alternatively, the first electrode and the second electrode may be a suction electrode that adsorbs carbon nanotubes to make it conductive, and various functions can be achieved by changing the functions of the first electrode and the second electrode. Different actions are possible.
また、積層電極を絶縁層を介して3層以上の電極を積層し且つ電極のカーボンナノチューブとの対向面が絶縁層の端部より後退しているように構成しても良いものであり、それによって、垂直型のロータリースイッチを構成することができる。 Further, the laminated electrode may be configured such that three or more electrodes are laminated via an insulating layer, and the surface of the electrode facing the carbon nanotube is set back from the end of the insulating layer. Thus, a vertical rotary switch can be configured.
また、上述の積層電極は円周上に3個以上或いは3対以上配置しても良く、それによって、ロータリースイッチを構成することができ、或いは、多ビット化が可能になり、より集積度の向上が可能になると共に、ビット単価を下げることができる。 In addition, the above-mentioned laminated electrodes may be arranged in the circumference of three or more or three or more pairs, whereby a rotary switch can be configured, or a multi-bit can be realized, and the degree of integration can be increased. Improvements can be made and the bit unit price can be lowered.
また、上述の電子デバイスを構成するカーボンナノチューブは一本のカーボンナノチューブでも、カーボンナノチューブ束を構成しない複数本のカーボンナノチューブでも、或いは、カーボンナノチューブ束でも良く、用途に応じて適宜選択すれば良い。 The carbon nanotubes constituting the electronic device described above may be a single carbon nanotube, a plurality of carbon nanotubes that do not constitute a carbon nanotube bundle, or a carbon nanotube bundle, and may be appropriately selected depending on the application.
また、カーボンナノチューブは弾性を有しているので、カーボンナノチューブの基板と反対側の端面は固定しても、固定しなくとも良いものである。 In addition, since the carbon nanotube has elasticity, the end surface of the carbon nanotube opposite to the substrate may be fixed or may not be fixed.
また、カーボンナノチューブ上の空間はキャップ部材で閉鎖されていることが望ましく、これにより、特殊なパッケージを使用しなくても済み、低価格化が可能になる。
さらに、蓋をした後にメモリを何層にも積み重ねることができ、集積度を高めることもでき、ビット単価を下げることが可能になる。
In addition, it is desirable that the space on the carbon nanotube is closed with a cap member, which eliminates the need for using a special package, and enables cost reduction.
Furthermore, the memory can be stacked in layers after the lid is closed, the degree of integration can be increased, and the bit unit price can be lowered.
また、基板を半導体基板とし、カーボンナノチューブが半導体基板に形成されたドレイン領域に接触するドレイン電極上に垂直配向させることによって、従来の半導体メモリセルと同様な構成を有する不揮発性メモリを構成することが可能になる。 In addition, a nonvolatile memory having a configuration similar to that of a conventional semiconductor memory cell is configured by using a substrate as a semiconductor substrate and vertically aligning carbon nanotubes on a drain electrode that contacts a drain region formed on the semiconductor substrate. Is possible.
本発明では、
(1)カーボンナノチューブの向きを揃え、1本の連続したカーボンナノチューブで可動部を構成できるので、電気特性が安定し、
繰り返し疲労にも強くでき、歩留まりの向上と信頼性の向上を達成できる。
(2)可動空間の形成をウエット処理に頼らずに行えるので、歩留まりの向上をはかることができる。
(3)可動空間を保持したまま、密閉構造を作ることができるので、多層高密度配置が可能になり、パッケージ自体の省略や既存の安価のパッケージが利用できる等、集積度の向上や低価格化に有利になる。
(4)多値論理記録が可能になり、集積度の向上が可能になる。
In the present invention,
(1) The orientation of the carbon nanotubes is aligned, and the movable part can be composed of one continuous carbon nanotube, so that the electrical characteristics are stable,
It can withstand repeated fatigue and can improve yield and reliability.
(2) Since the movable space can be formed without relying on wet processing, the yield can be improved.
(3) Since the sealed structure can be made while maintaining the movable space, it is possible to arrange multiple layers at a high density, and the degree of integration is improved and the price is low, such as omission of the package itself and the use of an existing inexpensive package. It becomes advantageous for the conversion.
(4) Multi-level logical recording becomes possible, and the degree of integration can be improved.
また、本発明の電子デバイスは、ナノサイズの非常に微細な機械的スイッチを構成するものであるので、オフ時の電気抵抗を実効的に無限大としてリーク電流を極端に低減することができるとともに、オン時にはカーボンナノチューブの低抵抗性を利用して大電流を流すことが可能になるので、パワートランジスタとの置き換えも可能になる。 In addition, since the electronic device of the present invention constitutes a nano-sized very fine mechanical switch, the electrical resistance when turned off can be effectively made infinite and the leakage current can be extremely reduced. Since it is possible to flow a large current by utilizing the low resistance of the carbon nanotubes when turned on, it is possible to replace with a power transistor.
本発明は、アトラクタ電極或いはリリース電極となる第1電極及び第2電極を、絶縁層/第1電極/絶縁層/第2電極/絶縁層からなり且つ前記第1電極及び第2電極の前記カーボンナノチューブとの対向面が前記絶縁層の端部より後退している積層電極として構成するか、或いは、絶縁層を介して3層以上の電極を積層し且つ前記電極の前記カーボンナノチューブとの対向面が前記絶縁層の端部より後退している少なくとも一対の積層電極として構成し、互いに対向する積層電極の間において基板の主面に対して垂直方向に配向したカーボンナノチューブ成長させて、カーボンナノチューブとアトラクタ電極との接触状態でスイッチング動作或いはメモリ動作を行うものである。 In the present invention, the first electrode and the second electrode, which are attractor electrodes or release electrodes, are composed of insulating layer / first electrode / insulating layer / second electrode / insulating layer, and the carbon of the first electrode and the second electrode. The surface facing the nanotube is configured as a laminated electrode that is recessed from the end of the insulating layer, or three or more electrodes are stacked via the insulating layer, and the surface facing the carbon nanotube of the electrode There the insulating layer end and at least a pair of laminated electrodes are recessed constructed from the, by the carbon nanotube growth oriented in a direction perpendicular to the main surface of the substrate between the laminated electrodes facing each other, the carbon A switching operation or a memory operation is performed in a contact state between the nanotube and the attractor electrode.
