DE10032412A1 - Elektronisches Speicherelement und Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Speicherelements - Google Patents

Abstract

Eine Vielzahl von ersten Nanoröhren und eine Vielzahl von zweiten Nanoröhren sind zueinander windschief oder einander kreuzend angeordnet. Die Anordnung der Nanoröhren erfolgt derart, dass eine elektrische Kopplung zwischen zumindest einem Teil der ersten Nanoröhren und zumindest einem Teil der zweiten Nanoröhren möglich ist in einer Weise, dass unterscheidbar ist, ob die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren an ihren jeweiligen Kreuzungsstellen miteinander elektrisch gekoppelt sind oder nicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Speicherelement und ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Speicherelements.

Aus [1] sind verschiedene Speicherschaltungen, bei denen Transistoren in CMOS-Technologie verwendet werden, bekannt. Aus [1] ist insbesondere ein sogenannter Flash-Speicher bekannt. Bei einem solchen Flash-Speicher können vorgegebene Daten in binärer Form gespeichert und ausgelesen werden.

Weiterhin sind aus [2] Grundlagen über sogenannte Carbon- Nanoröhren bekannt.

Ein Verfahren zum Herstellen von Carbon-Nanoröhren, die im weiteren auch als Kohlenstoff-Nanoröhren bezeichnet werden, durch Aufwachsen der Kohlenstoff-Nanoröhren auf einem Substrat, ist aus [3] bekannt.

Ein weiteres Herstellungsverfahren zum Herstellen von Kohlenstoff-Nanoröhren durch Abscheiden der Kohlenstoff- Nanoröhren aus der Gasphase ist in [4] beschrieben.

Weiterhin ist aus [5] ein Schichtensystem bekannt, aufweisend eine erste Siliziumdioxid-Schicht, eine darauf aufgebrachte Siliziumnitrid-Schicht und eine zweite, auf der Siliziumnitrid-Schicht aufgebrachte Siliziumdioxid-Schicht. Ein solches Schichtensystem wird auch als ONO-Schichtensystem bezeichnet.

In [5] ist ferner beschrieben, dass die Siliziumnitrid- Schicht die Eigenschaft analog zu einem "Floating Gate" aufweist, d. h., dass Ladungsträger, die durch die erste Siliziumdioxid-Schicht oder durch die zweite Siliziumdioxid- Schicht in die Siliziumnitrid-Schicht gelangt sind, dort eine sehr lange Zeitdauer (einige Jahre und länger) gespeichert werden können.

Weiterhin ist es aus [6] bekannt, sogenannte Quantendots in einer Schicht zu bilden.

In [7] ist ein Verfahren zum Speichern und Auslesen von binären Daten in eine bzw. aus einer Flash-Speicherzelle beschrieben. Insbesondere ist das Funktionsprinzip einer NAND Auslesung erläutert.

Nachteilig an den bekannten elektronischen Speicherelementen ist insbesondere, dass sie noch einen erheblichen Bedarf an Fläche in einem Speicherelement haben.

Weiterhin ist die Leitfähigkeit der für übliche CMOS- Transistoren verwendeten Halbleitermaterialien nicht sehr gut, weshalb insbesondere eine relativ große Verlustleistung bei einem Schaltvorgang eines Transistors in einem Speicherelement auftritt.

Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein elektronisches Speicherelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei das elektronische Speicherelement einen geringeren Platzbedarf bei gleichbleibender Speicherkapazität gegenüber einem aus [1] bekannten Speicherelement aufweist.

Das Problem wird durch das elektronische Speicherelement und das Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Speicherelements mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Das elektronische Speicherelement weist eine Vielzahl von ersten Nanoröhren und eine Vielzahl von zweiten Nanoröhren auf. Die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren sind zueinander windschief oder einander kreuzend angeordnet derart, dass eine elektrische Kopplung zwischen zumindest einem Teil der ersten Nanoröhren und zumindest einem Teil der zweiten Nanoröhren möglich ist in einer Weise, dass es unterscheidbar ist, ob erste Nanoröhren und zweite Nanoröhren an ihren jeweiligen Kreuzungsstellen miteinander gekoppelt sind oder nicht.

Die ersten Nanoröhren und/oder die zweiten Nanoröhren können Kohlenstoff-Nanoröhren sein.

