專利名稱：半導體器件及其驅(qū)動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件以及驅(qū)動該半導體器件的方法。
背景技術：
近年來個體識別技術吸引了很多注意力。例如，有一種技術用于制造和管理，其中通過向單個對象給于ID(個體識別號)來表明諸如對象歷史的信息。首先，利用電磁場或無線電波在不接觸的情況下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的半導體器件的發(fā)展取得了進步。具體地說，作為這種半導體器件，無線芯片(也稱為“ID標簽”、“IC標簽”和“IC芯片”、“RF(射頻)標簽”、“無線標簽”、“電子標簽”或“RFID(射頻標識)”)正開始被引入公司、市場等等。
很多已經(jīng)投入實用的半導體器件具有采用半導體襯底的電路(也稱為“IC(集成電路)芯片”)和天線，該IC芯片包括存儲器和控制電路。
此外，根據(jù)設置在IC芯片中的存儲器結構，諸如寫入信息或讀取信息的方式分為各種方法。例如在采用掩模ROM作為存儲電路的情況下，除了在制造芯片時之外不能執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。在這種情況下，除了在制造芯片時之外不能執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，因此該芯片不是用戶界面友好的。由此，需要可以在制造芯片時之外寫入數(shù)據(jù)的ID芯片。
另一方面，在采用EEPROM等作為存儲電路的情況下，雖然用戶可以自由地重新寫入內(nèi)容，但是也允許用戶以外的其它人重寫信息從而可能進行篡改(例如非專利文獻1)。因此，目前沒有足夠地實現(xiàn)安全措施，由此需要能夠防止通過重寫等進行篡改的措施。
此外，也需要一種元件，并主動開展了積極的研究和開發(fā)。
(非專利文獻1)http://japan.cnet.com/news/sec/story/0，2000050480，20070122，00.htm

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種半導體器件，其中可以在除了制造半導體器件時之外寫入數(shù)據(jù)并防止通過重寫進行篡改。此外，本發(fā)明的目的是提供容易形成并包括存儲元件的低價半導體器件以及驅(qū)動該半導體器件的方法。
為了達到該目的，本發(fā)明提供以下特征。
根據(jù)本發(fā)明的一種半導體器件包括多個沿著第一方向延伸的位線、多個沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線、包括多個設置在位線和字線的交叉部位的存儲單元的存儲單元陣列、和設置在存儲單元中的有機存儲元件，其中有機存儲元件具有由位線、有機化合物層和字線構成的疊層結構。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一種半導體器件包括多個沿著第一方向延伸的位線、多個沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線、包括多個設置在位線和字線的交叉部位的存儲單元的存儲單元陣列、設置在存儲單元中的有機存儲元件、和天線，其中有機存儲元件具有由位線、有機化合物層和字線構成的疊層結構。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的各半導體器件中，位線和字線中的至少一個具有透光特性。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一種半導體器件包括多個沿著第一方向延伸的位線、多個沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線、和包括多個被位線和字線圍繞的存儲單元的存儲單元陣列，其中該存儲單元包括晶體管和與該晶體管電連接的有機存儲元件，其中有機存儲元件具有設置在一對導電層之間的有機化合物層。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一種半導體器件包括多個沿著第一方向延伸的位線、多個沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線、包括多個被位線和字線圍繞的存儲單元的存儲單元陣列、和天線，其中該存儲單元包括晶體管和與該晶體管電連接的有機存儲元件，其中有機存儲元件具有設置在一對導電層之間的有機化合物層。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的每種半導體器件中，所述一對導電層中的至少一個具有透光特性。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的每種半導體器件中，所述有機存儲元件具有可通過寫入而不可逆轉地改變的電阻。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的每種半導體器件中，所述有機存儲元件的電極之間的距離通過寫入而改變。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的每種半導體器件中，所述有機化合物層包括電子傳輸材料和空穴傳輸材料之一。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的每種半導體器件中，所述有機化合物層具有大于等于10-15S/cm且小于等于10-3S/cm的電導率。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的每種半導體器件中，所述有機化合物層的膜厚度為5至60nm。
一種用于驅(qū)動根據(jù)本發(fā)明半導體器件的方法，其中該半導體器件包括多個沿著第一方向延伸的位線、多個沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線、包括多個設置在位線和字線的交叉部位的存儲單元的存儲單元陣列、和設置在存儲單元中的有機存儲元件，其中有機存儲元件包括設置在位線和字線之間的有機化合物層，其中通過在位線和字線之間施加電壓以改變有機存儲元件的電阻來寫入數(shù)據(jù)，其中通過在位線和字線之間施加電壓以讀取有機存儲元件的電阻來讀取數(shù)據(jù)。
另一種用于驅(qū)動根據(jù)本發(fā)明半導體器件的方法，其中該半導體器件包括多個沿著第一方向延伸的位線、多個沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線、和包括多個被位線和字線圍繞的存儲單元的存儲單元陣列，其中有機存儲元件包括設置在一對電極之間的有機化合物層，其中通過在所述一對電極之間施加電壓以改變有機存儲元件的電阻來寫入數(shù)據(jù)，其中通過在所述一對電極之間施加電壓以讀取有機存儲元件的電阻來讀取數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得可以在除制造半導體器件之外的時間寫入數(shù)據(jù)(一次寫入多次讀取)、而且可以防止通過重寫進行篡改的半導體器件。此外，通過提供采用容易沉積的有機化合物作為材料的存儲器或包括該存儲器的半導體器件，可以提供廉價的半導體器件和驅(qū)動該半導體器件的方法。
另外，還可以提供一種包括可以以低功率寫入數(shù)據(jù)的存儲元件的半導體器件。


在附圖中圖1A和1B是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件和驅(qū)動該半導體器件的方法的圖；圖2A至2D是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件和驅(qū)動該半導體器件的方法的圖；圖3A和3B是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的圖；圖4A至4D是示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的過程的圖；圖5A至5D是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的圖；圖6A至6C是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的圖；圖7A至7H是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的使用模式的圖；圖8A和8B是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的使用模式的圖；圖9A和9B是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件和驅(qū)動該半導體器件的方法的圖；圖10A至10C是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件和驅(qū)動該半導體器件的方法的圖；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件和驅(qū)動該半導體器件的方法的圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的激光照射系統(tǒng)的例子的圖；圖13是測量根據(jù)本發(fā)明的半導體器件中的有機存儲元件的電流-電壓特性的圖；圖14是測量根據(jù)本發(fā)明的半導體器件中的有機存儲元件的電流-電壓特性的圖；圖15是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的圖；圖16A和16B分別是根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的光學顯微圖像和圖案(pattern