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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung komplexer Schaltungen mit Speicherbereichen, beispielsweise in Form eines Cache-Speichers einer CPU, wobei eine erhöhte Bit-Dichte vorgesehen ist.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Gegenwärtig enthalten komplexe integrierte Schaltungen eine große Anzahl an halbleiterbasierten Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau, wobei Transistorelemente eines der wichtigsten Halbleiterbauelemente in den integrierten Schaltungen repräsentieren. Somit beeinflussen die Eigenschaften der einzelnen Transistoren wesentlich das Gesamtverhalten der komplexen integrierten Schaltung. Im Allgemeinen wird eine Vielzahl von Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, wobei für komplexe Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, Speicherchips, ASIC's (anwendungsspezifische IC's) und dergleichen die CMOS-Technologie eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz ist. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung der CMOS-Technologie werden Millionen komplementärer Transistoren, d. h. n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren, auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein MOS-Transistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, sogenannte pn-Übergänge, die durch ein Grenzgebiet gebildet sind, das stark dotierte Drain- und Sourcegebiete mit einem invers oder schwach dotierten Kanalgebiet verbindet, das zwischen dem Draingebiet und dem Sourcegebiet angeordnet ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals, ist durch eine Gateelektrode gesteuert, die in der Nähe des Kanalgebiets angeordnet und davon durch eine dünne isolierende Schicht getrennt ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets beim Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger und – für eine gegebene Abmessung des Kanalgebiets des Kanalgebiets in der Transistorbreitenrichtung – von dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet ab, der auch als Kanallänge bezeichnet wird.
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Andererseits hängt der Durchlassstrom der MOS-Transistoren auch von der Transistorbreite ab, d. h. der Abmessung des Transistors in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung, so dass die Gatelänge und damit die Kanallänge in Verbindung mit der Transistorbreite wesentliche geometrische Parameter sind, die die gesamten Transistoreigenschaften in Verbindung mit „Transistor intern” Parametern bestimmen, etwa der gesamten Ladungsträgerbeweglichkeit, der Schwellwertspannung, d. h. der Spannung, bei der sich ein leitender Kanal unter der Gateisolationsschicht beim Anlegen einer Steuerspannung an der Gateelektrode ausbildet, und dergleichen, wesentlich beeinflussen. Somit ist das Leistungsverhalten der Transistoren u. a. durch die „Größe” bestimmt, d. h. durch die von dem Transistor angenommene Fläche. Auf der Grundlage von Feldeffekttransistoren, etwa von n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren, werden komplexere Schaltungskomponenten gestaltet, wobei dies von dem gesamten Schaltungsaufbau abhängt. Beispielsweise repräsentieren Speicherelemente in Form von Registern und statischen RAM-(Speicher mit wahlfreiem Zugriff)Zellen gegenwärtig wichtige Komponenten komplexer Logikschaltungen. Während des Betriebs komplexer CPU-Kerne wird beispielsweise eine große Menge an Daten temporär gespeichert und abgerufen, wobei die Arbeitsgeschwindigkeit und die Kapazität der Speicherelemente einen wesentlichen Einfluss auf das gesamte Leistungsverhalten der CPU ausüben. Abhängig von der Speicherhierarchie, die in einer komplexen integrierten Schaltung verwendet ist, wenn unterschiedliche Speicherelemente eingesetzt. Beispielsweise werden Register und statische RAM-Zellen typischerweise im CPU-Kern auf Grund der guten Zugriffszeit verwendet, während dynamische RAM-Elemente vorzugsweise als Arbeitsspeicher auf Grund der erhöhten Bitdichte im Vergleich zu Registern oder statischen RAM-Zellen verwendet werden. Typischerweise enthält eine dynamische RAM-Zelle einen Speicherkondensator und einen einzelnen Transistor, wobei jedoch ein komplexes Speicherverwaltungssystem erforderlich ist, um periodisch die in den Speicherkondensatoren gespeicherte Ladung aufzufrischen, die ansonsten durch unvermeidbare Leckströme verloren ginge. Obwohl die Bit-Dichte dynamischer RAM-Bauelemente sehr hoch ist, muss Ladung in die Speicherkondensatoren eingeführt und entfernt werden in Verbindung mit periodischen Auffrischimpulsen, wodurch diese Bauelemente weniger Effizient im Hinblick auf Geschwindigkeit und Leistungsaufnahme im Vergleich zu statischen RAM-Zellen sind. Somit können statische RAM-Zellen vorteilhafter Weise als Hochgeschwindigkeitsspeicher mit moderat hoher Leistungsaufnahme verwendet werden, wobei jedoch mehrere Transistorelemente erforderlich sind, um eine zuverlässige Speicherung eines Informationsbits zu ermöglichen.
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Die CMOS-Technologie hat enorme Fortschritte im Hinblick auf das Leistungsverhalten der individuellen Transistorelemente mit sich gebracht, indem die kritischen Abmessungen der Feldeffekttransistoren kontinuierlich verringert wurden. Beispielsweise werden in komplexen CMOS-Bauelementen mehrere 100 Millionen Transistoren eingerichtet, die kritische Abmessungen, d. h. eine Gatelänge von 40 nm und weniger besitzen. Folglich kann die gesamte laterale Größe der Transistoren kleiner als ungefähr 150 bis 100 nm, wodurch auch moderat hohe Bitdichten in entsprechenden statischen und dynamischen Speicherbereichen erreicht werden. Da folglich ein großer Erfolg der siliziumbasierten CMOS-Technologie, ungefähr eine Verdoppelung der Arbeitsgeschwindigkeit innerhalb einer Zeitdauer von ungefähr 3 Jahren zu ermöglichen, während die Packungsdichte sogar noch weiter erhöht wurde. Mit jeder weiteren Reduzierung von Bauelementen erfahren die „von oben nach unten”-Skalierungsprinzipien der CMOS-Technologie schwerwiegende physikalische Einschränkungen, die einen wesentlichen Einfluss auf die gesamte Bauteilstruktur und die Prozesstechnologie ausüben. Beispielsweise ist eine weitere Skalierung von Transistorelementen auf der Grundlage gut etablierter Materialien und Prozesstechniken äußerst schwer erreichbar, die in der Vergangenheit zu komplexen und effizienten integrierten Schaltungsbauelementen führten, und die dennoch mit einem akzeptablen Preis hergestellt werden können. Insbesondere ist es schwierig, die Bit-Dichte von Speicherbereichen weiter zu erhöhen, da zumindest ein Transistor auf der Grundlage fortschrittlicher Speicherarchitekturen erforderlich ist. Beispielsweise kann durch das Reduzieren der einzelnen Speichertransistoren in Verbindung mit einer Verringerung der Gesamtgröße der Speicherkondensatoren die Packungsdichte weiter verringert werden, wobei jedoch schwerwiegende Beschränkungen im Hinblick auf die Transistorgröße eine weitere Größenreduzierung erschweren. Durch Verringerung der Größe und somit der Kapazität der Speicherkondensatoren muss ferner das Auffrischen der Leckströme in den Speicherkondensatoren häufiger durchgeführt werden, wodurch zu einer höheren Komplexität der peripheren Steuerschaltung und auch zu einem erhöhten Leistungsverbrauch beigetragen wird. Obwohl statische Zellen keinen Speicherkondensator erfordern, ist typischerweise eine Vielzahl von Transistoren erforderlich, die somit einen noch größeren Raumbedarf auf dem Substratchip notwendig machen. Des weiteren ist ein fundamentales Problem der statischen und dynamischen Speicherarchitekturen die Flüchtigkeit des Speicherinhalts, da die Information beim Abschalten der Versorgungsspannung verloren geht.
