DE102005031517A1 - Elektronisches Bauelement in Hybridbauweise mit hohem Skalierungspotential und Verfahren zur Herstellung desselbigen - Google Patents

Elektronisches Bauelement in Hybridbauweise mit hohem Skalierungspotential und Verfahren zur Herstellung desselbigen Download PDF

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Franz Dr. Hofmann
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    • H10K85/1135—Polyethylene dioxythiophene [PEDOT]; Derivatives thereof

Abstract

Die Struktur des elektronischen Bauelements weist folgende Merkmale auf: ein Substrat, mindestens eine isolierende Schicht auf dem Substrat, einen Graben in der mindestens einen isolierenden Schicht, eine erste Elektrode in dem Graben, eine isolierende Distanzhalterschicht, eine leitfähige zweite Elektrode und einen Spalt zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode für die Anordnung eines Molekülfilms zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement in Hybridbauweise mit hohem Skalierungspotential und ein Verfahren zum Herstellen desselbigen.
  • Die herkömmliche Silizium-Mikroelektronik wird bei weiter fortschreitender Verkleinerung an ihre Grenzen stoßen.
  • Als Alternativen zur bisherigen Halbleiter-Speichertechnik (DRAM, SRAM, FLASH) werden zur Zeit MRAM-, FRAM- oder auch Einzel-Elektron-Speicher betrachtet. Erstere weisen nicht das Skalierungspotential von molekularer Elektronik auf. Letztere sind dagegen sehr aufwendig und schwierig in der Herstellung.
  • Als interessanter Nachfolger der bisherigen Halbleiter-Speichertechnik wird unter anderem die Molekularelektronik diskutiert. Während eine komplett mikromolekulare Architektur (molekulare Verdrahtung und molekulare Bauteile) noch viele bisher ungelöste Fragestellungen aufwirft, erscheint die Anwendung von Hybridsystemen aus CMOS-Systemen und molekularen Systemen als vorteilhaft, insbesondere für die Realisierung von hochdichten Speichern und Sensoren.
  • Gemäß dem Stand der Technik wird, wie in 1A gezeigt, in [1] ein Crossbar-Array mit mikroelektronischen elektrochemischen Zellen offenbart, wobei eine mikroelektronische Komposit-Struktur dargestellt wird, die erste Leiterbahnen 110 und zweite Leiterbahnen 120 aufweist, die dort, wo sie sich kreuzen, gegeneinander isoliert sind.
  • Ein Teil des isolierenden Materials ist in dem Bereich um die Kreuzungspunkte der ersten Leiterbahnen 110 und der zweiten Leiterbahnen 120 entfernt, so dass eine Vertiefung ausgebildet ist, die jeweils einen Teilbereich der Oberfläche der ersten Leiterbahnen 110 und der zweiten Leiterbahnen 120 exponiert. In der genannten Vertiefung sind nun Moleküle eingebracht, die die ersten Leiterbahnen 110 und die zweiten Leiterbahnen 120 kontaktieren.
  • Ferner ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel in [1], wie in den 1B und 1C gezeigt, ein Teil des isolierenden Materials der Schicht 135 entfernt, die die erste Leiterbahn 110 und die zweite Leiterbahn 120 gegeneinander isoliert, so dass Moleküle in den Bereich des entfernten isolierenden Materials zwischen die erste Leiterbahn 110 und die zweite Leiterbahn 120 eingebracht werden können.
  • Alternativ wird, wie in 2 gezeigt, in [2] eine Molekular-Draht Crossbar-Schaltungsanordnung offenbart. Die Anordnung weist ein zwei-dimensionales Array einer Mehrzahl von Schaltern in Nanometer-Größe auf. Jeder Schalter weist ein Paar gekreuzter Leitungen 200, 203 auf, die dort einen Kontakt bilden, wo eine Leitung sich mit der anderen kreuzt. Der Kontakt weist ein bi-stabiles Molekül 201 auf. Jede Ebene weist mindestens eine Gruppe von Schaltern auf und jede Gruppe von Schaltern mindestens einen Schalter, wobei jede Gruppe in der ersten Ebene mit allen anderen Gruppen in der zweiten Ebene in einer jeder-mit-jedem Konfiguration verbunden ist. Die in [2] vorgesehenen molekularen Schalter sind Redox-Systeme, wie zum Beispiel Rotaxan. Sie werden über die gekreuzten Leitungen angesteuert, wobei Spannungen an die Leitungen angelegt werden, mit deren Hilfe die Redox-Systeme oxidiert bzw. reduziert werden. Hierbei handelt es sich um eine rein molekulare Anordnung mit molekularer Verdrahtung und molekularen Bauteilen mit vielen ungelösten Problemen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein hochskalierbares und gleichzeitig leicht und kostengünstig herstellbares elektronisches Bauelement zu erzielen.