diagram)；圖17是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的寫入特性；圖18A和18B是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的電流-電壓特性的圖；圖19A和19B是在寫入數(shù)據(jù)之后根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的光學顯微圖像和橫截面TEM圖像；圖20A和20B是在寫入數(shù)據(jù)之后根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的橫截面TEM圖像；圖21是在寫入數(shù)據(jù)之后根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的光學顯微圖像；圖22A和22B是在寫入數(shù)據(jù)之后根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的橫截面TEM圖像；圖23是在寫入數(shù)據(jù)之前根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的橫截面TEM圖像；圖24A和24B是示出根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的電流-電壓特性的圖；圖25A和25B是示出根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的電流-電壓特性的圖；圖26A和26B是示出根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的電流-電壓特性的圖；圖27A至27F是作為例子示出根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的結構的圖；圖28A和28B是示出根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的圖；圖29A至29C根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的圖；圖30是示出根據(jù)本發(fā)明的有機存儲元件的電流-電壓特性的圖；以及圖31是示出在樣品1至6的寫入之前和之后的寫入電壓和特性的圖。
具體實施例方式
下面參照附圖描述本發(fā)明的實施方式。但是本發(fā)明不限于以下描述，很容易理解各種更改和修正對本發(fā)明的技術人員來說都是顯而易見的，除非這種更改和修正脫離了本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明不應當解釋為限制于在這些實施方式中描述的內(nèi)容。要注意，在以下本發(fā)明的實施方式中，在不同附圖中表示相同對象的附圖標記是相同的。
(實施方式1)在本實施方式中描述的半導體器件20具有無接觸式數(shù)據(jù)交換的功能，并包括電源電路11、時鐘發(fā)生電路12、數(shù)據(jù)解調(diào)/調(diào)制電路13、控制其它電路的控制電路14、接口電路15、存儲器16、數(shù)據(jù)總線17和天線18(天線線圈)(圖1A)。電源電路11是基于從天線18輸入的交流電信號產(chǎn)生提供給半導體器件20中各個電路的各種電源的電路。時鐘發(fā)生電路12是基于從天線18輸入的交流電信號產(chǎn)生提供給半導體器件20中各個電路的各種時鐘信號的電路。數(shù)據(jù)解調(diào)/調(diào)制電路13具有對與讀取器/寫入器19交換的數(shù)據(jù)進行解調(diào)/調(diào)制的功能?？刂齐娐?4具有控制存儲器16的功能。天線18具有發(fā)送和接收電磁場或無線電波的功能。讀取器/寫入器19控制與半導體器件20的通信和對數(shù)據(jù)的處理。要注意，半導體器件20不限于上面描述的，例如，可以向上述結構添加其它元件如電源電壓限幅電路或只用于處理代碼的硬件。
此外在圖1A，存儲器16具有這樣的結構特征(下面也稱為“有機存儲元件”)，其中在一對導電層之間設置包括有機化合物的層(下面也稱為“有機化合物層”)。存儲器16不僅可以包括由有機存儲元件構成的存儲器，還可以包括其它存儲器。其它存儲器包括例如一個或多個從DRAM、SRAM、FeRAM、掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM和閃存中選出的存儲器。
包括有機存儲元件的存儲器(下面也稱為“有機存儲器”)使用有機化合物材料，而且通過對有機化合物層進行光學或電學作用來改變有機存儲元件的電阻。
下面描述有機存儲器的結構(圖1B)。有機存儲器包括存儲單元陣列22、解碼器23和24、選擇器25和讀取/寫入電路26，在存儲單元陣列22中以矩陣形式設置了包括有機存儲元件的存儲單元21。
存儲單元21包括與位線Bx(1≤x≤m)連接的第一導電層、與字線Wy(1≤y≤n)連接的第二導電層以及有機化合物層。該有機化合物層設置在第一導電層和第二導電層之間。
接著，對于實際制造存儲單元陣列22的情況，描述其頂視圖結構和橫截面結構(圖2A和2B)。要注意，在具有絕緣表面的襯底30上的存儲單元陣列22包括在第一方向上延伸的第一導電層27、在垂直于第一方向的第二方向上延伸的第二導電層28以及有機化合物層29。存儲單元21設置在第一導電層27和第二導電層28的交叉部位。第一導電層27和第二導電層28像條紋一樣設置以互相交叉。絕緣層33設置在相鄰的有機化合物層29之間。此外，提供用作保護膜的絕緣層34以和第二導電層28接觸。
作為襯底30，使用玻璃襯底、柔性襯底、石英襯底、硅襯底、金屬襯底、不銹鋼襯底等等。柔性襯底是指柔軟并且能彎曲的襯底，例如包括含有聚碳酸酯、polyalylate、聚醚砜等的塑料襯底。第一導電層27和第二導電層28是利用公知的導電材料如鋁(Al)、銅(Cu)和銀(Ag)形成的。
在通過光對有機存儲器寫入數(shù)據(jù)的情況下，第一導電層27和第二導電層28之一或兩者都具有透光特性。透光導電層利用透明導電材料如銦錫氧化物(ITO)或者利用不透明的導電材料形成為具有能夠透射光的厚度。
對于有機化合物層29，可以使用導電的(優(yōu)選電導率為大于等于10-15S/cm且小于等于10-3S/cm)有機化合物材料，且可以使用高空穴傳輸材料，例如芳族胺(即具有苯環(huán)-氮鍵)化合物，如4，4’-二[N-(1-萘基)-N-苯胺基]-聯(lián)苯(縮寫α-NPD)、4，4’-二[N-(3-甲基苯基)-N-苯胺基]-聯(lián)苯(縮寫TPD)、4，4’，4”-三(N，N-二苯胺基)-三苯胺(縮寫TDATA)、4，4’，4”-三[N-(3-甲基苯基)-N-苯胺基]-三苯胺(縮寫MTDATA)和4，4’-二(N-(4-(N，N-二-m-甲苯胺基)苯基)-N-苯胺基)聯(lián)苯(縮寫DNTPD)；酞菁化合物，如酞菁(縮寫H2Pc)、酞菁銅(縮寫CuPc)和酞菁化氧礬(縮寫VOPc)等等。
此外，可以用高電子傳輸材料作為有機化合物材料，如包括具有喹啉骨架或苯并喹啉骨架的金屬絡合物的材料，如三(8-羥基喹啉)鋁(縮寫Alq3)、三(4-甲基-8-羥基喹啉)鋁(縮寫Almq3)、二(10-羥基苯并[h]喹啉)鈹(縮寫B(tài)eBq2)、二(2-甲基-8-羥基喹啉)-4-苯基苯酚-鋁(縮寫B(tài)Alq)，還可以使用諸如具有唑配合基或噻唑配合基的金屬絡合物的材料，如二[2-(2-羥苯基)苯并噁唑]鋅(縮寫Zn(BOX)2)或二[2-(2-羥苯基)苯并噻唑]鋅(縮寫Zn(BTZ)2)。此外，除了金屬絡合物之外，還可以使用化合物如2-(4-聯(lián)苯基)-5-(4-tert-丁基苯基)-1，3，4-噁二唑(縮寫PBD)、1，3-二[5-(p-tert-丁基苯基)-1，3，4-噁二唑-2-基]苯(縮寫OXD-7)、3-(4-tert-丁基苯基)-4-苯基-5-(4-聯(lián)苯基)-1，2，4-三唑(縮寫TAZ)、3-(4-tert-丁基苯基)-4-(4-乙基苯基)-5-(4-聯(lián)苯基)-1，2，4-三唑(縮寫p-EtTAZ)以及紅菲繞啉(bathophenanthroline)(縮寫B(tài)Phen)。