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Folglich werden alternative Lösungssmöglichkeiten gegenwärtig untersucht, um eine höhere Informationsdichte zu schaffen, während eines oder mehrere der Probleme umgangen werden, die durch die Beschränkungen der CMOS-Technologie auferlegt werden. In einigen anspruchsvollen Konzepten beruht die Speicherung eines oder mehrerer Bits an Information auf unterschiedlichen unterscheidbaren Zuständen eines geeigneten Materials, wobei diese unterschiedlichen Zustände in einer steuerbaren Weise festgelegt werden und auch „ausgelesen” werden können. Beispielsweise ergeben unterschiedliche Widerstände, d. h. mindestens zwei unterschiedliche Widerstandswerte, ein effizientes Speicherelement, da zumindest zwei unterschiedliche Widerstandswerte zuverlässig auf der Grundlage einer geeigneten Steuerschaltung erfasst werden können. In anderen Fällen können beliebige andere geeignete unterschiedliche Zustände eines Materials, etwa magnetische Eigenschaften auf molekularer Ebene, die Polarität eines Materials, unterschiedliche optische Eigenschaften und dergleichen, effizient verwendet werden, um unterschiedliche Zustände und somit ein oder mehrere Bits an Information darzustellen. In anderen Konzepten wird der elektrische Widerstand auf der Grundlage eines Phasenänderungsmaterials geändert, das thermisch zwischen einem kristallinen Zustand und einem amorphen Zustand umgeschaltet werden kann. Daher ist eine Vielzahl an Mechanismen verfügbar, wovon viele eine nicht-flüchtige Speicherarchitektur bereitstellen, wobei die tatsächliche Speicherung von Information nicht auf halbleiterbasierten Transistorelementen beruht. Somit wurde eine Vielzahl an Substanzen entwickelt, die im Wesentlichen auf speziell gestalteten Molekülen beruhen, die auch als funktionale Moleküle bezeichnet werden, die auf der Grundlage einer geeigneten Lösung aufgebracht werden können, um eine Schicht auf einem geeigneten Trägermaterial zu bilden. Ein funktionales Molekül enthält typischerweise eine oder mehrere Polymerketten, in der funktionale Gruppen hinzugefügt werden oder diese Gruppen entsprechende Atome oder Moleküle des grundlegenden Monomers ersetzen. Obwohl derartige funktionale Moleküle effizient gemäß den speziellen Anfordernissen gestaltet werden können, beispielsweise um einen „molekularen Schalter” und dergleichen zur Implementierung der grundlegenden Funktion eines Speicherelements einzurichten, ist dennoch das Vorsehen einer einzelnen Speicherzelle und deren Adressierbarkeit schwer erreichbar, insbesondere eine Größe der resultierenden Speicherzelle zu erreichen ist, die kleiner ist als die Größe komplexer halbleiterbasierter Transistorelemente. Beispielsweise werden große Anstrengungen unternommen, um elektronische Bauelemente auf der Grundlage von Molekularelektroniken bereitzustellen, in denen funktionale Elemente in Verbindung mit peripheren Komponenten, etwa Verbindungen, Leitungen und dergleichen, auf molekularer Ebene vorgesehen werden. In anderen sehr vielversprechenden Lösungsmöglichkeiten ist die Integration von „molekularer Elektronik” in gut etablierte CMOS-Technologien in Untersuchung, um Vorteile der CMOS-Technologie, etwa Zuverlässigkeit und geringe Kosten mit einer erhöhten Packungsdichte kritischer Bauteilbereiche, etwa von Speichern und dergleichen, zu kombinieren. Zu diesem Zweck müssen jedoch speziell gestaltete funktionale Moleküle und damit die entsprechenden Molekularschichten in zuverlässiger Weise strukturiert werden, um funktionale Elemente, etwa Speicherzellen mit einem erforderlichen Grad an Gleichmäßigkeit zu erhalten. Andererseits sollte die Strukturierung der Molekularschichten nicht von speziellen Lithographietechniken und ihrem Auflösungsvermögen abhängen, um in effizienter Weise funktionale Moleküle verwenden zu können, unabhängig von der aktuell verfügbaren Lithographiegegebenheiten.
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Die
DE 10 2004 060 738 A1 offenbart ein Verfahren zum Befestigen funktionaler Moleküle an einem Leiter, wobei Mizellen auf einem Fotolack und dem von dem Fotolack freigelegten Leiter ausgebildet werden, wobei fernerhin die Mizellen Metallcluster umfassen, die für das Befestigen der funktionalen Moleküle verwendet werden. In der
DE 103 55 561 A1 wird die Herstellung einer Halbleiteranordnung beschrieben, bei der funktionale Moleküle in Kontaktdurchführungen vorgesehen sind. In der
US 2008/0 116 451 A1 wird die Ausbildung einer Schicht funktionaler Moleküle in einer Öffnung einer Isolierschicht, die zwischen zwei Elektrodenschichten gebildet ist, beschrieben.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und integrierte Schaltungsbauelemente, in denen funktionale Moleküle in Verbindung mit etablierten CMOS-Komponenten verwendet werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
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Überblick über die Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung integrierte Schaltungsbauelemente und Fertigungstechniken, in denen funktionale Moleküle, die als Speicherelemente dienen, effizient auf der Grundlage von CMOS-kompatiblen Techniken aufgebracht werden, wodurch die Herstellung effizienter integrierter Schaltungsbauelemente mit CMOS-Komponenten und Schaltungselementen, die auf der Grundlage funktionaler Moleküle hergestellt sind, ermöglicht wird. Zu diesem Zweck werden in einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten die funktionalen Moleküle effizient in der Größe an die Strukturierungseigenschaften von CMOS-Techniken angepasst, indem entsprechende Öffnungen oder Durchgangslöcher in einer gewissen Bauteilebene verwendet werden, um damit eine vordefinierte Anzahl an funktionalen Molekülen aufzunehmen. In einigen Aspekten werden die Durchgangslöcher gemäß den Fertigungsstrategien hergestellt, wie sie typischerweise angewendet werden, wenn eine Kontaktebene und Metallisierungssysteme komplexer Halbleiterbauelemente hergestellt werden, so dass die entsprechenden verfügbaren „Prozesseigenschaften” von Strukturierungs- und Lithographietechniken effizient eingesetzt werden, während die tatsächliche für ein Schaltungselement, etwa eine Speicherzelle, erforderliche Fläche auf das Durchgangsloch auf Grund des effizienten Einschlusses der funktionalen Moleküle beschränkt ist. Ferner können geeignete „Elektroden” für die funktionsmäßige Anbindung der funktionalen Moleküle in Form von Metallleitungen und dergleichen vorgesehen werden, die auch auf der Grundlage von Fertigungstechniken hergestellt werden können, die während der Herstellung von Metallisierungssystemen von CMOS-Bauelementen eingesetzt werden. Da das Konzept des Einschlusses von funktionalen Molekülen in entsprechenden Durchgangslöchern auf eine Vielzahl von Bauteilebenen angewendet werden kann, kann eine ausgeprägte Gesamtbitdichte beispielsweise in einem spezifizierten Bereich eines Metallisierungssystems erreicht werden, wodurch deutliche Vorteile erreicht werden unabhängig von dem tatsächlichen lateralen Abmessungen der jeweiligen Durchgangslöcher.