Ferner kann zwischen den Nanoröhren ein Dielektrikum vorgesehen sein, wobei eine elektrische Kopplung einer ersten Nanoröhre mit einer zweiten Nanoröhre dadurch erfolgt, dass das Dielektrikum an der entsprechenden Kreuzungsstelle modifiziert, d. h. beispielsweise zerstört ist.

Die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren sind demnach nicht parallel zueinander angeordnet, so dass sie Kreuzungsstellen bilden, und beispielsweise an den Kreuzungsstellen voneinander elektrisch getrennt, d. h. elektrisch isoliert sind mittels eines Dielektrikums.

Ferner kann zwischen den ersten Nanoröhren und den zweiten Nanoröhren mindestens ein Schichtensystem vorgesehen sein, beispielsweise das sogenannte ONO-Schichtensystem. Dies bedeutet, das Schichtensystem weist in diesem Fall eine erste Siliziumdioxid-Schicht, eine darauf aufgebrachte Siliziumnitrid-Schicht und eine auf der Siliziumnitrid- Schicht aufgebrachte zweite Siliziumdioxid-Schicht auf.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen den ersten Nanoröhren und der Siliziumdioxid-Schicht eine weitere Siliziumnitrid-Schicht vorgesehen sein.

Die weitere Siliziumnitrid-Schicht schützt die ersten Nanoröhren insbesondere vor einer Beschädigung aufgrund hoher Temperaturen, die beispielsweise beim Abscheiden von einer Siliziumdioxid-Schicht oder Siliziumnitrid-Schicht des ONO- Schichtensystems verwendet wird.

Die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren können jeweils derart zueinander angeordnet sein, dass der Abstand zwischen zwei ersten Nanoröhren bzw. zwischen zwei zweiten Nanoröhren jeweils mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand der ersten Nanoröhren zu der Siliziumnitrid-Schicht.

Durch diese Weiterbildung wird erreicht, dass elektrische Felder, die durch das Anlegen von elektrischen Potentialen an die interessierenden ersten Nanoröhren bzw. zweiten Nanoröhren zum Einschreiben oder Auslesen binärer Information aus den Kreuzungsstellen der ersten Nanoröhren bzw. zweiten Nanoröhren oder aus den Bereichen zwischen den Kreuzungsstellen der ersten Nanoröhren bzw. zweiten Nanoröhren einander nicht überlappen, so dass mit ausreichender Sicherheit gewährleistet ist, dass jeweils eine binäre Information nur an einer Kreuzungsstelle einer ersten Nanoröhren und einer zweiten Nanoröhre eingeschrieben bzw. ausgelesen wird.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das Schichtensystem Quantendots als Störstellen zum Aufnehmen, d. h. Speichern von elektrischen Ladungsträgern aufweisen. Die Quantendots können beispielsweise Polysilizium enthalten.

Weiterhin können die ersten Nanoröhren und/oder die zweiten Nanoröhren mehrere zylinderförmige Wände aufweisen.

Durch diese Weiterbildung wird die Stabilität der Nanoröhren, insbesondere hinsichtlich einer möglichen Reaktion mit einem sich zwischen den Nanoröhren möglicherweise befindenden Dielektrikum, erhöht, wodurch die Zuverlässigkeit des elektronischen Speicherelements erheblich verbessert wird.

Weiterhin kann eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Schichtensystemen vorgesehen sein, wobei jeweils zwischen zwei Schichtensystemen abwechselnd erste Nanoröhren und zweite Nanoröhren angeordnet sind.

Auf diese Weise wird eine weitere Reduktion des benötigten Platzbedarfs erzielt, da anschaulich jeweils nur noch eine "Schicht" von ersten Nanoröhren erforderlich ist zur Steuerung von "Schichten" mit zweiten Nanoröhren.

Durch die oben beschriebene Stapelung der Schichtensysteme ist eine weitere Verdoppelung der Speicherkapazität bei gleichbleibender benötigter Speicherfläche erreichbar.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Speicherelements werden eine Vielzahl von ersten Nanoröhren und eine Vielzahl von zweiten Nanoröhren angeordnet. Die Anordnung der Nanoröhren erfolgt derart, dass die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren zueinander windschief oder einander kreuzend angeordnet werden derart, dass eine elektrische Kopplung zwischen zumindest einem Teil der ersten Nanoröhren und zumindest einem Teil der zweiten Nanoröhren möglich ist in einer Weise, das es unterscheidbar ist, ob erste Nanoröhren und zweite Nanoröhren an ihren jeweiligen Kreuzungsstellen miteinander elektrisch gekoppelt sind oder nicht. Gemäß vorgegebenen zu speichernden Daten werden elektrische Kopplungen zwischen den ersten Nanoröhren und den zweiten Nanoröhren gebildet.

