專利名稱：采用碳納米管的存儲器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種存儲器件及其制造方法，更具體地，涉及一種具有碳納米管的存儲器件和一種制造該存儲器件的方法，其中碳納米管作為電荷移動通道。
背景技術：
半導體存儲器件基本上包括一電容器和一晶體管，其中，電容器用于保存存儲的電荷，晶體管作為一個確保電流通路的開關，該電流通路對于向該電容器寫入數據或者從該電容器讀出數據是必需的。
為了使大電流在晶體管中流動，該晶體管必須具有高跨導(gm)。于是，最近有一種趨勢，其采用具有高跨導的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)作為半導體存儲器件的開關元件。
MOSFET基本上包括由摻雜多晶硅制成的柵極電極和由摻雜晶體硅制成的源極電極和漏極電極。
MOSFET的跨導與溝道的長度(L)、柵極氧化膜的厚度等成反比，而與表面遷移率、柵極氧化膜的介電常數和溝道的寬度(W)成正比。由于柵極氧化膜的表面遷移率和介電常數是由一定向硅晶片、一氧化硅薄膜等預先決定的，通過提高溝道的W/L比率或者使柵極氧化膜變薄，可以獲得高跨導。
然而，由于高集成度存儲器件是通過減小MOSFET的物理尺寸而制造出來的，所以柵極、源極和漏極電極的尺寸必須減小，這會帶來許多問題。
假如柵極電極的尺寸被減小，則每一柵極電極的橫截面面積減小，在晶體管中形成高的電阻。源極和漏極電極尺寸的減小包括其厚度的減小，即結深度的減小，形成更大的電阻。而且，源極和漏極之間距離的減小有時會導致擊穿現象，其中，源極與漏極的耗盡層彼此接觸，這使得不可能調整電流。另外，這種存儲器件尺寸的減小使得作為電流通路的溝道的寬度減小到70nm或更小，阻礙了電流的平滑流動。結果是，存儲器件失靈。
換言之，基于MOSFET的普通存儲器件不適于用作未來的高密度存儲器，因為其具有這樣的問題，比如熱損、高功耗、電特性不定、電荷泄漏等等。

發明內容
本發明提供一種快速、高集成度的存儲器件，它防止了因存儲器件的小型化導致的電阻增大，并具有低熱損、低能耗、穩定的電特性和低的電荷泄漏。
根據本發明的一個方面，提供一種碳納米管存儲器件，它包括襯底、源極電極、漏極電極、碳納米管、存儲單元和柵極電極。所述源極電極與漏極電極以其間的預定間隔設置在襯底上并被施以電壓。碳納米管將源極電極連接到漏極電極上并起到電荷通道的作用。所述存儲單元位于碳納米管上方，并存儲來自碳納米管的電荷。所述柵極電極形成來與存儲單元的上表面接觸并控制從碳納米管流入存儲單元的電荷數量。
所述襯底由硅制成，并在該襯底上沉積一層氧化硅膜。
所述存儲單元包括第一絕緣膜，其形成來與碳納米管的上表面接觸；電荷存儲膜，其沉積在第一絕緣膜上，存儲電荷；以及第二絕緣膜，其形成于電荷存儲膜上并與柵極電極接觸。
優選地，所述第一絕緣膜的厚度與所述電荷存儲膜的厚度相近似，所述第二絕緣膜的厚度大約為所述電荷存儲膜厚度的兩倍。
所述第一和第二絕緣膜是由氧化硅形成的，而所述電荷存儲膜由硅和氮化硅之一形成。
優選地，所述電荷存儲膜的厚度為15nm或者更小。
所述電荷存儲膜可以是一種多孔膜，它具有多個被電荷存儲材料填充的納米點(nanodot)。
或者，所述存儲單元包括一第三絕緣膜，其形成來與所述柵極電極的下表面相接觸；以及一沉積在所述第三絕緣膜下面的多孔膜，其與所述碳納米管接觸，該多孔膜具有多個由所述電荷存儲材料填充的納米點。
所述第三絕緣膜的厚度大約為所述多孔膜厚度的兩倍，或者與所述多孔膜的厚度近似。
所述第三絕緣膜由氧化硅形成，而所述電荷存儲材料由硅和氮化硅之一形成。
所述多孔膜由氧化鋁形成。
優選地，納米點的直徑為15nm或者更小。
