(57)【要約】  メモリ装置は、区別可能な双安定状態を振幅変調下で呈するメカニカル素子を備える。これらの状態は、所定周波数の駆動信号の適用によって、動的に双安定性となるか多安定性となる。ヒステリシス効果に関連した素子の固有共振は、区別可能な複数の状態を特定の周波数範囲に亘って生じる。共通コンタクト上に設けられた異なる周波数範囲に対応する多様な素子を持つ複数の装置は、改良された密度で形成される。これらの装置は、起磁式、容量式、圧電式及び／又は光学式方法によって励起され、そして読み取られる。これらの装置は、平面方位付けされるか面外方位付けされて、３次元メモリ構造を可能にする。ＤＣバイアスが、周波数応答をシフトして、素子の状態を弁別するための代替法を可能にすることに使用される。【選択図】図４
2008502143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の支持体間のブリッジ要素と、
前記ブリッジを圧縮状態におくための手段と、
前記ブリッジを第１の周波数で振動的に励起するための手段と、
前記第１の周波数より低い第２の周波数で前記第１の周波数を変調するための手段であって、これにより前記ブリッジが前記変調を表す湾曲形状を帯びるようにする手段と、
前記ブリッジの湾曲状態を検知するための手段と
を備えたことを特徴とするナノスケールのメカニカルメモリ素子。
【請求項２】
前記ブリッジ及び支持体は、シリコン、ダイアモンド・オン・シリコン、ガリウム、バイメタル、及び水晶からなる群から選択された材料で形成されている請求項１に記載のメモリ。
【請求項３】
メモリ素子は、ＳＯＩウエハ、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、水晶、ダイアモンド、純金属、バイメタルストリップ、異種半導体／金属組成物、及び２以上の異なる半導体材料の異種組成物からなる群から選択された材料で形成されている請求項１に記載のメモリ。
【請求項４】
前記第１の周波数での励起手段は、前記ブリッジに力を加えるための手段を含み、この手段は、電磁力によって作用する手段、圧電力によって作用する手段、起磁力によって作用する手段、及び直交磁界を伴う電流によって作用する手段からなる群から選択されたものである請求項１又は２に記載のメモリ。
【請求項５】
変調するための前記手段は、静電力、圧電力、起磁力、及び直交磁界を伴う電流によって作用する手段からなる群から選択されたものである先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項６】
振動的に励起するための前記手段は、静電力、圧電力、起磁力、及び直交磁界を伴う電流によって作用する手段からなる群から選択されたものである先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項７】
ブリッジの湾曲は、複数の状態を有する先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項８】
前記第１の周波数での励起は、前記ブリッジに容量的に加えられる電気信号を含む先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項９】
前記複数は、３以上である請求項７に記載のメモリ。
【請求項１０】
前記状態は、ねじれ、剪断、又は長さの状態である先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項１１】
素子は、より大きな電気的、機械的、又は電気機械的装置又は回路の一部である先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項１２】
アレイ状に配置された複数の素子を更に備える先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項１３】
少なくとも２つの素子は、同様の寸法を有する請求項１２に記載のメモリ。
【請求項１４】
少なくとも２つの素子は、異なる寸法を有する請求項１２に記載のメモリ。
【請求項１５】
素子の構造は、ダイアフラム構造、パドル構造及び片持ち構造からなる群から選択されたものである先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項１６】
素子の構造は、二重クランプ式梁、片持ち梁、パドル、及びダイアフラムからなる群から選択された構造の組み合わせを含む先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項１７】
素子状態は、組み合わせ構造の構成によって表される請求項１６に記載のメモリ。
【請求項１８】
素子に印加されるＤＣバイアスを更に含む先行する請求項に記載のメモリ。
【請求項１９】
ＤＣバイアスに関連した周波数シフトを更に含み、素子状態は、この周波数シフトに関連付けられる請求項１８に記載のメモリ。
【請求項２０】
記憶するための情報を表すように動作可能な複数の周波数シフトに関連した状態を更に含む請求項１９に記載のメモリ。
【請求項２１】
動的安定性の第１の状態を作るために、ナノスケールのメカニカルメモリ素子に第１の励起を与える工程と、
動的安定性の第２の状態を作るために、ナノスケールのメカニカルメモリ素子に第２の励起を与える工程と、