  • Es wird ein elektronisches Bauelement bereitgestellt, wobei die Struktur des elektronischen Bauelements folgende Merkmale aufweist:
    ein Substrat, mindestens eine isolierende Schicht auf dem Substrat und einen Graben in der mindestens einen isolierenden Schicht, so dass ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats frei von der mindestens einen isolierenden Schicht ist. Ferner weist das elektronische Bauteil eine erste Elektrode, die in den Bereich des Grabens eingebracht ist, eine isolierende Distanzhalterschicht oberhalb der ersten Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Außerdem weist das elektronische Bauelement einen Spalt zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und einen Molekülfilm in dem Spalt auf.
  • Das elektronische Bauelement ist in Hybridbauweise hergestellt, d.h. die Moleküle des Molekularschalters sind in eine CMOS-Struktur integriert. Somit lässt sich die hohe Skalierbarkeit der molekularelektronischen Bauteile mit der einfachen Herstellbarkeit von CMOS-Elementen kombinieren.
  • Die mindestens eine isolierende Schicht auf dem Substrat bildet das Material, in das die Grabenstruktur integriert wird. Ferner dient die Ausbildung eines Grabens in der mindestens einen isolierenden Schicht dazu, die erste Elektrode in diesem Graben zu platzieren. Somit besteht ein Vorteil der Erfindung im Vergleich zu [1] darin, dass die erste Elektrode in die Grabenstruktur integriert ist, so dass bei der Herstellung der ersten Elektrode gegenüber [1] der Schritt des Strukturierens der Elektroden-Schicht der ersten Elektrode zum Beispiel mittels Photolithographie entfällt. Das Aufbringen einer ganzen Schicht wird eingespart.
  • Die isolierende Distanzhalterschicht isoliert die erste Elektrode und die zweite Elektrode gegeneinander, so dass ein elektrischer Strom nur durch die Molekülschicht in dem Spalt zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließen kann.
  • Der Spalt nimmt die Molekülschicht auf, wobei die Moleküle an der zweiten Elektrode fixiert sind.
  • Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements bereitgestellt, welches die folgenden Schritte aufweist:
    Zunächst wird mindestens eine isolierende Schicht auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht. Nun folgt das Strukturieren eines Grabens in der mindestens einen isolierenden Schicht, bis ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats frei liegt. Im nächsten Schritt wird eine erste Elektrode in den Graben eingebracht. Darauf wird eine isolierende Distanzhalterschicht auf die erste Elektrode aufgebracht. Anschließend erfolgt das Aufbringen einer zweiten Elektrode auf die isolierende Distanzhalterschicht. Schließlich wird noch ein Spalt zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch partielles Unterätzen der zweiten Elektrode erzeugt und ein Molekülfilm in den Spalt eingebracht.
  • Das Aufbringen der Schichten kann zum Beispiel mittels eines CVD-Verfahrens (CVD = chemical vapor deposition = chemische Gasphasenabscheidung) erfolgen. Dieses Verfahren basiert auf der thermischen Zersetzung von chemischen Verbindungen, die in der Summe sämtliche Komponenten der zu erzeugenden Schicht enthalten. Das Substrat nimmt am Reaktionsprozess nicht teil, es dient nur als Trägermaterial zur Anlagerung der Atome.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entspricht die Dicke des Spalts des elektronischen Bauelements der Dicke des Molekülfilms.
  • Der Spalt ist z.B. nur minimal breiter als die Dicke des Molekülfilms, so dass zwischen der ersten Elektrode und dem Molekülfilm eine minimale Distanz übrigbleibt, die durch einen Tunnelstrom überwunden werde kann. Die Moleküle sind an der zweiten Elektrode fixiert.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die erste Elektrode des elektronischen Bauelements am Boden des Grabens angeordnet.