なお、スイッチとメモリは、本来同じものであり、見方を変えるとスイッチともメモリとも言えるものである。
例えば、スイッチはONとOFFの状態を作るものであり、スイッチのONを1に、スイッチのOFFを0に対応させれば、メモリとしても扱える。
The switch and the memory are essentially the same, and can be said to be a switch and a memory from a different perspective.
For example, the switch creates ON and OFF states, and can be handled as a memory if the switch is set to 1 and the switch is set to 0.
勿論、製品仕様とするためにはワード線とビット線のマトリックスを設け、その交点にこれらのスイッチを配置することが必要になり、また、この交点には、トランスファーゲート(セルトランジスタ)やダイオードが必要となり、さらに、当然、周辺回路も必要になるが、ひとつひとつのセルの記憶領域に限って見ると、スイッチはメモリと見ても良い訳である。 Of course, in order to achieve product specifications, it is necessary to provide a matrix of word lines and bit lines, and to place these switches at the intersections, and at these intersections there are transfer gates (cell transistors) and diodes. Necessary, and of course, a peripheral circuit is also necessary, but when viewed only in the storage area of each cell, the switch may be regarded as a memory.
次に、記憶部分が微細なスイッチで構成されるとして、「揮発メモリ」と「不揮発メモリ」の違いを説明すると、両者の違いは、カーボンナノチューブの復元力とカーボンナノチューブと電極間に働くファンデルファールス力の大小関係で決まるものである。 Next, assuming that the memory part is composed of fine switches, the difference between “volatile memory” and “nonvolatile memory” will be explained. The difference between the two is the resilience of carbon nanotubes and the van der working between carbon nanotubes and electrodes. It is determined by the magnitude relationship of the Fars force.
即ち、カーボンナノチューブの復元力がファンデルワールス力に勝っているなら、電圧を切った後、カーボンナノチューブは、自らの復元力で電極から離れるので揮発性メモリとなり、一方、カーボンナノチューブの復元力がファンデルワールス力に劣るなら、電圧を切った後もカーボンナノチューブはファンデルワールス力により電極から離れられず、不揮発性メモリとなる。 In other words, if the restoring force of the carbon nanotubes is superior to the van der Waals force, after turning off the voltage, the carbon nanotubes are separated from the electrode by their own restoring force and become a volatile memory, whereas the restoring force of the carbon nanotubes If the van der Waals force is inferior, the carbon nanotube is not separated from the electrode by the van der Waals force even after the voltage is turned off, and becomes a non-volatile memory.
この、ファンデルワールス力は、カーボンナノチューブと接する部分の材質や、接触面積によるので、材料やこれら面積を変えることで適宜調整が可能であり、また、カーボンナノチューブの復元力も、カーボンナノチューブの長さ(支点から接触部分までの長さ)や、カーボンナノチューブの太さ(触媒の種類や触媒のサイズに依存)、カーボンナノチューブの層数やカイラリティー(グラファイトシートの巻き方)等を変えることによって適宜調整することができる。 This van der Waals force depends on the material of the part in contact with the carbon nanotubes and the contact area, so it can be adjusted appropriately by changing the material and these areas, and the restoring force of the carbon nanotubes is also the length of the carbon nanotubes. (Length from fulcrum to contact part), carbon nanotube thickness (depending on catalyst type and catalyst size), number of carbon nanotube layers and chirality (graphite sheet winding), etc. Can be adjusted.
ここで、図1及び図2を参照して、本発明の実施例1のカーボンナノチューブデバイスを説明する。
図1参照
まず、上図に示すように、シリコン基板11上にスパッタ法によりTiNからなる下部電極12を形成したのち、スパッタ法或いはCVD法を用いて厚さが、例えば、300nmのSiO2膜34、厚さが、例えば、100nmのAlからなる導電体膜、例えば、300nmのSiO2膜36、厚さが、例えば、100nmのAlからなる導電体膜、及び、厚さが、例えば、300nmのSiO2膜38を順次堆積させる。
Here, with reference to FIG.1 and FIG.2, the carbon nanotube device of Example 1 of this invention is demonstrated.
Refer to FIG. 1. First, as shown in the upper figure, after a
次いで、ドライエッチングを施すことによって、幅が0.2μmの可動空間39を形成するとともに、SiO2膜38/アトラクタ電極50/SiO2膜36/アトラクタ電極49/SiO2膜34からなる積層電極47と、SiO2膜38/リリース電極52/SiO2膜36/リリース電極51/SiO2膜34からなる積層電極48とを形成する。
Next, dry etching is performed to form a
次いで、選択エッチングを行なうことによって、アトラクタ電極49,50及びリリース電極51,52の露出端面をサイドエッチングすることによって凹部53〜56を形成する。
Next, by performing selective etching, the exposed end surfaces of the
次いで、マスク蒸着法を用いてCo膜を可動空間39から露出した下部電極12上のみに選択的に堆積させて触媒層13とする。
Next, a Co film is selectively deposited only on the
次いで、C2H2ガスを用いたCVD法によって触媒層13を成長起点としてカーボンナノチューブ束57を成長させることによって、カーボンナノチューブデバイスの基本構成が完成する。
Next, the basic structure of the carbon nanotube device is completed by growing the
この場合、カーボンナノチューブ束57を構成する各カーボンナノチューブは基板に対し垂直に成長するので、アトラクタ電極49,50及びリリース電極51,52の端面に形成された凹部53〜56には入り込めず成長段階でアトラクタ電極49,50或いはリリース電極51,52と付着することがないので、スイッチ動作の信頼性は格段に向上するとともに、カーボンナノチューブ58〜60が密に生えてカーボンナノチューブ束となった場合には凹部53〜56が唯一の可動空間となるので動作自由度が向上する。
In this case, since the carbon nanotubes constituting the
図1の下図は、等価回路図であり、2つのスイッチが並列接続された構造となる。 The lower diagram of FIG. 1 is an equivalent circuit diagram in which two switches are connected in parallel.