第１及び第２の励起を与える工程を選択して、ナノスケールのメカニカルメモリ素子に情報を記憶する工程と
を備えることを特徴とする、情報を記憶するための方法。
【請求項２２】
ナノスケールのメカニカルメモリ素子の状態を検知する工程を更に備える請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１〜１０のいずれかに記載の素子を動作させる工程を備えることを特徴とする、情報を記憶するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、２００４年５月２４日に出願された「制御可能なナノメカニカルメモリ素子」なる名称の米国仮出願第６０／５７３，９５７号の優先権を主張し、ここにその全体を参照によって組み入れる。
［連邦補助研究または開発に関する表明］
適用なし
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般にナノメカニカルメモリ装置に関し、特に特異な刺激下で別々の状態を呈するナノメカニカル装置に関する。
【０００３】
２．関連技術の説明
何年もの間、半導体装置は、メモリアレイや記憶ユニットを製作することに使用されてきた。そのような装置のマイクロメータ規模での製作は、数多くの魅力的な利点を大規模集積回路のサイズ及び電力を低減することに与えてきた。事実、半導体装置の各新世代では、より小型で、省電力且つ典型的により高速の装置が製造される。
【０００４】
しかしながら、そのような利点は、いつまでも続くものではない。米国半導体技術ロードマップは、物理的及び経済的理由により、現在の規模変更（スケーリング）の進歩は、２０１０年頃まで続くものと仮定している。プロセッサに使用されるトランジスタ素子は、深刻な障害、例えば加熱過多、電力要求、及びトンネル効果に直面している。
【０００５】
メモリは、２つの一般的なグループである揮発性と不揮発性に分割できる。揮発性メモリは、メモリ素子への電力がオフにされると、状態情報を保持しなくなる。しかしながら、揮発性メモリは、いくつかの利点を有し、典型的に高速アクセスや、処理素子と記憶素子との間の情報交換用に使用される。一方、不揮発性メモリは、変更されるまで状態情報を保持するもので、典型的に長期記憶用に使用される。
【０００６】
揮発性メモリは、しばしばＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）チップとしてコンピュータのマザーボード上に高速アクセス用に設けられる。不揮発性メモリは、しばしばフラッシュメモリやハードドライブの形態に見られる。これらは各々、ＤＲＡＭよりは低速であるが、より堅牢な長期記憶を与える。フラッシュメモリは、構造がＲＡＭと同様であって、典型的に電気容量性素子によって構成される。ハードドライブは、しばしば情報を記憶することに使用される常磁性アイランドで形成される。
【０００７】
メモリセルがとる形態とは関係なく、コンピュータのメモリを現在実現する場合、規模変更と脆性の２つの深刻な難題に直面する。電子メモリ素子が小型化されるにつれ、個別の部品を加工することに関して有意な難題が生じる。磁気メモリ素子に関して、パッキング密度は、超常磁性限界によって制限される。超常磁性限界は、個別のメモリ素子やビットが互いに相互作用して、個別の状態情報に関して独立性を失い始める点である。
【０００８】
脆性の問題は、電気容量性メモリ及びプロセッサ素子の電磁放射及び粒子放出に対する感受性に関連する。磁気素子はまた、大きな磁界の存在下で変更され得る。加えて、磁気ハードドライブは、衝突衝撃を受けやすいディスク並びにリード／ライトヘッドを含む。
【０００９】
規模変更及び脆性の問題に取り組む１つのタイプのメモリ素子は、マイクロメカニカルメモリ素子である。マイクロメカニカルメモリ素子は、より大きなパッキング密度、即ちより小さなサイズを有する一方で、装置の脆性を低減する。マイクロメカニカルメモリ素子は既知であって、多数の他の文献、特に米国特許第４，９７９，１４９号（ポポビック等）及び米国特許第５，７７４，４１４号（メルズナー等）、並びにその中の参照文献に紹介されている。しかしながら、ミクロン範囲内に限界寸法を持つこれらのタイプのメモリ素子は、それらを現在の商業環境で通常の電気容量性又は磁気装置と競合できるようにするパッキング密度やリード／ライト速度をいずれも達成することができなかった。
【００１０】
メモリ素子の１つの利点は、メカニカルであってもなくても、装置における多状態安定性の存在である。典型的な装置は双安定性を呈し、１つの装置は、“１”を規定する１つの状態と、“０”を規定するもう１つの状態になる。これら２つの状態は、それから計算エンジンで二値計算を行うことに使用され得る。これら装置の重要な機能は、装置の状態を読み取ったり、変更する能力である。電気容量性素子、例えば通常のＲＡＭやＲＯＭメモリの場合、読み取り及び書き込み状態は、電子電荷の加算又は減算を含む。メカニカル素子では、状態読み取り及び書き込みは、典型的に素子を２つの区別可能な位置状態へと操作することによって解かれる。マイクロメカニカル素子は、それらを凸状又は凹状のバックリング効果によって明らかにされる双安定条件におくために、十分に本質的な圧縮応力で製作されてきた。これは静的双安定条件であって、装置が製作された後は、容易に変化させることはできない。