此外，有機化合物材料包括4-二氰亞甲基-2-甲基-6[2(1，1，7，7-四甲基久洛尼定-9-基)乙烯基]-4H-吡喃(縮寫DCJT)、4-二氰亞甲基-2-t-丁基-6-[2(1，1，7，7-四甲基久洛尼定-9-基)乙烯基-4H-吡喃(縮寫DCJTB)、periflanthene、2，5-二氰基-1，4-雙[2-(10-甲氧基-1，1，7，7-四甲基久洛尼定-9-基)乙烯基]苯、N，N’-二甲基喹吖啶酮(N，N’-dimethylquinacridone)(縮寫DMQd)、香豆素6、香豆素545T、9，9’-二蒽(9，9’-bianthryl)、9，10-聯(lián)苯蒽(縮寫DPA)、9，10-二(2-萘基)蒽(縮寫DNA)、以及2，5，8，11-四-t-丁基二萘嵌苯(2，5，8，11-tetra-t-butylperylene)(縮寫TBP)。此外，作為形成散布了上述發(fā)光材料的層時用作基質(zhì)(matrix)的材料，可以使用蒽衍生物，如9，10-二(2-萘基)-2-tert-丁基蒽(縮寫t-BuDNA)；咔唑衍生物如4，4’-二(N-咔唑基)聯(lián)苯(縮寫CBP)；金屬絡合物，如二[2-(2-羥苯基)吡啶]鋅(縮寫Znpp2)和二[2-(2-羥苯基)苯并噁唑]鋅(縮寫ZnBOX)等等，此外，可以使用三(8-羥基喹啉)鋁(縮寫Alq3)、9，10-二(2-萘基)蒽(縮寫DNA)、二(2-甲基-8-羥基喹啉)-4-苯基苯酚-鋁(縮寫B(tài)Alq)等等。
此外，作為有機化合物層29的材料，可以使用通過施加光學或電學作用來改變有機存儲元件的電阻的材料。例如，可以使用摻雜了通過吸收光來產(chǎn)生酸的化合物(光酸發(fā)生劑(photoacide generator))的共軛聚合物，其中可以用聚乙炔族、聚苯乙炔(polyphenylenevinylene)族、聚噻吩族、聚苯胺族、聚亞苯基乙烯(polyphenyleneethylene)族等等作為共軛聚合物。此外，作為光酸發(fā)生劑，可以使用芳基硫鹽(arylsulfonium salt)、芳基碘鹽(aryliodonium salt)、o-硝基苯甲基甲苯磺酸鹽(o-nitrobenzyltosylate)、芳基磺酸p-硝基苯甲基醚(arylsufonicacid p-nitrobenzylether)、磺酰苯乙酮(sulfonylacetophenone)族、Fe-芳烴絡合PF6鹽等等。
此外，可以在第一導電層27和有機化合物層29之間或者在第二導電層28和有機化合物層29之間設置整流元件(參照圖2D)。整流元件典型地是肖特基二極管、PN結二極管、PIN結二極管或具有相互連接的柵電極和漏電極的晶體管。當然，也可以設置具有其它結構的二極管。圖2D示出包括半導體層44和45的PN結二極管設置在第一導電層27和有機化合物層29之間的情況。半導體層44和45之一是N型半導體，而另一個是P型半導體。如上所述，可以通過提供整流元件來提高存儲單元的選擇性和讀取與寫入的操作特性。
此外，如圖15所示，包括設置在一對導電層之間的有機化合物層的存儲器282可以設置在集成電路281上。也就是說，集成電路281可以設置在襯底280上，而存儲器282可以形成在集成電路281上。
如上所述，在本實施方式中描述的有機存儲元件具有在一對電極之間設置有機化合物層的簡單結構。因此，其制造過程是簡單的，由此可以提供廉價的半導體器件。此外，在本實施方式中描述的有機存儲器是非易失存儲器。因此，不需要并入電池來用于保持數(shù)據(jù)，由此可以提供小、薄和輕的半導體器件。此外，由于有機存儲元件的電阻通過寫入而被不可逆轉地改變，因此在可以寫入數(shù)據(jù)(一次寫入多次讀取)的同時不能重寫數(shù)據(jù)。由此，可以提供能防止篡改并保證安全性的半導體器件。
下面描述將數(shù)據(jù)寫入有機存儲器的操作。數(shù)據(jù)的寫入通過光學作用或電學作用來進行。首先，描述在通過電學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入的情況(參見圖1B)。要注意，該寫入是通過改變存儲單元的電子特性來實施的，而該存儲單元的初始狀態(tài)(沒有施加電學作用的狀態(tài))是數(shù)據(jù)“0”，電子特性已改變的狀態(tài)是數(shù)據(jù)“1”。
在將數(shù)據(jù)“1”寫入存儲單元21的情況下，首先通過解碼器23、24和選擇器25選擇存儲單元21。具體地說，通過解碼器24向與存儲單元21連接的字線W3施加預定電壓V2。此外，通過解碼器23和選擇器25將與存儲單元21連接的位線B3連接到讀取/寫入電路26。然后，將寫入電壓V1從讀取/寫入電路26輸出給位線B3。通過這種方式，在存儲單元21中包含的第一導電層和第二導電層之間施加電壓Vw＝V1-V2。通過適當選擇電位Vw，設置在導電層之間的有機化合物層29以物理或電的方式改變以執(zhí)行數(shù)據(jù)“1”的寫入。具體地說，在用于讀取的操作電壓下，第一和第二導電層之間在數(shù)據(jù)“1”的狀態(tài)下的電阻優(yōu)選改變?yōu)槭沟迷撾娮枧c在數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)下的電阻相比小很多。例如，V1和V2可以從(V1，V2)＝(0V，5至15V)或者(3至5V，-12至-2V)的范圍內(nèi)選擇。電壓Vw可以是5至15V，或-5至-15V。要注意，在這種情況下，夾著有機化合物層的這一對電極之間的距離可以改變。
要注意，未選擇的字線和未選擇的位線被控制為使得數(shù)據(jù)“1”不寫入與未選擇的字線和未選擇的位線連接的存儲單元中。例如，可以使未選擇的字線和未選擇的位線浮置。需要具有這樣的特性，即能夠保證構成存儲單元的第一和第二導電層之間的選擇性，如二極管特性。
另一方面，在將數(shù)據(jù)“0”寫入存儲單元21的情況下，所需要的只是不對存儲單元21施加電學作用。在例如按照與寫入數(shù)據(jù)“1”的情況相同方式的電路操作中，通過解碼器23、24和選擇器25選擇存儲單元21。但是，使從讀取/寫入電路26向位線B3輸出的電位幾乎等于所選擇的字線W3的電位或未選擇的字線的電位，從而以不使存儲單元21的電子特性變化的程度將電壓(例如-5至5V)施加在構成存儲單元21的第一和第二導電層之間。
下面描述通過光學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入的情況。在通過光學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入的情況下，用來自透光導電層(在此是第二導電層28)的激光照射有機化合物層29。在此，用激光選擇性地照射包含在期望部位的有機存儲元件中的有機化合物層29，以破壞有機化合物層29。由于被破壞的有機化合物層是絕緣的，因此當包括被破壞的有機化合物層的有機存儲元件與其它有機存儲元件相比時，被破壞的有機化合物層的電阻更大。通過這種方式，用其間夾著有機化合物層29的導電層之間的電阻由于激光照射而發(fā)生的變化來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。例如，在使包括未被激光照射的有機化合物層的有機存儲元件具有數(shù)據(jù)“0”的情況下，在寫入數(shù)據(jù)“1”時，用激光選擇性地照射并因此破壞包含在期望部位的有機存儲元件中的有機化合物層，以增大電阻。
此外，在采用摻雜了通過吸收光來產(chǎn)生酸的化合物(光酸發(fā)生劑)的共軛聚合物的情況下，在執(zhí)行激光照射時，只有包含被激光照射的有機化合物層的有機存儲元件的電導率才會增加。另一方面，包括未被激光照射的有機化合物層的有機存儲元件沒有導電性。因此，用激光選擇性地照射包含在期望部位的有機存儲元件中的有機化合物層，以改變包含被激光照射的有機化合物層的有機存儲元件的電阻，這用于執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。例如，在使包含未被激光照射的有機化合物層的有機存儲元件具有數(shù)據(jù)“0”的情況下，在寫入數(shù)據(jù)“1”時，用激光選擇性地照射包含在期望部位的有機存儲元件中的有機化合物層，以提高電導率。
在激光照射的情況下，有機存儲元件的電阻變化取決于存儲單元21的尺寸。但是，該變化通過用聚焦在直徑為幾μm到幾百μm的范圍內(nèi)的激光進行照射來實現(xiàn)。例如，當直徑為1μm的激光束1以10m/sec的線性速度經(jīng)過時，包含在一個存儲單元21中的有機存儲元件受到激光照射的時間是100nsec。為了在100nsec的短時間內(nèi)改變相位，激光功率和功率密度優(yōu)選分別是10mW和10kW/mm2。此外，優(yōu)選在選擇性地執(zhí)行激光照射時使用脈沖振蕩激光照射系統(tǒng)。