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Es wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
Bilden einer dielektrischen Materialschicht über einem ersten leitenden Gebiet eines integrierten Schaltungsbauelements,
Bilden einer Öffnung in der dielektrischen Materialschicht, wobei die Öffnung spezifizierte laterale Abmessungen und eine spezifizierte Tiefe aufweist und sich in Richtung des ersten leitenden Gebiets erstreckt;
Anordnen eines oder mehrerer funktionaler Moleküle in der Öffnung, wobei jedes des einen oder der mehreren funktionalen Moleküle mindestens zwei unterschiedliche Zustände zum Repräsentieren mindestens eines Bits an Information besitzt, wobei eine Größe des einen oder der mehreren funktionalen Moleküle an die spezifizierten lateralen Abmessungen und/oder an die spezifizierte Tiefe angepasst ist und wobei die funktionalen Moleküle funktionsmäßig mit dem ersten leitenden Gebiet so verbunden sind, dass ein elektrisches Zugreifen auf das eine oder die mehreren funktionalen Moleküle in der Öffnung ermöglicht wird; und
Bilden eines zweiten leitenden Gebiets, so dass dieses funktionsmäßig mit dem einen oder den mehreren funktionalen Molekülen verbunden ist, wobei das Anordnen des einen oder der mehreren funktionalen Moleküle in der Öffnung umfasst: Bilden eines Haftmaterials an einer Unterseite der Öffnung, und, wobei Bilden eines Haftmaterials an der Unterseite der Öffnung umfasst: Aufbringen einer Lösung mit Mizellen, die eine Anhäufung einer Haftmaterialsorte enthalten, wobei eine laterale Größe der Mizelle so gewählt wird, dass diese kleiner ist als zumindest die spezifizierten lateralen Abmessungen der Öffnung, und weiterhin umfassend
Bilden einer Ätzmaske über der dielektrischen Materialschicht und Bilden der Öffnung auf der Grundlage der Ätzmaske, wobei die Lösung in Anwesenheit der Ätzmaske aufgebracht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen: 1a bis 1c schematisch Querschnittsansichten einer Öffnung zeigen, die in einem dielektrischen Material gebildet ist und funktionale Moleküle enthält, deren Größe an die Größe der Öffnung gemäß anschaulicher Ausführungsformen angepasst ist;
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1d bis 1e schematisch Di-Blockcopolymermoleküle und entsprechende Mizellen zeigen, die auf der Grundlage der Copolymermoleküle hergestellt sind;
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2a schematisch eine Draufsicht eines integrierten Schaltungsbauelements und eines grundlegenden Arrays aus Speicherzellen unter Anwendung funktionaler Moleküle gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
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2b bis 2d schematisch Querschnittsansichten des Bauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wobei ein Haftmaterial auf der Grundlagen von Mizellen mit einer spezifizierten Größe gemäß anschaulicher Ausführungsformen selektiv bereitgestellt wird;
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2e schematisch eine Querschnittsansicht eines Bauelements zeigt, wenn funktionale Moleküle selektiv in den Kontaktdurchführungsöffnungen gemäß anschaulicher Ausführungsformen gebildet werden;
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2f und 2g schematisch Querschnittsansichten des Bauelements in weiter fortgeschrittenen Fertigungsphasen zeigen, wenn eine zweite Elektrode für die Speicherzellen gemäß anschaulicher Ausführungsformen bereitgestellt wird;
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2h schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements in Fertigungsphasen zeigt, um ein verbessertes oberes Kontaktgebiet für die funktionalen Moleküle gemäß anschaulicher Ausführungsformen bereitzustellen;
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2i schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt, in denen mehrere Kontaktdurchführungsebenen und damit Ebenen aus Speicherarrays vorgesehen sind; und
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2j schematisch eine Querschnittsansicht eines integrierten Schaltungsbauelements mit halbleiterbasierten Schaltungselementen in Verbindung mit Speicherzellen zeigt, die durch funktionale Moleküle gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen gebildet sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien werden Speicherzellen auf der Grundlage einer „molekularen Elektronik” gebildet, indem ein oder mehrere funktionale Moleküle in geeigneter Weise in einer Öffnung angeordnet werden, die in einem dielektrischen Material gebildet ist, wobei die Öffnung auf der Grundlage verfügbarer Strukturierungstechniken strukturiert wird, wie sie in CMOS-Strategien eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist ein funktionales Molekül als ein Molekül zu verstehen, das eine Größe zumindest in einer Richtung bis ungefähr 0,5 bis 100 nm und das zumindest zwei gut definierte Zustände aufweist, die auf der Grundlage elektronischer Signale erfasst werden können. Beispielsweise ist es gut bekannt, dass Polymerketten in einer gewünschten Länge bereitgestellt werden können, wobei zusätzliche Moleküle oder Atome eingebaut werden können, um dem grundlegenden Polymermolekül spezielle Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise kann die elektronische Konfiguration des funktionalen Moleküls auf der Grundlage elektrischer Signale umstrukturiert werden, zumindest in zwei unterschiedlichen Weisen, wodurch unterschiedliche elektrische Eigenschaften bereitgestellt werden, die somit zum Speichern eines Bits an Information verwendet werden können. In anderen Fällen führt ein Energieeintrag zu einer speziellen räumlichen Neukonfiguration, etwa zu einem stark geordneten Zustand unter einem stark ungeordneten Zustand, wodurch ebenfalls die Eigenschaften und damit die Reaktion des funktionalen Moleküls in Bezug auf elektrische Felder, magnetische Felder und dergleichen geändert wird. Häufig sind derartige funktionale Moleküle so gestaltet, dass sie eine oder mehrere funktionale Gruppen zum Anbinden spezieller Atomsorten, etwa Gold, Kupfer, Platin und dergleichen aufweisen, ohne dass im Wesentlichen eine stabile Bindung zu anderen Materialien aufgebracht