Способ формирования электропроводящих и/или полупроводниковых трехмерных структур, способ уничтожения этих структур и генератор/модулятор электрического поля для использования в способе формирования

 

Изобретение относится к микроэлектронной технологии, а именно к технологии получения тонкопленочных электронных схем. Разработаны способы формирования электропроводящих и/или полупроводниковых двумерных или трехмерных структур и их уничтожения. Сконструирован генератор/модулятор электрического поля для использования в способе формирования указанных структур. Технический результат изобретения - обеспечение дешевого гибкого массового производства электрических соединений в тонкопленочных структурах электронных схем. 3 с. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к способу формирования электропроводящих и/или полупроводниковых двумерных или трехмерных структур в составной матрице, содержащей один или более материалов в пространственно отдельных и однородных структурах материала, причем материалы в ответ на подачу энергии могут подвергаться конкретным физическим и/или химическим изменениям состояния, которые вызывают переход от электрически непроводящего состояния к электрически проводящему и/или полупроводниковому состоянию или наоборот, или изменение в режиме электрической проводимости материала, причем каждая структура материала выполнена в форме тонкого слоя.

Изобретение также относится к способу полного уничтожения электрически проводящих и/или полупроводниковых двумерных или трехмерных структур, сформированных в составной матрице, содержащей два или более материалов в пространственно отдельных и однородных структурах материалов, при этом материалы в ответ на подачу энергии могут подвергаться конкретным физическим и/или химическим изменениям состояния, которые вызывают переход от электрически непроводящего состояния к электрически проводящему и/или полупроводниковому состоянию или наоборот, или изменение в режиме электрической проводимости материала, причем каждая структура материала выполнена в форме тонкого слоя.

Кроме того, изобретение относится к генератору/модулятору электрического поля (ГМЭП) для структурирования и формирования электропроводящих и/или полупроводниковых двумерных или трехмерных структур в составной матрице, причем матрица содержит два или более материалов в пространственно отдельных и однородных структурных материалов, при этом материалы в ответ на подачу энергии могут подвергаться конкретным физическим и/или химическим изменениям состояния, которые вызывают переход от электрически непроводящего состояния к электрически проводящему и/или полупроводниковому состоянию или наоборот, или изменение в режиме электрической проводимости материала, причем каждая структура материала выполнена в форме тонкого слоя.

Более конкретно настоящее изобретение относится к производству двумерных и трехмерных изоляционных, резистивных, проводящих и/или полупроводниковых конфигураций и структур для использования в электронных схемах, которые состоят из одного или нескольких слоев тонких пленок.

Развитие микроэлектронной технологии показывает устойчивую тенденцию к уменьшению размеров и снижению стоимости приборов. Вполне обоснованный прогноз показывает, что характеристики будут улучшаться, в то время как цена блока или устройства будет снижаться. Однако нынешняя микроэлектронная технология основана по существу на кристаллическом кремнии и проявляет все возрастающую тенденцию к уменьшению отдачи, в основном ввиду ограничений, связанных со сложностью литографии сверхвысокого разрешения и возрастающими требованиями к обработке материалов. Экстраполяция существующих технологий, основанных на кристаллическом кремнии, не может предвещать резких прорывов в отношении как характеристик, так и цены, и будущие усовершенствования потребуют весьма капиталоемких производственных предприятий и производственного оборудования.

С другой стороны, с высокой вероятностью можно предполагать, что микроэлектроника, основанная на технологии тонких пленок, в ближайшем будущем обеспечит создание продуктов, представляющих собой действительный прорыв как в отношении характеристик, так и цены. Переход от кристаллических неорганических полупроводников к микрокристаллическим, поликристаллическим или аморфным неорганическим или органическим полупроводникам вводит полностью новые граничные условия для микроэлектронной технологии, и в частности, вследствие возможности использования заготовок, имеющих коэффициенты формы, соответствующие большим площадям, т.е. подложки могут представлять собой большие пластины вместо пластинок, вырезанных из заготовок ограниченного размера, а также большую гибкость в отношении архитектуры, что может стать существенным фактором в ожидаемом развитии современной электронной технологии. В настоящем изобретении особый акцент будет сделан на использовании органических материалов благодаря простоте их обработки ввиду возможности использования больших площадей и многослойных заготовок с точно контролируемой толщиной, а также благодаря их большому потенциалу для создания химическими способами материалов с желаемыми свойствами.

В частности, прежде чем использование электроники, основанной на аморфных материалах, сможет реализовать ожидаемый от нее потенциал, требуются дополнительные усовершенствования в определенных областях. В последние годы были предприняты усилия для улучшения полупроводниковых свойств органических полупроводниковых тонкопленочных материалов, которые дали существенное и быстрое улучшение характеристики транзистора до той степени, при которой транзисторы на органической основе могут конкурировать с транзисторами на основе аморфного кремния (см., например, Y.Y. Lin, D.J. Gundlach, S.F. Nelson и T.N. Jackson, "Pentacene-Based Organic Thin Film Transistors", IEEE Transactions on Electron Devices, August 1997). Другие разработки направлены на создание методов нанесения тонкопленочных покрытий в целях создания полупроводников из органического вещества или аморфного кремния при низких температурах, обладающих совместимостью с широким диапазоном органических и неорганических материалов подложки. Это привело к разработкам очень дешевых электронных приборов с большими площадями на основе использования методов крупномасштабного производства.

Несмотря на такое развитие технологии по-прежнему отсутствует полностью удовлетворительное решение, которое позволило бы приспособить технологию производства для обеспечения дешевого гибкого крупномасштабного производства электрических соединений в тонкопленочных структурах, образующих электронные схемы. В настоящее время тонкопленочные приборы основаны на аморфном кремнии и выполняются с токопроводящими дорожками и проводниками, изготовленными по шаблону традиционными способами, такими как литография и вакуумная металлизация. Последний способ ранее применялся также к схемам для полупроводниковых тонкопленочных приборов на органической основе (см. например, A.R. Brown & al. "Logic gates made from polymer transistors and their use of ring oscillators". Science 270:972-974 (1995)). Альтернативно использовалась трафаретная печать с проводящей краской для изготовления транзисторов на гибких полимерных подложках (см., например, F. Garnier & al., "All-polymer field-effect transistor realized by printing techniques". Science 265:1884-1886 (1994). Хотя литография может обеспечить высокую разрешающую способность, она сравнительно сложна и обычно включает этапы жидкостной химической обработки, которые нежелательны в широкомасштабном производстве многослойных органических тонкопленочных структур. Трафаретная печать с краской также далека от идеальной, поскольку она обеспечивает разрешающую способность от малой до умеренной со всеми недостатками, присущими жидкостной химической обработке.

В качестве примера известного способа может быть также упомянут патент США 5043251, в котором описан способ трехмерной литографии аморфных полимеров для создания кратковременной постоянной структуры в полимерном материале, включающий этапы обеспечения легированных некристаллических слоев или пленок полимера в устойчивом аморфном состоянии в условиях использования ручных операций. При производстве структур пленка маскируется оптически и подвергается облучению через маску с достаточной интенсивностью, чтобы вызвать абляцию экспонированных участков, так что в пленке формируется отчетливый трехмерный отпечаток. Этот способ, в числе прочего, был предложен для использования в производстве оптического диска для хранения данных. Кроме того, из патента США 5378916 известно фоточувствительное устройство в форме монокристаллической структуры, в которой разные участки структуры могут иметь разный состав. В частности, эта структура образует двумерный массив, и первый фоточувствительный участок содержит материал, который создает электронно-дырочные пары под воздействием света в пределах предварительно определенного первого диапазона длин волн, в то время как другой фоточувствительный участок содержит материал, обеспечивающий создание электронно-дырочных пар под воздействием света в другом диапазоне длин волн, в достаточной степени отличающемся от первого диапазона длин волн. Кроме того, из патента США 5677041, являющегося наиближайшим аналогом заявленного изобретения, известно транзисторное устройство, изготовленное путем формирования легированного слоя, чувствительного к излучению материала на подложке. Чувствительным к излучению материалом может быть, в числе прочих, полиимид, полимер, органический диэлектрик, проводник или полупроводник. Подложка может быть выполнена из кремния, кварца, арсенида галлия, стекла, керамики, металла или полиамида. Нейтральный или нелегированный слой другого чувствительного к излучению материала формируется на легированном слое. Первая и вторая области истока/стока затем формируются в нейтральном слое и расширяются к верхней части легированного слоя. Область затвора формируется в верхней части нейтрального слоя между первой областью истока/стока и второй областью истока/стока так, что область канала в легированном слое обеспечивается под областью затвора. Электроды истока/стока и затвора формируются путем облучения самого верхнего нейтрального слоя через маску, структурированную в соответствии с желаемой структурой электрода и реализованную так, что она модулирует по интенсивности излучение. Кроме того, маска может быть реализована как фазосдвигающая маска.