【００１１】
上述した双安定メカニカルメモリ素子に対するリード／ライト手順は、おそらく素子の機械的特徴故に、率直で直感的なものである。しかしながら、サブミクロン範囲内に限界寸法を有するメカニカル素子の場合、位置的に区別可能な状態は、最適な解法ではない。サブミクロンの寸法を有する素子に対する位置的に区別可能な状態の有用性が低減された場合、競合的なリード／ライト速度及びパッキング密度を達成する素子の能力は損なわれる。これに対し、ナノメカニカル素子は、競合的なパッキング密度を達成するに充分小さく、そしてそれらの小さいサイズは、本来的に高い運動の固有周波数へと導いて、非常に高速のリード／ライト時間を可能にする。例えば、米国特許第６，４９５，９０５号、第６，５７４，１３０号、第６，７８１，１６６号及び第６，５４８，８４１号を参照されたい。
【００１２】
ナノメカニカル素子は、それらの位置状態を容易にモニタすることを排除する特徴を持つ傾向がある。それらの表面積対体積比は、同じ幾何学的構造のミクロンサイズやミリメータサイズの装置のそれよりも高く、摩擦効果及び固着効果の双方に対する感度を大きなものにする。この大きな感度は、そのようなナノメカニカル装置の物理的操作を阻止する。これは、そのような力がしばしば操作中に故障や破壊を引き起こすほど十分に強いからである。加えて、それらの本来的に高いスチフネスに起因して、ナノメカニカル素子はしばしば、非常に大きな力が加えられても、非常に小さい運動の振幅を持つ。スチフネスは典型的に、システムサイズとは逆に、従って装置の固有周波数に比例して増減する。例えば、ＧＨｚ範囲の固有周波数を持つ装置はしばしば、ピコメータ（ｐｍ即ち１０−１２ｍ）の範囲だけにある運動の振幅を呈するような高いスチフネスを持つことができる。
【００１３】
ナノメカニカル素子の速度とサイズに対する所望の仕様は、素子の位置状態の測定と競合する。かくして、ナノメカニカルメモリ素子を、マイクロメカニカルメモリ素子とは基本的に異なる手法で動作させることが望まれる。
【００１４】
位置的又は静的安定性のないナノメカニカル装置を得ることが望まれる。更には、本来的に双安定性の装置を形成するために圧縮力を加えて製作されるものではないナノメカニカル装置を得ることが望まれる。
【００１５】
［発明の簡単な要約］
本発明によって、動的双安定性を呈する双安定ナノメカニカル装置が提供される。動的双安定状態は、メカニカル装置では、物理的位置や方位ではなく、振動性振幅に基づいて達成される。本来的な線形装置を強制的に非線形及び双安定モードにするに十分な駆動力が、その装置に加えられる。その結果得られる動的双安定状態は各々、ヒステリシスループの形成を通して、固有共振周波数に近い装置の周波数応答に区別可能なサインを持つ。装置によって呈されるヒステリシスは、高振幅及び低振幅によって所定の周波数範囲内で表される２つの異なる状態を、装置が呈することを可能にする。
【００１６】
本発明の１つの形態によれば、ナノメカニカルメモリ素子は、種々の技術によって刺激される。１つのそのような技術は、起磁的刺激であり、これは大きな磁界に依存する。他の技術は、容量的、圧電的及び光学的である。本発明の１つ利点によれば、ナノメカニカル装置は、変調されたＡＣ信号によって励起され、そして結果として生じた運動は、電圧変化を通して検出される。本発明のもう１つ利点によれば、ナノメカニカル装置は、変調されたＡＣ信号によって励起され、そして結果として生じた運動は、ナノメカニカル装置に向けられたレーザによって発生される干渉パターンを測定することによって検出される。本発明のもう１つ利点によれば、ナノメカニカル装置は、圧電材料で製作され、そして圧電式に励起される。結果として生じた運動は、ナノメカニカル素子の頂部と底部間の歪みに由来する電圧を測定することによって検出される。
【００１７】
本発明のもう１つの形態によれば、ナノメカニカル装置は、多数の技術、例えば半導体製作技術によって製作される。ナノメカニカル機構を作成することに使用される材料は、限定されるものではないが、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）材料、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、水晶及びダイアモンドを含む。また、ナノメカニカル装置構造は、純金属、バイメタルストリップ又は他の異種材料組成物、例えば半導体−金属組成物や、多元的半導体材料組成物等で構成される。
【００１８】
本発明のもう１つの特徴によれば、ナノメカニカル装置は、内蔵圧縮歪みにより装置の形成を可能にする材料で構成される。本発明のこの特徴によれば、装置は本来的には非線形であって、非常に小さなＡＣ力又は信号によって駆動され得るので、装置電力を有意に低減する。
【００１９】
本発明のもう１つの形態によれば、ナノメカニカル装置は、多安定素子になるように作られる。この場合、装置は、２より多い区別可能な状態を持つ。ナノメカニカル装置への非線形の導入は、単一のナノメカニカル素子に多様な区別可能な振幅状態を作ることを可能にする。
【００２０】