根據本發明的另一方面，提供一種制造碳納米管存儲器件的方法，該方法包括以下三個步驟。第一步，在襯底上生長碳納米管，源極電極和漏極電極形成來與該碳納米管接觸，以使在該源極電極與該漏極電極之間的該碳納米管起到電荷移動通道的作用。第二步，通過在所述碳納米管、源極電極和漏極電極上順序沉積第一絕緣膜、電荷存儲膜和第二絕緣膜，并采用光刻法將所得的結構形成圖案，從而將存儲單元形成得與所述碳納米管接觸。第三步，通過在所述第二絕緣膜上沉積金屬層并采用光刻法將所得的結構形成圖案，而形成柵極電極，該柵極電極控制從所述碳納米管流入所述電荷存儲膜的電荷量。
在第一步中，首先在所述襯底的上表面上形成一個絕緣層，然后在該絕緣層的上表面上生長所述碳納米管。這里，所述襯底由硅形成，所述絕緣層由氧化硅形成。此外，在第一步中，采用電子束光刻法(e-beamlithography)形成所述源極電極和漏極電極。
優選地，在第二步中，所述第一絕緣膜被沉積到其厚度近似于所述電荷存儲膜的厚度，而所述第二絕緣膜被沉積到其厚度大約為所述電荷存儲膜厚度的兩倍。
所述第一和第二絕緣膜由氧化硅形成，而所述電荷存儲膜由硅和氮化硅之一形成。
優選地，所述電荷存儲膜的厚度為15nm或者更小。
根據本發明的另一方面，還提供一種制造碳納米管存儲器件的方法，包括以下五個步驟。第一步，在襯底上生長碳納米管，源極電極和漏極電極形成得與該碳納米管接觸，以使在該源極電極與該漏極電極之間的該碳納米管起到電荷移動通道的作用。第二步，通過在所述碳納米管、源極電極和漏極電極的上表面上沉積第一絕緣膜，并且陽極氧化和蝕刻所述第一絕緣膜，形成具有多個納米點的多孔膜。第三步，通過在所述多孔膜的上表面上沉積電荷存儲材料然后蝕刻該電荷存儲材料，所述納米點被所述電荷存儲材料填充。第四步，通過在所述多孔膜的上表面沉積第二絕緣膜并采用光刻法使所述第一絕緣膜、多孔膜和第二絕緣膜形成圖案，從而形成存儲單元。第五步，通過在所述第二絕緣膜上沉積金屬層并采用光刻法將所得的結構形成圖案，從而形成柵極電極，該柵極電極控制從所述碳納米管流入所述電荷存儲膜的電荷數量。
在第一步中，在所述襯底的上表面形成絕緣層，所述碳納米管在該絕緣層的上表面生長。這里，所述襯底由硅形成，而所述絕緣層由氧化硅形成。
在第一步中，采用電子束光刻法形成所述源極電極和漏極電極。
在第二步中，所述第一絕緣膜被沉積到其厚度近似于所述多孔膜的厚度，而所述第二絕緣膜被沉積到其厚度大約為所述多孔膜厚度的兩倍。
所述第一和第二絕緣膜由氧化硅形成，而所述電荷存儲膜由硅和氮化硅之一形成。
優選地，所述多孔膜的厚度為15nm或者更小。
在第一步中，所述整個第一絕緣膜被氧化以形成所述具有多個納米點的多孔膜。
在本發明中，因為碳納米管被用作電荷移動通道，不需要用于半導體存儲器件的摻雜工序。而且，因為采用了具有高電導率和高導熱性的碳納米管，所以由于存儲器件的高集成化所引起的電阻增加和故障就被防止了。而且，因為根據本發明的存儲器件包括存儲電荷的電荷存儲膜，或者具有納米點的多孔膜，所以所述存儲器件成為一種高效率、高集成化的存儲器件。


通過結合附圖對本發明的示例性實施例進行詳細描述，本發明的上述和其它特征以及優點將變得更加清楚，其中圖1為根據本發明一實施例的存儲器件的透視圖；圖2為根據本發明一實施例的存儲器件中采用的第一存儲單元的橫截面圖；圖3A為根據本發明一實施例的存儲器件中采用的第二存儲單元的橫截面圖；圖3B為根據本發明一實施例的存儲器件中采用的第三存儲單元的橫截面圖；
圖4為根據本發明一實施例的存儲器件中采用的所述第三存儲單元的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；圖5A和5B為根據本發明一實施例的存儲器件的SEM照片；圖6A至6I為透視圖，用于說明根據本發明一實施例的采用所述第一存儲單元的存儲器件的制造方法；圖7A至7E為橫截面圖，用于說明根據本發明一實施例的存儲器件中所采用的第三存儲單元的制造方法；圖8A為根據本發明一實施例的存儲器件的平面圖；圖8B示出在圖8A的存儲器件的源極電極與漏極電極之間的碳納米管通道；圖9為根據本發明一實施例的存儲器件中的源極-漏極電流Isd與源極-漏極電壓Vsd的關系圖；圖10為根據本發明一實施