Известен полевой МДП-транзистор (полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник), полностью реализованный в полимере и с использованием полимерных материалов, которым приданы желаемые электрические свойства путем воздействия ультрафиолетового (УФ) облучения (см. "Polymeric integrated circuits and light-emitting diodes", D. M. de Leeuw & al., IEDM, стр.331-336 (1997)). В производстве используется фотохимическое структурирование легированных электропроводящих полианилиновых пленок, так называемых PANI тонких пленок. Пленки растворяются в соответствующем растворе, после чего к раствору добавляется фотоинициатор, который был осажден на соответствующую подложку, такую как полиимидная пленка. Путем последующего глубокого облучения PANI пленки УФ-лучами через маску первоначально проводящий полианилин преобразуется в облученных областях в непроводящую лейкоэмеральдиновую форму. Начальной точкой здесь является соответственно проводящий полимерный материал, поверхностное сопротивление которого первоначально равно 1 кОм/квадрат, но после облучения его поверхностное сопротивление становится более чем 10¹³ Ом/квадрат. Таким образом могут быть созданы диэлектрические структуры в матрицах, которые в противном случае являются проводящими. Фиг.1 показывает полевой МДП-транзистор, описанный в работе Leeuw & аl., содержащий полиимидную подложку 1 с PANI тонкой пленкой, которая после облучения УФ-излучением через соответствующие маски образует изоляционные структуры 6 в тонкопленочном материале 3, который в противном случае является проводящим. Остающиеся проводящие области 3 в PANI пленке определяют соответственно электроды истока и стока полевого МПД-транзистора. Поверх PANI пленки осаждается дополнительный слой 4 в форме тонкой пленки из политиэниленвинилена (PTV), который является органическим полупроводниковым материалом. Этот слой 4 по существу определяет электрические параметры полевого МПД-транзистора. Пленка 5 из поливинилфенола (PVP), которая формирует изолятор затвора транзистора и непроницаема для УФ-излучения и видимого света, осаждается на PTV пленку 4. Другая PANI пленка снова осаждается поверх PTV пленки 5 и подвергается облучению УФ-излучением через шаблон для формирования изолирующих структур 6. Оставшаяся электрически проводящая область 2 образует электрод затвора структуры полевого МПД-транзистора.

Если несколько транзисторов вышеупомянутого типа должны быть объединены в интегральных схемах, выполненных в форме многослойных пленочных структур, то должны использоваться вертикальные токопроводящие дорожки, например, между электродами истока и стока в одном транзисторе и электродом затвора в другом транзисторе. Такие вертикальные токопроводящие дорожки могут быть в принципе реализованы механически, например, путем осаждения металлической пленки поверх вертикально вытравленных ступенек в структуре. Другое подобное решение состоит в использовании металлизированных сквозных отверстий в схемных платах для реализации вертикального соединения между токопроводящими дорожками на верхней и нижней стороне схемной платы.

Задачей настоящего изобретения является создание способов изготовления проводящих соединений и электродов в микроэлектронных компонентах, в частности в микроэлектронных приборах с большими поверхностями на гибких подложках, с помощью процессов, которые характеризуются широкомасштабным производством при низкой стоимости. В частности, задачей настоящего изобретения является создание способов изготовления многослойных физических приборов, например в форме большого количества соседних наложенных один на другой тонкопленочных слоев, образующих трехмерные структуры схем. Настоящее изобретение, таким образом, обеспечивает гибкость и экономичность, и в то же время простую и высокую точность производства таких устройств, как плоский дисплей, логические схемы, устройства памяти и т.п.

Также задачей настоящего изобретения является создание способа уничтожения таких трехмерных схемных структур, так чтобы материал в структурах преобразовывался обратно в начальное исходное состояние, после чего он посредством подходящего способа может быть реконфигурирован в форму электропроводящих и/или полупроводниковых трехмерных структур, но, например, с другой конфигурацией, отличной от первоначальной.

Вышеупомянутые признаки и преимущества реализованы согласно настоящему изобретению способом, в котором осуществляется приложение к отдельным слоям электрического поля с заданной напряженностью поля и/или характеристиками, соответствующими определенной реакции материала на энергию, подаваемую полем, модуляция в каждом случае поля по пространству в соответствии с определенным протоколом, представляющим предварительно определенную конфигурацию электропроводящих и/или полупроводниковых структур в рассматриваемой структуре материала, посредством чего в слоях в соответствии с приложенной полем энергией создаются двумерные электропроводящие и/или полупроводниковые структуры с конфигурацией, определенной протоколом, и затем дополнительное упорядочение двух или более слоев путем их укладывания друг на друга для получения составной матрицы, сформированной отдельными соседними слоями, с электропроводящими и/или полупроводниковыми трехмерными структурами.

Кроме того, в соответствии с изобретением выгодно то, что электрическое поле предпочтительно модулируется пространственно в плоскости, существенно параллельной слою, посредством электродного устройства со структурированными электродами, причем электродное устройство путем избирательной подачи напряжения на электроды согласно определенному протоколу генерирует электрические точечные или линейные потенциалы, которые формируют электропроводные и/или полупроводниковые структуры.

В соответствии с изобретением предпочтительным является то, что многослойная конфигурация образована двумя или более слоями после создания электропроводящей и/или полупроводниковой структуры в каждом слое, путем объединения в слоистые многослойные структуры, которые образуют составную матрицу с электропроводящими и/или полупроводниковыми трехмерными структурами.

В соответствии с изобретением также предпочтительным является позиционирование многослойной структуры, образованной сложением двух или более поддерживающих друг друга слоев, в сложенную конфигурацию. Слой после наложения на соседние слои затем предпочтительно располагается так, чтобы две или более двумерные электропроводящие и/или полупроводниковые структуры в первом упомянутом слое согласно протоколу совпадали с одной или более двумерными электропроводящими и/или полупроводниковыми структурами в соседних слоях, благодаря чему создаются один или более вертикальные электропроводящие и/или полупроводниковые каналы, проходящие в поперечном направлении через слои.

Кроме того, в соответствии с изобретением предпочтительным является то, что электропроводящая и/или полупроводниковая структура формирует вертикальный канал через слой согласно протоколу в электропроводящем и/или полупроводниковом соединении с одной или более двумерными электропроводящими и/или полупроводниковыми структурами в этом слое, причем каждый канал предпочтительно создается с проводимостью или режимом электропроводности, которые постоянны для разных слоев или с проводимостью, или режимом электропроводности, которые изменяются от слоя к слою.

Способ полного уничтожения сформированной структуры в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что осуществляется приложение глобальным образом к составной матрице электрического поля с заданной напряженностью поля и/или характеристиками, соответствующими конкретной реакции материала на энергию, обеспечиваемую полем до тех пор, пока материалы в составной матрице в соответствии с энергией, обеспечиваемой полем, полностью не достигнут электрически непроводящего состояния.

Генератор/модулятор электрического поля согласно настоящему изобретению отличается тем, что он содержит первое электродное средство с множеством параллельных полосовых электродов, размещенных в плоскости, второе электродное средство с множеством параллельных полосовых электродов, размещенных на расстоянии от первого электродного средства и наложенных на него во второй плоскости, параллельной первой плоскости, так, что электроды взаимно существенно ортогонально ориентированы в матрице подобной конфигурации, электродные средства посредством коммутирующих устройств соединяются с управляемым источником питания, причем генератор/модулятор электрического поля в пространстве между электродными средствами адаптирован для приема тонкопленочного материала в форме дискретного компонента или непрерывной ленты, которые без контакта с электродными средствами непрерывно или прерывисто подаются через пространство с одновременным позиционированием и выравниванием относительно электродных средств и между ними в плоскости, существенно параллельной им, благодаря чему могут быть сформированы электропроводящие и/или полупроводниковые структуры согласно определенному протоколу и посредством точечных, линейных или плоскостных потенциалов, создаваемых между выбранными электродами в электродных средствах, когда на первое из устройств коммутации подается электрическая энергия. Предпочтительно электроды в каждом электродном средстве размещены на поверхностях или в поверхностях соответствующих подложек, обращены друг к другу, и/или это соединение предпочтительно выполнено как часть подложек и образует проводящие структуры в материале подложки.

В соответствии с изобретением предпочтительно, что расстояние между электродными средствами может изменяться в зависимости от толщины тонкопленочного материала.