wird, etwa dielektrische Materialien in Form von Siliziumdioxid und dergleichen. In einigen Fällen werden unterschiedliche „Ankerbereiche” vorgesehen, die stabile Bindungen mit unterschiedlichen Materialarten bilden, wodurch ebenfalls die gewünschte Orientierung der funktionalen Moleküle in Bezug auf ein spezielles Ankermaterial oder Haftmaterial erreich wird, während der verbleibende Anker gleich der funktionalen Moleküle mit einer anderen Art an Material in Kontakt gebracht werden kann. Somit sollte die vorliegende Erfindung nicht auf eine gewisse Art an funktionale Moleküle eingeschränkt erachtet werden, solange zumindest zwei unterschiedliche unterscheidbare Zustände dieser Moleküle steuerbar festgelegt und erfasst werden können auf der Grundlage einer elektromagnetischen Wechselwirkung. Da die funktionalen Moleküle mit einem hohen Grad an Freiheit im Hinblick auf die Größe hergestellt werden können, kann eine geeignete Anpassung an strukturell verfügbare Strukturierungstechniken, die in der CMOS-Technologie eingesetzt werden, erreicht werden. Wenn andererseits eine gewisse Art an funktionalen Molekülen gegeben Eigenschaften im Hinblick auf die Größe besitzt, kann eine Öffnung in einem dielektrischen Material geeignet an die Größe des Moleküls auf der Grundlage der hierin offenbarten Prinzipien angepasst werden, ohne dass komplexe Strukturierungstechniken, etwa Elektronenstrahllithographie und dergleichen, erforderlich sind. Durch geeignetes Anpassen der Größe funktionaler Moleküle und/oder der Größe von Mizellen, die zum Bereitstellen geeignet dimensionierter Ankerbereiche innerhalb der Kontaktdurchführungsöffnungen verwendet werden, in Bezug auf die Größe der Kontaktdurchführungsöffnung können Speicherelemente auf der Grundlage molekularer Sorten effizient in Fertigungsstrategien integriert werden, die für CMOS-Bauelemente verwendet werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die gesamte Informationsdichte deutlich zu erhöhen. Beispielsweise können Speicherzellen mit einer lateralen Größe von 50 nm und deutlich darunter, beispielsweise 10 nm und weniger, in halbleiterbasierten integrierten Schaltungsbauelementen eingerichtet werden, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Konzept auf diverse Bauteilebenen angewendet werden kann, wodurch ein gestapelter oder dreidimensionaler Speicherbereich bereitgestellt wird.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch einen Bereich eines integrierten Schaltungsbauelements 100, das ein Substrat 101, etwa ein Halbleiterträgermaterial oder ein anderes geeignetes Trägermaterial aufweist, um darüber halbleitende Materialien und/oder dielektrische Materialien und/oder leitende Materialien nach Bedarf zu bilden. Beispielsweise ist in der gezeigten Ausführungsform ein dielektrisches Material 110 über dem Substrat 101 gebildet und enthält eine Öffnung 111, die auch als eine „Kontaktdurchführung” oder Durchgangsloch bezeichnet wird. Da typischerweise in der Öffnung 111 ein Material einzuführen ist, um eine Verbindung zu einem leitenden Gebiet (nicht gezeigt) herzustellen, das unter dem dielektrischen Material 111 und über dem Substrat 101 angeordnet ist. Die Öffnung 111 besitzt laterale Abmessungen 111W, die verträglich sind mit den Strukturierungseigenschaften von CMOS-Technologien und damit in Bereich von mehreren Nanometern bis mehrere 100 nm liegen. In ähnlicher Weise liegt eine Tiefe 111D der Öffnung 111 im Bereich von mehreren Nanometern bis mehrere 100 nm, abhängig von der Größe eines funktionalen Moleküls 120, das als ein funktionales Element zu verwenden ist, um eine Speicherzelle innerhalb der Öffnung 111 bereitzustellen. Wie zuvor erläutert ist, repräsentiert das funktionale Molekül 120 ein beliebiges geeignetes Molekül, typischerweise ein organisches Material in Verbindung mit zusätzlichen Substituenten für funktionale Gruppen, um damit zumindest zwei unterschiedliche Zustände zu erreichen, die auf der Grundlage elektrischer Signale festgelegt und erfasst werden können. In 1a besitzt das funktionale Molekül 120 eine im Wesentlichen sphärische Gestalt mit Abmessungen so, dass ein einzelnes Molekül 120 in der Öffnung 111 aufgenommen werden kann. In anderen Fällen werden zwei oder mehr funktionale Moleküle 120 verwendet, um als ein Speicherelement in der Öffnung 111 zu dienen, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist. Das funktionale Molekül 120 enthält eine oder mehrere spezielle funktionale Gruppen 121, 122, um beispielsweise die Haftung zu einem speziellen Material zu erreichen, etwa ein Material, das an der Unterseite der Öffnung 111 vorgesehen ist, wodurch eine zuverlässige Haftung des Moleküls 120 innerhalb der Öffnung 111 sichergestellt ist. In ähnlicher Weise ist die funktionale Gruppe 122 für eine verbesserte Haftung zu einem weiteren Material vorgesehen, das noch über der dielektrischen Schicht 110 in einer späteren Fertigungsphase herzustellen ist. Beispielsweise ist bekannt, dass Schwefel stabile chemische Bindungen mit Gold eingeht, wodurch eine zuverlässige Haftung von funktionalen Molekülen, die eine Schwefelsorte enthalten, mit einem Goldmaterial erreicht wird. In anderen Fällen bilden die funktionalen Gruppen 121 und/oder 122 Bindungen mit anderen Materialien, etwa Kupfer, Platin, Titan, und dergleichen. Die Haftung der funktionalen Gruppen 121, 122 zu anderen Materialien, etwa Polymermaterialien, anorganischen dielektrischen Materialien, dielektrische Materialien mit kleinem ε und dergleichen, kann deutlich reduziert sein, wodurch eine effiziente „Strukturierung” einer entsprechenden Molekularschicht, die die funktionalen Moleküle 120 enthält, ermöglicht wird, indem etwa nicht-gebundene funktionale Moleküle von der Schicht 110, etwa auf der Grundlage einer Spülung in Reinstwasser und dergleichen entfernt werden. Folglich können durch geeignetes Auswählen der Abmessungen 111D und 111W der Öffnung 111 auf der Grundlage von verfügbarer Strukturierungstechniken und Berücksichtigung des funktionalen Moleküls 120 funktionale Elemente, etwa Speicherzellen, gemäß einem gewünschten Aufbau entsprechend der Position der jeweiligen Öffnungen 111 bereitgestellt werden.