例的存儲器件中源極-漏極電流Isd與柵極電壓Vg的關系圖；圖11A為根據本發明一實施例的P型存儲器件的源極-漏極電流Isd與柵極電壓Vg的關系圖；圖11B為根據本發明一實施例的N型存儲器件的源極-漏極電流Isd與柵極電壓Vg的關系圖；圖12為根據本發明一實施例的N型存儲器件中，用于一預定源極-漏極電壓的漏極電流Id與柵極電壓Vg的關系圖；圖13為根據本發明一實施例的存儲器件中，當漏極電流Id為50nA時，閾值電壓Vth與柵極電壓Vg的關系圖；圖14示出根據本發明一實施例的存儲器件中，碳納米管與柵極電極之間的電場的示意性示圖，還示出根據本發明一實施例的存儲器件中，柵極電極處的表面感應電荷密度(σ)與所述CNT和柵極電極之間的距離的關系圖；以及圖15為根據本發明一實施例的存儲器件中漏極電流Id與時間的關系圖。
具體實施例方式
如圖1所示，根據本發明一實施例的存儲器件包括襯底11，絕緣層13，所述絕緣層13上的源極電極15和漏極電極17，碳納米管21，存儲單元23和柵極電極19，其中，所述絕緣層13被沉積在所述襯底11上，所述源極電極15和漏極電極17由金屬制成并彼此隔開一預定距離，所述碳納米管21將所述源極電極15與所述漏極電極17連接并起到電子移動通道的作用，所述存儲單元23接觸所述碳納米管21并存儲電子電荷(或空穴電荷)，所述柵極電極19接觸所述存儲單元23并控制電子的運動。
在圖1中，源極電極15與漏極電極17安裝在襯底11上。然而，源極電極15與漏極電極17可以被安裝在襯底11內。在此情況下，碳納米管21也被設置在襯底11內，或者安裝成與襯底11的內表面接觸。
所述襯底11通常由硅制成，而形成于襯底11上的所述絕緣層13由氧化硅制成。
源極電極15與漏極電極17可以由比如鈦(Ti)或金(Au)的金屬制成。柵極電極19可以由比如多晶硅的金屬制成。采用公知的半導體工藝形成所述晶體管結構，比如光刻法、電子束光刻法、蝕刻法、氧化法、以及薄膜沉積法。
所述碳納米管21是一種碳的同素異形體，其具有一種通過將碳原子相互結合而形成的蜂窩形狀。換言之，碳納米管21具有一種形狀，在該形狀中，由多個碳原子結合所形成的石墨片被卷繞成具有納米級直徑的圓周。根據石墨片的卷繞角和結構，碳納米管21或者具有金屬特性或者具有半導體特性。在當前的工業領域，特別是納米技術領域，人們正在積極地研究碳納米管的這一特性。
碳納米管根據它們的電特性分成兩種不同類型。一種類型是金屬碳納米管，它們的電子行為是歐姆性的，且不受柵極電壓的影響。另一種類型是半導體碳納米管，它們的電子行為是非歐姆性的，且受柵極電壓影響。
根據本發明實施例的存儲器件中所用的碳納米管21是一種半導體碳納米管。通過改變施加到柵極電極19上的電壓，來控制通過碳納米管21移動的電子流，即電流。
所述碳納米管21可以用電弧放電、激光蒸發、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、熱化學氣相沉積、氣相生長等方法制造。
圖2、3A和3B分別示出根據本發明一實施例的存儲器件中所采用的第一、第二和第三存儲單元23、25和35。
如圖2所示，在根據本發明一實施例的存儲器件中所采用的第一存儲單元23包括第一和第二絕緣膜20和24、以及電荷存儲膜22。該電荷存儲膜22存儲電荷，即電子或者空穴，并被插入第一和第二絕緣膜20和24之間。第一和第二絕緣膜20和24由氧化硅SiO2形成，而電荷存儲膜22由硅(Si)或者氮化硅(Si3N4)形成。特別是，Si3N4薄膜是作為能夠存儲多個電荷的低勢能俘獲位置(low-potential trap site)而提供的。