  • Durch diese Art der Anordnung der ersten Elektrode in der Substratschicht wird eine ganze zusätzliche Schicht für die erste Elektrode eingespart.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Substrat des elektronischen Bauelements aus Silizium hergestellt und ganzflächig p-dotiert.
  • Durch den Einsatz der bewährten CMOS-Technik auf Siliziumbasis lässt sich das elektronische Bauelement einfach und kostengünstig herstellen.
  • P-Dotierung des Substrats heißt, dass das Substrat des elektronischen Bauelements mit Atomen aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems wie zum Beispiel Bor, Aluminium oder Gallium dotiert wird. Für die Dotierung stehen verschiedene Verfahren wie Diffusion, Sublimation aus der Gasphase oder IOnenimplantation zur Verfügung.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektrode des elektronischen Bauelements ein n+-dotiertes Gebiet, das am Boden des Grabens in das Substrat eingebettet ist.
  • N+-Dotierung bedeutet, dass das Substrat stark mit Atomen aus der fünften Hauptgruppe des Periodensystems, wie zum Beispiel Phosphor, Arsen oder Antimon durchsetzt wird. Diese sogenannten Donatoren haben ein Außenelektron mehr als die Atome des Substrats, die sie im Atomgitter substituieren, so dass ein Elektron der Dotieratome jeweils frei beweglich ist und zur elektrischen Leitfähigkeit des Materials beiträgt.
  • Dadurch, dass die erste Elektrode in das Substrat eingebettet ist, wird eine zusätzliche Schicht für die erste Elektrode eingespart.
  • In noch einer anderen Ausführungsform ist die mindestens eine Isolierende Schicht des elektronischen Bauelements aus Siliziumnitrid oder aus Siliziumoxid hergestellt.
  • Alternativ besteht die mindestens eine isolierende Schicht des elektronischen Bauelements aus zwei übereinander liegenden isolierenden Schichten.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die eine der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten des elektronischen Bauelements aus Siliziumnitrid und die andere der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten aus Siliziumoxid hergestellt.
  • In einer alternativen besonders bevorzugten Ausführungsform ist in dem Graben des elektronischen Bauelements auf dem Substrat eine Schicht als Diffusionsbarriere aufgebracht, die sich über die gesamte Fläche des Grabens erstreckt, und die erste Elektrode auf der Schicht aufgebracht, wobei die Oberfläche der ersten Elektrode und die Oberfläche der oberen der mindestens einen isolierenden Schicht eine planarisierte Oberfläche bilden.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die isolierende Distanzhalterschicht des elektronischen Bauelements aus Siliziumoxid.
  • Besonders bevorzugt ist die zweite Elektrode des elektronischen Bauelements aus Gold, Silber, Platin oder Kupfer hergestellt.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist die isolierende Distanzhalterschicht des elektronischen Bauelements eines der folgenden Materialien auf: Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Titanoxid, Siliziumnitrid.
  • In noch einer anderen Ausführungsform sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode des elektronischen Bauelements aus verschiedenen Materialien hergestellt.
  • Die Materialien der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode werden so unterschiedlich ausgewählt, dass die Moleküle der Molekülschicht nur an der zweiten Elektrode verankert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist eine Vielzahl der elektronischen Bauelemente in einer großflächigen Array-Struktur angeordnet.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements wird das Substrat zu Beginn des Herstellungsprozesses ganzflächig p-dotiert.
  • Ferner besteht in einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements die mindestens eine isolierende Schicht aus zwei übereinanderliegenden isolierenden Schichten.
  • Besonders bevorzugt wird das Einbringen der ersten Elektrode in den Graben durch Dotieren eines n+-dotierten Gebiets in dem Teilbereich der Oberfläche des Substrats ausgeführt, der den Boden des Grabens bildet.
  • Ganz besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren eine der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten aus Siliziumnitrid und die andere der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten aus Siliziumoxid gebildet.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauteils wird nach dem Einbringen der ersten Elektrode in den Graben die obere Schicht der beiden übereinander liegenden isolierenden Schichten entfernt, so dass die untere isolierende Schicht frei liegt.