Anschaulich kann die Vorgehensweise zum Herstellen des elektronischen Speicherelements darin gesehen werden, dass mittels eines Abscheideverfahrens, beispielsweise eines CVD- Verfahrens, wie es in [3] beschrieben ist, Kohlenstoff- Nanoröhren erzeugt werden.

Die einzelnen ersten Nanoröhren entlang einer ersten Richtung angeordnet, so dass sie einander nicht kreuzen oder berühren; das kann beispielsweise unter Verwendung eines Rastersondenmikroskops, z. B. eines AFM (Atomic Force Microscope) erfolgen.

Die zweiten Nanoröhren, vorzugsweise zweite Kohlenstoff- Nanoröhren, werden nach Aufbringen eines Dielektrikums, beispielsweise einer Siliziumdioxid-Schicht, auf dem Dielektrikum entlang einer zu der ersten Richtung im wesentlichen senkrechten zweiten Richtung angeordnet, so dass die zweiten Nanoröhren die ersten Nanoröhren kreuzen, jedoch zunächst elektrisch voneinander isoliert sind durch die Siliziumdioxid-Schicht, allgemein durch das Dielektrikum.

Die Anordnung und Ausrichtung der zweiten Nanoröhren kann z. B. ebenso wie die Anordnung und Ausrichtung der ersten Nanoröhren unter Verwendung eines Rastersondenmikroskops erfolgen.

Die Enden der Nanoröhren werden an eine Peripherieschaltung zum Steuern des Einschreibe-Vorgangs und des Auslese-Vorgangs angeschlossen.

Ein Speichern von Information, insbesondere von binärer Information wie einer logischen "1" und einer logischen "0" kann in den Abschnitten zwischen zwei Kreuzungsstellen zwischen ersten Nanoröhren und zweiten Nanoröhren erfolgen. Die Information kann aber auch im Bereich der Kreuzungsstellen selbst gespeichert werden.

In diesem Zusammenhang kann eine chemische oder eine physikalische Vorbehandlung eines im weiteren beschriebenen Substrats, auf dem die ersten Nanoröhren aufgebracht sind, beispielsweise von Silizium, erforderlich sein.

Insbesondere kann es erforderlich sein, die Bereiche, über denen die Nanoröhren einander kreuzen und/oder die Bereiche zwischen den Kreuzungsstellen derart zu präparieren und zu kontaktieren, dass die Kreuzungsstellen bzw. die Bereiche individuell ansteuerbar werden und mit einer elektrischen Spannung, alternativ auch mit einer mechanischen Spannung, beispielsweise über MEMS-cantilevers (Micro Electro Mechanical Systems-cantilevers), beaufschlagt werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein elektronisches Speicherelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung von schräg oben;

Fig. 2 einen Querschnitt eines elektronischen Speicherelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein elektronisches Speicherelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein elektronisches Speicherelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein elektronisches Speicherelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine Draufsicht eines elektronischen Speicherelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein elektronisches Speicherelement 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das elektronische Speicherelement 100, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein elektronischer Speicher, weist erste elektrisch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren 101 auf.

Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 werden mittels eines Abscheideverfahrens aus der Gasphase, wie es in [4] beschrieben ist, hergestellt.

Die hergestellten, halbleitenden ersten Kohlenstoff- Nanoröhren 101 werden ausgewählt und die ausgewählten ersten Kohlenstoff-Nanoröhren, die als elektrisch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren bestimmt worden sind, werden in einem vorgegebenen Abstand 102 voneinander auf einer im wesentlichen planaren Oberfläche, beispielsweise einem Substrat (nicht dargestellt), angeordnet.

Der Abstand zwischen zwei halbleitenden Kohlenstoff- Nanoröhren 101 beträgt mindestens 5 nm bis 7 nm angeordnet.

Die Anordnung der ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 und deren zueinander im wesentlichen parallele Ausrichtung wird erreicht durch Verwenden, d. h. Anlegen eines elektrischen Feldes, mit dem die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 ausgerichtet werden.

Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren nicht unbedingt parallel zueinander ausgerichtet sein müssen, es ist lediglich von Bedeutung, dass die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 einander in dem elektronischen Speicherelement 100 nicht schneiden.