下面參照圖12簡要描述激光照射系統(tǒng)的例子。激光照射系統(tǒng)1001具有執(zhí)行各種控制的計算機1002(下面稱為PC 1002)、輸出激光的激光振蕩器1003、該激光振蕩器的電源1004、用于衰減激光的光學系統(tǒng)1005(ND濾波器)、用于調(diào)制激光強度的聲光調(diào)制器1006(AOM)、包括用于改變光路的透鏡和反射鏡并用于減小激光的橫截面的光學系統(tǒng)1007、包括X軸臺和Y軸臺的移動機構1009、對從PC 1002輸出的控制數(shù)據(jù)進行數(shù)字模擬轉換的D/A轉換器1010、根據(jù)從D/A轉換器1010輸出的模擬電壓控制聲光調(diào)制器1006的驅(qū)動器1011、輸出用于驅(qū)動移動機構1009的驅(qū)動信號的驅(qū)動器1012、以及用于將激光聚焦在要照射的物體上的自動聚焦機構1013(圖12)。
作為激光振蕩器1003，可以使用能夠發(fā)射紫外線、可見光或紅外光的激光振蕩器。作為激光振蕩器，可以采用使用KrF、ArF、XeCl、Xe等的受激準分子激光振蕩器；使用He、He-Cd、Ar、He-Ne、HF等的氣體激光振蕩器；使用摻有Cr、Nd、Er、Ho、Ce、Co、Ti或Tm的晶體(YAG、GdVO4、YVO4、YLF、YALO3等)的固體激光振蕩器；使用GaN、GaAs、GaAlAs、InGaAsP等的半導體激光振蕩器。要注意，在固體激光振蕩器的情況下，優(yōu)選應用基波和二次到五次諧波之一。
下面描述采用激光照射系統(tǒng)的照射方法。當把具有有機化合物層29的襯底30裝載到移動機構1009上時，PC 1002通過CCD相機等檢測要被激光照射的有機化合物層29的位置。然后，基于所檢測的位置數(shù)據(jù)，PC 1002產(chǎn)生用于移動該移動機構1009的移動數(shù)據(jù)。
此后，當PC 1002通過驅(qū)動器1011控制聲光調(diào)制器1006的輸出光強度時，激光振蕩器1003輸出的激光被光學系統(tǒng)1005衰減，然后由聲光調(diào)制器1006控制光強度以達到預定光強度。此外，由光學系統(tǒng)1007改變從聲光調(diào)制器1006輸出的激光的光路和聚光點形狀，用透鏡聚集該激光，然后選擇性地用該激光照射襯底30上的有機化合物層29。
此時，根據(jù)通過PC 1002產(chǎn)生的移動數(shù)據(jù)，在X方向和Y方向上移動該移動機構1009。于是，用激光照射預定位置，該激光的光能密度轉換為熱能，由此可以用激光選擇性地照射設置在襯底30上的有機化合物層29。要注意，盡管在此示出了通過移動該移動機構1009來執(zhí)行激光照射的情況，但是也可以通過調(diào)整光學系統(tǒng)1007來使激光在X方向上和Y方向上移動。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明通過激光照射執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入的方面使得可以容易地制造大量半導體器件。因此可以提供廉價的半導體器件。
下面描述從有機存儲器讀取數(shù)據(jù)的操作(參照圖1B和圖9A和9B)。數(shù)據(jù)讀取是利用構成存儲單元的第一導電層之間的電子特性來執(zhí)行的，該電子特性在具有數(shù)據(jù)“0”的存儲單元和具有數(shù)據(jù)“1”的存儲單元之間有所不同。例如，將描述一種用于通過利用電阻的不同來讀取的方法，其中在讀取電壓下構成具有數(shù)據(jù)“0”的存儲單元的第一和第二導電層之間的有效電阻(下面簡稱為“存儲單元的電阻”)為R0，在讀取電壓下具有數(shù)據(jù)“1”的存儲單元的電阻為R1(R1＜＜R0)。至于讀取/寫入電路，可以考慮例如在圖9A中示出的采用電阻元件46和差分放大器47的電路26作為讀取部分的結構。電阻46的電阻值為Rr(R1＜Rr＜R0)?？梢杂镁w管48代替電阻元件46，并且可以用定時反相器(clocked inverter)49代替差分放大器47(圖9B)。在執(zhí)行讀取時為Hi而在沒有執(zhí)行讀取時為Lo的信號或反相信號輸入定時反相器49。當然電路配置不限于圖9A和9B。
在從存儲單元21讀取數(shù)據(jù)時，首先通過解碼器23、24和選擇器25選擇存儲單元21。具體地說，由解碼器24向與存儲單元21連接的字線Wy施加預定電壓Vy。此外，由解碼器23和選擇器25將與存儲單元21連接的位線Bx連接到讀取/寫入電路26的端子P。因此，端子P的電位Vp是由電阻元件46(電阻值Rr)和存儲單元21(電阻值R0或R1)對Vy和V0進行電阻分壓確定的值。因此，當存儲單元21具有數(shù)據(jù)“0”時，Vp0＝Vy+(V0-Vy)*R0/(R0+Rr)。而且，當存儲單元21具有數(shù)據(jù)“1”時，Vp1＝Vy+(V0-Vy)*R1/(R1+Rr)。因此，在圖9A中通過選擇Vref使其位于Vp0和Vp1之間，或者在圖9B中通過選擇定時反相器49的變化點使其位于Vp0和Vp1之間，將按照數(shù)據(jù)“0”/“1”輸出Lo/Hi(或Hi/Lo)的輸出電位Vout，從而可以執(zhí)行讀取。
例如，假定差分放大器47在Vdd＝3V下操作，而且Vy、V0和Vref分別是0V、3V和1.5V。在R0/Rr＝Rr/R1＝9的條件下，當存儲單元具有數(shù)據(jù)“0”時，根據(jù)Vp0＝2.7V輸出Hi作為Vout，或者當存儲單元具有數(shù)據(jù)“1”時，根據(jù)Vp1＝0.3V輸出Lo作為Vout。通過這種方式可以執(zhí)行從存儲單元讀取。
按照上述方法，利用電阻值的差異和電阻分壓以電壓的形式讀取有機存儲元件的電阻狀態(tài)。當然用于讀取的方法不限于該方法。例如，可以利用電流值的差異而不是電阻的差異來執(zhí)行讀取。另外，當存儲單元的電子特性在數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”的情況下具有閾值電壓方面的不同二極管特性時，可以利用閾值電壓的差異來執(zhí)行讀取。
(實施方式2)如上所述，半導體器件具有存儲器。下面參照附圖描述不同于上述實施方式中的半導體器件的半導體器件。
存儲器216具有其中存儲單元221以矩陣形式設置的存儲單元陣列222、解碼器223和224、選擇器225、讀取/寫入電路226(圖10)。要注意，在此所示的存儲器216的結構只是個示例，還可以包括其它電路如讀出放大器、輸出電路或緩沖器。
存儲單元221包括與位線Bx(1≤x≤m)連接的第一導電層、與字線Wy(1≤y≤n)連接的第二導電層、晶體管240以及存儲元件241(下面也稱為“有機存儲元件241”)。該存儲元件241具有這樣的結構，其中有機化合物層夾在一對電極之間。晶體管240具有與字線Wy連接的柵電極。晶體管240的源電極和漏電極之一與位線Bx連接，而另一個則與存儲元件241的兩個端子之一連接。存儲元件241的另一個端子與公共電極(電位Vcom)連接。
下面描述具有上述結構的存儲器216的橫截面結構(參照圖11)。
在此示出包含在選擇器225中的晶體管240、有機存儲元件241和CMOS電路248的橫截面結構。晶體管240和CMOS電路248設置在襯底230上，有機存儲元件241形成為與晶體管240電連接。
有機存儲元件241形成為具有第一導電層243、有機化合物層244和第二導電層245的疊層體，絕緣層249設置在相鄰有機存儲元件241之間。絕緣層249形成為用于分離多個有機存儲元件241的分割部。此外，晶體管240的源極或漏極區(qū)與包含在有機存儲元件241中的第一導電層243相互電連接。
此外，第一導電層243和第二導電層245都是利用諸如鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)或鈦(Ti)的導電金屬形成的。
在通過光學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入時，第一導電層243和第二導電層245之一或兩者都利用諸如銦錫氧化物(ITO)的透光材料形成，或者形成為具有可透射光的厚度。在通過電學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入時，對用于第一導電層243和第二導電層245的材料沒有什么特殊限制。
按照實施方式1所描述的那樣來形成有機化合物層244，其中可以使用包括上述任一種材料的單層或疊層結構。
當采用有機化合物材料作為有機化合物層244時，通過采用諸如激光的光學作用或電學作用來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。此外，在采用摻雜了光酸發(fā)生劑的共軛聚合物時，通過光學作用來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。數(shù)據(jù)讀取不依賴于有機化合物層244的材料，而是在任何情況下都通過電學作用來執(zhí)行。
下面描述將數(shù)據(jù)寫入存儲器216的操作(圖10A至10C和圖11)。
首先描述通過電學作用寫入數(shù)據(jù)的操作(參照圖1B)。要注意，該寫入是通過改變存儲單元的電子特性來執(zhí)行的，其中存儲單元的初始狀態(tài)(沒有施加電學作用的狀態(tài))是數(shù)據(jù)“0”，電子特性已改變的狀態(tài)是數(shù)據(jù)“1”。