  • In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements wird in dem Graben auf dem Substrat eine Schicht als Diffusionsbarriere aufgebracht, die sich über die gesamte Grundfläche des Grabens erstreckt, und die erste Elektrode auf der Schicht, welche als Diffusionsbarriere funktioniert, aufgebracht und die Oberfläche der ersten Elektrode und die obere Oberfläche der Schichtfolge aus der mindestens einen isolierenden Schicht werden mittels chemisch mechanischen Polierens planarisiert.
  • In noch einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements erfolgt das Aufbringen der isolierenden Distanzhalterschicht durch thermische Oxidation.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements erfolgt das Aufbringen der isolierenden Distanzhalterschicht mittels eines Atomlagenepitaxie-Verfahrens.
  • In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements wird das Material der isolierenden Distanzhalterschicht selektiv auf die Oberfläche der ersten Elektrode aufgebracht.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements wird das Material der isolierenden Distanzhalterschicht auf die gesamte Oberfläche der Schichtfolge aufgebracht.
  • Somit entfällt der Arbeitsschritt des Strukturierens der isolierenden Distanzhalterschicht.
  • In noch einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des elektronischen Bauelements geschieht das Aufbringen mindestens einer isolierenden Schicht auf der Oberfläche des Substrats und das Strukturieren eines Grabens in der mindestens einen isolierenden Schicht, bis ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats frei liegt, durch Ausführen eines STI-Prozesses (shallow trench isolation = Flach-Graben Isolation).
  • Diese Ausführungsform ist eine mögliche Alternative bei kleinen Abmessungen (kleiner 70nm) des Bauelementes.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des elektronischen Bauelements wird das Strukturieren der zweiten Elektrode mittels eines Lift-Off-Prozesses ausgeführt.
  • Alternativ wird das Strukturieren der zweiten Elektrode mittels eines Ätzprozesses ausgeführt.
  • Die oben beschriebene Anordnung gemäß der Erfindung eignet sich dazu, funktionalisierte Moleküle mindestens an einer Elektrode zu immobilisieren und elektrisch zu kontaktieren. Hierdurch wird ein Molekularschalter auf einfache Weise erzielt, der in eine CMOS-Struktur integriert ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
    •
  • Es zeigen
  • 1 eine Crossbar-Anordnung von elektronischen Bauelementen in Hybridbauweise gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine Crossbar-Anordnung von elektronischen Molekularbauelementen gemäß dem Stand der Technik;
  • 3A bis 3C eine Draufsicht und einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;
  • 4A bis 4E ein Verfahren zum Herstellen der Struktur des elektronischen Bauelements gemäß der Erfindung;
  • 5 einen alternativen Verfahrensschritt zum Herstellen des elektronischen Bauelements gemäß der Erfindung;
  • 6A bis 6E ein alternatives Verfahren zum Herstellen des elektronischen Bauelements gemäß der Erfindung.
  • 3A zeigt eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung. Hierbei sind die elektronischen Bauelemente in einer sogenannten Crossbar-Anordnung oder Crosspoint-Anordnung sich kreuzender Elektroden ausgebildet, wobei die erste Elektrode 301 unter der zweiten Elektrode 303 verläuft. Wo die beiden Elektroden sich kreuzen, befinden sich die elektronischen Bauelemente.
  • 3B zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform von 3A längs der Richtung A-A. Auf einem Substrat 300, das aus Silizium besteht, befindet sich die erste Elektrode 301. Auf der ersten Elektrode 301 ist eine Distanzhalterschicht 302 aufgebracht, auf der sich wiederum die zweite Elektrode 303 befindet. Der Spalt 304, in dem sich die Moleküle 305 des Molekülfilms befinden, liegt zwischen der ersten Elektrode 301 und der zweiten Elektrode 303, wobei für den Spalt 304 ein Teil der isolierenden Distanzhalterschicht 302 entfernt ist.
  • In 3C ist die Anordnung der Moleküle 305 des Molekülfilms in dem Spalt 304 in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Die Moleküle 305 sind an der zweiten Elektrode 303 verankert. Da sie jedoch an der ersten Elektrode nicht fixiert sind, können sie zum Beispiel durch ein elektrisches Feld ausgelenkt werden.
  • Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines elektronischen Bauelements gemäß der Erfindung beschrieben.
  • Wie in der 4A gezeigt, wird in einem bevorzugten Verfahren zunächst das Substratmaterial eines Siliziumsubstrats 400 ganzflächig p-dotiert (Dotierkonzentration ~1017/cm2 bei einer Strukturbreite von 500nm). Als Materialien für die p-Dotierung kommen zum Beispiel Bor, Aluminium oder Gallium in Frage.