優選地，整個第一存儲單元23的厚度約為60nm，而電荷存儲膜22的厚度約為15nm或更小。已證實，當作為電荷存儲膜22的硅膜或者氮化硅膜的厚度為100nm或更小時，它能夠存儲電子。優選地，所述第一絕緣膜20足夠薄，以便從圖1所示的碳納米管21接收的電荷能夠容易地隧穿，而所述第二絕緣膜24足夠厚，以防止來自柵極電極19的電荷被導入其中，并且將存儲在電荷存儲膜22中的電荷保存很長時間。比如，第一絕緣膜20為7nm厚的氧化物薄膜，電荷存儲膜22為7nm厚的Si3N4薄膜，而第二絕緣膜24為14nm厚的氧化物薄膜。這里，所述第一絕緣膜20，電荷存儲膜22和第二絕緣膜24形成為它們的厚度比為1∶1∶2，使得來自碳納米管21的電荷能長時間地穩定地存儲在電荷存儲膜22中。
圖3A為根據本發明一實施例的存儲器件中所采用的第二存儲單元25的橫截面圖。如圖3A所示，第二存儲單元25包括與所述柵極電極19形成接觸的第三絕緣膜29，和多孔膜26，該多孔膜26形成于第三絕緣膜29的下方，并具有被電荷存儲材料28填滿的多個納米點27。
第三絕緣膜29可由氧化硅形成，而電荷存儲材料28可以是硅或者氮化硅。優選地，第三絕緣膜29比所述多孔膜26厚，以便能夠將所述電荷存儲材料28穩定地保存在納米點27中。
圖3B為根據本發明一實施例的存儲器件中所采用的第三存儲單元35的橫截面圖。該第三存儲單元35的結構是，在其中，在第二存儲單元25的多孔膜26的下方還形成有一絕緣膜。因而，該第三存儲單元35包括第四絕緣膜34，具有被電荷存儲材料38填滿的多個納米點37的多孔膜36和第五絕緣膜34′。優選地，第四絕緣膜34足夠厚，以防止來自圖1的柵極電極19的電荷被導入其中，并且長時間保存存儲在電荷存儲膜38中的電荷。優選的是，第五絕緣膜34′足夠薄，使得來自碳納米管21的電子或空穴能夠容易地在其中隧穿，并移動到該多孔膜36內。
圖4為根據本發明一實施例的存儲器件中采用的第三存儲單元35的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。在該SEM照片中，第四絕緣膜34由SiO2形成，多孔膜36和第五絕緣膜34′由Al2O3形成，而電荷存儲材料38由Si(或Si3N4)形成。
圖5A和5B為顯示根據本發明一實施例的存儲器件中連接源極電極15與漏極電極17的碳納米管21的SEM照片。采用原子能顯微鏡，可以測量出該碳納米管21的直徑約為3nm。
圖6A至6I為透視圖，用于說明根據本發明一實施例的采用第一存儲單元23的一種存儲器件的制造方法。首先，參見圖6A，在襯底11的上表面沉積絕緣層13，然后在絕緣層13上生成碳納米管21。用CVD法制造的碳納米管(CNT)粉末被分散到氯仿溶液中，然后，在絕緣層13上的幾個位置處涂敷和干燥。圖6A示出在襯底11上的一個位置所形成的單根碳納米管21。
接下來，如圖6B所示，在絕緣層13上沉積用于形成源極電極15和漏極電極17的導電材料層14，然后，通過電子束光刻法利用一掩模12a來構圖導電材料層14。比如，導電材料層14可以由一種金屬比如Au或Ti形成。優選地，在掩模構圖之后形成的源極電極15和漏極電極17被熱退火以減小接觸電阻。比如，源極電極15和漏極電極17可以在600℃快速退火約30秒。圖6C示出以這種方式形成的源極電極15和漏極電極17。
圖6D至6F說明沉積第一存儲單元23的工藝過程。參見圖6D，在源極電極15和漏極電極17上、在連接源極電極15和漏極電極17的碳納米管21上和在絕緣層13上，順序地沉積第一絕緣膜20a、電荷存儲膜22a和第二絕緣膜24a，從而形成存儲單元23a。如圖6E所示，在圖6D所形成的結構上設置一掩模12b，并對其曝光，然后，所形成的結構被顯影(develop)。如圖6F所示，第一存儲單元23形成來與源極電極15和漏極電極17的上表面及碳納米管21的上表面接觸。第一存儲單元23包括由氧化物制成的第一絕緣膜20，由Si或Si3N4制成的電荷存儲膜22、以及由氧化物制成的第二絕緣膜24。通過CVD方法，利用SiH4氣和O2氣的混合物形成氧化膜，并通過CVD方法，利用SiH2Cl2氣和NH3氣形成Si3N4膜。