Также в соответствии с изобретением предпочтительно, что электроды в каждом электродном средстве размещены на расстоянии друг от друга от 0,1 до 1,0 мкм и что электроды в каждом электродном средстве формируются с существенно постоянной шириной от 0,1 до 1,0 мкм.

Изобретение поясняется ниже на примерах его осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее: фиг. 1 - полевой МПД-транзистор с электродами, сформированный из материала со свойствами фотоэлектрического преобразования согласно предшествующему уровню техники, фиг. 2а, b - схематичное представление в сечении и на виде сверху генератора/модулятора электрического поля (ГМЭП), соответствующего изобретению, и его использование на первом этапе способа формирования, соответствующего изобретению, фиг.2с, d - схематичное представление в сечении и на виде сверху ГМЭП по фиг. 2а, b, используемого на втором этапе способа формирования, соответствующего изобретению, фиг.2е, f - схематичное представление в сечении и на виде сверху ГМЭП по фиг. 2а, b, используемого на третьем этапе способа формирования, соответствующего изобретению, фиг. 3 - схематичная иллюстрация способа формирования, соответствующего изобретению, включающего сложение отдельных слоев в многослойную структуру, фиг. 4 - сечение многослойной структуры с проводящими и/или полупроводниковыми структурами, созданными на этапах, иллюстрируемых на фиг.2а-f, фиг. 5 - сечение сложенной многослойной структуры, которая содержит проводящие и/или полупроводниковые структуры, сформированные способом, соответствующим настоящему изобретению, фиг. 6 - сечение структуры диода, сформированной способом, соответствующим настоящему изобретению, фиг. 7 - сечение структуры полевого МОП-транзистора, сформированного способом, соответствующим настоящему изобретению,
фиг. 8 - сечение структуры логического инвертора на основе структуры МОП-транзистора по фиг.7, сформированного способом, соответствующим настоящему изобретению,
фиг. 9 - эквивалентная схема логической схемы И, реализованной по технологии КМОП,
фиг. 10а-d - вид сверху субслоев в структуре логической схемы И, сформированной способом, соответствующим изобретению, согласно эквивалентной схеме по фиг. 8 с использованием структур МОП-транзистора, как показано на фиг.7,
фиг. 11 - структура логической схемы И по фиг.10 в виде многослойной конфигурации, показанной с расчленением на отдельные субслои,
фиг.12 - другой вариант структуры логической схемы И по фиг.10 и с отдельными структурами МОП-транзистора, взаимно соединенными в вертикальной конфигурации.

Ниже описаны основные принципы способа согласно настоящему изобретению, с помощью которого трехмерные структуры с хорошо определенным режимом и степенью электрической проводимости формируются путем пространственно управляемого структурирования на месте в преобразуемых материалах (ПМ), которые характеризуются тем, что их электронные свойства преобразуются обратимым или необратимым образом под действием облучения, нагрева или электрических полей. Способ формирования таких структур в соответствии с настоящим изобретением основан на использовании электрических полей, либо полей постоянного тока, либо полей переменного тока. Сначала трехмерные электропроводящие и/или полупроводниковые структуры могут быть созданы в виде двухмерных структур этого типа путем непосредственного локального воздействия электрического поля на один слой, а затем трехмерная структура формируется путем объединения отдельных слоев в многослойную структуру. Обычно преобразуемый электрическим полем материал (ПЭПМ) является органическим материалом, например молекулой, олигомером или полимером, где фазовый переход из исходного первого состояния в новое второе состояние имеет место при воздействии электрического поля, например, заданной напряженности поля или с заданной частотой. Как указано ниже, предполагается, что наиболее важным изменением, происходящим при переходе из первого во второе состояние, является степень электропроводности. Способ формирования и уничтожения электропроводных и/или полупроводящих структур посредством электрических полей будет рассмотрен ниже со ссылками на чертежи.

Для полимеров, таких как полианилин, как показано в вышеупомянутой работе de Leeuw & аl., наблюдаемые соотношения проводимостей в двух состояниях достигают 10¹⁰. В данном случае это касается преобразования на месте одного слоя, преобразуемого под действием облучения материала из проводящего в непроводящее состояние для формирования электрических соединений в одной электронной схеме. Электрически проводящие соединения в легированных полианилиновых пленках (PANI пленках) определяются путем облучения глубоким УФ-облучением через маску шаблона.

Многослойный набор различных преобразуемых под действием электрического поля материалов может быть создан на подложке, которая может быть гибкой или жесткой, проводящей или непроводящей. Преобразуемые полем материалы делаются проводящими, полупроводящими или изоляционными в желаемых конфигурациях путем воздействия на несколько однослойных преобразуемых полем материалов пространственно управляемыми электрическими полями и с последующей комбинацией слоев в многослойный набор. Многослойные наборы преобразуемых полем материалов представляют особый интерес в связи с многослойными тонкопленочными схемами, где требуется создавать электропроводящие линии, токопроводящие дорожки, соединительные точки или электроды в нескольких слоях так, чтобы проводящие структуры в одном слое имели точно управляемое пространственное соотношение с проводящими структурами в слоях, которые расположены выше или ниже. Одним из примеров являются тонкопленочные полевые транзисторы (ТППТ), в которых электроды истока и стока в слое должны быть расположены правильно относительно электрода затвора и находящихся между ними изоляционных и полупроводниковых слоев. Другой пример - это электрические соединения между слоями, где традиционные решения во многих случаях являются неудовлетворительными, например, путем реализации нескольких этапов, таких как формирование открытых каналов или сквозных межсоединений между подходящими точками, которые затем будут электрически соединены в различных слоях, и с соответствующим заполнением или покрытием каналов проводящим материалом так, как это происходит при использовании сквозных металлизированных отверстий в схемных платах для получения соединения с передней к задней стороне схемной платы. Третий пример - это изготовление конденсаторов путем определения проводящих областей, которые взаимно выровнены напротив друг друга в двух слоях, разделенных изоляционным слоем. Очевидно, что не только хорошо проводящие, но и изоляционные резистивные и полупроводниковые конфигурации в многослойных структурах имеют большое значение. Как будет объяснено более подробно ниже, структуры этого типа могут быть созданы путем использования способа формирования электропроводных и/или полупроводниковых структур или конфигураций согласно настоящему изобретению. Для ясности вначале определены конфигурации и трехмерные структуры, которые являются очень хорошими или очень плохими электрическими проводниками.

Многослойные структуры, такие как описанные здесь, представляют особый интерес, когда они интегрированы с тонкопленочными полупроводниками для формирования полных схем. Стандартные процедуры, используемые в настоящее время для производства микроэлектронных схем, которые используют полупроводниковые свойства обычной кремниевой подложки, автоматически ограничивают реализуемые архитектуры таким их видом, который обеспечивает доступ к подложке для всех активных приборов. Если для создания электропроводящих и/или полупроводниковых трехмерных структур используется способ, соответствующий настоящему изобретению, посредством преобразуемых наложенных друг на друга одиночных слоев, устройства в целом могут быть созданы таким образом без каких-либо существенных ограничений по размеру или сложности, поскольку увеличение происходит просто путем присоединения к набору дополнительных слоев. Поскольку каждый слой может быть сделан тонким, например с размером порядка 10-100 нм, результирующая объемная плотность для структур схем и, следовательно, весовые или объемные характеристики блока могут быть очень высокими. Кроме того, может быть реализована гибридная архитектура с использованием слоев, которые включают преобразуемые полем электронные структуры, которые сформированы поверх традиционных электронных схем на основе кремния и функционируют совместно с ними.

Основной задачей настоящего изобретения является создание электропроводящих, полупроводниковых и/или резистивных трехмерных структур в многослойном материале в монолитном формате с использованием электрических полей в форме точечных, линейных или поверхностных потенциалов. Осуществление заявленного способа формирования с использованием электрического поля описано ниже со ссылками на фиг.2а-f.