下面描述將數(shù)據(jù)寫入第n行和第m列的存儲單元221的情況。在將數(shù)據(jù)“1”寫入存儲單元221的情況下，首先通過解碼器223、224和選擇器225選擇存儲單元221。具體地說，由解碼器224向與存儲單元221連接的字線Wn施加預定電壓V22。此外，由解碼器223和選擇器225將與存儲單元221連接的位線Bm連接到讀取/寫入電路226。然后，將寫入電壓V21從讀取/寫入電路226輸出給位線Bm。
通過這種方式，構成存儲單元221的晶體管240處于“導通”狀態(tài)，因此公共電極和位線Bm與存儲元件241電連接，從而使近似為Vw＝Vcom-V21的電壓施加到存儲元件241上。通過適當選擇電位Vw，設置在導電層之間的有機化合物層244被以物理或電的方式改變以執(zhí)行數(shù)據(jù)“1”的寫入。具體地說，在用于讀取的操作電壓下，第一和第二導電層之間在數(shù)據(jù)“1”狀態(tài)下的電阻優(yōu)選改變?yōu)槭沟迷撾娮枧c在數(shù)據(jù)“0”狀態(tài)下的電阻相比小很多，而且存儲元件241可以簡單地被短路。要注意，電位V21、V22以及Vcom可以從(V21，V22，Vcom)＝(5至15V，5至15V，0)或者(-12至0V，-12至0V，3至5V)的范圍內(nèi)選擇。電壓Vw可以是5至15V，或-5至-15V。要注意，在這種情況下夾著有機化合物層的這一對電極之間的距離可以改變。
要注意，未選擇的字線和未選擇的位線被控制為使得數(shù)據(jù)“1”不寫入與未選擇的字線和未選擇的位線連接的存儲單元中。具體地說，當使得在所連接的存儲單元中的晶體管進入“斷開”狀態(tài)的電壓(例如0V)施加到未選擇字線上時，可以使未選擇的位線浮置，或者可以向未選擇的位線上施加幾乎等于Vcom的電位。
另一方面，在將數(shù)據(jù)“0”寫入存儲單元221的情況下，所需要的只是不對存儲單元221施加電學作用。在例如按照與寫入數(shù)據(jù)“1”的情況相同方式的電路操作中，通過解碼器223、224和選擇器25選擇存儲單元221。但是，使從讀取/寫入電路26向位線Bm輸出的電位幾乎等于Vcom，或者使位線Bm浮置。因此，很小的電壓(例如-5至5V)或沒有電壓被施加在存儲元件241上，從而不會改變電特性并由此實現(xiàn)數(shù)據(jù)“0”的寫入。
下面描述通過光學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入的情況。在這種情況下，用來自透光導電層一側(在此是第二導電層245)的激光照射有機存儲元件241中包括的有機化合物層244。
當采用有機化合物材料作為有機化合物層244時，有機化合物層244被激光照射氧化或碳化而變得絕緣。由此，用激光照射后的有機存儲元件241的電阻值增加，而沒有被激光照射的有機存儲元件241的電阻值不變。此外，在采用摻雜了光酸發(fā)生劑的共軛聚合物時，通過激光照射為有機化合物層244賦予導電性。也就是說，被激光照射了的有機存儲元件241被賦予導電性，而未被激光照射的有機存儲元件241未被賦予導電性。
下面描述通過電學作用讀取數(shù)據(jù)的操作。數(shù)據(jù)讀取是利用存儲元件241的電子特性來執(zhí)行的，該電子特性在具有數(shù)據(jù)“0”的存儲單元和具有數(shù)據(jù)“1”的存儲單元之間有所不同。例如，將描述一種用于利用電阻的不同來讀取的方法，其中在讀取電壓下構成具有數(shù)據(jù)“0”的存儲單元的存儲元件的電阻為R0，在讀取電壓下構成具有數(shù)據(jù)“1”的存儲單元的存儲元件的電阻為R1(R1＜＜R0)。至于讀取/寫入電路，可以考慮如圖10B所示的例如采用電阻元件246和差分放大器247的電路226作為讀取部分的結構。電阻246電阻值為Rr(R1＜Rr＜R0)?？梢杂镁w管250代替電阻元件246，并且可以用定時反相器251代替差分放大器247(圖10C)。當然該電路配置不限于圖10B和10C。
在從第n行、第m列的存儲單元221讀取數(shù)據(jù)時，首先通過解碼器223、224和選擇器225選擇存儲單元221。具體地說，由解碼器224向與存儲單元221連接的字線Wn施加預定電壓V24，以使晶體管240進入“導通”狀態(tài)。此外，由解碼器223和選擇器225將與存儲單元221連接的位線Bx連接到讀取/寫入電路226的端子P。于是，端子P的電位Vp是由電阻元件246(電阻值Rr)和存儲元件241(電阻值R0或R1)對Vcom和V0進行電阻分壓而確定的值。因此，當存儲單元221具有數(shù)據(jù)“0”時，Vp0＝Vcom+(V0-Vcom)*R0/(R0+Rr)。同樣，當存儲單元221具有數(shù)據(jù)“1”時，Vp1＝Vcom+(V0-Vcom)*R1/(R1+Rr)。于是，在圖10B中通過選擇Vref使其位于Vp0和Vp1之間，或者在圖10C中通過選擇定時反相器251的變化點使其位于Vp0和Vp1之間，將按照數(shù)據(jù)“0”/“1”輸出Lo/Hi(或Hi/Lo)的輸出電位Vout，從而可以執(zhí)行讀取。
例如，假定差分放大器47在Vdd＝3V下操作，而且Vcom、V0和Vref分別是0V、3V和1.5V。在R0/Rr＝Rr/R1＝9以及晶體管240的“導通”電阻可忽略的條件下，當存儲單元具有數(shù)據(jù)“0”時，根據(jù)Vp0＝2.7V輸出Hi作為Vout，或者當存儲單元具有數(shù)據(jù)“1”時，根據(jù)Vp1＝0.3V輸出Lo作為Vout。通過這種方式，可以執(zhí)行從存儲單元的讀取。
按照上述方法，利用存儲元件241的電阻值的差異和電阻劃分以電壓的形式讀取存儲元件241的電阻狀態(tài)。當然，用于讀取的方法不限于該方法。例如，可以利用電流值的差異而不是電阻的差異來執(zhí)行讀取。另外，當存儲單元的電子特性在數(shù)據(jù)為“0”和“1”的情況下具有閾值電壓方面的不同二極管特性時，可以利用閾值電壓的差異來執(zhí)行讀取。
要注意，本實施方式可以自由地與上述實施方式結合實施。
(實施方式3)將數(shù)據(jù)寫入包含在本發(fā)明的半導體器件20中的有機存儲器中是通過光學作用或電學作用來執(zhí)行的。當通過光學作用來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入時，在柔性襯底31上形成多個半導體器件20，然后由激光照射裝置32用激光照射，從而可以容易地連續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。此外，在使用該制造過程時，半導體器件20可以容易地批量生產(chǎn)(圖3A)。因此，可以提供廉價的半導體器件20。
此外，包含在有機存儲元件中的有機化合物層可以有意地通過加熱到熔點或更高來融化或破壞。也就是說，也可以通過熱處理來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，只要采用不同的加熱溫度。因此，還可以使用采用不同加熱溫度的制造過程。例如，形成具有多個半導體器件的柔性襯底31以做成卷筒51(圖3B)。然后，按照由加熱裝置52在熱處理中使用不同溫度的方式來執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。加熱裝置52由控制裝置53控制。
要注意，本實施方式可以自由地與上述實施方式結合實施。
(實施方式4)
作為根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的應用例子，因為提供了有機存儲元件，所以具有可以無接觸地寫入和讀取數(shù)據(jù)的特征。數(shù)據(jù)傳輸方法寬泛地分為三類，即通過與在相對位置設置的一對線圈的相互感應而進行通信的電磁耦合方法、通過感應電磁場進行通信的電磁感應方法、以及利用電波進行通信的電波方法，可以使用上述任一種方法。用于發(fā)送數(shù)據(jù)的天線18可以按照兩種方式提供。一種方式是在其上形成了包括有機存儲元件等等在內(nèi)的多個元件的襯底36上設置天線18(圖4A和4C)，另一種方式使得天線18與其上形成了包括有機存儲元件等等在內(nèi)的多個元件的襯底36上設置的端子部分37連接(圖4B和4D)。在此，將設置在襯底36上的多個元件稱為“元件組35”。
在前一種結構的情況下(圖4A和4C)，在襯底36上設置元件組35和用作天線18的導電層。在所示結構中，用作天線18的導電層與第二導電層28設置在相同的層上。但是本發(fā)明不限于上述結構，天線18還可以與第一導電層27設置在相同的層上?？商鎿Q地，可以提供絕緣膜以覆蓋元件組35，天線18可以設置在該絕緣膜之上。
在后一種結構中(圖4B和4D)，在襯底36上設置元件組35和端子部分37。在所示結構中，用與第二導電層28設置在相同層上的導電層作為端子部分37。然后，粘接其上設置了天線18的襯底38，以與端子部分37連接。在襯底36和襯底38之間設置導電顆粒39和樹脂40。注意，用作天線18的導電層與設置在元件組35中并構成波整形電路或整流電路的晶體管連接。當數(shù)據(jù)在波整形電路或整流電路中經(jīng)過調(diào)整之后，從外部無接觸地發(fā)送的數(shù)據(jù)被發(fā)送到有機存儲元件，并通過寫入電路或讀取電路執(zhí)行數(shù)據(jù)的寫入或讀取。