  • Wie in 4B gezeigt, wird die anschließend abgeschiedene Schichtfolge aus Siliziumnitrid 401 und Siliziumoxid 402 mit Hilfe eines Photolithographieverfahrens und eines geeigneten Ätzverfahrens so tief strukturiert, bis die Oberfläche des Substrats 400 erreicht ist. Somit wird ein Graben 403 mit der Substratoberfläche als Bodenfläche ausgebildet. Die nachfolgende As-Implantation definiert ein n+-dotiertes Gebiet und Bereich der Grabenbodens, wobei das n+-dotierte Gebiet die untere Elektrode 404 darstellt (Dotierkonzentration 4·1019/cm2).
  • Wie in 4C gezeigt, wird das Siliziumoxid nun derart nasschemisch entfernt, dass die Oberfläche der Siliziumnitrid-Schicht 401 frei liegt. Als nächstes wird auf die bereits definierte untere Elektrode 404 die isolierende Distanzhalterschicht 405 abgeschieden. Mögliche Verfahren beinhalten thermische Oxidation oder ein Atomlagenepitaxie-Verfahren. In Frage kommende Materialien für die isolierende Distanzhalterschicht 405 sind z.B. Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Titanoxid, Siliziumnitrid. Das Material kann hierbei selektiv auf der ersten Elektrode 404 aufgebracht werden (z.B. durch thermische Oxidation) oder global über das gesamte Substratmaterial verteilt aufgebracht werden.
  • Im nächsten Schritt wird, wie in 4D gezeigt, die zweite Elektrode auf der Schichtfolge aufgebracht. Das Material der zweiten Elektrode muss auf die Ankergruppe des für den Molekülfilm verwendeten Moleküls angepasst werden. Im Fall einer Thiol-Ankergruppe sind Materialien wie Gold, Silber, Platin und Kupfer verwendbar. Schließlich wird durch partielles Unterätzen der zweiten Elektrode 406 ein Spalt zwischen der ersten Elektrode 404 und der zweiten Elektrode 406 erzeugt, in den die Moleküle für den Molekülfilm z.B. aus Lösung eingebracht werden können.
  • In 4E ist eine Draufsicht der resultierenden Crosspoint-Struktur gezeigt. Dort, wo sich die isolierende Distanzhalterschicht 405 und die zweite Elektrode 406 kreuzen, befinden sich die Schaltelemente.
  • Alternativ zu den in den 4A bis 4B aufgeführten Prozessschritten ist bei kleinen Abmessungen des Bauelementes ein STI Prozess (shallow trench isolation = Flach-Graben Isolation), wie in 5 gezeigt, möglich. Hierbei wird zunächst das Substrat 500 ganzflächig p-dotiert, mit nachfolgendem STI-Prozess, und dann die untere Elektrode 502 durch die n+-Implantation definiert.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird, wie in 6A gezeigt, zunächst auf einem Substrat 600 eine Schichtfolge aus Siliziumnitrid 601 und Siliziumoxid 602 aufgebracht. Mögliche Alternativen sind eine Vertauschung der Schichtfolge oder das Aufbringen nur einer der beiden Schichten.
  • Nach der Strukturierung eines Grabens 603 wird, wie in 6B gezeigt, wenn nötig, eine Diffusionsbarriere 604 geeigneter Dicke und das Material der ersten Elektrode 605 in dem Graben 603 abgeschieden, bis der Graben 603 mindestens vollständig gefüllt ist.
  • In einem anschließenden CMP-Schritt (chemical mechanical polishing = chemisch mechanisches Polieren) wird, wie in 6C gezeigt, die erzeugte Topologie planarisiert.
  • Wie in 6D gezeigt, wird die Distanzhalterschicht 606 entweder selektiv auf die erste Elektrode 605 aufgebracht (z.B. mittels Oxidation), oder unselektiv aufgebracht (z.B. mittels eines Atomlagenepitaxie-Verfahrens). Durch Aufbringen und Strukturieren noch einer Schicht auf der Distanzhalterschicht 606 wird die zweite Elektrode 607 definiert. Dieses Ausführungsbeispiel bietet die Möglichkeit, das Bauelement in den obersten Metallebenen anzuordnen.