本発明のもう１つの形態によれば、各々が異なる構造的特徴を有した複数のナノメカニカル素子が単一コンタクト上に設けられ、１つの素子に対して、単一コンタクトを通してアドレス可能な多様な共振周波数を可能にする。単一コンタクトを持つ多様な素子構成は、実際の素子サイズを縮小し、且つ／又は、メモリ素子密度を増加する。
【００２１】
本発明のもう１つの形態によれば、ナノメカニカル素子は、ヒステリシス周波数応答を呈する。このため、素子は、スキャン周波数が増加する場合の第１の最大振幅と、スキャン周波数が減少する場合の第２の最大振幅とを有する。増加及び減少する周波数のスキャンは、ナノメカニカル素子が双安定となる周波数の領域を規定する。ヒステリシス領域内における単一周波数での励起によって、装置は２つの区別可能な振幅状態の一方を仮定できるようになる。
【００２２】
本発明のもう１つの形態によれば、無線周波数（ＲＦ）ロックインが使用される。これは、ナノメカニカル素子から誘起される電圧信号をモニタして、装置の振幅状態を決定するためである。変調信号がＲＦ源に与えられて、ナノメカニカル素子にリード／ライト機能を制定する。
【００２３】
本発明のもう１つの形態によれば、容量結合がナノメカニカル素子に与えられて、リード／ライト動作を実施する。本発明の１つの特徴によれば、ＲＦドライブが１つの容量結合に与えられ、そしてＲＦ検出動作がもう１つの容量結合で得られる。この結果、ナノメカニカル素子の操作が行われ、そしてナノメカニカル素子の状態が検出される。
【００２４】
本発明のもう１つの形態によれば、容量結合したナノメカニカル素子のアレイが通常の半導体製作技術を通して設けられる。アレイ内の各素子は、変調されたＲＦ入力との容量結合及びＲＦロックイン出力又は読み取り装置を通してアドレスされる。
【００２５】
本発明のもう１つの形態によれば、リード／ライト動作用のコンタクトを有した圧電駆動型ナノメカニカル素子が与えられる。異なる電極間に印加された電圧差は、機械的歪みを装置に誘導して、別々の電圧感知コンタクトを通して読み取ることができる電圧信号を生じる。電圧差は、リード／ライト動作を選択する変調を有したＡＣ又はＲＦ信号として印加され得る。
【００２６】
本発明のもう１つの実施形態によれば、ナノメカニカル素子に対する動的状態は、ねじれ、剪断、又は長さの状態として求められる。加えて、あるいはその代わりに、素子は異なる幾何学的構造、例えばパドル形状、ダイアフラム、垂直ロッド、梁、片持ち梁、又はこれら幾何学的構造の組み合わせを持つことができる。
【００２７】
本発明のもう１つの実施形態によれば、ＤＣバイアスが本発明のナノメカニカル素子に印加されて、素子の応答に周波数シフトを導入する。区別可能な状態は、所定ＤＣバイアスの印加に基づいた区別可能な周波数応答によって表される。任意数のＤＣバイアスを素子に印加して、同数の区別可能な周波数に基づく状態を作ることができる。ＤＣバイアスの量及び範囲は変更される。これは、周波数応答に基づいて状態を弁別するための所定公差を特定するためである。
この発明は、図面に関連した発明の以下の説明を参照することによって、より十分に理解される。
【００２８】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
図１（ａ）〜１（ｆ）を参照すると、二重クランプ式吊り梁３０に対する一連の製作工程が図解されている。この装置は、図１（ａ）の多層構造から開始する通常の半導体製作方法によって製造される。梁パターンは、リソグラフィ技術によって図１（ｂ）のように作られ、そして図１（ｃ）のように金属化される。図１（ｄ）は、マスキング及び過剰金属の除去工程と、材料のパターンニング工程とを描いている。図１（ｅ）及び１（ｆ）は、それぞれ異方性の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）と等方性のＲＩＥによって、材料を除去して梁３０を自由にする工程を示している。この代わりに、異方性及び等方性エッチング工程の双方に対してウエットエッチング法、あるいはウエットエッチングとＲＩＥの任意の組み合わせを使用することもできる。図２は、図１（ａ）〜１（ｆ）に描かれたプロセスによって形成され得る一対の二重クランプ式梁３２を図解している。個別にアドレス可能な２つの同じ二重クランプ式梁３２は、この例示的実施形態では、およそ８μｍ長×３００ｎｍ幅×２００ｎｍ厚である。
【００２９】
上述したプロセスによって形成された双安定ナノメカニカル装置は、動的双安定性を呈することができる。即ち、単純な物理的位置又は方位に基づいて２つの状態を与えるのではなく、梁３２は、動的双安定性を呈して、振動的振幅に基づく２つの状態を与える。この２つの区別可能な状態は、二重クランプ式梁３２を非線形状態におくに十分な駆動力を加えることによって得られる。梁３２は、本来的に線形な装置として与えられ、この装置は、適切な駆動力を加えることによって非線形特性及び双安定性を呈するように変換される。
【００３０】
暫く図９を参照すると、梁９２は、小及び大振幅に対してそれぞれ誇張された発振振幅包絡線９４及び９６を伴って描かれている。梁９２が駆動用発振によって励起されると、梁９２の非線形特性は、包絡線９４及び９６によって描かれているように、２つの区別可能な振幅モードを生じる。梁９２によって達成された発振の振幅は、それが駆動されている周波数に依存する。従って、梁９２は、圧縮力の結果生ずる機械的に静的な又は位置方位付けされた双安定性に回復することなしに、２つの別々の安定状態を達成することができる。