圖6G至6I示出形成柵極電極19的過程。參見圖6G，在絕緣層13上沉積用于形成柵極電極19的金屬層18以覆蓋碳納米管21和第一存儲單元23。如圖6H所示，在該金屬層18上設置掩模12c，然后在紫外線下曝光，然后所形成的結構被顯影。在圖6H所示的步驟之后，形成如圖6I所示的柵極電極19。
圖7A至7E說明根據本發明一實施例的存儲器件中所采用的第三存儲單元35的制造方法。首先，如圖7A所示，第五絕緣膜34′被氧化以在其上獲得一氧化膜36′。通過加電使所形成的結構氧化并蝕刻該結構，就制成了具有多個納米點37的多孔膜36，如圖7B所示。假如第五絕緣膜34′由鋁制成，則該鋁被浸入硫酸溶液或者磷酸溶液，并被加電氧化，以形成多個納米點37。此氧化被稱為陽極氧化。該鋁被氧化成氧化鋁，它的體積比原來的鋁的體積大。
如圖7C所示，采用CVD或者濺射技術，用硅或氮化硅，即電荷存儲膜22的材料將納米點37填滿。此后，如圖7D所示，所形成的納米點37被干法蝕刻以形成能夠聚集電荷的多孔膜36。然后，如圖7E所示，第四絕緣膜34被沉積在多孔膜36上，從而完成了第三存儲單元35的制造。為了制造包含有該第三存儲單元35的存儲器件，首先，按照圖6A至6C所示形成碳納米管21以及源極電極15和漏極電極17。接著，如圖7A至7E所示，可在碳納米管21上形成第三存儲單元35。此后，如圖6G至6I所示，形成柵極電極19。
可以用與第三存儲單元35的制造方法相類似的方法制造第二存儲單元25。正如在形成第三存儲單元35的過程中一樣，通過完全氧化第五絕緣膜34′而形成具有多個納米點27的多孔膜26。此后，用電荷存儲材料28將納米點27填滿，然后在所形成的多孔膜26上沉積第三絕緣膜29，從而形成如圖3A所示的第二存儲單元25。
在根據本發明一實施例的存儲器件中，假如源極電極15被接地，在漏極電極17上施加正的漏極電壓，則電子移向碳納米管21，從而電流流動。此時，假如將高于施加在漏極電極17上的漏極電壓的一預定柵極電壓施加到柵極電極19上，則電子從碳納米管21移向存儲單元(23、25或35)，隧穿通過第一絕緣膜20或者第五絕緣膜34′，并移動到電荷存儲膜22或者納米點27和37。通過適當地控制柵極電壓和漏極電壓，電子被存入、清除、和流出電荷存儲膜22和納米點27和37，從而實現數據的記錄、消除和再現。
圖8A為根據本發明一實施例的一種存儲器件的平面圖，它包括一個單一柵極電極、以及位于柵極電極的下面的多個源極電極和漏極電極和一碳納米管。圖8B為一圖片，示出連接圖8A所示的源極電極(S)與漏極電極(D)的一種碳納米管通道。
根據本發明一實施例的存儲器件，通過適當地控制存儲單元的存儲膜的材料和厚度、被包含在多孔膜中的多個納米點的每一個納米點的直徑和長度、填充納米管通道的材料、柵極電壓和源極-漏極電壓，該存儲器件能用作易失性存儲器或者非易失性存儲器。
圖9為在根據本發明一實施例的存儲器件中，當柵極電壓從0V變到10V時，源極電極與漏極電極之間的電流Isd對源極電極與漏極電極之間的電壓Vsd的關系圖。
曲線f1表示，當柵極電壓為0V時，源極-漏極電流Isd為0，與源極-漏極電壓Vsd的變化無關。
曲線f2表示，當柵極電壓為10V時，隨著源極-漏極電壓Vsd從0增加到一個正值，源極-漏極電流Isd從0增大到約1000nA，但是隨著源極-漏極電壓Vsd從0減小到一個負值，源極-漏極電流Isd從0減小到約-1000nA。
假如在某一源極-漏極電壓值時柵極電壓為0V，則在源極電極與漏極電極之間沒有電子移動，因而不能實現數據寫入。假如柵極電壓大于0V，則源極-漏極電流開始流動。隨著柵極電壓的增大，通過捕獲預定數量的電子，就能實現數據存儲。
圖10為在一種p型CNT場效應晶體管(FET)中，源極電極與漏極電極之間的電流Isd對柵極電壓Vg的關系圖，該FET具有一電荷存儲膜，該存儲膜是一28nm的ONO薄膜。