元件組35可以通過在大面積襯底上形成多個元件組然后分割開而廉價地提供。用于該情況的襯底可以是玻璃襯底、柔性襯底等等。
包含在元件組35中的多個晶體管和有機存儲元件等可以設置在多個層上，也就是說可以用多個層來形成。當元件組35形成在多個層上時，使用層間絕緣膜。對于層間絕緣膜，優(yōu)選使用諸如環(huán)氧樹脂和丙稀酸樹脂的樹脂材料、諸如透光聚酰亞胺樹脂的樹脂材料、包括硅氧烷材料如硅氧烷樹脂的化合物材料、包含可溶于水的均聚物和可溶于水的共聚物的材料、以及無機材料。硅氧烷材料對應于包括Si-O-Si鍵的材料。硅氧烷具有通過硅(Si)和氧(O)之間的鍵接形成的框架結構，其中包括至少用氫作為取代基的有機族(例如烷基族和芳香族碳氫化合物)。但是，可以使用氟族作為取代基，或者可以使用至少包括氫和氟族的有機族作為取代基。
對于層間絕緣膜，優(yōu)選使用具有低介電常數(shù)的材料以減小在層間產(chǎn)生的寄生電容。當減小寄生電容時，可以實現(xiàn)高速操作以及低功耗。
包含在元件組35中的多個晶體管可使用非晶半導體、微晶半導體、多晶半導體、有機半導體等等中的任一種來作有源層。但是，優(yōu)選使用通過用金屬元素作為催化劑晶化的有源層或通過激光照射晶化的有源層，以獲得具有令人滿意的特性的晶體管。此外，優(yōu)選使用通過使用SiH4/F2氣體或SiH4/H2氣體(Ar氣體)的等離子CVD形成的半導體層或者通過用激光照射半導體層獲得的半導體層作為有源層。
包含在元件組35中的多個晶體管可以使用在200至600℃(優(yōu)選350至500℃)的溫度下晶化的晶體半導體層(低溫多晶硅層)、或者在600℃的溫度或更高溫度下晶化的晶體半導體層(高溫多晶硅層)。當在襯底上形成高溫多晶硅層時，則優(yōu)選使用石英襯底，這是因為玻璃襯底不耐熱。
優(yōu)選用氫或鹵族元素以1×1019至1×1022個原子/cm3的濃度，優(yōu)選1×1019至5×1020個原子/cm3的濃度對包含在元件組35中的晶體管的有源層(尤其是溝道區(qū))摻雜。然后，可以獲得幾乎沒有缺陷的并且很難產(chǎn)生裂紋的有源層。
此外，優(yōu)選設置用于阻擋諸如堿金屬的污染物的阻擋膜以包裹包含在元件組35中的晶體管或元件組35本身。然后，可以提供沒有受到污染而且提高了可靠性的元件組35。要注意，可以用氮化硅膜、硅的氮化物氧化物膜、氮氧化硅膜等等作為阻擋膜。
此外，包含在元件組35中的晶體管的有源層的厚度優(yōu)選是20至200nm，優(yōu)選為40至170nm，更為優(yōu)選的是45至55nm和145至155nm，還要更優(yōu)選的是50nm和150nm。由此，可以提供即使在彎曲的情況下也難以產(chǎn)生裂紋的元件組35。
此外，優(yōu)選用于形成包含在元件組35中的晶體管的有源層的晶體形成為包括平行于載流子流動方向(溝道長度方向)延伸的晶界。該有源層優(yōu)選利用連續(xù)振蕩激光或者以10MHz或更高、優(yōu)選60至100MHz的頻率操作的脈沖激光來形成。
此外，優(yōu)選包含在元件組35中的晶體管具有0.35V/dec或更低(優(yōu)選0.09至0.25V/dec)的S值(子閾值)以及10cm2/Vs或更大的遷移率。這些特性可以在利用連續(xù)振蕩激光或者以10MHz或更高頻率操作的脈沖激光來形成有源層時實現(xiàn)。
此外，通過環(huán)形振蕩器測量，元件組35具有1MHz或更高、優(yōu)選10MHz或更高(在3至5V下)的特性，或者每個柵極的頻率特性是100kHz或更高，優(yōu)選1MHz或更高(在3至5V下)。
天線18優(yōu)選利用包含金、銀、銅等納米顆粒(nanoparticle)的導電糊劑通過微滴釋放方法來形成。該微滴釋放方法是通過對釋放微滴來形成圖案的方法的通稱，如噴墨方法和分配(dispenser)方法，并具有很多優(yōu)點，如可以更為有效地使用材料。
上述結構使得可以制造具有非常小的面積(1cm×1cm)的RFID。
在本實施方式所示的半導體器件中，可以在元件組35上安裝利用IC芯片形成的集成電路。通過安裝利用IC芯片形成的集成電路，存儲元件的寫入電壓可以控制為14V或更大。此外，由于存儲元件的寫入電路、讀取電路等的面積可以減小，因此安裝了所有這些電路的RFID的尺寸(面積)可以小于1厘米見方(1cm×1cm)。
盡管設置了元件組35的襯底42可以照原樣使用，但是可以將襯底42上的元件組35剝落(圖5A)并粘附到柔性襯底43(圖5B)上以產(chǎn)生附加價值。
可以通過以下方法將元件組35從襯底42上剝落(1)在高度耐熱的襯底42和元件組35之間設置金屬氧化物膜，并通過晶化削弱金屬氧化物膜的方法；(2)在高度耐熱的襯底42和元件組35之間設置包含氫的非晶硅膜，并通過激光照射或蝕刻去掉該非晶硅膜的方法；或者(3)機械地或者通過用溶液或氣體如ClF3蝕刻來去掉其上形成了元件組35的高度耐熱的襯底42的方法。
除了上述方法之外，通過設置用作襯底42和元件組35之間的剝離層的金屬層(例如鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉭(Ta)或鈷(Co))、金屬氧化物膜(例如氧化鎢(WOx)、氧化鉬(MoOx)、氧化鈦(TiOx)、氧化鉭(TaOx)或氧化鈷(CoOx))或由金屬膜和金屬氧化物膜(例如，W和WOx、Mo和MoOx、Ti和TiOx、或Co和CoOx)構成的疊層結構，可以通過物理力將襯底42和元件組35彼此分離開。例如在圖11的情況下，諸如晶體管240、CMOS電路248和有機存儲元件241的元件組設置在襯底230上，其中在該元件組和襯底230之間設置有該剝離層，然后將該元件組從襯底230上剝落。要注意，通過在剝離之前用激光選擇性地照射除晶體管240、CMOS電路248和有機存儲元件241之外的部位來暴露剝離層，使該物理剝離更容易。此外，還可以在選擇性地形成開口以暴露剝離層然后用諸如鹵素氟化物(例如ClF3)的蝕刻劑去掉一部分剝離層之后，將元件組從襯底上物理地剝離。
此外，可以用商業(yè)粘合劑如環(huán)氧樹脂粘合劑以及使用樹脂添加劑的粘合劑將被剝離的元件組35粘接到柔性襯底43上。
如上所述，通過將元件組35粘接到襯底43上，可以提供薄、輕而且即使在掉落的情況下也不易破裂的半導體器件。而且，由于柔性襯底43具有柔韌性，所以該半導體器件可以粘接到彎曲的或奇特形狀的表面上，從而實現(xiàn)各種應用。例如，作為本發(fā)明半導體器件20的一種方式的無線標簽可以緊密地粘接到諸如藥瓶的彎曲表面上(圖5C和5D)。此外，如果可以再次利用襯底42，則可以提供廉價的半導體器件。
要注意，本實施方式可以自由地與上述實施方式結合實施。
(實施方式5)在本實施方式中，描述通過剝離過程形成柔性半導體器件的情況(圖6A)。半導體器件包括柔性保護層2301、包括天線2304的柔性保護層2303以及通過剝離過程形成的元件組2302。形成在保護層2303上的天線2304與元件組2302電連接。在所示結構中，天線2304只形成在保護層2303上。但是，本發(fā)明不限于該結構，天線2304還可以形成在保護層2301上。要注意，優(yōu)選在元件組2302和保護層2301、2303之間形成由氮化硅膜構成的阻擋膜。由此，可以提供元件組2302沒有被污染的、提高了可靠性的半導體器件。
優(yōu)選利用銀、銅或鍍銀或鍍銅的金屬來形成天線2304。通過用各向異性導電膜執(zhí)行UV處理或超聲波處理將元件組2302和天線2304連接。但是本發(fā)明不限于該方法，還可以采用不同的方法。
優(yōu)選夾在保護層2301和2303之間的元件組2302形成為具有5μm或更小的厚度，優(yōu)選為0.1至3μm(圖6B)。當堆疊的保護層2301和2303的厚度是d時，保護層2301和2303中每一個的厚度優(yōu)選為(d/2)±30μm，更為優(yōu)選的是(d/2)±10μm。此外，優(yōu)選保護層2301和2303中每一個的厚度為10至200μm。另外，元件組2302的面積是5毫米見方(25mm2)或更小，優(yōu)選0.3至4毫米見方(0.09至16mm2)。
保護層2301和2303分別利用有機樹脂材料形成，由此高度地耐彎曲。本身通過剝離過程形成的元件組2302與單晶半導體相比也高度地耐彎曲。此外，由于元件組2302和保護層2301、2303可以緊密地粘接到一起而沒有空隙，因此所完成的半導體器件本身也高度地耐彎曲。被這些保護層2301和2303圍繞的元件組2302可以設置在另一個物體的表面或內(nèi)部，或者植入紙張內(nèi)。
下面描述將通過剝離過程形成的元件組粘接到彎曲襯底上的情況(圖6C)。在該圖中，示出了從通過剝離過程形成的元件組中選擇的一個晶體管。該晶體管在電流方向上線性地形成。也就是說，漏電極2305、柵電極2307和源電極2306線性定位。然后，將電流方向和襯底劃弧的方向設置為相互垂直。利用該設置，即使彎曲襯底以劃出弧線，應力的影響也很小，而且也可以抑制包含在元件組中的晶體管的特性變化。
為了防止諸如晶體管的有源元件由于應力而破裂，優(yōu)選有源元件的有源區(qū)(硅島部分)的面積占整個襯底面積的1％至50％(優(yōu)選1％至30％)。在沒有有源元件如TFT的區(qū)域中，主要提供基極絕緣膜材料、層間絕緣膜材料和布線材料。優(yōu)選除晶體管有源區(qū)域等之外的面積是整個襯底面積的60％或更多。因此，可以提供高度集成同時又可以容易地彎曲的半導體器件。