【００３１】
異なる寸法を持つ梁は、異なる共振周波数を有して、各梁について異なる特異な活性化周波数へと導く。図３を参照すると、各々が独得な共振周波数を有する多数の異なる寸法の梁３４，３６が描かれている。梁３４，３６は、いずれかの端部が同じコンタクト３５，３７によってクランプされている。このため、各々は単一のコンタクトを使用してアドレスされ得る。梁３４から所望の応答を発生するための周波数信号は、同じコンタクト上の梁３６を標的にした周波数信号と共存できる。加えて、全４本（以上）の梁は、多様な状態を持つ単一素子を作るために、別々に又は一緒にアドレスされ得る。即ち、全４本のブリッジ中の“１”及び“０”状態の特別な組み合わせは、単一の“超状態”を規定することができる。この状態は、独得であって、情報記憶用の基礎として使用される。一連の周波数従属性リード／ライト信号が与えられた単一コンタクトは、アレイを特別な組み合わせにおいたり、与えられた組み合わせを読み取ることに使用される。従って、本発明は、メモリ素子のアレイを与えることに有用な高密度パッキング及び高機能性を持つメモリ構造を可能にする。
【００３２】
ナノメカニカル装置、例えば図４に示された二重クランプ式梁４２は、例示的実施形態によれば、起磁的技法によって励起される。ＡＣ電流４０が、直交磁界４６の存在下で、二重クランプ式梁４２上の電極４４を通して駆動されると、その結果生ずるローレンツ力４８は、梁４２を電流４０及び磁界４６の双方に直交した方向に移動させる。梁４２が発振すると、それは磁束の所定領域を掃引する。この磁束は、磁界４６を通る運動の速度に比例した起電力（ＥＭＦ）を発生する。このＥＭＦは、梁４２を固定しているコンタクトパッド４１上に電圧を生じる。高調波運動によって、この速度は、梁４２の変位振幅に比例する。ＡＣ電流４０に対する周波数を掃引すると、図５に描かれたように、減衰駆動型高調波発振器の区別可能なローレンツピークが生じる。図５のピークの中心は、ブリッジの共振周波数である。ピークの半値幅は、装置のクオリティ・ファクタ、即ちＱを決定する。
【００３３】
ＡＣ電流４０によって与えられる駆動力が十分に強いと、梁４２の応答は、図５に描かれた伝統的な線形ローレンツ応答から偏位し、その代わりに区別可能な非線形発振器の形状を呈する。図６は、振幅が増加するにつれ線形度が低下するいくつかの非線形応答を描いている。この非線形応答はまた、ヒステリシスループによって特徴づけられる。このループは、共振周波数を中心にして周波数を前後に掃引することによって観察される。
【００３４】
暫く図８を参照すると、十分に強いＡＣ電流４０によって駆動された梁４２に対するヒステリシス周波数応答が描かれている。ヒステリシス領域８０の境界によって規定される周波数の範囲内において、振動する梁４２は、それぞれの速度又は振幅によって区別される２つの動的双安定状態の一方を占有できる。梁４２をヒステリシス領域８０内の単一周波数で駆動することによって、梁４２は、変調信号を加えたときに、２つの双安定状態に操作され得る。
【００３５】
図１０は、二重井戸形の梁電位に起こる変化を図示している。この電位は、変調によって一方向又は他方向にバイアスされ、梁を強制的に一方又は他方の状態にする。このように、変調を適用することによって、装置の状態を制御することが可能である。
【００３６】
梁４２は線形領域を超えて駆動されるので、発振器の回復力を描く電位もまた変化する。線形応答を生じる駆動振幅によって、梁電位は、線形高調波発振器の古典的な二次形状となる。この形状は、図７のグラフにプロット７２として描かれている。駆動振幅が増加するにつれて、梁電位の形状は、プロット７４で描かれた四次形状へと漸進的に変化する。更なる振幅の増加は、プロット７６で描かれた二重井戸形状を生ずる。プロット７６は、非線形共振器としての梁の動作を示している。
【００３７】
暫く図１１を参照すると、単一の二重クランプ式ブリッジ構造を起磁的に励起して非線形応答させると共に、変調信号を加えてリード／ライトシーケンスを制定することに使用される回路の模式図１１０が描かれている。ＲＦ源１１２は、ブリッジ構造を励起するためのＡＣ信号を与え、変調器１１４は、変調を与える。ＲＦロックイン１１６は、素子からの電圧信号を、増幅器１１１を通過した状態でモニタするように作用する。マルチメータ１１８は、電圧信号を測定して素子の占有振幅状態を決定する。
【００３８】
暫く図１２を参照すると、単一のナノメカニカルメモリ素子に対する典型的なリード／ライトシーケンスが示されている。グラフ１２２の変調信号は、矩形波であり、グラフ１２４の素子の応答は、図１１に記載されたＲＦロックイン１１６からの電圧示度である。２つの振幅状態間の電圧差は、増幅を要因として除外した後に、この例示的実施形態では、およそ２μＶである。
【００３９】
図１３を参照すると、一連のグラフ１３１〜１３４は、変調振幅の累進的増加を描いている。小変調振幅では、梁は、再生可能且つ制御可能なスイッチングにとって適切なしきい値振幅の存在を反映する忠実度を失う。
【００４０】