Auf den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 wird ein Schichtensystem 103 aufgebracht.

Das Schichtensystem 103 ist ein ONO-Schichtensystem, d. h. es weist eine erste Siliziumdioxid-Schicht 104, eine darauf aufgebrachte Siliziumnitrid-Schicht 105 und eine auf der Siliziumnitrid-Schicht 105 aufgebrachte zweite Siliziumdioxid-Schicht 106 auf.

Das ONO-Schichtensystem wird hergestellt, indem eine erste Siliziumdioxid-Schicht 104 auf den ersten Kohlenstoff- Nanoröhren 101 aufgebracht wird, gemäß diesem Ausführungsbeispiel, mittels eines CVD-Verfahrens oder eines Sputter-Verfahrens. Die Dicke der ersten Siliziumdioxid- Schicht 104 beträgt 2,4 nm bis 3,5 nm.

Auf der ersten Siliziumdioxid-Schicht 104 wird eine Siliziumnitrid-Schicht 105 der Dicke von 4 nm mittels eines CVD-Verfahrens bei einer Temperatur von 700 EC abgeschieden.

In einem weiteren Schritt wird auf der Siliziumnitrid-Schicht 105 eine zweite Siliziumdioxid-Schicht der Dicke von ungefähr 4,5 nm mittels einer bei 900 EC stattfindenden Nass- Oxidation oder eines CVD-Verfahrens aufgebracht.

Auf der zweiten Siliziumdioxid-Schicht 106 sind zweite, elektrisch metallisch leitende Kohlenstoff-Nanoröhren 107 angeordnet.

Die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 107 werden ebenfalls aus der Gasphase abgeschieden, wie in [4] beschrieben, mittels eines geeigneten CVD-Verfahrens. Aus den abgeschiedenen Kohlenstoff-Nanoröhren werden die metallisch leitenden, zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 107 ausgewählt und auf die zweite Siliziumdioxid-Schicht 106 aufgebracht und mittels eines elektrischen Felds in vorgegebener Weise ausgerichtet.

Anschaulich stellt jede erste, elektrisch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhre 101 eine Serienschaltung von Transistoren dar, die durch die metallisch leitenden, zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 107 als Gate-Elektroden gesteuert werden.

Störstellen in der Siliziumnitrid-Schicht 105 bilden anschaulich ein Floating Gate, wodurch bei Besetzen der Störstellen mit elektrischen Ladungsträgern die Einsatzspannung des elektrischen Speicherelements 100, d. h. insbesondere des Bereichs, in dem sich die Störstellen insbesondere befinden, verschoben wird.

Auf diese Weise bildet das elektronische Speicherelement 100 einen binären Permanentspeicher, da durch Anlegen einer Schreib-Spannung mittels einer Peripherie-Schaltung (nicht dargestellt), welche Schreib-Spannung größer ist als die Betriebsspannung, zwischen einer ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 101 und einer zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 107 elektrische Ladungsträger in die Siliziumnitrid-Schicht 105 injiziert und dort gespeichert, d. h. lokalisiert werden.

Zum Schreiben und Auslesen der binären Daten wird das in [7] beschriebene Funktionsprinzip der NAND-Auslesung eingesetzt.

Dabei werden die metallischen Topelektroden, die an den Quantendrähten vorgesehen sind, sowohl zum Laden der Störstellen verwendet, d. h. dem Schreiben mit hoher Spannung als auch direkt zum Lesen der Daten, wobei die nicht auszulesenden Bereiche durch einen auftretenden und erfindungsgemäß genutzten Feldeffekt durchgeschaltet werden.

Während dieses "Schreib-Vorgangs" werden die weiteren halbleitenden ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 auf eine vorgegebene Referenzspannung gelegt, so dass der zum Injizieren der elektrischen Ladungsträger in die Siliziumnitrid-Schicht 105 nötige Spannungsabfall nur an der Kreuzungsstelle der ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 101 und der zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 107, die einander an der jeweiligen Kreuzungsstelle übereinanderliegen, anliegt.

Sollen die injizierten elektrischen Ladungsträger aus der Siliziumnitrid-Schicht an der entsprechenden Kreuzungsstelle wieder gelöscht werden, so ist dies möglich durch Anlegen der entsprechend umgepolten elektrischen Spannung zwischen der jeweiligen ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 101 und der jeweiligen zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 107.