図2参照
図2は、本発明の実施例1のカーボンナノチューブデバイスの動作の説明図であり、ここではカーボンナノチューブ束57の動作が理解しやすいように3本のカーボンナノチューブ58〜60で代表させて示している。
なお、ここでは、触媒層は図示を省略する。
See Figure 2 Figure 2 is an explanatory view of the operation of the carbon nanotube device of Example 1 of the present invention, where a
Here, the illustration of the catalyst layer is omitted.
この場合、アトラクタ電極50とカーボンナノチューブ58〜60の間に電圧を掛けると、両者の間に静電気力が働き、特に、アトラクタ電極50近傍のカーボンナノチューブ58は、凹部54に引き込まれるように入り込み、アトラクタ電極50に付着する。
In this case, when a voltage is applied between the
一方、解除する場合には、アトラクタ電極50とカーボンナノチューブ58〜60の間の電圧を一旦ゼロにした後、カーボンナノチューブ58〜60とリリース電極52との間に電圧を印加すると、リリース電極52からの電界は、まず近傍のカーボンナノチューブ60に力を及ぼし、アトラクタ電極50近傍のカーボンナノチューブ58近傍のカーボンナノチューブ58へも力を及ぼし、アトラクタ電極50からカーボンナノチューブ58を引き離すことによって、スイッチの解除がなされる。
On the other hand, when canceling the voltage, once the voltage between the
なお、同様に下の左右2つの電極間にもスイッチが構成され、上段のスイッチと同じ動作を行なう。
この場合、可動空間39の幅が広く、カーボンナノチューブ束57を構成するカーボンナノチューブの数が多い場合は、1方の電極から他方の電極に及ぼす電界の力が弱まるので、電圧を高くしなければならないので、可動空間39の幅は狭い方が望ましい。
Similarly, a switch is formed between the lower left and right electrodes, and performs the same operation as the upper switch.
In this case, when the width of the
次に、図3及び図4を参照して、本発明の実施例2のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、リリース電極を下側に、アトラクタ電極を上側にしただけで実質的構成は上記の実施例1と同様であるが、この場合には、アトラクタ電極及びリリース電極の端部に形成した凹部のみが実質的な可動空間となる。
なお、触媒層を図示を省略する。
図3参照
図3の上図は本発明の実施例2のカーボンナノチューブデバイスの概念的構成図であり、また、下図はその等価回路図である。
この場合には、リリース電極63,65を下側に、アトラクタ電極64,66を上側にしたものであり、各積層電極61,62自体で独立のスイッチ或いはメモリを構成するものである。
なお、メモリの詳細な構成は別途後述する。
Next, the carbon nanotube device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The carbon nanotube device according to the second embodiment of the present invention is substantially the same as the above-described embodiment just by setting the release electrode on the lower side and the attractor electrode on the upper side. Although it is the same as that of Example 1 , in this case, only the recessed part formed in the edge part of an attractor electrode and a release electrode becomes a substantial movable space.
The catalyst layer is not shown.
The upper part of FIG. 3 reference figures 3 is a conceptual configuration diagram of a carbon nanotube device of Example 2 of the present invention, also shown below is an equivalent circuit diagram.
In this case, the
The detailed configuration of the memory will be described later separately.
図3の下図に等価回路図を示すように、下部電極12を共通電極として、並列接続された4つのスイッチを構成することができる。
メモリとして考えるならば、A,B,C,Dの4つの状態を記憶できるので、2ビット(00,01,10,11)の多値記憶が可能になるので、従来の2倍の記録密度を達成することができる。
As shown in an equivalent circuit diagram in the lower diagram of FIG. 3 , four switches connected in parallel can be configured with the
If considered as a memory, four states of A, B, C, and D can be stored, so that multi-value storage of 2 bits (00, 01, 10, 11) is possible, so that the recording density is double that of the conventional case. Can be achieved.
図4参照
図4は、本発明の実施例2のカーボンナノチューブデバイスの動作の説明図であり、ここでは、動作を理解しやすくするためにカーボンナノチューブ束57の内の一本のカーボンナノチューブ58の動作のみを示している。
なお、実際にはカーボンナノチューブ束57の動作であるので、アトラクタ電極及びリリース電極の端部に形成した凹部53〜56のみが実質的な可動空間となる。
See Figure 4. Figure 4 is an explanatory view of the operation of the carbon nanotube device of Example 2 of the present invention, where, in order to facilitate the understanding of the operation of one
Since the operation of the
図に示すように、アトラクタ電極64に電圧を印加することによって形成されたカーボンナノチューブ58の曲がりは、リリース電極63に電圧を印加することによって形成されるカーボンナノチューブ58の曲がりによりリセットされ、逆に、リリース電極63に電圧を印加することによって形成されたカーボンナノチューブ58の曲がりは、アトラクタ電極64に電圧を印加することによって形成されるカーボンナノチューブ58の曲がりによりリセットされる。
As shown in the figure, the bending of the
このように、本発明の実施例2のカーボンナノチューブデバイスにおいては、同一積層電極を構成する電極同士で、書き込みと消去を行なうことが可能になる。
これはカーボンナノチューブに許容されているゆとり(屈曲)が、一つ分の屈曲しかないことに起因しており、1つ分の屈曲は許容できるが、2つ分の屈曲は許容できないように、カーボンナノチューブの長さ、凹部53〜56の深さ、凹部53〜56の高さ、即ち、リリース電極63,65及びアトラクタ電極64,66の厚さ、カーボンナノチューブの太さ等を調整しておくことで可能になる。
Thus, in the carbon nanotube device of Example 2 of the present invention, writing and erasing can be performed between electrodes constituting the same laminated electrode.