要注意，本實施方式可以自由地與上述實施方式結合實施。
(實施方式6)此外，當有機存儲器集成在本發(fā)明的半導體器件中時，優(yōu)選提供下述特征。
為了以無接觸地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的半導體器件如無線標簽中的邏輯電路的操作頻率(典型地為10kHz至1MHz)操作，優(yōu)選讀取時間是1nsec至100usec。在本發(fā)明中，可以達到100usec或更少的讀取時間，因為在讀取操作中不需要改變有機化合物的特性。
當然，寫入時間優(yōu)選很短。但是，不太可能經(jīng)常執(zhí)行寫入操作，因此寫入時間的允許范圍根據(jù)應用是100nsec/位至10msec/位。例如，在寫入256位的情況下，在10msec/位的速度下需要2.56秒的時間長度。在本發(fā)明中，盡管在寫入操作中需要改變有機化合物的特性而且寫入操作需要比讀取操作更多的時間，但是也可以達到10msec/位或更少的讀取時間。可以通過增加寫入電壓或并行執(zhí)行寫入來減少寫入時間。
優(yōu)選存儲器的存儲容量大約是64位至64M位(兆位)。當使用諸如無線芯片的半導體器件時，在只將UID(唯一標識符)和其它少量信息存儲在半導體器件中并使用其它文件服務器用于主數(shù)據(jù)的情況下，該存儲器只需要具有大約64位至8k位(千位)的存儲容量。在將諸如歷史信息的數(shù)據(jù)存儲到半導體器件中時，優(yōu)選該存儲器的存儲容量更大，大約是8k位至64M位。
此外，諸如無線芯片的半導體器件的通信距離與半導體器件的功耗密切相關。通常，功耗越小，可以獲得的通信距離越大。具體地說，在讀取操作中，優(yōu)選功耗是1mW或更小。在寫入操作中，通信距離根據(jù)應用可以很短，而可以允許功耗大于在讀取操作中的功耗，例如優(yōu)選為5mW或更低。在本發(fā)明中，有機存儲器在讀取操作中的功耗可以達到10μW至1mW，盡管功耗當然取決于存儲容量和操作頻率。在寫入操作中，因為需要比在讀取操作中更高的電壓，所以功耗增大。盡管寫入操作中的功耗也取決于存儲容量和操作頻率，功耗仍然可以達到50μW至5mW。
優(yōu)選用于存儲單元的面積很小，可以達到100nm見方至30μm見方的面積。在存儲單元沒有晶體管的無源類型中，用于存儲單元的面積由導線的寬度來確定，因此可以實現(xiàn)能與最小加工尺寸相媲美的小尺寸存儲單元。此外，在存儲單元具有一個晶體管的有源類型中，盡管增加了面積以設置該晶體管，但是與包括電容元件的DRAM和使用多個晶體管的SRAM相比，可以實現(xiàn)更小的用于存儲單元的面積。實現(xiàn)30μm見方或更小的用于存儲單元的面積使得在1k位存儲器的情況下用于存儲單元的面積可以為1毫米見方或更小。此外，實現(xiàn)大約100nm見方的用于存儲單元的面積使得在64M位存儲器的情況下用于存儲單元的面積可以為1毫米見方或更小。因此，可以減小半導體器件的面積。
要注意，有機存儲器的這些特征取決于存儲元件的特性。至于存儲元件的特性，優(yōu)選以電學方式寫入的情況所需要的電壓低到在讀取時不執(zhí)行寫入的程度，該電壓優(yōu)選是5至15V，更為優(yōu)選的是5至10V。此外，優(yōu)選使寫入時在存儲元件中流動的電流值大約為1nA至30μA。該給定值使得可以降低功耗并且使升壓電路(boost circuit)更小，以減小半導體器件的面積。響應于有機存儲器的寫入時間，優(yōu)選將電壓施加在存儲元件上以改變該存儲元件的特性所需要的時間是100nsec至10msec。優(yōu)選存儲元件的面積是100nm見方至10μm見方。該給定值使得可以實現(xiàn)小尺寸存儲單元，并因此減小半導體器件的面積。
要注意，本實施方式可以自由地與上述實施方式結合實施。
(實施方式7)根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的應用范圍是很寬的。例如，可以提供作為根據(jù)本發(fā)明的半導體器件20的一種方式的無線標簽，并用于鈔票、硬幣、證券、證件、無記名債券、包裝容器、書籍、存儲介質(zhì)、私人物品、交通工具、食品、衣物、健康產(chǎn)品、日常用品、藥物、電子設備等等。
鈔票和硬幣是在市場上流通的錢，包括可以按照與特殊區(qū)域中的錢(現(xiàn)金憑證)相同的方式使用的錢、紀念幣等等。證券表示支票、單據(jù)、期票等(圖7A)。證件表示許可證、居民卡等(圖7B)。無記名債券表示郵票、糧票、各種禮券等(圖7C)。包裝容器表示用于包裝午餐等的包裝盒、塑料瓶等(圖7D)。書籍表示雜志、字典等(圖7E)。存儲介質(zhì)表示DVD軟件、錄像帶等(圖7F)。交通工具表示諸如自行車的有輪交通工具、輪船等(圖7G)。私人物品表示包、眼鏡等(圖7H)。食品表示食物、飲料等。衣物表示衣服、鞋子等。健康產(chǎn)品表示醫(yī)療器械、健康用具等。日常物品表示家具、照明裝置等。藥物表示藥品、化學農(nóng)藥等。電子設備表示液晶顯示器、EL顯示器、電視機(電視接收器和薄的電視接收器)、蜂窩電話等。
通過為鈔票、硬幣、證券、證件、無記名債券提供無線標簽可以防止偽造。此外，通過為包裝容器、書籍、存儲介質(zhì)、私人物品、衣物、日常用品、電子設備等等提供無線標簽，可以幫助檢查系統(tǒng)和出租店的系統(tǒng)。通過為交通工具、健康產(chǎn)品、藥物等提供無線標簽，可以防止偽造和偷盜，在藥物的情況下可以防止用錯藥品。該無線標簽可以通過粘接到物品的表面或植入物體內(nèi)來提供。例如，在書籍的情況下，無線標簽可以植入紙張內(nèi)，在由有機樹脂構成的包裝的情況下，可以植入有機樹脂內(nèi)。
如上所述，通過采用無線標簽來管理物品和分發(fā)系統(tǒng)可以獲得功能強大的系統(tǒng)。例如存在這樣一種情況在包括顯示部分94的便攜式終端上設置讀取器/寫入器95，而作為根據(jù)本發(fā)明的半導體器件的一種方式的無線標簽96設置在產(chǎn)品97的側面上(圖8A)。在這種情況下，當把無線標簽96放在讀取器/寫入器95之上時，諸如主要材料、原產(chǎn)國和分發(fā)歷史的產(chǎn)品97的數(shù)據(jù)顯示在顯示部分94上。此外，在其它示例中，有在傳送帶旁邊設置讀取器/寫入器95的情況(圖8B)。在這種情況下，可以容易地檢查產(chǎn)品97。
要注意，本實施方式可以自由地與上述實施方式結合實施。
(實施例1)在本實施例中，描述通過電學作用將數(shù)據(jù)寫入制造在襯底上的有機存儲元件的結果。
該有機存儲元件是第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層依次堆疊在襯底上的元件。第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層是分別利用氧化硅和銦錫氧化物、4，4’-二[N-(3-甲基苯基)-N-苯胺基]-聯(lián)苯(可以縮寫為TPD)、4，4’-二[N-(1-萘基)-N-苯胺基]-聯(lián)苯(可以縮寫為α-NPD)以及鋁形成的。第一有機化合物層和第二有機化合物層形成為分別具有10nm和50nm的膜厚度。該元件的尺寸是2mm×2mm。
首先，參照圖13描述在通過電學作用寫入數(shù)據(jù)之前和之后測量有機化合物元件的電流-電壓特性的結果。
在圖13中，水平軸表示電壓值，豎直軸表示電流值，點圖261展示出在通過電學作用寫入數(shù)據(jù)之前有機存儲元件的電流-電壓特性，點圖262展示出在通過電學作用寫入數(shù)據(jù)之后有機存儲元件的電流-電壓特性。該電學作用是通過將電壓從0V開始逐漸增加來執(zhí)行的。如點圖261所示，電流值隨著電壓增加而逐漸增加，并確定電流值在大約20V時急劇增加。也就是說，該急劇增加表明可以在20V下執(zhí)行對該元件的寫入。因此對于在20V或更小范圍內(nèi)的曲線即點圖261，表示還沒有執(zhí)行寫入的存儲單元的電流-電壓特性，點圖262展示了已對其執(zhí)行了寫入的存儲單元的電流-電壓特性。
此外，圖13示出在寫入數(shù)據(jù)之前和之后有機存儲元件的電流-電壓特性的實質(zhì)性變化。例如，在施加的電壓為1V時，寫入數(shù)據(jù)之前的電流值是4.8×10-5mA，而寫入數(shù)據(jù)之后的電流值是1.1×102mA。因此，寫入數(shù)據(jù)引起電流值7位數(shù)的變化。
如上所述，有機存儲元件的電阻值在寫入數(shù)據(jù)之后改變，當以電壓或電流讀出該有機存儲元件的電阻值變化時，該有機存儲元件可以用作存儲電路。
此外，在使用上述有機存儲元件作為存儲電路的情況下，每當執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取操作時都向有機存儲元件施加預定電壓值(足以避免短路的電壓值)，并讀取該電阻值。因此，有機存儲元件的電流-電壓特性需要是不變化的特性，即使重復執(zhí)行讀取操作，也就是說，即使重復施加預定電壓值。