Фиг.2а показывает сечение генератора/модулятора электрического поля, выполненного согласно изобретению, функционирующего как устройство электрического структурирования для преобразуемых электрическим полем материалов. Генератор/модулятор электрического поля выполнен так, что он генерирует поле, и кроме того, модулирует эти поля пространственно, т.е. в плоскости или в двух измерениях, и создает электропроводящие и/или полупроводниковые структуры с желаемой конфигурацией в этой плоскости. Генератор/модулятор электрического поля (ГМЭП) 20 содержит, как показано на фиг.2а в сечении и на фиг. 2b на виде сверху, первое электродное средство Е1, состоящее из тонких параллельных электродов 21, и другого электродного средства Е2, находящегося в удалении от электродного средства Е1 в плоскости, параллельной ему. Электродное средство Е2 аналогичным образом состоит из тонких параллельных электродов 22, установленных так, что они ориентированы существенно ортогонально к электродам 21 в электродном средстве Е1. Электродные средства E1, E2 соединены с источником питания 23, показанным в виде источника постоянного тока, но источник питания 23 может также быть источником переменного тока. Источник питания 23 соединен с электродом 21, 22 в электродных средствах E1, E2 через соответствующие устройства коммутации 25, 24. Расстояние между электродными средствами E1, E2 позволяют вводить тонкую пленку преобразуемого электрическим полем материала (ПЭПМ), обозначенного на фиг.2а как SS1, между электродными средствами E1, E2 без контакта с ними. Электродные средства E1, E2 могут быть выполнены как самоподдерживающиеся или поддерживаемые тонкие пленки, в которых электроды 21, 22 в каждом случае введены в пленочный материал. Ясно также, что слой SS1 преобразуемого полем материала может быть непрерывной лентой, которая вставляется в ПЭПМ 20 между электродными средствами E1, E2 при существенно непрерывном перемещении. Путем приложения напряжения, например, к электроду 21 в электродном средстве Е1 и к электроду 22 в электродном средстве E2 формируется электрическое поле, перпендикулярное слою SS1 в пересечении между электродами 21 и 22, и преобразуемый полем материал SS1 может быть преобразован из непроводящего состояния в проводящее состояние в областях, на которое воздействует поле между электродами 21, 22. Если электрод 21 и другой электрод 22 адресуются электрическим образом, то в пересечении между ними формируется приблизительно точечный потенциал. Если, например, адресованы электрод 21 в электродном средстве Е1 и все электроды 22 в электродном средстве E2, поле получается существенно в форме линейного потенциала вдоль рассматриваемого электрода 21, и соответственно будет создана линейная, например, электропроводящая структура в слое SS1, которая расположена между электродными средствами Е1, E2. Если адресованы несколько электродов 21, которые расположены рядом друг с другом в электродном средстве Е1, и соответственно множество электродов 22, которые расположены рядом друг с другом в электродном средстве E2, то поле, которое будет создано между пересечениями электродов, будет формировать поверхностный потенциал и обеспечит формирование поверхностной структуры в слое SS1. На фиг. 2а, 2b такие электропроводные структуры созданы, например, в виде поверхностных структур, но следует иметь в виду, что они могут быть также созданы в виде точечных или линейных структур, в зависимости от того, как формируется электрическое поле.

Фиг.2с и 2d показывают соответственно в сечении и виде сверху, как используется ГМЭП 20 для формирования, например, электропроводящих структур 9 во втором слое путем соответствующей адресации электродных средств E1, E2 в ГМЭП 20. Соответственно, на фиг.2е, f в сечении и на виде сверху показан ГМЭП 20 с третьим слоем SS3, который структурирован с полупроводниковыми структурами 10. Как показано на фиг.2a-f, структурирование преобразуемого полем материала имеет место для каждого отдельного слоя SS1, SS2, SS3, но эти слои могут, как упомянуто выше, быть представлены в форме самоподдерживающихся отдельных пленок из ПЭПМ и упорядочены в многослойный набор, как схематично показано на фиг.3. Производство схем, образованных электропроводящими и/или полупроводниковыми структурами в ПЭПМ, может осуществляться с использованием лент из ПЭПМ в непрерывных линиях, как показано на чертеже. Соответствующие ленты или пленки показаны на фиг.3 как три пленки ПЭПМ1, ПЭПМ2, ПЭПМ3. Они преобразуются электрическим полем с образованием требуемой пространственной структуры в отдельном ГМЭП 20 для каждой из линий. Затем следует сборка в многослойную структуру МСС, например, путем склеивания или термоламинирования. Многослойная структура МСС может быть сформирована на подложке, которая не подвергается воздействию электрического поля, но вводится в многослойную структуру на том же этапе изготовления. В каждом случае получается гибкая лента МСС, которая может быть либо сложена, либо свернута, либо разрезана на сегменты, например, для получения отдельных схем. На фиг.3 преобразуемый полем материал в форме трех лент или пленок ПЭПМ1, ПЭПМ2, ПЭПМ3 вытягивается с соответствующих роликов R_a и направляется по отдельным линиям выравнивающими роликами _b1, R_b2, R_b3, R_b4 в каждой линии для натяжения и позиционирования лент в ГМЭП 20. Полученные структурированные пленки ПЭПМ1, ПЭПМ2, ПЭПМ3 подаются через набор направляющих роликов R_c и возможно после дополнительной регулировки положения проходят этап наложения Р_d и складываются в многослойную структуру МСС. Эта многослойная структура может, как это упоминалось, включать подложку 1, которая протягивается с дополнительного ролика _а в отдельной линии и складывается вместе с материалом преобразуемой пленки ПЭПМ на этапе наложения R_d. Для трех слоев, которые складываются вместе таким образом и преобразуются, как показано на 2a-f, затем, как схематично показано в сечении на фиг.4, может быть получена структура схемы на подложке 1. Проводящие структуры 9 и полупроводниковые структуры 10 контактируют друг с другом по вертикали или проходят горизонтально в каждом из слоев SS1, SS2, SS3, как показано, и вместе формируют трехмерные структуры в требуемой конфигурации.

Электродные средства E1, E2 в генераторе/модуляторе электрического поля (ГМЭП 20), например, показанные на фиг.2а и фиг.2b, могут быть сформированы в подложках или на подложках из непроводящего материала, и электроды 21, 22 могут затем быть созданы на противоположных поверхностях подложек или введены в подложки. Они могут также формировать
проводящие структуры в самом материале подложки. Ширина электрода и взаимное расстояние между электродами 21, 22 в каждом электродном средстве E1, E2 будет определяться с учетом пространственной разрешающей способности при структурировании проводящих и/или полупроводниковых структур и технологически достижимых дорожек. В соответствии с современной полупроводниковой технологией электроды 21, 22 могут быть реализованы с шириной от 0,1 до 1,0 мкм и соответствующими взаимными расстояниями. Современная технология позволяет реализовать ширину электродов, например, в тонких пленках, созданных на подложках, порядка 0,1 мкм или меньше с помощью методов нанотехнологии, например методом печати, или химическими методами. Схемные конфигурации, реализуемые посредством ГМЭП 20 в соответствии с настоящим изобретением, будут по меньшей мере совместимы по размеру с теми, которые оптимально могут быть реализованы с использованием, например, микролитографии в технологии схем на основе кремния. В зависимости от толщины материала тонкой пленки, в котором должны быть созданы проводящие и/или полупроводниковые структуры, т.е. схемные конфигурации, расстоянием между электродными средствами E1, E2 можно управлять для обеспечения оптимального определения потенциалов между электродами. Управление может осуществляться через микромеханическое средство сервоуправления (не показано), как известно специалистам в данной области техники. При создании схемных структур пространство между электродами может быть, кроме того, заполнено изолирующим газом с высокой диэлектрической прочностью, чтобы предотвратить пробой между электродами.

Как было продемонстрировано при использовании материалов, с которыми возможно реализовать индуцированное полем преобразование, последнее может быть выполнено с высокой степенью воспроизводимости при точно определенной напряженности поля. Обычно напряженность поля, необходимая для осуществления преобразования, будет порядка 5000000 В/м, создавая разность потенциалов на электродных средствах E1, E2 порядка 3-6 вольт для толщины пленок в диапазоне 200-300 нм и зазора между электродными средствами E1, E2, достаточно большого для ввода пленок такой толщины. Следует также отметить, что электрическое поле прикладывается по существу в направлении, перпендикулярном тонкой пленке, хотя в принципе оно может быть приложено в других направлениях. Первый вариант считается предпочтительным с точки зрения требуемой точности в пространственной разрешающей способности, а также получения точно определенной напряженности поля.

Источник питания 23 в ГМЭП 20, например, как показано на фиг.2а и 2b, может представлять собой либо источник постоянного тока, либо источник переменного тока. Предпочтительно он выполняется в виде управляемого источника питания и обеспечивает подачу на электродные средства E1, E2 тока с разными режимами и характеристиками. С этой целью источник питания 23 и средства 24, 25 коммутации соединены с внешним устройством управления (не показано), которое может быть запрограммировано соответствующим образом для получения требуемой схемной структуры и соответствующего управления формированием требуемых электропроводящих и/или полупроводниковых структур в слоистом материале или материале тонкой пленки между электродными средствами E1, E2. Протоколы и требуемое программное обеспечение могут быть загружены в устройство управления (не показано) из любого внешнего источника и, таким образом, нет ничего, что бы препятствовало производству схем с использованием ГМЭП 20, управляемого дистанционным образом.