This is because the allowance (bending) allowed for the carbon nanotube is only one bend, so that one bend is acceptable, but two bends are not acceptable. The length of the carbon nanotube, the depth of the
なお、この様な動作はカーボンナノチューブ58がSiO2膜34,36,38の端部に付着・固定していては実現できないが、カーボンナノチューブ58はSiO2膜34,36,38の近傍を垂直方向に成長していくので、SiO2膜34,36,38の端部に付着することはない。
Such an operation cannot be realized if the
また、実際のカーボンナノチューブ束57の動きとしては、カーボンナノチューブ束57全体が動くものではなく、各電極の近傍に位置するカーボンナノチューブ58のみが動くだけであるので、上述のように、2つの積層電極61,62おいて独立に動くスイッチを構成する。
In addition, as the actual movement of the
このように、本発明の実施例2においては、開口部内にカーボンナノチューブが林立していても、凹部近傍のカーボンナノチューブだけが動けば良いので、開口部のサイズを自由に設定することができる。 Thus, in Example 2 of the present invention, even if carbon nanotubes stand in the opening, only the carbon nanotubes near the recess need to move, so the size of the opening can be freely set.
また、凹部近傍のカーボンナノチューブのみを動作させているので、対向する積層電極側からの電界を及ぼす必要がないので、低電圧動作が可能になる。
また、2つの積層電極61,62によって独立に動く2個のスイッチあるいはメモリを構成しているので、集積度を2倍にすることができる。
Further, since only the carbon nanotubes in the vicinity of the recesses are operated, it is not necessary to apply an electric field from the opposite laminated electrode side, so that low voltage operation is possible.
In addition, since two switches or memories that move independently by the two
次に、図5を参照して、本発明の実施例3のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、上述の実施例2のカーボンナノチューブデバイスにキャップを設けただけであるので概念的構成図のみを示す。 Next, the carbon nanotube device of Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG. 5 , but only a cap is provided on the carbon nanotube device of Example 2 described above, so only a conceptual configuration diagram is shown. .
図5参照
図5は、本発明の実施例3のカーボンナノチューブデバイスの概念的構成図であり、積層電極61,62及びカーボンナノチューブ束57の頂部を覆うようにキャップ層67を設けたものであり、カーボンナノチューブ束57はカーボンナノチューブが密集して生えているので、カーボンナノチューブ1本1本の隙間の奥深くまでキャップ層67が入り込んで成長できず、図示したように、カーボンナノチューブ束57の頂部にだけキャップ層67が設けられた状態となる。
この場合のキャップ層67は絶縁体でも導電体でも良く、導電体で構成する場合には、下部電極12と同じ電極としての機能を持たせても良い。
See Figure 5. Figure 5 is a conceptual configuration diagram of a carbon nanotube device of Example 3 of the present invention, which
In this case, the
この実施例3のカーボンナノチューブデバイスの基本的動作は上記の実施例2と全く同様であるが、この実施例3においては、1つ1つのスイッチは可動空間を保有した小さな言わばパッケージに格納された状態になる。 The basic operation of the carbon nanotube device of Example 3 is exactly the same as that of Example 2 described above, but in this Example 3 , each switch is housed in a small package having a movable space. It becomes a state.
このパッケージは、凹部53〜56の微小空間が閉じることなく維持されるばかりでなく、カーボンナノチューブ束57の長手方向の動きを阻害することもないので、スイッチやメモリを何層にも重ねて形成することができ、3次元的に集積度を向上することができる。
In this package, not only the minute spaces of the
また、キャップ層67を設けることによって、パッケージを必要としないか或いは汎用のパッケージで済ますことができるため、大幅なコスト低減が可能になる。
Further, by providing the
次に、図6を参照して、本発明の実施例4のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、積層数を多くしただけで実質的構成は上記の実施例1のカーボンナノチューブデバイスと同様であるので、概念的構成図及び等価回路図のみを示す。 Next, with reference to FIG. 6 , the carbon nanotube device according to the fourth embodiment of the present invention will be described. However, the substantial configuration is the same as the carbon nanotube device according to the first embodiment just by increasing the number of stacked layers. Only a conceptual configuration diagram and an equivalent circuit diagram are shown.
図6参照
図6の左図は本発明の実施例4のカーボンナノチューブデバイスの概念的構成図であり、また、右図はその等価回路図である。
図に示すように、ここでは8層の電極を設けており、左右両側の積層電極68,69が1対となって1つのスイッチを構成する。
Left side of FIG. 6
As shown in the figure, eight layers of electrodes are provided here, and the
また、図6の右図の等価回路図に示すように、SiO2膜70を介して多層の電極71,72を設けることによって、メモリ容量を積層数に応じて格段に増加することができ、8層の場合にはA〜Hの8つの状態を実現することができる。
In addition, as shown in the equivalent circuit diagram on the right side of FIG. 6 , by providing the
次に、図7を参照して、本発明の実施例5のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、積層数を多くしただけで実質的構成は上記の実施例2のカーボンナノチューブデバイスと同様であるので、概念的構成図及び等価回路図のみを示す。 Next, with reference to FIG. 7 , the carbon nanotube device of Example 5 of the present invention will be described. However, the substantial configuration is the same as the carbon nanotube device of Example 2 just by increasing the number of stacked layers. Only a conceptual configuration diagram and an equivalent circuit diagram are shown.
図7参照
図7の左図は本発明の実施例5のカーボンナノチューブデバイスの概念的構成図であり、また、右図はその等価回路図である。
図に示すように、ここでは8層の電極を設けており、左右両側の積層電極68,69が独立に2つのスイッチを構成する。
Left side of FIG. 7
As shown in the figure, eight layers of electrodes are provided here, and the
また、図7の右図の等価回路図に示すように、SiO2膜70を介して多層の電極71,72を設けることによって、メモリ容量を積層数に応じて格段に増加することができるとともに、左右の積層電極68,69が独立に2つのスイッチを構成するので、8層の場合にはA〜Pの16の状態を実現することができる。
In addition, as shown in the equivalent circuit diagram on the right side of FIG. 7 , by providing the
次に、図8及び図9を参照して、本発明の実施例6のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、動作が異なるだけで実質的構成は上記の実施例1のカーボンナノチューブデバイスと同様であるので、構成及び動作のみを示す。 Next, a carbon nanotube device according to Example 6 of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9 , but the structure is substantially the same as that of the carbon nanotube device according to Example 1 except for the operation. Therefore, only the configuration and operation are shown.