  • Das Material der zweiten Elektrode 607 muss an die Ankergruppe des einzubringenden Moleküls des Molekülfilms 305 angepasst sein. Im Falle einer Thiol-Ankergruppe können zum Beispiel Materialien wie Gold, Silber, Platin oder Kupfer verwendet werden. Diese können durch Lift-Off-Prozesse oder durch Ätzprozesse strukturiert werden.
  • In 6E ist in der Draufsicht eine mögliche Crosspoint-Integration zu erkennen. Die ersten Elektroden 605 und die zweiten Elektroden 607 verlaufen senkrecht zueinander. Dort, wo sie sich überschneiden, sind die elektronischen Bauelemente angeordnet.
  • Die in der Erfindung realisierte Hybridbauweise vermeidet die bei reinen Molekular-Bauelementen auftretenden Herstellungsprobleme durch Kombination eines Molekülfilms mit einer CMOS-Struktur.
  • In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
    • 110
    erste Leiterbahn
    120
    zweite Leiterbahn
    130
    zweite dielektrische Schicht
    135
    erste dielektrische Schicht
    200
    Leitung
    201
    Schaltmolekül
    202
    Molekül
    203
    Leitung
    300
    Substrat
    301
    erste Elektrode
    302
    dielektrische Distanzhalterschicht
    303
    zweite Elektrode
    304
    Spalt
    305
    Molekülschicht
    400
    Substrat
    401
    Siliziumnitrid-Schicht
    402
    Siliziumoxid-Schicht
    403
    Graben
    404
    erste Elektrode
    405
    isolierende Distanzhalterschicht
    406
    zweite Elektrode
    500
    Substrat
    501
    isolierende Schicht
    502
    erste Elektrode
    503
    isolierende Distanzhalterschicht
    504
    zweite Elektrode
    600
    Substrat
    601
    Siliziumnitrid-Schicht
    602
    Siliziumoxid-Schicht
    603
    Graben
    604
    Diffusionsbarriere
    605
    erste Elektrode
    606
    Distanzhalterschicht
    607
    zweite Elektrode

Claims (28)

  1. Elektronisches Bauelement • mit einem Substrat (400, 600); • mit mindestens einer isolierenden Schicht (401, 601) auf dem Substrat; • mit einem Graben (403, 603) in der mindestens einen isolierenden Schicht (401, 601), so dass ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats (400, 600) frei von der mindestens einen isolierenden Schicht (401, 601) ist; • mit einer ersten Elektrode (404, 605), die in den Bereich des Grabens (403, 603) eingebracht ist; • mit einer isolierenden Distanzhalterschicht (405, 606) oberhalb der ersten Elektrode (404, 605); • mit einer zweiten Elektrode (406, 607); • mit einem Spalt (304) zwischen der ersten Elektrode (404, 605) und der zweiten Elektrode (406, 607); • mit einem Molekülfilm (305) in dem Spalt (304).
  2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Spalts (304) der Dicke des Molekülfilms (305) entspricht.
  3. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (404) am Boden des Grabens (403) angeordnet ist.
  4. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (400, 600) aus Silizium hergestellt ist und ganzflächig p-dotiert ist.
  5. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (404) ein n+-dotiertes Gebiet ist, dass am Boden des Grabens (403) in das Substrat (400) eingebettet ist.
  6. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine isolierende Schicht (401, 601) aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid hergestellt ist.
  7. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die mindestens eine isolierende Schicht (401, 601) aus zwei übereinander liegenden isolierenden Schichten (401, 402; 601, 602) besteht.
  8. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 7, wobei eine der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten (401, 402; 601, 602) aus Siliziumnitrid und die andere der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten (401, 402; 601, 602) aus Siliziumoxid hergestellt ist.
  9. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Graben (603) auf dem Substrat (600) eine Schicht (604) als Diffusionsbarriere aufgebracht ist, die sich über die gesamte Fläche des Grabens (603) erstreckt, und die erste Elektrode (605) auf der Schicht (604) aufgebracht ist, wobei die erste Elektrode (605) und die obere der mindestens einen isolierenden Schicht (601, 602) eine planarisierte Oberfläche bilden.
  10. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die isolierende Distanzhalterschicht (405, 606) aus Siliziumoxid ist.
  11. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (406, 607) aus einem der folgenden Materialien besteht: Gold, Silber, Platin, Kupfer.