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1b zeigt schematisch das Bauelement 100, in welchem zwei oder mehr funktionale Moleküle 120 mit einer im Wesentlichen länglichen Form in der Öffnung 111 angeordnet sind und an einem leitenden Gebiet 131 haften, das in einem dielektrischen Material 110 gebildet ist. Beispielsweise repräsentiert das leitende Gebiet 131 eine Metallleitung, ein halbleitendes Material und dergleichen, wobei dessen Oberflächeneigenschaften geeignet so gewählt sind, dass die Haftung der Moleküle 120 sichergestellt ist. Z. B. enthält das leitende Gebiet 131 eine Oberflächenschicht 131S, beispielsweise aus Kupfer, Gold, Platin und dergleichen, die es der funktionalen Gruppe 121 ermöglicht, an der Schicht 131S zu haften.
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Die Größe der Öffnung 111 und die Größe der funktionalen Moleküle 120 sind so einander angepasst, dass eine spezielle Anzahl an Molekülen eingebaut wird, um damit gleichmäßige Leistungseigenschaften für eine Vielzahl von Öffnungen zu erhalten, die mit den funktionalen Molekülen 120 gefüllt sind. Des weiteren wird die Tiefe 111D der Öffnung 111 so gewählt, dass die funktionalen Moleküle 120 funktionsmäßig mit einer weiteren Signalleitung kontaktiert werden, die über dem dielektrischen Material 110 zu bilden ist. In dieser Hinsicht sollte beachtet werden, dass „ein funktionsmäßiges Verbinden oder Kontaktieren” der funktionalen Moleküle 120 ein „direktes” Verbinden der Moleküle 120 mit dem Material der Signalleitung einschließt, wodurch ein direkter Austausch von Ladungsträgern zwischen den Molekülen 120 und der Signalleitung möglich ist. In anderen Fällen wird ein zusätzliches Material zwischen einer entsprechenden Signalleitung und den Molekülen 120 vorgesehen, wodurch ein Austausch von Ladungsträgern mittels Tunnelströmen und dergleichen möglich ist. In noch anderen Fällen werden Moleküle 120 „funktionsmäßig” über ein elektrisches Feld in einem Zwischenmaterial kontaktiert, beispielsweise durch Ändern der wirksamen Dielektrizitätskonstante und dergleichen. Abhängig von der Art des „Kontakts” der funktionalen Moleküle 120 zu einer oder mehreren der Elektrodensignalleitungen wird die Tiefe 111D in Korrelation zu einer Länge der funktionalen Moleküle 120 in geeigneter Weise ausgewählt.
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1c zeigt schematisch das Bauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Öffnung 111 ein angehäuftes Haftmaterial 141 oder einen Haftcluster aufweist, der beispielsweise aus einem geeigneten Metall und dergleichen aufgebaut ist, wobei die Größe der Materialanhäufung 141, d. h. ein freiliegender Oberflächenbereich davon, der für die Wechselwirkung mit den Molekülen 120, beispielsweise mit den funktionalen Gruppen 121 verfügbar ist, die Anzahl der Moleküle festlegt, die tatsächlich in der Öffnung 111 bereitgestellt werden. In diesem Falle kann die laterale Abmessung der Öffnung 111 im Wesentlichen unabhängig von der lateralen Größe der Moleküle 120 gewählt werden, da deren Größe effizient auf der Grundlage der Haftmaterialanhäufung 141 bereitgestellt werden kann. In diesem Falle wird lediglich die Tiefe 111D so gewählt, dass diese der Länge der Moleküle 120 in einer geeigneten Weise entspricht. Somit kann ein höherer Grad an Freiheit erreicht werden, indem die Haftmaterialanhäufung 141 für vorgegebene Strukturierungseigenschaften der zur Herstellung der Öffnung 111 angewendeten Technologie vorgesehen wird.
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Mit Bezug zu den 1d bis 1f werden diverse Möglichkeiten erläutert, um eine gut definierte Größe der Haftmaterialanhäufung 141 (1c) in der Öffnung 111 bereitzustellen.
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1d zeigt schematisch auf der linken Seite ein Copolymer 140, d. h. ein Molekül bestehend aus einer ersten Polymerkette 142 und einer zweiten Polymerkette 143. Somit kann die Polymerkette 142 aus einer Vielzahl von im Wesentlichen identischen grundlegenden Baublöcken aufgebaut sein, ähnlich zu der Polymerkette 143, wobei jedoch ein anderes Basismonomer verwendet wird. Die Polymerketten 142, 143 besitzen entsprechende Längen 142L, 143L, die geeignet gewählt sind, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Beispielsweise repräsentieren die einzelnen Polymerketten 142, 143 einen hydrophilen bzw. einen hydrophoben Bereich, woraus sich eine spezielle Art an „Anhäufung” bzw. Cluster ergibt, wenn die Moleküle 140 in einer apolaren Lösung aufgelöst werden. Beispielsweise zeigt die rechte Seite der 1d schematisch eine entsprechende Agglomeration aus Molekülen 140 in einer Lösung, wobei die Agglomeration als eine Mizelle 145 bezeichnet wird. Somit kann die Größe der Mizelle 145 effizient eingestellt werden, indem die individuelle Länge der Polymerketten 142 und 143 eingestellt wird.
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1e zeigt schematisch ein Copolymer mit einer Metallsorte 144, die beispielsweise mit der Polymerkette 143 auf der Grundlage eines geeigneten Moleküls verbunden ist, das die Metallsorte 144 enthält. Beispielsweise ist es gut bekannt, dass di-Block-Copolymere effizient auf der Grundlage von AuHCl4 „dotiert” werden können, wobei die entsprechende Mizelle 145 somit eine Metallmaterialanhäufung bzw. einen Metallcluster bildet, beispielsweise in Form eines monokristallinen Goldclusters, wie dies durch 146 angegeben ist. Folglich kann die Größe der Anhäufung 146 auf der Grundlage der Polymerketten 142 und 143 eingestellt werden, wodurch ebenfalls die Gesamtgröße der Mizelle 145 festgelegt wird, wie dies zuvor erläutert ist. Auf der Grundlage der Mizelle 145 mit der Anhäufung 146 kann somit eine gut definierte Menge einer Metallsorte in der Öffnung 111 angeordnet werden, um damit die Haftmaterialanhäufung 141 (siehe 1c) zu bilden.
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Es sollte beachtet werden, dass die funktionalen Moleküle 120 und die Copolymere 140 gemäß gut etablierter Techniken hergestellt werden können, wobei auch die Größe der Moleküle effizient auf der Grundlage gut etablierter Messtechniken ermittelt werden kann.