図8参照
図8の上図は本発明の実施例6のカーボンナノチューブデバイスの概念的構成図であり、また、下図はその等価回路図である。
図に示すように、一本のカーボンナノチューブ58によってA〜Dの4つの状態を実現するロータリースイッチを構成することになる。
The upper part of FIG. 8 see Figure 8 is a conceptual configuration diagram of a carbon nanotube device of Example 6 of the present invention, also shown below is an equivalent circuit diagram.
As shown in the figure, a
図9参照
図9は、本発明の実施例6のカーボンナノチューブデバイスの動作の説明図であり、下部電極12に一方の極性の電圧を印加した状態で電極71,72の内のいずれかに他方の極性の電圧を印加することによって、カーボンナノチューブ58は電圧が印加された電極71,72のいずれかに吸引されて付着することによってスイッチング動作を行なうが、一つの電極にしか接続できないのでロータリースイッチを構成する。
9. FIG. 9 is an explanatory view of the operation of the carbon nanotube device of Example 6 of the present invention. In the state in which the voltage of one polarity is applied to the
次に、図10を参照して、本発明の実施例7のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、積層数が異なるだけで実質的構成は上記の実施例6のカーボンナノチューブデバイスと同様であるので、概念的構成図及び等価回路図のみを示す。 Next, the carbon nanotube device of Example 7 of the present invention will be described with reference to FIG. 10. However, since the substantial structure is the same as that of the carbon nanotube device of Example 6 described above except that the number of stacked layers is different, Only a conceptual configuration diagram and an equivalent circuit diagram are shown.
図10参照
図10の上図は本発明の実施例7のカーボンナノチューブデバイスの概念的構成図であり、また、下図はその等価回路図である。
図に示すように、電極71,72の積層数を8層としているので、一本のカーボンナノチューブ58によってA〜Pの16の状態を実現するロータリースイッチを構成することになる。
The upper part of FIG. 10 reference figures 10 is a conceptual configuration diagram of a carbon nanotube device of Example 7 of the present invention, also shown below is an equivalent circuit diagram.
As shown in the figure, since the number of stacked
次に、図11を参照して、本発明の実施例8のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、各積層電極の構成は上記の各実施例のいずれかと同様であるが、カーボンナノチューブを中心にして3個以上の積層電極を円周上に配置したものである。 Next, a carbon nanotube device of Example 8 of the present invention will be described with reference to FIG. 11. The structure of each stacked electrode is the same as that of any of the above examples, but the carbon nanotube is the center. Three or more laminated electrodes are arranged on the circumference.
図11参照
図11は、本発明の実施例8のカーボンナノチューブデバイスの概念的平面図であり、上図は開口部73の中央部に設けた細いカーボンナノチューブ束74を中心にして4個の積層電極75を円周上に配置した場合を示し、下部は6個の積層電極75を配置した場合を示している。
Figure 11 Referring to FIG. 11 is a schematic plan view of a carbon nanotube device of Example 8 of the present invention, the above figure is a thin carbon nanotube bundles 74 provided at the center portion in the center of four
この場合、各積層電極75とカーボンナノチューブ束74との間に印加する電圧を低くすれば屈曲せずに撓む動作を行い、電圧を高くすれば上記の実施例1或いは実施例6と同様の動作を行なうことになる。
In this case, if the voltage applied between each
この本発明の実施例8においては、一本のカーボンナノチューブ束を中心にして3個以上の積層電極75を配置しているので、実現できる状態数を配置する積層電極75の数に応じて増大することができる。
なお、配置する積層電極75の数が奇数の場合には、上記の実施例2と同様に各積層電極75が単独のスイッチを構成することになる。
In the eighth embodiment of the present invention, since three or more
When the number of
次に、図12を参照して、本発明の実施例9のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、基本的構成は上記の実施例8と同様であるが、カーボンナノチューブ束が開口部を満たすようにしたものである。 Next, the carbon nanotube device of Example 9 of the present invention will be described with reference to FIG. 12. The basic configuration is the same as that of Example 8 , but the carbon nanotube bundle fills the opening. It is a thing.
図12参照
図12は、本発明の実施例9のカーボンナノチューブデバイスの概念的平面図であり、上図は開口部73を満たすカーボンナノチューブ束76を中心にして4個の積層電極75を円周上に配置した場合を示し、下部は6個の積層電極を配置した場合を示している。
See FIG. 12
FIG. 12 is a conceptual plan view of the carbon nanotube device according to the ninth embodiment of the present invention, and the upper figure has four stacked
この場合も、各積層電極75とカーボンナノチューブ束76との間に印加する電圧を低くすれば屈曲せずに撓む動作を行い、電圧を高くすれば上記の実施例1或いは実施例6と同様の動作を行なうことになる。
Also in this case, if the voltage applied between each
この本発明の実施例9においては、カーボンナノチューブ束76を中心にして3個以上の積層電極75を配置しているので、実現できる状態数を配置する積層電極75の数に応じて増大することができる。
なお、配置する積層電極75の数が奇数の場合には、上記の実施例2と同様に各積層電極75が単独のスイッチを構成することになる。
In the ninth embodiment of the present invention, since three or more
When the number of
次に、図13を参照して、本発明の実施例10のカーボンナノチューブデバイスを説明するが、基本的構成は上記の実施例1と同様であるが、スイッチ電極を構成するカーボンナノチューブと同時にカーボンナノチューブプラグを同時に成長させるものである。 Next, a carbon nanotube device of Example 10 of the present invention will be described with reference to FIG. 13. Although the basic configuration is the same as that of Example 1 , the carbon nanotubes constituting the switch electrode and carbon Nanotube plugs are grown simultaneously.