Ниже более подробно рассматриваются преобразуемые электрическим полем материалы, которые могут быть использованы в способе, соответствующем настоящему изобретению, а также технология, которая может быть использована при осуществлении упомянутого способа. Основной принцип преобразования полем на месте материалов состоит в создании проводящих и/или полупроводниковых структур посредством пространственно модулированных и/или модулированных по напряженности поля электрических полей. Само преобразование может, кроме того, быть обратимым или необратимым. Конкретные примеры этого будут даны ниже. Следует отметить, что ПЭПМ в настоящее время находятся на ранней ступени развития, и ожидается, что предстоящие исследования и разработки в этой области значительно увеличат количество доступных материалов.

В настоящем изобретении особенно предпочтительно использование ПЭПМ, которые под воздействием электрического поля сохраняют свое состояние до тех пор, пока они снова не будут подвергнуты воздействию такого поля, которое переводит материал обратно в первоначальное состояние. Это, в числе прочего, имеет место в различных органических макромолекулах и других материалах, которые известны как молекулярные электронные материалы (см., например, "A new material for optical, electrical and electronic thin film memories", Z. Y. Hua & G. R. Chen, Vacuum, том 43, 11: 1019-1023, 1992). Этот материал является органометаллическим комплексным соединением с переносом заряда (M(TCNQ)), образованным 7,7,8,8-тетрацианохинодиметаном C₁₂H₄N₄ который функционирует как молекула акцептора электронов с различными металлами в качестве обогащенных электронами доноров. В числе металлов могут быть Li, Na, К, Аg, Сu или Fe. M(TCNQ) может при приложении электрических полей, а также при подаче энергии в форме тепла или светового излучения, переходить из состояния высокого импеданса в состояние низкого импеданса. В общем виде реакция может быть записана следующим образом:
[M⁺(TCNQ)^-]_n←_ε^hv,E_→M_x+(TCNQ)_x+[M⁺(TCNQ)^-]_n-x.
Процесс обратим, поскольку обратная реакция может быть получена подачей энергии ε в форме тепла, электрических полей или фотонного облучения. Обратимая реакция приводит к тому, что M(TCNQ) может быть использован для создания коммутирующей среды с двумя устойчивыми состояниями, например материала стираемой памяти. В способе, соответствующем настоящему изобретению, используются только электрические поля, но не облучение. В тонких слоях, например 100-200 нм, M(TCNQ) имеет нелинейную вольтамперную характеристику, примерно такую, которая может быть использована для реализации устройств памяти типа ПЗУ или ОЗУ. Для этой цели особый интерес представляет то, что M(TCNQ) обеспечивает устойчивое и воспроизводимое управляемое током электрическое переключение с двумя устойчивыми состояниями. В электрически адресуемой памяти, например, состояние высокого импеданса может быть использовано для представления двоичной "1", а состояние низкого импеданса - двоичного "0". Время перехода между двумя такими состояниями меньше, чем 400 нс. Дополнительные примеры подходящих материалов описаны в работе W.Xu & al., "Two new all-organic complexes with electrical bistable states", Appl. Phys. Lett. 67:2241-2242 (1995). Упомянутые материалы бистабильны и имеют четко определенные границы преобразования из проводящего состояния в непроводящее состояние и наоборот, с использованием электрических полей.

В определенных преобразуемых полем материалах, включая TCNQ, преобразование из непроводящего состояния в проводящее состояние может также происходить под воздействием энергии в форме тепла. Поскольку преобразуемый полем материал в основном является диэлектриком или имеет большое сопротивление, электрическое поле переменного тока, которое с помощью электродов прикладывается с подходящей частотой к материалу, может выделять тепло в области потенциала, и затем в этой области может происходить нагревание с последующим преобразованием материала из непроводящего в проводящее состояние. Источник питания тогда должен действовать как источник переменного тока, и тепловое преобразование должно рассматриваться как вторичный эффект, обусловленный электрическим полем. Чтобы получить хорошее пространственное определение изготовленных электропроводящих и/или полупроводниковых структур, тепловое поле, создаваемое полем переменного тока в материале, должно быть точно управляемым. Тепловое поле может распространяться в материале и вызывать повышение температуры, которое может влиять на электрические свойства материала вне области потенциала, которая в идеальном случае должна определять пространственный участок создаваемой структуры. Если преобразуемый полем материал рассматривается как бесконечный тонкий слой, повышение температуры будет ощущаться, например, на расстоянии от точечного потенциала, который совпадает с точкой пересечения активированных электродов, с длиной тепловой диффузии, определяемой по формуле
μ = (k/πfρc)^1/2, (1)
где k - тeплoпpoвoднocть;
f= 1/τ - характеристическая частота, которая примерно равна обратному значению длительности импульса τ;
ρ - плотность материала;
с - удельная теплоемкость материала.

Из уравнения (1) следует, что для того чтобы уменьшить тепловую диффузию и получить четкое пространственное определение желаемых электропроводящих и/или полупроводниковых структур, должен быть использован импульс переменного тока, который обеспечивает высокую напряженность поля и быстрый подъем температуры в области потенциала с последующим быстрым преобразованием материала, преобразуемого электрическим полем. Это может быть достигнуто путем комбинирования высокой напряженности поля с высокой частотой поля и с использованием преобразуемых полем материалов в форме тонких пленок с толщиной в 100 нм. Предполагается, что нежелаемой тепловой диффузии можно эффективно избежать путем использования импульсов переменного тока не более нескольких микросекунд. В этой связи характеристики поля также должны быть настроены до требуемой степени проводимости в областях потенциала, что теоретически определяет создаваемые проводящие и/или полупроводниковые структуры.

Электрические соединения между разными слоями в тонкопленочных материалах или других типах электронных материалов представляют собой главную проблему при производстве микроэлектронных компонентов. Точное позиционирование проводящих дорожек в плоскости каждого слоя и в перпендикулярном направлении к плоскостям имеет первостепенное значение и обычно включает формирование сквозных межсоединений или отверстий, которые могут быть заполнены проводящим материалом, чтобы создать соединения, перпендикулярные слоям. Физическое изготовление отверстий согласно известной технологии происходит посредством сверления, перфорации или травления, а проводящий материал добавляется механическим заполнением, электролитическим осаждением и т.п. Ясно, что процессы такого типа достаточно сложны и дорогостоящи и, кроме того, имеют ограничения по точности.

В настоящем изобретении соединения, так же как активные и пассивные приборы, могут быть созданы в той же последовательности обработки, которая определяет электропроводящие и/или полупроводниковые структуры в каждом слое, т. е. с той же степенью пространственной точности, как сами структуры, и без использования дополнительных и других этапов производства. Фиг.5 показывает основной принцип для частного случая, создание одной проводящей дорожки 9 между частью, например, проводящей структуры в слое SS5 и частью другой проводящей структуры 9 в слое SS8, удаленном от первого. Путем повторного преобразования малой площади в одном и том же местоположении каждого из нескольких соседних слоев между конечными точками проводящих и/или полупроводниковых структур, формируется столбик 9' из проводящего материала, как показано на фиг. 5, и электропроводность, получаемая поэтапно от начального слоя SS5, который содержит первую проводящую структуру, до конечного слоя SS8, который содержит вторую проводящую структуру. Поперечное сечение столбика 9' может быть определено произвольно посредством выбранного шаблона электрического поля. Несколько параллельных проводящих столбиков может быть создано путем непосредственного распространения этой процедуры, и столбики могут начинаться и заканчиваться в разных слоях, как это ясно из фиг.5. В данном слое, в который входит проводящая структура 9 в соединении с одним или более проводящими столбиками вертикальных проводящих структур 9', последняя должна изготавливаться совместно с другими проводящими 9 и/или полупроводниковыми структурами 10, которые структурированы в этом слое, например SS6 на фиг.5, т.е. без необходимости осуществления других или отличающихся этапов обработки. Обычно, степенью преобразования из непроводящего в проводящее состояние или наоборот можно управлять с помощью напряженности поля и/или его временных характеристик и, возможно, длительностью поля. Таким образом, столбик, который соединяет точки в двух разных слоях, может быть сформирован так, что он функционирует как резистор в схеме, путем выбора степени проводимости в сегментах от слоя к слою вдоль столбика.

Способ разрушения электропроводящих и/или полупроводниковых трехмерных структур также входит в объем настоящего изобретения.