図１４を参照すると、比較的長期に亘る装置の安定度は、グラフ１４２，１４４に描かれている。この実施形態では、変調信号及びＲＦ駆動信号は、メモリ素子をリフレッシュする必要性を回避するに十分な振幅である。グラフ１４２，１４４に描かれているように、メモリ素子は、数１００秒のオーダーの時間間隔全体を通して安定している。従って、本発明のメモリ素子は、リフレッシュされる必要のないＳＲＡＭに匹敵する。これは、不断にリフレッシュされるＤＲＡＭとは反対である。
【００４１】
個別素子の周波数は、その寸法に本来的に依存するので、本発明に従って動作するメカニカル素子は、サイズの縮小が装置の速度の増加に自然に結びつくという、区別可能な利点を保有する。即ち、より高いパッキング密度とより速い速度は、縮小されたサイズの装置の結果を意味する。更には、標準的リソグラフィ技術によって、多くの素子を互いに接近させて製作することが可能である。限界寸法はサブミクロンであるが、通常の半導体製作技術は、ナノメカニカル素子を製造することに使用できる。事実、標準的リソグラフィ又はナノインプリントリソグラフィは、５００ＭＨｚという高速のリード／ライトアクセス時間を持つナノメカニカル素子アレイを作成するに十分である。素子は、互いにほぼ同一となるように形成され、ほぼ同一の共振周波数となる。製作プロセスの公差は、素子の共振周波数の固有変化に至るが、これらの差を補償することは可能である。代わりに、あるいは加えて、素子アレイは、図３に描かれているように、単一アドレスに配置された、いくつかの非同一素子からなるように形成できる。異なる寸法によって区別される異なるメモリ素子は、それらの独得な共振によって、別々にアクセスされることを可能にする。
【００４２】
起磁以外の他の刺激技術は、ナノメカニカルメモリ素子を動作させるために利用可能である。上述した起磁技術はその単純性及び感度に対して有利であるが、典型的に約４ケルヴィンの液体ヘリウム温度に保持された超伝導ソレノイド磁石によって生成される大きな磁界を使用する。そのような磁石の中心にある室温真空セル内にサンプルをおくことは可能であるが、磁石自体が低温技術を包含する。加えて、磁界はしばしば数テラ（Ｔ）の範囲となるが、これは現実的実施にとって実用的に存立できる選択枝ではない。
【００４３】
しかしながら、他の技術は、本発明に係るナノメカニカルメモリ装置の室温無磁界動作に利用可能である。これら他の技術の応用に対するこれらメモリ素子の動作の動力学、物理学、又は方法に有意な変更はない。他の技術は、マイクロメカニカル及びナノメカニカルメモリ装置を、容量式、圧電式及び／又は光学式方法によってアクセスし、刺激することを含む。
【００４４】
典型的な光学式方法は、レーザをメカニカルメモリ装置上に照射して、運動を描く干渉パターンを与える。光学式技法は、大きな構造に対しては効果的であるが、装置サイズが縮小されると、レーザのスポットサイズに固有な制限に起因して崩れる傾向にある。
【００４５】
容量式技法は、メカニカルメモリ素子の運動の励起及び検出双方に多数の利点、例えば室温で、また空気中で効果的であるという利点を与える。容量式技法は典型的に、接地された共振器に対して容量結合されたゲートにＡＣ信号を印加することによって、誘導運動の原理に従って動作する。結果として生じる運動は、発振器・第２のゲート間電圧の後続的変化を観察することによって、あるいは光学式方法を適用することによって検出される。２つのゲートの代わりに４つのゲートを設けることによって、差動容量式測定を構成することも可能である。
【００４６】
図１５を参照すると、容量結合された梁１５２は、ゲート１５４，１５６を通してそれぞれ励起され、読み取られる。ゲート１５４，１５６は、梁１５２のいずれかの側に配置され、そして例示的実施形態によれば、励起及び検出用ＲＦ信号によって駆動される。この駆動及び検出配置は、図１６に描かれている。変調信号を伴うＲＦ駆動信号は、ゲート１５４に印加され、このゲートは、発振器素子１６４上の接地された電極１６２との容量結合を通して運動を誘導する。結果として生じる運動は、接地された発振器１６２、１６４と検出ゲート即ち読み取りゲート１５６との間に電圧信号を発生する。この電圧信号は素子１６４の状態の変化についてモニタされ、双安定メモリ動作を引き出す。
【００４７】
図１７を参照すると、梁１５２は、シリコン基板の上方に懸架されているように描かれている。もう１つの例示的実施形態によれば、結合電極１７２，１７４は、発振器の下方に配置されるか、あるいは横向きではなく縦向きにされる。
【００４８】
図１８を参照すると、容量結合した素子のアレイ１８０が描かれている。アレイ１８０内の素子は、容量的にアドレスされるもので、互いにほぼ同一である。
【００４９】
図１９を参照すると、マルチ素子メモリセル１９０の例示的具現化が描かれている。個別にアドレスされる素子のアレイは、アドレッサＡ及びデコーダＤとして形成された回路に結合されている。素子は、同様の、あるいはほぼ同一の共振周波数を有するように製作される。ＲＦ源１９２は、変調器１９４によって変調されたＲＦ信号を発生する。変調された信号は、アドレッサＡに与えられ、それに基づいて、アドレッサＡは、書き込み動作が適用される素子を決定する。デコーダＤは、与えられた素子の状態を読み取り、そして電圧信号をＲＦロックイン１９６に与え、変調器１９４を通してＲＦ源１９２で参照される。
【００５０】