  12. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die isolierende Distanzhalterschicht (405, 606) eines der folgenden Materialien aufweist: Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Titanoxid, Siliziumnitrid.
  13. Elektronisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (404, 605) und die zweite Elektrode (406, 607) aus verschiedenen Materialien sind.
  14. Anordnung von elektronischen Bauelementen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl der elektronischen Bauelemente in einer großflächigen Array-Struktur angeordnet ist.
  15. Verfahren zur Herstellung des elektronischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches die folgenden Schritte aufweist: • Aufbringen mindestens einer isolierenden Schicht (401, 601) auf der Oberfläche des Substrats (400, 600); • Strukturieren eines Grabens (403, 603) in der mindestens einen isolierenden Schicht (401, 601), bis ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats (400, 600) frei liegt; • Einbringen einer ersten Elektrode (404, 605) in den Graben (403, 603); • Aufbringen einer isolierenden Distanzhalterschicht (405) auf die erste Elektrode (404, 605); • Aufbringen der zweiten Elektrode (406) auf die isolierende Distanzhalterschicht (405); • Erzeugen eines Spalts (304) zwischen der ersten Elektrode (404, 605) und der zweiten Elektrode (406, 607) durch partielles Unterätzen der zweiten Elektrode (406, 607); • Einbringen eines Molekülfilms in den Spalt (304).
  16. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach Anspruch 15, wobei das Substrat (400, 600) zu Beginn des Herstellungsprozesses ganzflächig p-dotiert wird.
  17. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach Anspruch 15 oder 16, wobei die mindestens eine isolierende Schicht (401, 601) aus zwei übereinanderliegenden isolierenden Schichten besteht.
  18. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach Anspruch 15 bis 17, wobei das Einbringen der ersten Elektrode (404, 605) in den Graben durch Dotieren eines n+-dotierten Gebiets (404) in dem Teilbereich der Oberfläche des Substrats ausgeführt wird, der den Boden des Grabens (403) bildet.
  19. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach Anspruch 17 oder 18, wobei eine der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten (401, 402; 601, 602) aus Siliziumnitrid und die andere der beiden übereinanderliegenden isolierenden Schichten aus Siliziumoxid besteht.
  20. Verfahren nach Anspruch 17 bis 19, wobei nach dem Einbringen der ersten Elektrode (404) in den Graben (403) die obere Schicht (402) der beiden übereinander liegenden isolierenden Schichten entfernt wird, so dass die untere isolierende Schicht (401) frei liegt;
  21. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach Anspruch 15 bis 17 oder 19, wobei in dem Graben (603) auf dem Substrat (600) eine Schicht (604) als Diffusionsbarriere aufgebracht wird, die sich über die gesamte Grundfläche des Grabens (603) erstreckt, und die erste Elektrode (605) auf der Schicht (604), welche als Diffusionsbarriere funktioniert, aufgebracht wird und die Oberfläche der ersten Elektrode (605) und die obere Oberfläche der Schichtfolge aus der mindestens einen isolierenden Schicht (601, 602) mittels chemisch mechanischen Polierens planarisiert werden.
  22. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen der isolierenden Distanzhalterschicht (405) durch thermische Oxidation erfolgt.
  23. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen der isolierenden Distanzhalterschicht (405) mittels eines Atomlagenepitaxie-Verfahrens erfolgt.
  24. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material der isolierenden Distanzhalterschicht (606) selektiv auf die Oberfläche der ersten Elektrode (605) aufgebracht wird.
  25. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material der isolierenden Distanzhalterschicht (606) auf die gesamte Oberfläche der Schichtfolge aufgebracht wird.
  26. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach Anspruch 15, wobei das Aufbringen mindestens einer isolierenden Schicht (501) auf der Oberfläche des Substrats (500) und das Strukturieren eines Grabens in der mindestens einen isolierenden Schicht (501), bis ein Teilbereich der Oberfläche des Substrats (500) frei liegt, durch Ausführen eines STI-Prozesses (shallow trench isolation = Flach-Graben Isolation) geschieht.
  27. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren der zweiten Elektrode (406, 607) mittels eines Lift-Off-Prozesses ausgeführt wird.
  28. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren der zweiten Elektrode (406, 607) mittels eines Ätzprozesses ausgeführt wird.
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