Soll nun der Zustand einer durch jeweils eine Kreuzungsstelle einer ersten Kohlenstoff-Nanoröhre und einer zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 107 ermittelt, d. h. ausgelesen werden, so wird überprüft, ob die Störstellen in der Siliziumnitrid- Schicht 105 zwischen der Kreuzungsstelle der ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 101 und der zweiten Kohlenstoff- Nanoröhre 107 mit elektrischen Ladungsträgern besetzt sind, wodurch die Transistoreinsatzspannung verschoben wäre.

Die Ansteuerung und das Auslesen der einzelnen Speicherzellen, die durch die Kreuzungsstelle der ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101, der zweiten Kohlenstoff- Nanoröhren 105 und der dazwischenliegenden ONO-Schichten 103 gebildet wird, folgt durch übliche, hier nicht detailliert erläuterte CMOS-Schaltungstechnik in der in [7] beschriebenen Weise.

Um eine Überlappung der elektrischen Felder zwischen den Kohlenstoff-Nanoröhren 101, 107 zu vermeiden, beträgt der Abstand 102 zwischen den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 und der Abstand 108 zwischen den zweiten Kohlenstoff- Nanoröhren 107 mindestens 5 nm, d. h. der Abstand zwischen den Nanoröhren 107, 108 ist doppelt so groß wie der Abstand der ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 101 von der unteren Oberfläche der Siliziumnitrid-Schicht 105.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das elektronische Speicherelement 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Elemente in Fig. 1 und Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt eines elektronischen Speicherelements 300 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt.

Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 301 sind in einem Abstand 302 von mindestens 5 nm im wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

Auf den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 301 ist ein weiteres Schichtensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Schichtensystem 303 mit einer ersten Siliziumdioxid-Schicht 304 und einer zweiten Siliziumdioxid-Schicht 305 vorgesehen, wobei in der zweiten Siliziumdioxid-Schicht 305 Polysilizium- Dots 306 als künstliche Störstellen gebildet werden, in denen elektrische Ladungsträger, die von den ersten Kohlenstoff- Nanoröhren 301 und/oder den zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 308 erzeugt werden, gespeichert werden können.

Auf der zweiten Siliziumdioxid-Schicht 305 ist eine dritte Siliziumdioxid-Schicht 307 aufgebracht.

Die einzelnen Siliziumdioxid-Schichten 304, 305, 307 können mittels eines CVD-Verfahrens, mittels eines Sputter- Verfahrens oder mittels eines Aufdampf-Verfahrens aufgebracht werden.

Auf der dritten Siliziumdioxid-Schicht 307 sind die zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 308 aufgebracht gemäß der gleichen Vorgehensweise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Das elektronische Speicherelement 300 unterscheidet sich somit anschaulich von dem elektronischen Speicherelement 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass als Schichtensystem 303 nicht ein ONO-Schichtensystem verwendet wird, sondern ein Schichtensystem, in dem Polysilizium-Dots vorgesehen sind zum Festhalten, d. h. Speichern elektrischer Ladungsträger.

Um beim Aufbringen von dem Schichtensystem 303 möglicherweise auftretende Beschädigungen der ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 401 aufgrund hoher Temperaturen während des Herstellungsverfahrens zu vermeiden, ist es gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel vorgesehen (vgl. Fig. 4), auf den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 401, die in einem Abstand 402 von mindestens 5 nm im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, eine weitere Siliziumnitrid-Schicht 403 aufzubringen, die eine Dicke von 4 nm aufweist.

Auf der weiteren Siliziumnitrid-Schicht 403 ist das Schichtensystem 404, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wieder ein ONO-Schichtensystem 404 mit einer ersten Siliziumdioxid-Schicht 405, einer darauf aufgebrachten Siliziumnitrid-Schicht 406 und einer auf der Siliziumnitrid- Schicht 406 aufgebrachten zweiten Siliziumdioxid-Schicht 407, aufgebracht.

Auf dem ONO-Schichtensystem 404 sind die zweiten Kohlenstoff- Nanoröhren 408 aufgebracht.

Auf diese Weise ist ein elektronisches Speicherelement 400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gebildet.

Fig. 5 zeigt ein elektronisches Speicherelement 500 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das elektronische Speicherelement 500 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem elektronischen Speicherelement 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, dass eine Vielzahl von ONO-Schichtensystemen vorgesehen sind.