如圖10所示，在p型CNT FET中，隨著柵極電極的負電壓的增大，源極-漏極電流Isd增大，而當柵極電極的電壓為正值時，電流Isd減小到幾飛(femto)安(fA)。在Vsd＝1V時，當柵極電極的電壓從-4V變化到4V時，導通狀態電流Ion與斷開狀態電流Ioff之比Ion/Ioff超過105。所測量的斷開狀態電流保持在幾個pA或更小。人們認為，斷開狀態的電流保持在一個低值是由柵極電極在存儲器件中的位置和ONO薄膜的高擊穿電壓導致的。在閃存器件的情形下，閾值電壓隨著比值Ion/Ioff的增大而增大，從而改進了性能。
圖11A顯示出一種具有7nm厚存儲單元(SiO2/Si3N4/SiO2)的P型CNT存儲器件的電流-電壓(I-V)特性。圖11B顯示出一種具有30nm厚存儲單元(SiO2/Si3N4/SiO2)的N型CNT存儲器件的電流-電壓(I-V)特性。
參見圖11A，P型CNT存儲器件中的漏極電流Id相對源極-漏極電壓Vsd而輕微地變化。然而，假如柵極電壓Vg為2.5V左右時，則漏極電流Id急劇地減小。
參見圖11B，假如柵極電壓Vg等于或大于4V，則在Vsd＝3V時，N型CNT存儲器件中的漏極電流Id表現出明確的滯后現象。
圖12為當在一個N型CNT存儲器件上施加不同的源極-漏極電壓Vsd時，漏極電流Id與柵極電壓Vg的關系圖，柵極電壓Vg從0V到1V。參見圖12，n1表示Vsd為0V時的情形，n2表示Vsd為-5V時的情形，n3表示Vsd為-5.5V時的情形，n4表示Vsd為-6V時的情形，而n5表示Vsd為-6.5V時的情形。從n1到n5可以看到，漏極電流Id隨著柵極電壓Vg增大而增大，并當Vg約0.6V時達到飽和。
假設h表示存儲單元的厚度，即ONO膜的厚度，L和r分別表示碳納米管的長度和半徑，則該碳納米管每單位長度的靜電容量表示為公式1C/L＝2πεε0/1n(2h/r)……(1)當該ONO膜的有效介電常數為-3，h為30nm，r為1.5nm，L為1μm，損壞柵極電壓Vgd為2V時，則根據公式1得出580μm-1的空穴密度(P)。根據公式2可以計算出該CNT的空穴遷移率(μh)，公式2為μh＝29cm2/(V·S) ……(2)上述空穴遷移率(μh)大于一單壁納米管的空穴遷移率或者多層壁納米管(MWNT)的空穴遷移率。
圖13為在根據本發明一實施例的存儲器件中，當漏極電流Id恒定地為50nA時，閾值電壓Vth與柵極電壓Vg的關系圖。當正的柵極電壓增大時，閾值電壓Vth增大，這意味著來自碳納米管的空穴被注入一ONO薄膜并填充一俘獲位置。從圖13可以看到，當柵極電壓Vg從0V增大到7V時，閾值電壓增大了約60mV，相應地發現空穴被準量子化。
圖14示出在根據本發明一實施例的存儲器件中，碳納米管與柵極電極之間的電場的示意圖，以及柵極電極處的表面感應電荷密度(σ)與CNT和柵極電極之間的距離的關系圖。
參見圖14，柵極電壓在碳納米管(CNT)的表面周圍形成了一個強電場。當該柵極電極被認為是一個完全導體而且該CNT的直徑為3nm時，在該CNT與該柵極電極之間的ONO薄膜可以被認為是一單層，其有效介電常數為3。于是，可以計算出圍繞該CNT的電場。假如柵極電壓為5V，則計算出的電場為970V/μm，一足以誘發Fowller Nodheim隧道貫穿的強電場。而且，假如隧道貫穿電荷沿電場線流動，它們與基于感應電荷分布而計算出的電場強度成比例地被氮化物薄膜捕獲。在該電場的計算中，全部隧穿電荷的70％與在電荷密度的峰值的半最大值(halfmaximum)(FWHW)處的全寬一致，并流入包含在OHO薄膜中的厚度為14nm的氮化物薄膜中。眾所周知，當量子點(quantum dot)的尺寸等于或者小于10nm時，電荷在室溫時被量子化。參見圖14的曲線圖，接近CNT時感應電荷密度(σ)增大。
圖15為在根據本發明一實施例的存儲器件中，漏極電流Id與時間的關系圖，例如100秒。一局部化的電荷分布可以使電荷被感應到ONO薄膜的氮化物膜中，這是由于局部化的碳納米管具有高的電場分布，而且，被ONO薄膜的局部化區域所捕獲的電荷能夠被分散到沒有存儲電荷的區域。然而，如圖15所示，隨著時間的過去，電流的總量保持恒定。因而可以得知，本發明的CNT存儲器件的ONO薄膜的一個電荷俘獲位可以作為閃存器件的量子點。