図13参照
まず、シリコン基板81上にゲート絶縁膜82を介してゲート電極83を設けたのち、ソース領域84及びドレイン領域85を形成し、次いで、ソース領域84、ドレイン領域85及びゲート電極83の表面にCoシリサイド電極86を形成したのち、全面に層間絶縁膜87を形成する。
See FIG. 13
First, a
次いで、MOSFET領域を覆うようにリフトオフ用のレジストパターン(図示を省略)を形成したのち、スパッタ法を用いてTiNからなる下部電極12、SiO2膜34、Alからなる導電体膜35、SiO2膜36、Alからなる導電体膜37、及び、SiO2膜38を順次堆積させる。
Then, Chi was to form a resist pattern for lift-off so as to cover the MOSFET region (not shown), the
次いで、レジストパターンを除去したのち、ドライエッチングを施すことによって、可動空間39を形成するとともに、SiO2膜38/アトラクタ電極42/SiO2膜36/リリース電極43/SiO2膜34からなる一対の積層電極40,41を形成する。
なお、このドライエッチング工程において、MOSFETのCoシリサイド電極86に対するビアホール88を形成する。
Next, after removing the resist pattern, dry etching is performed to form a
In this dry etching process, a via
次いで、サイドエッチングを行なうことによってアトラクタ電極42及びリリース電極の露出端部を選択的に除去して凹部を形成したのち、可動空間39に露出する下部電極12上及びCoシリサイド電極86上に選択的に触媒微粒子(図示を省略)を散布し、次いで、C2H2ガスを用いたCVD法によってカーボンナノチューブ束57とカーボンナノチューブ束プラグ89を同時に成長させることによって、カーボンナノチューブデバイスの基本構成が完成する。
Next, by performing side etching to selectively remove the exposed end portions of the
このように、カーボンナノチューブデバイスを半導体集積回路装置に集積化する場合に、カーボンナノチューブデバイス駆動用のトランジスタを始めとするMOSFETに対するプラグの少なくとも一部をカーボンナノチューブデバイスを構成するカーボンナノチューブ束と同時に形成することができる。 In this way, when integrating carbon nanotube devices in a semiconductor integrated circuit device, at least a part of plugs for MOSFETs, including transistors for driving carbon nanotube devices, are formed at the same time as a bundle of carbon nanotubes constituting the carbon nanotube device. can do.
次に、図14を参照して、本発明の実施例11のカーボンナノチューブデバイスを用いた不揮発性メモリを説明する。
図14参照
図14の上図は、本発明の実施例11のカーボンナノチューブデバイスを用いた不揮発性メモリの概念的斜視図であり、また、下図はその等価回路図である。
Next, with reference to FIG. 14, the nonvolatile memory will be described using a carbon nanotube device of Example 11 of the present invention.
See FIG. 14
The upper diagram of FIG. 14 is a conceptual perspective view of a nonvolatile memory using the carbon nanotube device of Example 11 of the present invention, and the lower diagram is an equivalent circuit diagram thereof .
この実施例11の不揮発性メモリの動作は、上記の実施例1と同様に4つ状態を実現できるので、どの電極に付着しているかで多値論理不揮発性メモリを構成することができる。 Since the operation of the nonvolatile memory of the eleventh embodiment can realize four states as in the first embodiment, a multi-valued logical nonvolatile memory can be configured depending on which electrode it is attached to.
次に、図15及び図16を参照して、本発明の実施例12のカーボンナノチューブデバイスを用いた不揮発性メモリを説明する。
図15及び図16参照
図15は、本発明の実施例12のカーボンナノチューブデバイスを用いた不揮発性メモリの概念的斜視図であり、また、図16はその等価回路図である。
Next, with reference to FIGS. 15 and 16 , a non-volatile memory using the carbon nanotube device of Example 12 of the present invention will be described.
See FIGS. 15 and 16
FIG. 15 is a conceptual perspective view of a nonvolatile memory using the carbon nanotube device of Example 12 of the present invention, and FIG. 16 is an equivalent circuit diagram thereof.
この実施例12の不揮発性メモリの動作は、上記の実施例4と同様に積層数に応じた数の状態を実現できるので、どの電極に付着しているかで6値以上の多値論理不揮発性メモリを構成することができる。
なお、図においては、最下層の電極を無選択としているので、14値となる。
Since the operation of the nonvolatile memory according to the twelfth embodiment can realize the number of states corresponding to the number of stacked layers as in the fourth embodiment, the multi-valued logic non-volatile having six values or more depends on which electrode is attached. A memory can be configured.
In the figure, since the lowermost electrode is not selected, the value is 14 values.
次に、図17及び図18を参照して、本発明の実施例13のカーボンナノチューブデバイスを用いた不揮発性メモリを説明する。
図17及び図18参照
図17は、本発明の実施例13のカーボンナノチューブデバイスを用いた不揮発性メモリの概念的斜視図であり、また、図18はその等価回路図である。
Next, with reference to FIGS. 17 and 18 , a nonvolatile memory using the carbon nanotube device of Example 13 of the present invention will be described.
17 and 18 refer to
FIG. 17 is a conceptual perspective view of a nonvolatile memory using the carbon nanotube device of Example 13 of the present invention, and FIG. 18 is an equivalent circuit diagram thereof.
この実施例13の不揮発性メモリの動作は、上記の実施例6と同様に積層数に応じた数の状態を実現できるので、どの電極に付着しているかで6値以上(図の場合には16値)の多値論理不揮発性メモリを構成することができる。 Since the operation of the non-volatile memory of this example 13 can realize the number of states corresponding to the number of stacked layers as in the case of the above-described example 6 , it is 6 values or more depending on which electrode is attached (in the case of the figure). 16-value) multi-valued logic nonvolatile memory can be configured.
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能である。 The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made .
また、上記の各実施例においては、基板としてシリコン基板を用いているがシリコン基板に限られるものではなく、石英基板、ガラス基板、或いは、サファイア基板、さらには、ステンレス基板等を用いても良いものである。 In each of the above embodiments, a silicon substrate is used as the substrate. However, the substrate is not limited to a silicon substrate, and a quartz substrate, a glass substrate, a sapphire substrate, a stainless steel substrate, or the like may be used. Is.