Das elektronische Speicherelement 500 weist somit erste Kohlenstoff-Nanoröhren 501 auf, die in einem Abstand 502 von ungefähr 5 nm zueinander im wesentlichen parallel angeordnet sind.

Über den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 501 ist ein erstes ONO-Schichtensystem 503 aufgebracht, auf dem wiederum zweite Kohlenstoff-Nanoröhren 504 aufgebracht sind.

Auf den zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 504 ist ein zweites ONO-Schichtensystem 505 aufgebracht und auf dem zweiten ONO- Schichtensystem 505 wiederum erste Kohlenstoff-Nanoröhren 506.

Auf den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 506 ist ein drittes ONO-Schichtensystem 507 aufgebracht und auf diesem sind wiederum zweite Kohlenstoff-Nanoröhren 508 aufgebracht.

Auf diese Weise ist es anschaulich möglich, mittels einer "Schicht" von zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 504, 508 jeweils zwei "Schichten" erster Kohlenstoff-Nanoröhren 506 zu steuern, wodurch der benötigte Speicherplatzbedarf des elektronischen Speicherelements 500 nur halb so groß ist wie der Speicherplatzbedarf des elektronischen Speicherelements 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt ein elektronisches Speicherelement 600 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wie in Fig. 6 dargestellt ist, sind auf einem Substrat (nicht dargestellt) erste Kohlenstoff-Nanoröhren 601 entlang im wesentlichen einer ersten Richtung, in Fig. 6 symbolisiert durch einen ersten Richtungspfeil 602, angeordnet.

Die ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 601 sowie die im weiteren beschriebenen zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 werden gemäß dem aus [3] bekannten Abscheideverfahren hergestellt.

Auf den ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 601 ist eine Schicht mit Dielektrikum gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus Siliziumdioxid, aufgebracht mittels eines CVD-Verfahrens, eines Aufdampf-Verfahrens oder eines Sputtter-Verfahrens.

Die auf diese Weise hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren werden ausgewählt und mittels eines Rastersondenmikroskops entlang der ersten Richtung angeordnet und ausgerichtet.

Die Siliziumdioxid-Schicht weist eine dicke von ungefähr 1 nm 3 nm auf.

Auf der Siliziumdioxid-Schicht, allgemein auf der Schicht des Dielektrikums, werden zweite Kohlenstoff-Nanoröhren 603, die ebenfalls mittels des in [3] beschriebenen Verfahrens hergestellt worden sind, entlang einer zu der ersten Richtung im wesentlichen senkrechten zweiten Richtung, in Fig. 6 symbolisiert durch einen zweiten Richtungspfeil 604, angeordnet und ausgerichtet.

Damit ist zunächst kein Transport von elektrischen Ladungsträgern und somit kein Stromfluss von einer ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 601 zu einer zweiten Kohlenstoff- Nanoröhre 603 möglich.

Soll binäre Information in das elektronische Speicherelement, wie es oben beschrieben wurde, eingeschrieben werden, so erfolgt dies, indem das Dielektrikum zwischen einer ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 601 und einer zweiten Kohlenstoff- Nanoröhre 603, die die entsprechende interessierende erste Kohlenstoff-Nanoröhre 601 an einer Kreuzungsstelle 605 kreuzt, zerstört wird, so dass an der Kreuzungsstelle 605 eine leitfähige Kopplung zwischen den zwei einander kreuzenden ersten Kohlenstoff-Nanoröhren 601 bzw. zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren 603 entsteht.

Das Erzeugen einer elektrisch leitfähigen Kopplung ist möglich, da der Transport elektrischer Ladungsträger nicht nur entlang einer Kohlenstoff-Nanoröhre erfolgen kann, sondern bei zwei oder mehreren sich kreuzenden Kohlenstoff- Nanoröhren 601, 603 in einer Kreuzungsstelle 605 auch von einem an einer Kohlenstoff-Nanoröhre 601, 603 in eine andere Kohlenstoff-Nanoröhre 601, 603 erfolgen kann.

Um die dielektrische Schicht, das heißt, die Siliziumdioxid- Schicht, zu zerstören, werden an die interessierende erste Kohlenstoff-Nanoröhre 601 und die interessierende zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 603, elektrische Spannungen mit zueinander entgegengesetztem Vorzeichen angelegt.