В принципе, электропроводящие и/или полупроводниковые структуры в отдельных слоях могут быть разрушены избирательно с использованием ГМЭП 20, как показано на любой из фиг.2а-f, и подходящей спектральной модуляции. После соединения отдельных слоев в многослойную структуру МСС разрушение может быть выполнено только глобально в многослойной структуре, в случае, если матрица в целом подвергается воздействию электрического поля с данной напряженностью поля и/или характеристиками, и, возможно, соответствующего конкретной реакции материала на энергию, создаваемую полем. Материалы в матрице затем могут быть заново преобразованы, пока матрица полностью не перейдет в электрически непроводящее состояние, если, например, она выполнена из материала, такого как M(TCNQ). Многослойная структура или матрица из материала M(TCNQ) может после этого быть реконфигурирована для получения новой электропроводящей и/или полупроводниковой структуры, но в настоящее время это невозможно с использованием электрических полей. Однако может быть использован способ формирования, описанный в совместно поданной международной заявке PCT/NО 99/00023 того же заявителя.

Поскольку способ формирования согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность того, что подходящие материалы могут быть преобразованы из изолирующего в полупроводниковое состояние или наоборот с помощью электрических полей прямо или косвенно (например, в последнем случае путем одновременного местного нагрева), этот способ можно применить в производстве, например, диодов и транзисторов, которые могут быть электрически соединены с сопротивлениями и конденсаторами для образования полных активных электронных схем. Более конкретные примеры активных компонентов и схем, выполненных из этих элементов, описаны на следующих примерах.

ПРИМЕР 1
На фиг.6 показан диод с прямосмещенным Р-И переходом с проводящими и/или полупроводниковыми структурами, сформированными способом согласно изобретению, и реализованный по тонкопленочной технологии с четырьмя субслоями SS1-SS4. Слои SS2 и SS3 содержат активный полупроводниковый материал между электродами 11 в соответствующих субслоях SS1 и SS4. Активный материал 10 в субслое SS2 представляет собой легированный донорной примесью полупроводник, в то время как соседний активный материал 10' в субслое SS3 представляет собой легированный акцепторной примесью полупроводник. Электроды 11 в слоях SS1 и SS4 контактируют с горизонтальными электропроводящими структурами или проводящими дорожками 9 в том же слое. Отдельный слой в структуре диода на фиг. 6 обычно имеет толщину примерно 100 нм, так что вся структура образует многослойную структуру с толщиной меньше, чем 1 мкм. Горизонтальная протяженность области структуры диода будет определяться пространственной разрешающей способностью, которая реализована с использованием ГМЭП, но с электродными средствами E1, E2, как показано на фиг.2а-f, можно сформировать электроды 21, 22 с шагами порядка величины 0,2-1,0 мкм обычными способами литографии или путем использования преобразуемых облучением материалов и способа, описанного в вышеупомянутой международной заявке PCT/NO 99/00023. Кроме того, специальные способы печати или использование способов нанотехнологии и химических способов позволяют реализовать электродные структуры с размерами, меньшими на порядок величины. Можно предположить, что при доступных технологиях для изготовления электродных средств можно пространственно модулировать точечные и линейные потенциалы по двум измерениям до наименьшей протяженности 0,1 мкм.

ПРИМЕР 2
Полевой МОП-транзистор
Фиг. 7 схематично показывает полевой МОП-транзистор для использования в настоящем изобретении и реализованный целиком из органического материала по тонкопленочной технологии. Электрод затвора 12 обеспечен в субслое SS1 и соединен с горизонтальной проводящей структурой 9, в то время как субслой SS2 составляет изолятор затвора 13. Активный полупроводниковый материал 10 обеспечен в субслое SS3 и совмещен с электродом затвора 10. Электроды истока и стока 14 выполнены в следующем верхнем слое SS 4 и соединяются горизонтальными электропроводящими структурами 9 в том же слое. Каждый из слоев содержит или электропроводящие и/или полупроводниковые структуры так же, как диэлектрические области. Толщина полевого МОП-транзистора такого типа может составлять 1/2 мкм, в то время как протяженность в горизонтальной плоскости, реализуемая по современной технологии, будет составлять от нескольких мкм до менее 1 мкм (см. пример 1).

ПРИМЕР 3
Логический КМОП-инвертор
Структура полевого МОП-транзистора, показанная на фиг.7, может быть использована в логических схемах, например в логическом инверторе, выполненном по КМОП-технологии, как показано на фиг.8. Инвертор этого вида формируется путем параллельного соединения электродов стока и истока в соответственно n-полевом МОП-транзисторе и р-полевом МОП-транзисторе в каскадно соединенной конфигурации с общим электродом затвора. Для этого формируется вертикальная проводящая структура 15, проходящая через все субслои SS1-SS7 и соединяющая электроды 14'. Выходной сигнал от инвертора подается на эту проводящую структуру 15 к горизонтальной соединительной структуре 9, как показано в левой части чертежа. Общий электрод затвора 12 полевого МОП-транзистора принимает входной сигнал через горизонтальную проводящую структуру 9 в субслое SS4, как показано в правой части чертежа. Толщина всех субслоев меньше, чем 1 мкм, например около 0,7 мкм, в то время как горизонтальная протяженность инвертора имеет те же размеры, как указано выше при рассмотрении структуры полевого МОП-транзистора на фиг.7.

ПРИМЕР 4
КМОП логическая схема И
Активные компоненты, такие как структуры полевого МОП-транзистора, показанного на фиг.7, могут быть использованы для формирования интегральных схем путем наложения субслоев со структурами, которые имеют требуемые электрические свойства и реализованы полностью по органической тонкопленочной технологии. В частности, следующий пример относится к логической схеме И, реализованной по КМОП-технологии с использованием структуры транзистора, как показано на фиг. 7. Для пояснения того, как активные приборы, такие как полевые транзисторы, могут быть объединены в многослойных структурах в функциональные приборы, как, например, логические схемы, ссылка будет дана на фиг. 9, где показана логическая схема И, реализованная в комплементарной МОП-технологии (КМОП-технологии). КМОП логическая схема И реализована с помощью n-полевых МОП-транзисторов и р-полевых МОП-транзисторов обогащенного типа в качестве переключающих приборов. Два входных сигнала А и В подаются соответственно на электроды затвора р-МОП транзисторов Q₁ и Q₂, на электроды затвора n-МОП транзисторов Q₃ и Q₄. Если оба входные сигнала А и В имеют высокий уровень, выходной сигнал будет иметь низкий уровень. В этом случае транзисторы Q₃ и Q₄ будут включены, а р-МОП транзисторы Q₁ и Q₂ будут выключены, т.е. ток не протекает, и выходной сигнал поэтому будет низким. Если наоборот, какой-либо из входных сигналов А или В низкий, или оба сигнала низкие, соответственно р-МОП транзисторы Q₁ и Q₂ будут включены, и выходной сигнал становится высоким, в то время как какой-либо или оба из последовательно соединенных р-МОП транзисторов Q₃, Q₄ выключены, и ток не протекает. Приборы Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ реализуют логическую схему НЕ-И, а для реализации логической схемы И необходимо соединить выход логической схемы НЕ-И с логическим инвертором, который также реализован по КМОП-технологии, соответственно с использованием р-МОП ключа Q₂ и n-МОП ключа Q₆, соединенных параллельно. Это стандартный КМОП-инвертор, и если его входной сигнал имеет высокий уровень, то его выходной сигнал Х будет инвертированным сигналом входного сигнала и поэтому иметь низкий уровень. Наоборот, низкий входной сигнал будет инвертирован в высокий выходной сигнал Х, и это соответствует случаю, когда входные сигналы А и В логической схемы НЕ-И оба имеют высокий уровень. Другими словами, ясно, что схема, показанная на фиг.9, реализует логическую схему И, и специалистам в данной области техники ясно, каким образом могут быть реализованы логические схемы ИЛИ и НЕ-ИЛИ с любым количеством входов. Однако в принципе все Булевы функции могут быть реализованы в комбинациях одного типа логической схемы и одного или более инверторов, реализованных по КМОП-технологии, например с использованием структуры транзистора, как показанная на фиг.7.