また、上記の各実施例においては、下部電極としてはTiNを、アトラクタ電極及びリリース電極としてはAlを用いているが、TiNやAlに限られるものではなく、Ti,Ni,TiN,W,Cu,Ag,Au,At,WN,Fe,Mo等の他の導電体を用いても良いものである。 In each of the above embodiments, TiN is used as the lower electrode and Al is used as the attractor electrode and the release electrode. However, the present invention is not limited to TiN or Al, but Ti, Ni, TiN, W, Cu. , Ag, Au, At, WN, Fe, Mo, or other conductors may be used.
また、上記の各実施例においては、触媒としてCoを用いているが、Coに限られるものではなく、Fe,Ni,Pt,Ti,Pa,TiCo等の他の触媒を用いても良いものである。 In each of the above embodiments, Co is used as a catalyst. However, the catalyst is not limited to Co, and other catalysts such as Fe, Ni, Pt, Ti, Pa, TiCo may be used. is there.
上記の各実施例においては、カーボンナノチューブを成長させる際に、触媒層を使用しているが、このような平面的に拡がる触媒層である必要はなく、触媒微粒子を散布することによって形成しても良いものであり、この場合、触媒微粒子の密度によりカーボンナノチューブの密度を制御することができる。 In each of the above embodiments, a catalyst layer is used when growing carbon nanotubes. However, the catalyst layer does not have to be spread in a plane, and is formed by spraying catalyst fine particles. In this case, the density of the carbon nanotubes can be controlled by the density of the catalyst fine particles.
また、上記の実施例10においては、プラグをカーボンナノチューブ束によって構成しているが、必ずしもカーボンナノチューブ束である必要はなく、カーボンナノチューブ束を構成しない程度に疎な密度のカーボンナノチューブで構成しても良いものであり、カーボンナノチューブデバイスとして必要とするカーボンナノチューブの本数により決定すれば良い。 In Example 10 above, the plug is formed of a carbon nanotube bundle. However, the plug is not necessarily formed of a carbon nanotube bundle, and is formed of carbon nanotubes having a sparse density that does not form a carbon nanotube bundle. The number of carbon nanotubes required as a carbon nanotube device may be determined.
また、上記の実施例11乃至実施例13においては、不揮発性メモリとして説明しているが、カーボンナノチューブの弾性による復元力と各電極に対する付着力を調整し、各電極に対して電圧を印加しない場合に、カーボンナノチューブが各電極から時間がたてば自然に離れるように構成すればDRAM等の揮発性メモリとなる。 Further, in the above-described Examples 11 to 13 , although described as a non-volatile memory, the restoring force due to the elasticity of the carbon nanotube and the adhesion force to each electrode are adjusted, and no voltage is applied to each electrode. In this case, a volatile memory such as a DRAM can be obtained if the carbon nanotubes are separated from each electrode as time passes.
また、上記の実施例11乃至実施例13においては、トランスファーゲートとして通常のMOSFETを用いているが、トランスファーゲートとして本発明のカーボンナノチューブデバイスを用いても良いものであり、その場合には、半導体を用いることなくメモリデバイスを構成することができる。 Further, in Example 11 to Example 13 above, but using a conventional MOSFET as a transfer over the gate, it is intended may be used a carbon nanotube device of the present invention as a transfer gate, in that case, A memory device can be configured without using a semiconductor.
さらに、上記の各実施例においては、カーボンナノチューブを用いているが、何らかの核を基点は棒状の成長が可能な導電性の材料であれば、カーボンナノチューブの限られるものではなく、例えば、アルミ、鉄等の金属のホイスカーやSiも棒状成長が可能であることが知られており、このようなホイスカーや棒状半導体を用いても良いものである。 Furthermore, in each of the above embodiments, carbon nanotubes are used. However, carbon nanotubes are not limited as long as they are conductive materials capable of growing in a rod shape with any nucleus as the base point. For example, aluminum, It is known that metal whisker such as iron or Si can be grown in a rod shape, and such a whisker or a rod-shaped semiconductor may be used.
また、上記の各実施例においては、カーボンナノチューブを成長させる際に、原料ガスとしてアセチレン(C2H2)を用いているがC2H2に限られるものではなく、メタン(CH4)、エチレン(C2H4)、アルコール類、CO(一酸化炭素)等の他のガスを使用しても良いものである。 In each of the above embodiments, acetylene (C 2 H 2 ) is used as a source gas when growing the carbon nanotubes, but is not limited to C 2 H 2 , and methane (CH 4 ), Other gases such as ethylene (C 2 H 4 ), alcohols, CO (carbon monoxide) may be used.
ここで、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
(付記1) 基板の主面に対して垂直方向に配向したカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブに隣接して設けられるとともに、絶縁層/第1電極/絶縁層/第2電極/絶縁層からなり且つ前記第1電極及び第2電極の前記カーボンナノチューブとの対向面が前記絶縁層の端部より後退している積層電極とを備えたことを特徴とする垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記2) 上記第1電極が、上記カーボンナノチューブを吸着して導通状態にする吸引電極であり、上記第2電極が前記カーボンナノチューブを前記第1電極から引き離して非導通状態にする開放電極であることを特徴とする付記1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記3) 上記第1電極及び第2電極が、上記カーボンナノチューブを吸着して導通状態にする吸引電極であることを特徴とする付記1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記4) 基板の主面に対して垂直方向に配向したカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブを介して対向配置されるとともに、絶縁層を介して3層以上の電極を積層し且つ前記電極の前記カーボンナノチューブとの対向面が前記絶縁層の端部より後退している少なくとも一対の積層電極とを備えたことを特徴とする垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記5) 上記積層電極を円周上に3個以上或いは3対以上配置したことを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記6) 上記カーボンナノチューブが一本のカーボンナノチューブからなることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記7) 上記カーボンナノチューブが、カーボンナノチューブ束を構成しない複数本のカーボンナノチューブからなることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記8) 上記カーボンナノチューブがカーボンナノチューブ束からなることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記9) 上記カーボンナノチューブの基板と反対側の端面が固定されずに開放状態であることを特徴とする付記1乃至付記8のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記10) 上記カーボンナノチューブの基板と反対側の端面が固定されていることを特徴とする付記1乃至付記8のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記11) 上記カーボンナノチューブ上の空間がキャップ部材で閉鎖されていることを特徴とする付記1乃至付記10のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
(付記12) 上記基板が半導体基板であり、上記カーボンナノチューブが前記半導体基板に形成されたドレイン領域に接触するドレイン電極上に垂直配向していることを特徴とする付記1乃至付記11のいずれか1に記載の垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。
Here , the detailed features of the present invention will be described again.