Die elektrischen Spannungen werden dabei so gewählt, dass die elektrische Schicht jeweils entlang der beiden ausgewählten Kohlenstoff-Nanoröhren 601, 603 nicht beschädigt wird. Nur an der gewünschten Kreuzungsstelle 605 der ausgewählten Kohlenstoff-Nanoröhren 601, 603 wird die kritische Feldstärke des elektrischen Feldes, das durch die angelegten Spannungen erzeugt wird, erreicht bzw. überschritten, welche kritische Feldstärke ausreicht, um die dielektrische Schicht an der Kreuzungsstelle 605 zu zerstören.

Auf diese Weise wird eine Matrix aus Kreuzungsstellen 605 mit zwei unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften hergestellt, die mittels einer peripheren Auswerteschaltung in bekannter Weise ermittelt werden kann.

Der erste Zustand der beiden möglichen Zuständen einer Kreuzungsstelle 605 ist der, dass ein Transport elektrischer Ladungsträger zwischen einer ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 601 und einer zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 603 möglich ist, das heißt, an der entsprechenden Kreuzungsstelle 605 ist das Dielektrikum zerstört.

Der zweite Zustand ist derjenige, bei dem der Transport von elektrischen Ladungsträgern zwischen einer ersten Kohlenstoff-Nanoröhre 601 und einer entsprechenden zweiten Kohlenstoff-Nanoröhre 603 nicht möglich ist, da das Dielektrikum der jeweiligen Kreuzungsstelle 605 noch intakt ist.

Das Auslesen der in die Speichermatrix 600 eingeschriebenen binären Information erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel, indem jeweils die interessierende erste Kohlenstoff-Nanoröhre 601 bzw. interessierende zweite Kohlenstoff-Nanoröhre 603 ausgewählt wird, beispielsweise mittels an die Kohlenstoff- Nanoröhre 601, 603 jeweils angeschlossene 1-aus-N Auswahlschalter, und eine Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit der jeweiligen ausgewählten Kohlenstoff- Nanoröhren durchgeführt wird.

Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften an den Kreuzungsstellen 605, das heißt die Ermittlung, ob die jeweilige Kreuzungsstelle 605 oder der Bereich zwischen zwei Kreuzungsstellen 605 leitend bzw. nichtleitend ist, entsprechen in diesem Fall den zwei logischen binären Zuständen logisch "1" und logisch "0".

Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel sowohl Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden können, die halbleitende elektrische Eigenschaften haben als auch metallische Kohlenstoff-Nanoröhren oder eine Kombination aus beiden.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] U. Tietze und Z. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, Springer Verlag, 11. Auflage, ISBN 3-540-64192-0, S. 751- 752, 1999
[2] T. Dekker, Carbon-Nanotubes as Molecular Quantum Wires, Physics Today, S. 22-28, Mai 1999
[3] Young Sang Suh und Yin Seong Lee, Highly-Ordered Two- Dimensional Carbon-Nanotubes Areas, Applied Physics Letters, Volume 75, Nr. 14, S. 2047-2049, Oktober 1991
[4] Z. F. Ren et al, Synthesis of Large Arrays of Well- Aligned Carbon Nanotubes on Glass, SIENCE, Volume 282. S. 1105-1107, November 1998
[5] D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich, Technologie hochintegrierter Schaltungen, 2. Auflage, Springer Verlag, ISBN 3-540-59357-8, S. 72-75, 1996
[6] Ilgweon Kim et al, Room Temperature Single Electron Effects in Si Quantum Dot Memory with Oxide-Nitride Tunneling Dielectrics, IEDM 98, S. 111-114, 1998
[7] S. Aritome et al, Reliability Issues of Flash Memory Cells, Proceedings of the IEEE, Vol. 81, No. 5, S. 776- 788, May 1993