Чисто практически логическая схема И может быть выполнена по тонкопленочной технологии, как показано на фиг.10а-10d с использованием структур полевых МОП-транзисторов, соответствующих показанной на фиг.7. Фиг.10a-10d показывают логическую схему И, реализованную по тонкопленочной технологии и с активными и пассивными приборами, обеспеченными в четырех субслоях SS1, SS3-SS5. Первый субслой SS1 (фиг.10а) содержит электроды затвора g₁-g₆, где нижний индекс указывает на соответствующий индекс для полевого МОП-транзистора Q₁-Q₆ на фиг. 9. Входные сигналы А и В подаются соответственно на электроды затворов g₁, g₃ и g₂, g₄, и через горизонтальные проводящие структуры или токопроводящие дорожки 9. Соответственно электроды затворов ₅, g₆ в инверторе соединены с горизонтальной токовой дорожкой 9. Вертикальная токопроводящая структура обозначена 15, причем символ Δ показывает, что она распространяется вверх в вертикальном направлении от субслоя SS1. На фиг.10b символы Δ и ▿ показывают, что вертикальная проводящая структура 15 в слое SS3 распространяется вертикально через этот слой и в обе стороны от него. Слой SS3 содержит области с активными полупроводниковыми материалами b₁-b₆ (соответственно 10 на фиг. 7), которые соответствуют электродам затворов g₁-g₆ в слое SS1 и совпадают с ними. Следует заметить, что слой SS2 исключительно, кроме вертикальной проводящей структуры 15, распространяющейся через этот субслой в обе стороны от него, состоит из диэлектрического материала, который образует общий изолятор затвора для полевых МОП-транзисторов Q₁-Q₆, реализующих логическую схему И. Слой SS2 расположен между SS1 и SS3 (не показан). Слой SS4 на фиг.10с нанесен поверх и рядом со слоем SS3 и содержит соответственно электроды истоков s₁-s₆ и электроды стоков d₁-d₆ для соответствующих полевых МОП-транзисторов Q₁-Q₆. Активный полупроводниковый материал d₁-d₆, который расположен в слое SS3, показан здесь линиями штриховки. Вертикальная токопроводящая дорожка 15 также распространяется через слой SS4 и в обе стороны от него и контактирует с горизонтальной токопроводящей дорожкой 9 в субслое SS5, как показано на фиг.10d. Эта горизонтальная токопроводящая дорожка соответствует соединению между электродами стоков d₂ и d₃ для соответствующих полевых МОП-транзисторов Q₂, Q₃ и дополнительно также соединена с электродом стока d₁ на Q₁. Другая горизонтальная токопроводящая дорожка 9 реализует последовательное соединение между электродом истока s₃ на Q_з и электродом стока d₄ на Q₄. Электроды истоков s₄ и s₆ заземлены через дополнительные горизонтальные проводящие структуры 9, в то время как на горизонтальную проводящую структуру 9, самую дальнюю вправо в слое SS5, подается напряжение V_dd, и она соединяет электроды истока s₁, s₂, s₅ соответственно с Q₁, Q₂ и Q₅. Дополнительная горизонтальная токовая дорожка 9, самая верхняя на фиг.10а, формирует параллельное соединение между электродами стоков d₅, d₆ на Q₅, Q₆ и линией выхода, обозначенной X. Выходной сигнал от логической схемы НЕ-И, состоящей из Q₁, Q₂, Q₃, Q₄, подается на вертикальную токовую дорожку 15. Фиг.11 схематически показывает, как выглядят слои по фиг.10 в сложенной конфигурации, причем здесь показан слой SS2 с изолятором затвора. Для ясности, однако, набор показан с разнесением элементов в его отдельных субслоях SS1-SS5, но с совпадением положения вертикальной токопроводящей дорожки 15 в каждом субслое, что показано штриховой линией. Со слоем электрода затвора SS1-SS5, формируемом на лежащем в основании диэлектрическом слое (не показан) полная структура логической схемы И, как показано на фиг.11, может иметь толщину 0,75 мкм и площадь примерно 100 мкм² (12•8 мкм²). Объем структуры, следовательно, будет равен около 75 мкм³. При умеренной пространственной разрешающей способности это соответствует тому, что около 10000 логических схем этого вида могут быть реализованы на площади в 1 мм² и с толщиной значительно меньшей 1 мкм. При соответствующем масштабе длина токовых дорожек 9, 15 вместе составляет 60 мкм.

ПРИМЕР 5
Логическая схема И с совмещенным по вертикали КМОП-схемами
Уменьшение длины токовых дорожек и значительное упрощение структуры логической схемы И может быть достигнуто путем наложения структур полевого МОП-транзистора по вертикали, как показано на фиг.12, где использованы те же ссылочные позиции, что и на фиг.10 и 11. Видно, что вертикальная структура логической схемы И использует тот факт, что электроды затворов g₁ и g₃ транзисторов Q₁, Q₃ находятся под одним и тем же общим потенциалом, электроды затворов g₂ и g₄ в Q₂, Q₄ под другим общим потенциалом, и электроды затворов g₅ и g₆ в Q₅, Q₆ под третьим общим потенциалом. Поэтому транзисторы Q₁-Q₆ выполнены как КМОП-схемы в парной каскадной конфигурации с использованием общих электродов затворов g₁, g₃; g₂, g₄; g₅, g₆ для соответствующих структур полевых МОП транзисторов Q₁, Q₃; Q₂, Q₄; Q₅, Q₆. Каждая КМОП-схема сформирована на изолирующем слое, который на фиг.12 расположен ниже Q₃, между Q₁ и Q₄ и между Q₂ и Q₅ в каждой из структур полевого МОП-транзистора. Электроды затворов g также изолированы от материала активного полупроводника b с помощью неявно обозначенных изолирующих слоев, которые содержат соответствующие изоляторы затворов. Горизонтальные токопроводящие дорожки на фиг. 10 и 11 по существу заменены вертикальными токопроводящими дорожками, которые проходят через слои и обеспечивают такое же соединение, как показанное на эквивалентной схеме на фиг.9. В частности, показана токопроводящая дорожка 15, которая также реализована по вертикали в конфигурации на фиг.10 и, как будет видно, вновь соединяет электроды затворов g₅, g₆ на Q₅, Q₆ с соединением между электродами стоков d₂, d₃ на Q₂, Q₃ и электродом стока d₁ на Q₁.

Вертикальная структура логической схемы И на фиг.12, включающая подложку 1, создана из 24 субслоев, из которых 6 относительно толстых изолирующих слоев образуют изоляторы затворов, а три соответствующих толстых изолирующих слоя взаимно изолируют парные комбинации структур полевых МОП-транзисторов. При тех же размерах, что и показанные для фиг.11, вся многослойная конфигурация на фиг.12 будет иметь толщину около 3 мкм и площадь 16 мкм². Общий объем, таким образом, менее 50 мкм³, т.е. уменьшение объема составит 1/3 относительно конфигурации на фиг.11. Наиболее важно, однако, что токопроводящие дорожки, которые в структуре по фиг.11 будут иметь длину 52 мкм, в структуре по фиг.12 могут быть близки к 15 мкм в оптимальном осуществлении, что дает уменьшение примерно в 70%. В связи с этим, в частности, следует принять во внимание, что фиг.12 иллюстрирует схематичное представление и что вертикальные токопроводящие дорожки взаимно смещены в горизонтальной плоскости, чтобы они выглядели более четко. Они могут, однако, лежать в той же плоскости, параллельной одной из боковых поверхностей структуры.

В рамках современной тонкопленочной технологии с использованием технологии, как описано выше, для создания электропроводящих и/или полупроводниковых структур в тонких пленках путем облучения преобразуемых органических материалов вполне возможно уменьшить линейные размеры в горизонтальном направлении, так что плотность компонентов может быть увеличена, по меньшей мере, на один порядок по величине. Это приводит к тому, что конфигурация по фиг.11 может реализовать около 10⁵ логических схем показанного типа на площади 1 мм² и при толщине слоя значительно меньше 1 мкм, в то время как конфигурация по фиг. 12 может реализовать около 6•10⁵ логических схем на той же площади с несколько лучшим коэффициентом формы, так что увеличение плотности приборов достигает 33% относительно плотности приборов в конфигурации по фиг.11.

Обработка отдельных слоев, т. е. формирование электропроводящих и/или полупроводниковых структур, может производиться после преобразования посредством электрических полей и, как показано на фиг.2а-f и фиг.3, включает возможную пост-обработку и корректировки, например термообработку перед объединением отдельных слоев в многослойную структуру для образования многослойной схемной конфигурации.

Например, термообработка отдельных слоев после преобразования может быть выполнена для управления проводящими и/или полупроводниковыми свойствами, например преобразование мономера в олигомер или полимер, легирование, кристаллизация и т.п. Такие процессы хорошо известны и имеют широкое применение, и поэтому конкретные примеры здесь не рассматриваются. Термообработка может быть выполнена, например, посредством облучения. Другая возможность состоит в использовании полей переменного электрического тока. В принципе поля переменного тока также могут быть использованы для преобразования полем КЭПМ, и источник питания 23, показанный на фиг.2а-f, должен быть источником переменного напряжения. В связи с этим следует отметить, что резистивный материал, который подвергается воздействию поля переменного тока, будет нагреваться. Путем использования поля переменного напряжения для создания перехода, например от непроводящего к проводящему состоянию, может иметь место нагревание созданной таким образом электропроводящей структуры и требуемая термообработка может производиться одновременно с процессом преобразования.