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2a zeig schematisch eine Draufsicht eines integrierten Schaltungsbauelements 200, in welchem mehrere Kontaktdurchführungen oder Öffnungen 211 in einem dielektrischen Material 210 gebildet sind, wobei jede der Öffnungen 211 funktionsmäßig mit entsprechenden Leitungen 231 verbunden ist, die in einem geeigneten Material ausgebildet sind, das unter dem dielektrischen Material 210 angeordnet ist, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist. Die mehreren Öffnungen 211 in Verbindung mit den Leitung 231 und weiteren Leitungen 251, die über dem dielektrischen Material 210 zu bilden sind, repräsentieren einen Speicherbereich, wobei ein Speicherelement innerhalb jeder der Öffnungen 211 auf der Grundlage von funktionalen Molekülen bereitgestellt ist, etwa den Molekülen 120, wie sie zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben sind. Zu beachten ist, dass die Gestaltung des Bauelements 200 so gewählt ist, dass die Komponenten 231, 211 und 251 auf der Grundlage verfügbarer Strukturierungstechniken hergestellt werden, wie sie auch in CMOS-Technologien eingesetzt werden, wobei eine zusätzliche Anpassung, die zum Bereitstellen von Speicherzellen innerhalb der Öffnungen 211 erforderlich ist, bewerkstelligt werden kann, ohne dass komplexe Lithographie- oder Strukturierungstechniken erforderlich sind.
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2b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 200 entlang der Linie IIb aus 2a. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement ein Substrat 201, über welchem eine Bauteilschicht 230 gebildet ist, die beispielsweise aus einem geeigneten dielektrischen Material aufgebaut ist, in welchem die leitenden Gebiete oder Leitungen 231 lateral eingebettet sind. Im Hinblick auf Eigenschaften des Substrats 201 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert sind. Beispielsweise repräsentiert die Bauteilschicht 230 eine Metallisierungsschicht, d. h. die Leitungen 231 repräsentieren metallenthaltende Leitungen, die etwa auf der Grundlage von Kupfer, Aluminium, Silber, Platin, Gold und dergleichen in Verbindung mit einem geeigneten dielektrischen Material hergestellt sind, etwa dielektrische Materialien mit kleinem ε und dergleichen. In diesem Zusammenhang ist ein dielektrisches Material mit kleinem ε als ein dielektrisches Material mit einer Dielektrizitätskonstante von ungefähr 3,0 oder weniger zu verstehen. Die dielektrische Schicht 210 ist über der Bauteilschicht 230 gebildet und kann auch als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial bezeichnet werden, das die Bauteilschicht 230 von einer nachfolgenden Bauteilschicht (nicht gezeigt) trennt, die noch herzustellen ist, um damit die Metallgebiete 251 (siehe 2a) bereitzustellen. Ferner ist in dieser Fertigungsphase eine Maskenschicht 203 über dem dielektrischen Material 210 gebildet, die aus einem geeigneten Material aufgebaut ist, etwa Photolack und dergleichen. Die Maskenschicht 203 definiert die Größe und die Position der Öffnungen 211.
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Das in den 2a und 2b gezeigte Bauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach dem Bereitstellen des Substrats 201 wird die Bauteilschicht 230 hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden eines dielektrischen Materials, durch Strukturierung desselben und durch Einfüllen eines geeigneten leitenden Materials, um die leitenden Gebiete 231 zu erhalten. Es sollte beachtet werden, dass andere Schaltungskomponenten in und über dem Substrat 201 gebildet werden, beispielsweise in Form von halbleiterbasierten Schaltungselementen, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist. Das Strukturieren des dielektrischen Materials der Schicht 230 kann auf der Grundlage verfügbarer Lithographie- und Ätztechniken und anderer Strukturierungstechniken, etwa Nano-Prägetechniken und dergleichen, bewerkstelligt werden. In anderen Fällen repräsentieren die leitenden Gebiete 231 dotierte Halbleiterbereiche, die auf der Grundlage von Implantationsprozessen und entsprechenden Implantationsmasken erhalten werden.
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Es sollte beachtet werden, dass in der in 2b gezeigten Ausführungsform ein spezielles Haftmaterial für die Gebiete 231 zur Aufnahme funktionaler Moleküle ggf. nicht erforderlich ist, da geeignete Haftmaterialanhäufungen auf der Grundlage einer molekularen Schicht 247 hergestellt werden, die geeignete Mizellen 245 und speziellen Haftclustern, etwa dem Cluster 146 aus 1e, aufweisen. In anderen Fällen dient das Material der leitenden Gebiete 231 selbst als ein Haftmaterial oder es wird eine spezielle Oberflächenschicht hergestellt.
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Daraufhin wird das dielektrische Material 210 hergestellt, beispielsweise durch eine geeignete Abscheidetechnik, etwa CVD und dergleichen, um das Material der Schicht 210 mit den gewünschten dielektrischen Eigenschaften bereitzustellen. Beispielsweise können Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Kombinationen davon effizient verwendet werden und repräsentieren gut etablierte dielektrische Materialien in der CMOS-Technologie. Es können dielektrische Materialien mit kleinem ε verwendet werden, wenn dies im Hinblick auf das Gesamtverhalten des Bauelements 200 als geeignet erachtet wird. Als nächstes wird die Maskenschicht 203 aufgebracht, beispielsweise durch gut etablierte Techniken, und diese wird strukturiert auf Grundlage verfügbarer Strukturierungstechniken. Zu beachten ist, dass die Dicke der Schicht 210 geeignet so gewählt wird, dass sie der Größe der Mizellen 245 und/oder der Größe entsprechender funktionaler Moleküle, die in den Öffnungen 211 in einer späteren Fertigungsphase anzuordnen sind, angepasst ist. Wie zuvor erläutert ist, kann insbesondere die Größe der Mizellen 245 mit einem hohen Grad an Flexibilität eingestellt werden, wodurch eine effiziente Anpassung der Schichtdicke gewährleistet ist. Daraufhin werden die Öffnungen 211 in der Schicht 210 gemäß gut etablierter anisotroper Ätztechniken hergestellt. Als nächstes wird die molekulare Schicht 247, die die speziell präparierten Mizellen 245 enthält, d. h. die Agglomerationen von Copolymerketten mit funktionalen Gruppen, aufgebracht, beispielsweise durch Aufschleudern, wobei eine gut definierte Anzahl an Mizellen 245 in den Öffnungen 211 angeordnet wird.