本發明提供了一種采用CNT-FET和ONO薄膜的非易失性存儲器件，其中，電荷被存儲在ONO薄膜的一個俘獲位中。存儲電荷具有約60mV的量子化電壓增量，這意味著ONO薄膜具有準量子化的能態。該量子化能態與一個和一納米級CNT通道相聯系的高的局域電場相關，而且代表著CNT存儲器件作為一種超高密度大容量閃存。
根據本發明的存儲器件采用碳納米管代替注入溝道(implantationchannel)來在源極和漏極之間移動電荷，并包括電荷存儲膜或者具有納米點的多孔膜，而無需額外的電容器。
而且，因為采用了具有高電導率和高導熱性的碳納米管作為電子移動通道，所以可以制造一種小的晶體管，因而能夠制造高集成、高效能的存儲器件。
盡管已經結合本發明的示例性實施例對本發明進行了具體地圖示和描述，但是應當知道，在不背離本發明的由所述權利要求所限定的范圍和精神的情況下，本領域技術人員可對其作形式和細節上的多種變化。
總而言之，本發明的存儲器件包括采用一高傳導性CNT的小晶體管和存儲電子的存儲單元，因而具有高效率和高集成度。
權利要求
1.一種碳納米管存儲器件，包括襯底；其間具有一預定間隔地設置在所述襯底上、并被施以一電壓的源極電極和漏極電極；碳納米管，其將所述源極電極與漏極電極連接，并用作電荷通道；存儲單元，其位于所述碳納米管的上方，并存儲來自碳納米管的電荷；以及柵極電極，其形成來與所述存儲單元的上表面接觸，以控制從所述碳納米管流入所述存儲單元的電荷數量。
2.根據權利要求1所述的碳納米管存儲器件，其中所述襯底由硅制成。
3.根據權利要求2所述的碳納米管存儲器件，其中在所述襯底上沉積有氧化硅膜。
4.根據權利要求1所述的碳納米管存儲器件，其中所述存儲單元包括第一絕緣膜，其形成來與所述碳納米管的上表面接觸；電荷存儲膜，其沉積在所述第一絕緣膜上，并存儲電荷；以及第二絕緣膜，其形成于所述電荷存儲膜上并與所述柵極電極接觸。
5.根據權利要求4所述的碳納米管存儲器件，其中所述第一絕緣膜的厚度與所述電荷存儲膜的厚度相似。
6.根據權利要求4所述的碳納米管存儲器件，其中所述第二絕緣膜的厚度大約為所述電荷存儲膜的厚度的兩倍。
7.根據權利要求4所述的碳納米管存儲器件，其中所述第一和第二絕緣膜由氧化硅形成。
8.根據權利要求4所述的碳納米管存儲器件，其中所述電荷存儲膜由硅和氮化硅之一形成。
9.根據權利要求4所述的碳納米管存儲器件，其中所述電荷存儲膜的厚度為15nm或者更小。
10.根據權利要求4所述的碳納米管存儲器件，其中所述電荷存儲膜為多孔膜，它具有多個被電荷存儲材料填滿的納米點。
11.根據權利要求1所述的碳納米管存儲器件，其中所述存儲單元包括第三絕緣膜，其形成來與所述柵極電極的下表面接觸；以及多孔膜，其被沉積在所述第三絕緣膜的下面并與所述碳納米管接觸，該多孔膜具有多個被所述電荷存儲材料填滿的納米點。
12.根據權利要求11所述的碳納米管存儲器件，其中所述第三絕緣膜的厚度大約為所述多孔膜厚度的兩倍。
13.根據權利要求11所述的碳納米管存儲器件，其中所述第三絕緣膜的厚度與所述多孔膜的厚度近似。
14.根據權利要求11所述的碳納米管存儲器件，其中所述第三絕緣膜由氧化硅形成。
15.根據權利要求10或11所述的碳納米管存儲器件，其中所述電荷存儲材料是硅和氮化硅中的一種。
16.根據權利要求10或11所述的碳納米管存儲器件，其中所述多孔膜由氧化鋁形成。
17.根據權利要求10或11所述的碳納米管存儲器件，其中所述納米點的直徑為15nm或者更小。
18.一種制造碳納米管存儲器件的方法，該方法包括(a)在襯底上生長碳納米管，并形成與所述碳納米管相接觸的源極電極和漏極電極，使得所述源極電極與漏極電極之間的所述碳納米管用作電荷移動通道；(b)通過在所述碳納米管、源極電極和漏極電極上順序地沉積第一絕緣膜、電荷存儲膜和第二絕緣膜，并采用光刻法將所得的結構形成圖案，從而形成存儲單元，該存儲單元與所述碳納米管接觸；(c)通過在所述第二絕緣膜上沉積金屬層并采用光刻法將所得的結構形成圖案，從而形成柵極電極，該柵極電極控制從所述碳納米管流入所述電荷存儲膜的電荷數量。