Путем использования, например, органических материалов в слоях и создания электропроводящих и/или полупроводниковых структур с преобразованием посредством электрических полей согласно настоящему изобретению может быть обеспечено гораздо более простое и экономичное производство электронных приборов, чем то, которое возможно при нынешней технологии неорганических полупроводников. Если при производстве схем используется конфигурация по принципу от "катушки-на-катушку", как показано на фиг.7, производство может осуществляться в больших объемах и с высокой скоростью и без существенных размерных ограничений. При соединении отдельных слоев в многослойную структуру и формировании наложенной конфигурации совпадение между слоями будет, однако, критичным фактором, который должен гарантировать, что вертикальные проводящие структуры в отдельных слоях взаимно совпадают и что, например, электроды и активные полупроводниковые материалы в полупроводниковых структурах также совпадают. Требования по точности совпадения будут определены шагом, который может быть реализован в производстве электропроводящих и/или полупроводниковых структур, но могут быть также реализованы путем использования интерферометрических способов управления и позиционирования, оптически наносимой маркировки или механической или электрической нанотехнологии. Такие мероприятия, однако, не входят в объем настоящего изобретения и поэтому не обсуждаются более подробно, но должны рассматриваться как известные специалистам в данной области техники.

Путем использования способа формирования, соответствующего настоящему изобретению, протокол для формирования заданной конфигурации схемы в многослойной конструкции может быть сформирован дистанционно относительно местоположения производства и передан туда для загрузки, например, в устройство управления, которое управляет формированием структур физических схем непосредственно в процессе производства. Пользователь может таким образом создавать и производить схемы с использованием дистанционной обработки согласно собственным спецификациям просто путем передачи необходимых команд и информации. Настоящее изобретение может, таким образом, обеспечивать концепцию производства интегральных схем прикладной ориентации и заказных интегральных схем с радикально новым содержанием.

Формула изобретения

1. Способ формирования электропроводящих и/или полупроводниковых двумерных или трехмерных структур в составной матрице, содержащей один или более материалов, соответственно обеспеченных в одной или более пространственно отдельных и однородных структурах материалов, причем материалы в ответ на подачу энергии могут подвергаться определенным физическим и/или химическим изменениям состояния, которые вызывают переход от электрически непроводящего состояния в электрически проводящее и/или полупроводниковое состояние или наоборот или изменение в режиме электропроводности материала, причем каждая структура материала изготовлена в форме тонкого слоя, отличающийся тем, что к отдельным слоям прикладывают электрическое поле с заданной напряженностью поля и/или характеристиками, соответствующими определенной реакции материала на энергию, подаваемую полем, осуществляют в каждом случае пространственную модуляцию полей согласно определенному протоколу, который представляет предварительно определенную конфигурацию электропроводящих и/или полупроводниковых структур в рассматриваемой структуре материала, посредством чего в ответ на энергию, подаваемую полем, формируют двумерные электропроводящие и/или полупроводниковые структуры с конфигурацией, предварительно определенной протоколом, и дополнительно укладывают два или более слоев друг на друга в сложенную конфигурацию для получения составной матрицы, сформированной отдельными соседними слоями с электропроводящими и/или полупроводниковыми трехмерными структурами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пространственную модуляцию электрического поля осуществляют в плоскости, существенно параллельной слою, с использованием электродного средства со структурированными электродами, при этом электродное средство путем избирательной подачи напряжения на электроды согласно определенному протоколу формируют электрические точечные или линейные потенциалы, которые формируют электропроводящие и/или полупроводниковые структуры.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сложенную конфигурацию, сформированную двумя или более слоями после создания электропроводящей и/или полупроводниковой структуры в каждом слое, объединяют в слоистые многослойные структуры для получения составной матрицы с электропроводящими и/или полупроводниковыми трехмерными структурами.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что многослойную структуру формируют наложением двух или более самоподдерживающихся слоев для получения сложенной конфигурации.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что позиционируют слой после наложения на соседние слои так, чтобы две или более двумерные электропроводящие и/или полупроводниковые структуры в первом упомянутом слое согласно протоколу совпадали с одной или более двумерными электропроводящими и/или полупроводниковыми структурами в соседних слоях, посредством чего в поперечном направлении через слои формируют один или более вертикальных электропроводящих и/или полупроводниковых каналов.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что формируют электропроводящую и/или полупроводниковую структуру, которая образует вертикальный канал, проходящий через слои согласно протоколу, в электропроводящем и/или полупроводниковом соединении с одной или более двумерными электропроводящими и/или полупроводниковыми структурами в этом слое.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что каждый канал формируют с проводимостью или режимом проводимости, которые постоянны для разных слоев.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что каждый канал формируют с проводимостью или режимом проводимости, которые изменяются от слоя к слою.

9. Способ полного уничтожения электропроводящих и/или полупроводниковых двумерных или трехмерных структур, сформированных в составной матрице, содержащей один или более материалов, соответственно обеспеченных в одной или более пространственно отдельных и однородных структурах материалов, причем материалы в ответ на подачу энергии могут подвергаться определенным физическим и/или химическим изменениям состояния, которые вызывают переход из электрически непроводящего состояния в электрически проводящее и/или полупроводниковое состояние или наоборот или изменение в режиме электропроводности материала, причем каждая структура материала изготовлена в форме тонкого слоя, отличающийся тем, что осуществляют приложение глобальным образом к составной матрице электрического поля с заданной напряженностью поля и/или характеристиками, соответствующими определенной реакции материала на энергию, обеспечиваемую полем до тех пор, пока материалы в составной матрице в соответствии с энергией, обеспечиваемой полем, полностью не перейдут в электрически непроводящее состояние.

10. Генератор/модулятор электрического поля для структурирования и формирования электропроводящих и/или полупроводниковых двумерных или трехмерных структур в составной матрице, содержащей один или более материалов, соответственно обеспеченных в одной или более пространственно отдельных и однородных структурах материалов, причем материалы в ответ на подачу энергии могут подвергаться определенным физическим и/или химическим изменениям состояния, которые вызывают переход из электрически непроводящего состояния в электрически проводящее и/или полупроводниковое состояние или наоборот или изменение в режиме электропроводности материала, причем каждая структура материала изготовлена в форме тонкого слоя, отличающийся тем, что он содержит первое электродное средство (Е1) с множеством параллельных полосовых электродов (21), размещенных в плоскости, второе электродное средство (Е2) с множеством параллельных полосовых электродов (22), размещенных на расстоянии от первого электродного средства (Е1) и наложенных на него во второй плоскости, параллельной первой плоскости, так что электроды (21, 22) взаимно существенно ортогонально ориентированы в матрицеподобной конфигурации, электродные средства (E1; E2) через устройства коммутации (24; 25) соединены с управляемьм источником электропитания (23), причем генератор/модулятор электрического поля (20) в пространстве между электродными средствами (E1, E2) адаптирован для приема тонкопленочного материала в форме дискретного компонента или непрерывной ленты, который без контакта с электродными средствами непрерывно или прерывисто подается через пространство с одновременным позиционированием и выравниванием относительно электродных средств (E1, E2) и между ними в плоскости, существенно параллельной им, посредством чего формируются электропроводящие и/или полупроводниковые структуры согласно определенному протоколу с использованием точечных, линейных или поверхностных потенциалов, созданных между выбранными электродами (21, 22) в электродных средствах (E1; E2), когда на первые через устройства коммутации (24; 25) подается электрическое питание.

11. Генератор/модулятор электрического поля по п. 10, отличающийся тем, что электроды (21; 22) в каждом электродном средстве (E1; E2) размещены на поверхности соответствующих подложек или в них и обращены друг к другу.

12. Генератор/модулятор электрического поля по п. 11, отличающийся тем, что полосовые электроды (21, 22) выполнены как часть подложек и образуют проводящие структуры в материале подложки.

13. Генератор/модулятор электрического поля по п. 10, отличающийся тем, что расстояние между электродными средствами (E1, E2) регулируется в зависимости от толщины тонкопленочного материала.

14. Генератор/модулятор электрического поля по п. 10, отличающийся тем, что электроды (21; 22) в каждом электродном средстве (E1; E2) размещены с взаимным расстоянием от 0,1 до 1,0 мкм.

15. Генератор/модулятор электрического поля по п. 10, отличающийся тем, что электроды (21; 22) в каждом электродном средстве (E1; E2) имеют по существу постоянную ширину от 0,1 до 1,0 мкм.

Приоритет по пунктам:
28.01.1998 - по пп. 1-9;
02.06.1998 - по пп. 10-15.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14