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2c zeigt schematisch das Bauelement 200, wenn es einer reaktiven Prozessumgebung 204 ausgesetzt wird, beispielsweise in Form eines Sauerstoffplasmas, eines Wasserstoffplasmas und dergleichen, um die Polymerkomponenten selektiv zu der Metallsorte in den Zellen 245 (siehe 2b) zu entfernen. Während des Prozesses 204 werden folglich die entsprechenden Anhäufungen bzw. Cluster 246 auf der Maskenschicht 203 und in den Öffnungen 211 gebildet, wobei, wie zuvor erläutert ist, die Haftmaterialanhäufungen 246 eine spezifizierte Größe besitzen. Folglich repräsentieren die Haftmaterialanhäufungen 246 innerhalb der Öffnungen 211 gut definierte Bereiche zur Aufnahme von funktionalen Molekülen in einer späteren Fertigungsphase.
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2d zeigt schematisch das Bauelement 200, wenn es der Einwirkung einer Prozessumgebung 205 ausgesetzt ist, die geeignet gestaltet, um die Maskenschicht 203 aus 2c zu entfernen oder abzuheben. Beispielsweise wird die Prozessumgebung 205 auf der Grundlage einer Lösung, etwa in Form von Atzeton, bereitgestellt, das das Material 203 selektiv zu dem Material 210 und zu den Haftmaterialanhäufungen 246 entfernt, wodurch auch die Materialanhäufung 246, die auf der Maskenschicht 203 gebildet sind, entfernt werden, wie in 2c gezeigt ist. Somit werden die Materialanhäufungen bzw. Cluster 246 selektiv in den Öffnungen 211 bereitgestellt.
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2e zeigt schematisch das Bauelement 200 während einer weiteren fortgeschrittenen Prozesssequenz 207, in der eine Schicht mit funktionalen Molekülen 220 aufgebracht wird, beispielsweise durch Eintauchen des Bauelements 200 in eine entsprechende Lösung, durch Aufschleudern und dergleichen, wobei die funktionalen Moleküle 220 verstärkt an den Haftmaterialanhäufungen 245 innerhalb der Öffnungen 211 anhaften, während eine Haftung in dem Material 210 deutlich geringer ist. Die funktionalen Moleküle 220 besitzen Eigenschaften, wie sie zuvor mit Bezug zu den funktionalen Molekülen 220 beschrieben sind, da beispielsweise im Hinblick auf das Bereitstellen unterscheidbarer Zustände oder die Gesamtgröße der Moleküle und dergleichen. Beispielsweise werden eine Länge der Moleküle 220 und eine Tiefe der Öffnungen 211 geeignet zueinander angepasst, wie dies zuvor erläutert ist. Die Prozesssequenz 207 enthält ferner einen Abtragungsprozessschritt, in welchem unerwünschte funktionale Moleküle von der Schicht 210 entfernt werden, was auf der Grundlage eines Spülvorganges in Reinstwasser, unter Anwendung einer milden nasschemischen Ätzchemie und dergleichen bewerkstelligt werden kann. Andererseits haften die funktionalen Moleküle 220 in Öffnungen 211 stark an dem Materialanhäufungen 245, wodurch wiederum die Menge an Molekülen innerhalb jeder Öffnung 211 festgelegt wird. Folglich bilden die Öffnungen 211 in Verbindung mit den funktionalen Molekülen 220 entsprechende Speicherzellen 260, deren Funktionsverhalten durch die Menge und die Eigenschaften der funktionalen Moleküle 220 bestimmt ist.
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2f zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Bereich einer weiteren Bauteilschicht 250 über der Schicht 210, die die Speicherzellen 260 enthält, gebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Bauteilschicht 250 ein dielektrisches Material 252, beispielsweise in Form eines Ätzstoppmaterials und dergleichen, woran sich ein weiteres dielektrisches Material 253 anschließt, das etwa auf der Grundlage von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen vorgesehen wird, während in anderen Fällen auch dielektrische Materialien mit kleinem ε verwendet werden. Zu beachten ist, dass bei Bedarf ein zusätzliches Schutzmaterial in den Öffnungen 211 vorgesehen werden kann, wie dies erforderlich ist, etwa ein Polymermaterial und dergleichen während in anderen Fällen das Material 252 so vorgesehen wird, dass zumindest teilweise die Öffnungen 211 füllt. Beispielsweise wird das Material 252 auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik bereitgestellt, möglicherweise in Verbindung mit einem zusätzlichen Füllmaterial für die Öffnungen 211 und danach wird ein weiterer Einebnungsschritt, etwa auf der Grundlage von CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen ausgeführt, um eine gewünschte verbleibende Dicke der Schicht 252 zu erreichen, wobei bei Bedarf ein Endbereich der Moleküle 220 freigelegt sein kann. In anderen Fällen enden die Moleküle 220 in der Materialschicht 252, wenn ein direkter Kontakt mit einer in dem Material 253 zu bildenden Signalleitung nicht erforderlich ist. In anderen Fällen wird ein Endbereich der funktionalen Moleküle 220 nach dem Strukturieren des Materials 253 auf der Grundlage der Schicht 252 freigelegt, die als eine effiziente Ätzstoppschicht verwendet werden kann, die damit die Integrität der Moleküle 220 während des Strukturierens des dielektrischen Materials 253 bewahrt.
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2g zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiteren fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Leitung 251, etwa eine Metallleitung, in dem dielektrischen Material 253 gebildet und ist somit funktionsmäßig mit jeder der Speicherzellen 260 verbunden. D. h., das Material der Leitung 251 kann in direktem Kontakt mit den funktionalen Molekülen 220 sein oder ermöglicht zumindest einen elektrischen Zugriff auf die Moleküle 220, beispielsweise durch elektromagnetische Wechselwirkung, Tunnelströme und dergleichen, wie dies zuvor erläutert ist. Das Bauelement 200, wie es in 2g gezeigt ist, kann hergestellt werden, indem eine geeignete Ätzmaske vorgesehen wird und indem ein Graben in dem dielektrischen Material 253 unter Anwendung gut etablierter anisotroper Ätztechniken geschaffen wird. Wie zuvor erläutert ist, kann das Material 252 als ein effizientes Ätzstoppmaterial verwendet werden, das ebenfalls die Integrität der Moleküle 220 bewahrt, wenn ein Freilegen dieser Moleküle in Bezug auf eine entsprechende reaktive Ätzumgebung als ungeeignet erachtet wird. Daraufhin wird bei Bedarf ein weiterer Ätzschritt ausgeführt auf der Grundlage einer geeigneten Ätzchemie, um einen Teil des Materials 252 zu entfernen, wodurch ein Endbereich der Moleküle 220 freigelegt wird, die eine geeignete Größe besitzen, wie dies auch zuvor erläutert ist. Während des entsprechenden Ätzprozesses wird das Material 252 im Wesentlichen vollständig entfernt, oder es wird ein Teil davon über der Schicht 210 beibehalten, wobei dies von den gesamten Prozesserfordernissen abhängt. Daraufhin wird ein leitendes Material, etwa ein Metall und dergleichen, aufgebracht, beispielsweise durch elektrochemische Abscheideverfahren, durch CVD, durch PVD und dergleichen. Zu beachten ist, dass weitere Materialien, etwa in Form von leitenden Barrierenmaterialien, Saatmaterialien und dergleichen bei Bedarf abgeschieden werden können. Danach wird überschüssiges Material entfernt, etwa durch CMP, und dergleichen, wodurch die Leitung 251 geschaffen wird, die eine Verbindung zu den Speicherzellen 260 herstellt.