図２０を参照すると、例えば水晶のような圧電材料から装置２０２を製作することも可能である。圧電装置２０２は、共振している装置の運動の圧電式励起及び検出を通して、励起及び検出され得る。２つの対向するコンタクト２０４，２０６は、装置２０２の頂部と底部間にＡＣ電圧差を印加することに使用される。この電圧差は、圧電力を通して歪みを生じ、第２の対の頂部／底部コンタクト２０５，２０７間に電圧を誘導する。誘導された電圧は、コンタクト２０５，２０７を通して読み取り動作を可能にする。電圧差は、任意の頂部／底部組の電極間に印加され、装置２０２に歪みを誘導して、他方の頂部／底部組の電極によって読み取られる電圧信号を生じる。図２１及び２２は、電極対の例示的方位を描いた斜視図である。
【００５１】
圧電駆動型装置は、本発明を、本発明に係る装置を製作することに使用される多数の異なる材料の応用へと広げる。容量又は圧電駆動型装置を製作することに使用される材料は、限定されるものではないが、ＳＯＩウエハ、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、水晶及びダイアモンドで製作されたシリコン梁を含む。また、これらの構造を純金属、バイメタルストリップ、又は他の異種材料組成物、例えば半導体／金属組成物や、２以上の異なる半導体材料等で製作することができる。各組成物は、区別可能な利点と欠点を保有し、そして装置の総合的動作は、矛盾がない。
【００５２】
本発明に係る二重クランプ式梁を形成することは、バイメタル又は多様な層材料を使用して遂行される。本発明により、本来的な非線形挙動を呈する内蔵圧縮歪みを有した装置が製作される。この非線形装置は、前述した比較的大きな駆動力を使用することなく駆動され得る。事実、いかに小さなものであれ、非線形装置に加えられた駆動力は、結果的に非線形応答を周波数の関数として生ずる。非線形装置に加えられた比較的小さな駆動力は、区別可能な振幅状態の作成及び検出を通して、動的安定性を生じる。従って、駆動ＡＣ力と変調は、有意に低減され、これらの装置に対して結果的に有意な電力要求削減を生じる。
【００５３】
本発明のもう１つの実施形態によると、２よりも多い区別可能な安定振幅状態を呈する多安定メカニカルメモリ装置が提供される。１つの実施形態において、多安定装置は、上記で論じられた双安定装置よりも高次の非線形を伴って形成される。装置の形成は、付加的な圧縮歪みを導入して装置の非線形性を増加させる工程を含む。もう１つの実施形態において、より強いか、より高い振幅駆動力を通して付加的な非線形性が装置に導入され、駆動される装置に付加的な状態を与える。本発明に係る３以上の区別可能な状態を持つメモリ装置は、より高密度の情報記憶と操作を可能にする。情報の高密度化は、全てのレベルの応用全体に亘って、より大きな効率を与え、スペース及び電力に有意な節約を生じる。
【００５４】
加えて、ここにはプレーナ型の装置が描かれているが、同じ装置が、縦型の、又は面外の方位を持つように構築され得る。従って、異なる方位のメモリ素子の組み合わせが、所定の応用における情報密度を更に改良するように与えられる。例えば、本発明は、３次元メモリ素子又は素子のブロックの形成と使用を予想している。
【００５５】
ここで論じられているナノメカニカルメモリ素子は、約１０〜約５００μｍの範囲内に限界寸法を持つように形成することができる。ブロック共重合体製作法の活用は、１０ｎｍ未満の限界寸法を持つ垂直柱構造の実現を可能にする。これらの寸法は、現在の産業基準に匹敵する速度とパッキング密度の性能的利点を与える。加えて、本発明の素子は、他のメモリシステムのものとは区別可能な手法で確実に動作させられる。
【００５６】
基本的な二重クランプ式又は単一クランプ式の片持ち梁の他に、本発明は、動的状態に基づくメモリ素子の多数の具現化を予測している。先に説明した曲げモードに加えて、ねじれ又は剪断モードでの動的多安定状態を観察及び操作することが可能である。本発明を実現するために代替的な装置構造、例えばパドル型装置、ダイアフラム、又は垂直ロッドが使用され得る。装置構造は、例えば梁、片持ち梁、又はダイアフラムの組み合わせを含むこともできる。この場合、異なる下位素子の運動は、複合的であれ、別々にであれ、メモリセルの異なる状態を作る。例えば、多数の下位素子に基づく相対的又は差動的な運動は、本発明のメモリ素子を実現することに使用され得る。
【００５７】
本発明のもう１つの例示的実施形態によれば、好適なＤＣバイアスの付加は、二重クランプ式梁構造体上に、その構造体を強制的に非線形挙動させることなく、周波数シフトを誘導する。即ち、線形応答モードにおける梁の基礎又は高次周波数は、ＤＣバイアス信号を加えることによって、１以上の異なる周波数値間で制御可能且つ再生可能にシフトできる。変調信号は、非線形の場合と同様の形態を有するが、“１”及び“０”状態は、非線形振幅状態ではなく、むしろ周波数依存性の動的状態である。即ち、単一周波数で２つの電圧を弁別するのとは対照的に、この回路は、同じ又は同様の電圧応答を持つ２つの周波数を使用して、１以上の動的状態を素子に与える。１以上のＤＣバイアスを素子に加えて、区別可能な周波数を区別可能な状態で達成することによって、素子に対する多様な状態が与えられる。ＤＣバイアスを加えることによって作られる周波数依存状態の図解が、図２３のグラフに与えられている。図２３は、種々のＤＣバイアスを受けた素子の区別可能な周波数依存状態を示している。区別可能な周波数は、別々の状態の容易な認識を、例えば図２３に描かれているように、１ボルトのＤＣバイアスステップに基づいて可能にするに十分な公差を持つことがある。