Bezugszeichenliste

100

Elektronisches Bauelement

101

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

102

Abstand zweier Kohlenstoff-Nanoröhren

103

Schichtensystem

104

Erste Siliziumdioxid-Schicht

105

Silizium-Nitrid-Schicht

106

Zweite Siliziumdioxid-Schicht

107

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

108

Abstand zwischen zwei zweiten Kohlenstoff-Nanoröhren

300

Elektronisches Bauelement

301

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

302

Abstand zwischen zwei ersten Kohlenstoff-Nanoröhren

303

Schichtensystem

304

Erste Siliziumdioxid-Schicht

305

Zweite Siliziumdioxid-Schicht

306

Polysilizium-Quantendots

307

Dritte Siliziumdioxid-Schicht

308

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

400

Elektronisches Bauelement

401

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

402

Abstand zwischen zwei ersten Kohlenstoff-Nanoröhren

403

Weitere Silizium-Nitrid-Schicht

404

Schichtensystem

405

Erste Siliziumdioxid-Schicht

406

Silizium-Nitrid-Schicht

407

Zweite Siliziumdioxid-Schicht

408

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

500

Elektronisches Bauelement

501

erste Kohlenstoff-Nanoröhre

502

Abstand zwischen zwei ersten Kohlenstoff-Nanoröhren

503

Erstes Schichtensystem

504

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

505

Zweites Schichtensystem

506

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

507

Drittes Schichtensystem

508

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

600

Elektronisches Bauelement

601

Erste Kohlenstoff-Nanoröhre

602

Erster Richtungspfeil

603

Zweite Kohlenstoff-Nanoröhre

604

Zweiter Richtungspfeil

605

Kreuzungsstelle

Claims (12)

1. Elektronisches Speicherelement, mit
einer Vielzahl von ersten Nanoröhren,
einer Vielzahl von zweiten Nanoröhren,
wobei die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren zueinander windschief oder einander kreuzend angeordnet sind derart, dass eine elektrische Kopplung zwischen zumindest einem Teil der ersten Nanoröhren und zumindest einem Teil der zweiten Nanoröhren möglich ist in einer Weise, dass es möglich ist zu unterscheiden, ob erste Nanoröhren und zweite Nanoröhren an ihren jeweiligen Kreuzungsstellen miteinander elektrisch gekoppelt sind oder nicht.

2. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 1, bei dem die ersten Nanoröhren und/oder die zweiten Nanoröhren Kohlenstoff-Nanoröhren ist/sind.

3. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Dielektrikum jeweils zwischen den ersten Nanoröhren und den zweiten Nanoröhren, wobei eine elektrische Kopplung einer ersten Nanoröhre mit einer zweiten Nanoröhre dadurch erfolgt, dass das Dielektrikum an der entsprechenden Kreuzungsstelle modifiziert ist.

4. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens einem Schichtensystem zwischen den ersten Nanoröhren und den zweiten Nanoröhren.

5. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 4, bei dem das Schichtensystem aufweist:
eine erste Siliziumdioxid-Schicht,
eine darauf aufgebrachte Siliziumnitrid-Schicht, und
eine zweite Siliziumdioxid-Schicht.

6. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 5, bei dem zwischen den ersten Nanoröhren und der ersten Siliziumdioxid-Schicht eine weitere Siliziumnitrid-Schicht vorgesehen ist.

7. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren jeweils derart zueinander angeordnet sind, dass der Abstand zwischen zwei ersten Nanoröhren bzw. zwischen zwei zweiten Nanoröhren jeweils mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand der ersten Nanoröhren zu der Siliziumnitrid-Schicht.

8. Elektronisches Speicherelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem das Schichtensystem Quantendots als Störstellen zum Speichern von elektrischen Ladungsträgern aufweist.

9. Elektronisches Speicherelement nach Anspruch 8, bei dem die Quantendots Polysilizium enthalten.

10. Elektronisches Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die ersten Nanoröhren und/oder die zweiten Nanoröhren mehrere zylinderförmige Wände aufweisen.

11. Elektronisches Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Schichtensystemen, wobei jeweils zwischen zwei Schichtensystemen abwechselnd erste Nanoröhren und zweite Nanoröhren angeordnet sind.

12. Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Speicherelements,
bei dem eine Vielzahl von ersten Nanoröhren angeordnet werden,
bei dem eine Vielzahl von zweiten Nanoröhren angeordnet werden,
wobei die ersten Nanoröhren und die zweiten Nanoröhren zueinander windschief oder einander kreuzend angeordnet werden derart, dass eine elektrische Kopplung zwischen zumindest einem Teil der ersten Nanoröhren und zumindest einem Teil der zweiten Nanoröhren möglich ist in einer Weise, dass es möglich ist zu unterscheiden, ob erste Nanoröhren und zweite Nanoröhren an ihren jeweiligen Kreuzungsstellen miteinander elektrisch gekoppelt sind oder nicht,
bei dem gemäß vorgegebenen zu speichernden Daten elektrische Kopplungen zwischen den ersten Nanoröhren und den zweiten Nanoröhren gebildet werden.