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2h zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Speicherzellen 260 mit einem Schutzmaterial 252 gefüllt sind, so dass Endbereiche 222 der funktionalen Moleküle 220 freiliegen. Die Endbereiche 222 repräsentieren entsprechende funktionale Gruppen, die für eine bessere Haftung zu einem speziellen Material, etwa Gold, Platin, Kupfer, Silber und dergleichen sorgen. Ferner ist eine Maske 208 so vorgesehen, dass die Speicherzellen 260 und damit die Endbereiche 222 freiliegen. Dazu wird das Material 252A möglicherweise in Verbindung mit einem Einebnungsprozess bei Bedarf aufgebracht, woran sich das Abscheiden des Maskenmaterials anschließt, das dann auf der Grundlage verfügbarer Strukturierungstechniken strukturiert wird. Während der Strukturierung der Maskenschicht 208 kann das Material 252A als ein Ätzstoppmaterial dienen, während in anderen Fällen Material abgetragen wird, um die Endbereiche 222 freizulegen. Danach wird eine weitere Lösung mit geeignet ausgewählten Mizellen aufgebracht, wie dies auch zuvor erläutert ist, wodurch entsprechende Mizellen in den Öffnungen der Maskenschicht 208 angeordnet werden, die somit darin eingebaut geeignete Materialanhäufungen zur Verbindung mit den Endbereichen 222 enthalten. Danach wird das Polymerbasismaterial der Mizellen selektiv entfernt, wodurch zusätzliche Haftmaterialanhäufungen 247 geschaffen werden, die stark an den funktionalen Molekülen 220 anhaften. Folglich repräsentieren die Materialanhäufungen 247 geeignete Kontaktbereiche für die nachfolgende Bearbeitung, beispielsweise zur Herstellung des dielektrischen Materials 253 und zur Strukturierung desselben, wie dies zuvor erläutert ist. Durch das Vorsehen der zusätzlichen Haftmaterialanhäufungen 247 in Verbindung mit dem Füllmaterial 252A ergibt sich somit eine bessere Integrität der funktionalen Moleküle 220, wobei dennoch ein zuverlässiger direkter Kontakt mit der Leitung 251 (siehe 2g) ermöglicht wird.
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2i zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen zwei oder mehr Arrays aus Speicherzellen 260 übereinander gestapelt sind, wodurch ein sehr platzsparender dreidimensionaler Speicherbereich geschaffen wird. Wie gezeigt, ist eine weitere Bauteilebene 270 über der Bauteilebene 250 ausgebildet und enthält leitende Gebiete 271, etwa in Form von Metallleitungen, woran sich ein weiteres dielektrisches Material 290 mit den Speicherzellen 260 anschließt, die über Leitungen 281 einer weiteren Bauteilebene 280 kontaktiert sind. Im Hinblick auf Fertigungsverfahren zur Herstellung der Speicherzellen 260 auf der Grundlage der funktionalen Moleküle 220 in unterschiedlichen Bauteilebenen gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Schichten 230, 210 und 250 erläutert sind.
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2j zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen mehrere halbleiterbasierte Schaltungselemente 202C in und über einer Halbleiterschicht 202 gebildet sind. Beispielsweise repräsentieren die Schaltungselemente 202c Feldeffekttransistoren, die gemäß CMOS-Technologien oder anderer geeigneter Vorgehensweisen hergestellt sind, wobei kritische Abmessungen 40 nm und weniger betragen können. Ferner ist ein Metallisierungssystem 295 über den Schaltungselementen 202C ausgebildet, wobei ein Teil des Metallisierungssystems 295 einen Speicherbereich 295m mit mehreren Speicherzellen 260 repräsentiert, die über diverse Bauteilebenen verteilt sein können, wie dies zuvor erläutert ist. Beispielsweise repräsentiert in der gezeigten Ausführungsform die Bauteilebene 230 einen Teil der Halbleiterschicht 202 und enthält die leitende Gebiete 231, beispielsweise dotierte Halbleiterbereiche. Ferner repräsentiert das dielektrische Material 210 einen Teil eines dielektrischen Materials einer Kontaktebene 209, die eine Verbindung von dem Schaltungselement 202C zu dem Metallisierungssystem 295 mittels entsprechender Kontaktelemente 209C herstellt. In dem Speicherbereich 295 sind bei Bedarf geeignete angepasste Kontaktelemente 209M vorgesehen, um die Speicherzellen 260 mit den Metallleitungen 251 der Bauteilebene 250 zu verbinden, die die erste Metallisierungsschicht des Metallisierungssystems 295 repräsentieren kann. Ferner kann die Bauteilschicht 270 eine weitere Metallisierungsschicht repräsentieren, wobei entsprechende Kontaktdurchführungen 275 die Metallleitungen 251 über den Schaltungselementen 202C verbunden sind, während entsprechende Speicherzellen 260A, die den gleichen oder einen anderen Aufbau im Vergleich zu den Speicherzellen 260 besitzen, mit den Metallleitungen 271 im Speicherbereich 295M verbunden sind.
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Wie zuvor erläutert ist, kann auf Grund der hohen Flexibilität beim Einstellen der Eigenschaften funktionaler Moleküle und entsprechender Mizellen, die Haftmaterialanhäufungen enthalten, der Speicherbereich 295M effizient in das Metallisierungssystem 295 auf der Grundlage von Messtechniken eingebaut werden, die zur Herstellung der halbleiterbasierten Elemente 202C und des Metallisierungssystems 295 angewendet werden, ohne dass zusätzliche komplexe Technologien erforderlich sind.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken für integrierte Schaltungsbauelemente bereit, in den Speicherzellen effizient auf der Grundlage von funktionalen Moleküle hergestellt werden, wobei Prozesstechniken eingesetzt werden, die für die Herstellung halbleiterbasierter Schaltungselemente angewendet werden. Folglich kann eine effiziente Hybridbauteilarchitektur erzeugt werden, beispielsweise durch Einbau eines dreidimensionalen Speicherarrays in einem Metallisierungssystems eines Halbleiterbauelements, wodurch ein besseres Leistungsverhalten auf Grund der deutlich höheren Informationsdichte im Vergleich zu halbleiterbasierten Speicherzellen erreicht wird. Zu diesem Zweck wird die funktionalen Moleküle in Öffnungen oder Kontaktdurchführungen angeordnet, die auf der Grundlage der verfügbaren Strukturierungstechniken hergestellt werden.