【００５８】
本発明によって説明されたナノメカニカルメモリ素子の実際的な実現化は、単に機械的な装置に限定される必要はない。例えば、本発明は、メモリセルを形成するために、機械的及び光学的又は電気容量的な素子からなるハイブリッド装置を予測している。即ち、例えば容量の区別可能な変化は、メモリセルに対する効果的な動的状態として使用され得る。この状態は、機械的又は電気的駆動又は動作を使用して達成される。加えて、総合的なリード／ライト回路は、ハイブリッド装置を使用して、通常の又は独得な電子的、機械的、又はハイブリッド的な入出力プロトコルを利用することができる。
最後に、上述した装置及び方法に対する修正や変形が、ここに開示された発明的概念から逸脱することなしになされることは認められるであろう。従って、この発明は、添付された請求の範囲の精神及び範囲による場合を除き、制限されるものとみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１（ａ）】ナノメカニカルの二重クランプ式吊り梁型メモリ装置に対する製作段階の図の一つ。
【図１（ｂ）】ナノメカニカルの二重クランプ式吊り梁型メモリ装置に対する製作段階の図の一つ。
【図１（ｃ）】ナノメカニカルの二重クランプ式吊り梁型メモリ装置に対する製作段階の図の一つ。
【図１（ｄ）】ナノメカニカルの二重クランプ式吊り梁型メモリ装置に対する製作段階の図の一つ。
【図１（ｅ）】ナノメカニカルの二重クランプ式吊り梁型メモリ装置に対する製作段階の図の一つ。
【図１（ｆ）】ナノメカニカルの二重クランプ式吊り梁型メモリ装置に対する製作段階の図の一つ。
【図２】いくつかの個別にアドレスされる梁構造のそれぞれの図である。
【図３】単一コンタクトを通して個別にアドレス可能な異なるサイズの二重クランプ式梁のアレイのそれぞれの図である。
【図４】リード／ライト動作中の起磁的励起／検出を説明するための二重クランプ式梁の図解である。
【図５】二重クランプ式ブリッジ構造の線形励起応答を図解したグラフである。
【図６】本発明のナノメカニカル素子に加えられた異なる駆動振幅から生ずる一連の周波数応答を図解したグラフである。
【図７】ナノメカニカル素子に加えられた異なる駆動振幅の結果としての回復力に関連した梁電位を図解したグラフである。
【図８】本発明によって実現された双安定型非線形発振器のヒステリシス周波数応答を図解したグラフである。
【図９】異なる振幅状態の誇張的図解を伴う二重クランプ式梁のそれぞれの図である。
【図１０】変調信号の存在下での回復力に関連した梁電位を図解したグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態に係るナノメカニカル素子に対するリード／ライト配置の模式的ブロック図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るナノメカニカル素子に加えられた変調信号と、対応する梁応答とを図解した一対のグラフである。
【図１３】変調振幅変化の結果としての梁応答を図解した一組のグラフである。
【図１４】比較的長期に亘って印加された変調信号によって生じた梁応答を図解した一対のグラフである。
【図１５】容量結合素子を有する梁のそれぞれの図である。
【図１６】容量結合を有するナノメカニカル素子の１つの可能な動作スキームを図解した模式図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る容量結合した梁のそれぞれの図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係る容量結合した素子のアレイのそれぞれの図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係るメモリ素子のアレイの１つの可能な動作スキームを図解した模式図である。
【図２０】本発明の一実施形態に係る圧電励起されたクランプ式ブリッジ要素の平面図及び断面図である。
【図２１】図２０の要素の頂部斜視図である。
【図２２】図２０の要素の底部斜視図である。
【図２３】印加されたＤＣバイアスの対応する変化を通して発生された区別可能な周波数に基づく動的状態を図解したグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
４０        ＡＣ電流
４１        コンタクトパッド
４２        二重クランプ式梁
４４        電極
４６        磁界
４８        ローレンツ力
【図１（ａ）】
2008502143.tif 000003
【図１（ｂ）】
2008502143.tif 000004
【図１（ｃ）】
2008502143.tif 000005
【図１（ｄ）】
2008502143.tif 000006
【図１（ｅ）】
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【図１（ｆ）】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
2008502143.tif 000031