19.根據權利要求18所述的方法，其中在步驟(a)中，在所述襯底的上表面上形成絕緣層，并在該絕緣層的上表面上生長所述碳納米管。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述襯底由硅形成，所述絕緣層由氧化硅形成。
21.根據權利要求18或19所述的方法，其中在步驟(a)中，采用電子束光刻法形成所述源極電極和漏極電極。
22.根據權利要求18所述的方法，其中在步驟(b)中，所述第一絕緣膜被沉積到其厚度近似于所述電荷存儲膜的厚度。
23.根據權利要求18所述的方法，其中在步驟(b)中，所述第二絕緣膜被沉積到其厚度大約為所述電荷存儲膜厚度的兩倍。
24.根據權利要求18所述的方法，其中所述第一和第二絕緣膜由氧化硅形成。
25.根據權利要求18所述的方法，其中所述電荷存儲膜由硅和氮化硅之一形成。
26.根據權利要求18所述的方法，其中所述電荷存儲膜的厚度為15nm或者更小。
27.一種制造碳納米管存儲器的方法，該方法包括(a)在襯底上生長碳納米管，并形成與所述碳納米管接觸的源極電極和漏極電極，使得所述源極電極與漏極電極之間的所述碳納米管用作電荷移動通道；(b)通過在所述碳納米管、源極電極和漏極電極的上表面上沉積第一絕緣膜，并且陽極氧化和蝕刻所述第一絕緣膜，來形成具有多個納米點的多孔膜；(c)通過在所述多孔膜的上表面上沉積電荷存儲材料，然后蝕刻該電荷存儲材料，來用該電荷存儲材料填滿所述納米點；(d)通過在所述多孔膜的上表面上沉積第二絕緣膜，并采用光刻法使所述第一絕緣膜、多孔膜和第二絕緣膜形成圖案，從而形成一存儲單元；以及(e)通過在所述第二絕緣膜上沉積金屬層并采用光刻法將所得的結構形成圖案，從而形成柵極電極，該柵極電極控制從所述碳納米管流入所述電荷存儲膜的電荷數量。
28.根據權利要求27所述的方法，其中在步驟(a)中，在所述襯底的上表面上形成絕緣層，且在該絕緣層的上表面上生長所述碳納米管。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述襯底由硅形成，而所述絕緣層由氧化硅形成。
30.根據權利要求27或28所述的方法，其中在步驟(a)中，采用電子束光刻形成所述源極電極和漏極電極。
31.根據權利要求27所述的方法，其中在步驟(b)中，所述第一絕緣膜被沉積到其厚度近似于所述多孔膜的厚度。
32.根據權利要求27所述的方法，其中在步驟(b)中，所述第二絕緣膜被沉積到其厚度大約為所述多孔膜厚度的兩倍。
33.根據權利要求27所述的方法，其中所述第一和第二絕緣膜由氧化硅形成。
34.根據權利要求27所述的方法，其中所述電荷存儲材料由硅和氮化硅其中之一形成。
35.根據權利要求27所述的方法，其中所述多孔膜的厚度為100nm或者更小。
36.根據權利要求27所述的方法，其中在步驟(a)中，所述整個第一絕緣膜被氧化以形成所述具有多個納米點的多孔膜。
全文摘要
本發明涉及一種采用碳納米管的存儲器件及其制造方法。該碳納米管存儲器件包括襯底、源極電極、漏極電極、碳納米管、存儲單元和柵極電極。源極電極與漏極電極其間有一預定間隔地設置在襯底上并被施以電壓。碳納米管將源極電極與漏極電極連接并用作電荷通道。存儲單元位于碳納米管的上方并存儲來自碳納米管的電荷。柵極電極形成得與存儲單元的上表面接觸并控制從碳納米管流入存儲單元的電荷量。如上所述，碳納米管存儲器件包括具有高電導率和高發射率的碳納米管以及具有良好電荷存儲能力的存儲單元，因而該存儲器件能夠作為一種無差錯的，快速且高度集成的存儲器件。
文檔編號H01L29/06GK1450643SQ0312859
公開日2003年10月22日 申請日期2003年2月9日 優先權日2002年2月9日
發明者崔原鳳, 柳寅儆, 周齊昱 申請人:三星電子株式會社