(Appendix 1) Carbon nanotubes oriented in a direction perpendicular to the main surface of the substrate , adjacent to the carbon nanotubes , and comprising an insulating layer / first electrode / insulating layer / second electrode / insulating layer and An electronic device using vertically aligned carbon nanotubes, comprising: a laminated electrode in which opposing surfaces of the first electrode and the second electrode facing the carbon nanotube are recessed from an end of the insulating layer .
(Supplementary Note 2 ) The first electrode is a suction electrode that adsorbs the carbon nanotubes to make the conductive state, and the second electrode is an open electrode that pulls the carbon nanotubes away from the first electrode and makes the conductive state non-conductive. An electronic device using the vertically aligned carbon nanotubes according to
(Supplementary note 3 ) The electronic device using vertically aligned carbon nanotubes according to
(Supplementary Note 4) and carbon nanotubes oriented in a direction perpendicular to the main surface of the substrate, the while being oppositely arranged with the carbon nanotubes, wherein the stacked and the
(Appendix 5 ) An electronic device using the vertically aligned carbon nanotubes according to any one of
(Additional remark 6 ) The said carbon nanotube consists of one carbon nanotube, The electronic device using the vertically aligned carbon nanotube of any one of
(Supplementary note 7 ) The electronic device using the vertically aligned carbon nanotube according to any one of
(Supplementary note 8 ) The electronic device using the vertically aligned carbon nanotube according to any one of
(Supplementary Note 9 ) An electronic device using the vertically aligned carbon nanotube according to any one of
(Appendix 10 ) An electronic device using vertically aligned carbon nanotubes according to any one of
(Additional remark 11 ) The electronic device using the vertically aligned carbon nanotube of any one of
(Supplementary note 12 ) Any one of
本発明の活用例としては、不揮発性メモリが典型的なものであるが、カーボンナノチューブと弾性による復元力と付着力を調整することによってDRAM等の揮発性メモリにも適用されるものであり、さらには、多値状態を実現できるスイッチングデバイスや、機械的スイッチと同様にリーク電流を完全に遮断する超小型電気的スイッチとしても適用されるものである。 As an application example of the present invention, a non-volatile memory is typical, but it is also applied to a volatile memory such as a DRAM by adjusting the restoring force and adhesive force by carbon nanotubes and elasticity, Furthermore, the present invention is also applied to a switching device that can realize a multi-value state, and a micro electrical switch that completely cuts off a leakage current, like a mechanical switch.
11 シリコン基板
12 下部電極
13 触媒層
34 SiO2膜
35 導電体膜
36 SiO2 膜
38 SiO2膜
39 可動空間
47 積層電極
48 積層電極
49 アトラクタ電極
50 アトラクタ電極
51 リリース電極
52 リリース電極
53〜56 凹部
57 カーボンナノチューブ束
58〜60 カーボンナノチューブ
61 積層電極
62 積層電極
63 リリース電極
64 アトラクタ電極
65 リリース電極
66 アトラクタ電極
67 キャップ層
68 積層電極
69 積層電極
70 SiO2膜
71 電極
72 電極
73 開口部
74 カーボンナノチューブ束
75 積層電極
76 カーボンナノチューブ束
81 シリコン基板
82 ゲート絶縁膜
83 ゲート電極
84 ソース領域
85 ドレイン領域
86 Coシリサイド電極
87 層間絶縁膜
88 ビアホール
89 カーボンナノチューブ束プラグ
90 ドレイン電極
91 ソース電極
101 基板
102 絶縁膜
103 ワード線
104 支持部材
105 ビット線
106 電極
107 電極
111 シリコン基板
112 SiO2膜
113 SiN支持体
114 ストライプ状電極
115 犠牲酸化膜
116 触媒微粒子
117 シート状カーボンナノチューブ
118 帯状シート電極
119 電極
120 カーボンナノチューブ
121 絶縁性支持部材
122 絶縁性支持部材
123 カーボンナノチューブ
124 導電体
125 導電体
11
38 SiO 2 film 39 movable spatial
47
81
Claims (3)
前記カーボンナノチューブに隣接して設けられるとともに、絶縁層/第1電極/絶縁層/第2電極/絶縁層からなり且つ前記第1電極及び第2電極の前記カーボンナノチューブとの対向面が前記絶縁層の端部より後退している積層電極と
を備えたことを特徴とする垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。 Carbon nanotubes oriented perpendicular to the main surface of the substrate ;
The insulating layer is provided adjacent to the carbon nanotube, and includes an insulating layer / first electrode / insulating layer / second electrode / insulating layer, and a surface of the first electrode and the second electrode facing the carbon nanotube is the insulating layer. electronic devices using the vertically aligned carbon nanotubes, comprising the a laminated electrode is retracted from the end <br/>.
前記カーボンナノチューブを介して対向配置されるとともに、絶縁層を介して3層以上の電極を積層し且つ前記電極の前記カーボンナノチューブとの対向面が前記絶縁層の端部より後退している少なくとも一対の積層電極と
を備えたことを特徴とする垂直配向カーボンナノチューブを用いた電子デバイス。 Carbon nanotubes oriented perpendicular to the main surface of the substrate ;
At least a pair of electrodes that are arranged to face each other via the carbon nanotubes, and that three or more electrodes are stacked via an insulating layer, and a surface of the electrodes facing the carbon nanotubes recedes from an end of the insulating layer. electronic devices using the vertically aligned carbon nanotubes, comprising the laminated electrode with <br/>.
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