下面參照圖14描述讀取數(shù)據(jù)之后測量有機存儲元件的電流-電壓特性的結果。
在該實驗中，每當執(zhí)行一次數(shù)據(jù)讀取操作時就測量有機存儲元件的電流-電壓特性。由于總共執(zhí)行5次數(shù)據(jù)讀取操作，有機存儲元件的電流-電壓特性也總共測量5次。電流-電壓特性的這一測量是對兩個有機存儲元件執(zhí)行的，即通過電學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入而改變了電阻值的有機存儲元件以及具有未改變的電阻值的有機存儲元件。
在圖14中，水平軸表示電壓值，豎直軸表示電流值，點圖271展示出通過電學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入而改變了電阻值的有機存儲元件的電流-電壓特性，點圖272展示出具有未改變的電阻值的有機存儲元件的電流-電壓特性。
從點圖271看出，在寫入之前有機存儲元件的電流-電壓特性在1V或更大的電壓值下展示出特別令人滿意的可重復性。類似地，從點圖272看出，通過電學作用執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入而改變了電阻值的有機存儲元件的電流-電壓特性在1V或更大的電壓值下展示出特別令人滿意的可重復性。
從上述結果中看出，即使重復進行數(shù)據(jù)讀取操作不止一次，電流-電壓特性也不會改變。因此，上述有機存儲元件可以用作存儲電路。
(實施例2)在本實施例中，參照圖16A和16B描述按照上述實施方式的半導體器件。圖16A是用光學顯微鏡觀察的半導體器件6001的照片，圖16B是圖16A的圖案。
如圖16B所示，觀察到半導體器件6001中的其中存儲單元以矩陣排列的存儲單元陣列6002、列解碼器部分6003、行解碼器部分6004、選擇器6007和6008以及讀取/寫入電路6005。此外，圖16B所示的虛線6009表示有機存儲元件的第二導電層。
圖17示出圖16A和16B所示的半導體器件的寫入特性，其中存儲單元在水平平面中的尺寸是5μm×5μm，寫入時間是100ms。要注意，在此，以將電壓施加給有機存儲元件以使該有機存儲元件短路的方式來執(zhí)行寫入。至于有機存儲元件的結構，分別利用鈦、α-NPD和鋁形成第一電極、有機化合物層和第二導電層。數(shù)據(jù)寫入是通過向該有機化合物層施加100ms的脈沖電壓來執(zhí)行的。要注意，在此，有機存儲元件包括薄膜晶體管和存儲元件。
在圖17中，水平軸表示脈沖電壓，豎直軸表示在該脈沖電壓或更低電壓下成功寫入的比例(成功率)。當寫入電壓是5V時開始寫入，并且可以對64個存儲單元中的6個(9.38％)進行寫入。盡管在此使用了64個存儲單元，存儲單元的個數(shù)不限于64個。例如，可以只有一個存儲單元用作存儲器。此外，當寫入電壓為6V時，可以對64個存儲單元中的33個(52％)進行寫入；當寫入電壓為9V時，可以對64個存儲單元中的45個(70％)進行寫入；當寫入電壓為11V時，可以對64個存儲單元中的60個(93％)進行寫入；當寫入電壓為14V時，可以對64個存儲單元(100％)進行寫入。
要注意，當在這種情況下的寫入時間為10至100ms時也可以進行寫入。此外，根據(jù)存儲單元的結構，10ms或更低的短時間也可以寫入。
從上述結果中看出，在本實施例中示出的存儲單元的寫入可以在5至14V的寫入電壓下進行。
(實施例3)在本實施例中，將參照圖18A和18B描述在襯底上制造的有機存儲元件中以電學方式執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入時獲得的電流-電壓特性。要注意，在此，以將電壓施加給有機存儲元件以使該有機存儲元件短路的方式執(zhí)行寫入。此外，在圖18A和18B的每一個中，水平軸都表示施加給有機存儲元件的電壓，豎直軸都表示在有機存儲元件中流動的電流值。
在此，按照通過濺射在玻璃襯底上形成第一導電層、通過蒸鍍在第一導電層上形成有機化合物層、并通過蒸鍍在有機化合物層上形成第二導電層的方式來形成有機存儲元件。在此形成的有機存儲元件在水平面中的尺寸是20μm×20mm。
圖18A示出了有機存儲元件的電流-電壓特性，其中第一導電層、有機化合物層、第二導電層分別利用鈦、α-NPD和鋁形成。要注意，第一導電層、有機化合物層、第二導電層的厚度分別是100nm、10nm和200nm。
圖18B示出了有機存儲元件的電流-電壓特性，其中第一導電層、有機化合物層、第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、α-NPD和鋁形成。要注意，第一導電層、有機化合物層、第二導電層的厚度分別是110nm、10nm和200nm。
在圖18A中，點圖6011示出寫入數(shù)據(jù)之前有機存儲元件的電流-電壓特性，點圖6012示出緊接數(shù)據(jù)寫入之后有機存儲元件的電流-電壓特性，點圖6013示出對以電學方式寫入了數(shù)據(jù)的有機存儲元件施加電壓的情況下的電流-電壓特性。在這種情況下的寫入電壓是8.29V，在該寫入電壓下寫入電流是0.16mA。
在圖18B中，點圖6015示出在以電學方式寫入數(shù)據(jù)之前有機存儲元件的電流-電壓特性，點圖6012示出緊接數(shù)據(jù)寫入之后有機存儲元件的電流-電壓特性，點圖6013示出對以電學方式寫入了數(shù)據(jù)的有機存儲元件施加電壓的情況下的電流-電壓特性。在這種情況下的寫入電壓是4.6V，在該寫入電壓下寫入電流是0.24mA。如上所述，可以在低電壓下對本發(fā)明公開的有機存儲元件進行寫入，寫入時的電流值也很小。因此，可以降低用于向有機存儲元件寫入的功耗。
在比較圖18A和圖18B時，如圖18A所示，在小于特定電壓(在此例中小于8.29V)時在由鈦層形成第一導電層的有機存儲元件中幾乎沒有電流流過。但是在超過8.29V時，有機存儲元件的電流值急劇改變從而執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，由此確定寫入和讀取都很容易執(zhí)行。
相反地，在用包含氧化硅的ITO形成第一導電層的有機存儲元件中，電流在4.5V左右逐漸開始流動。也就是說，甚至在寫入之前就有電流流動。此外，寫入之后的I-V曲線是非線性的，而且電阻值大于用鈦形成第一導電層的有機存儲元件在寫入之后的電阻值。也就是說，用包含氧化硅的ITO形成第一導電層的有機存儲元件在寫入之前和之后電阻值的差異小，由此可以說存儲特性差。
為了提供存儲特性優(yōu)良的元件，優(yōu)選第一導電層是金屬層，典型地是鈦層。
(實施例4)在本實施例中，將參照附圖描述用TEM(透射電子顯微鏡)觀察有機存儲元件在寫入之后的橫截面的結果。要注意，在此，該寫入是以向有機存儲元件施加電壓以使該有機存儲元件短路的方式來執(zhí)行的。
首先，按照通過濺射在玻璃襯底上形成110nm厚的第一導電層、通過蒸鍍在第一導電層上形成35nm厚的有機化合物層、并通過蒸鍍在有機化合物層上形成270nm厚的第二導電層的方式來形成有機存儲元件。這里，第一導電層、有機化合物層、第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、α-NPD和鋁形成。注意有機存儲元件在水平面中的尺寸是2mm×2mm。
接著，向有機存儲元件施加寫入電壓以便將數(shù)據(jù)寫入該有機存儲元件，并且用TEM觀察該有機存儲元件的橫截面。注意用于TEM的樣品通過用寬度為0.1μm的FIB(聚焦離子束)進行處理來制備。對于FIB，在30kV下使用Ga離子源。
圖19A示出對應于觀察到的有機存儲元件在寫入數(shù)據(jù)之后的橫截面的光學顯微鏡圖像，圖19B和圖20A、20B示出對應于圖19A的橫截面TEM圖像。此外，圖21A示出對應于觀察到的寫入數(shù)據(jù)之后的橫截面的光學顯微鏡圖像，圖22A和22B示出對應于圖21的橫截面TEM圖像。此外，為了進行比較，圖23示出有機存儲元件在寫入之前的橫截面TEM圖像，其中膜厚度是34nm。圖19B中的放大倍數(shù)是30000倍，圖20A和20B中的放大倍數(shù)是100000倍，圖22A和22B、圖23中的放大倍數(shù)是200000倍。
如圖23所示，有機化合物層在寫入之前的膜厚度是均勻的，在此是34nm。圖19B是圖19A中點(i)的TEM圖像。如圖19A所示，在使有機存儲元件短路之后，在有機存儲元件的一部分中觀察到很多凸起。圖19B示出觀察包括該凸起的部位的結果。圖19B的右面的部位對應于圖19A中靠近凸起中心的部位。也就是說，在短路之后有機存儲元件中的凸起可以說是由于該有機存儲元件的有機化合物層的厚度發(fā)生變化而引起的。
此外，圖20A和20B示出針對乘以圖19B中的放大倍數(shù)的情況的有機存儲元件的觀測結果。注意圖20A和20B示出不同的被觀察部位。圖20A中左邊緣的有機化合物層的膜厚度是90nm，而圖20B中在左邊緣的有機化合物層的膜厚度是15nm。如上所述，在寫入了數(shù)據(jù)的有機存儲元件的有機化合物層中，厚度局部改變，因此確定電極之間的距離也改變了。
如圖20A所示，相信圖19A中寫入數(shù)據(jù)之后有機存儲元件中的凸起是由于有機存儲元件的有機化合物層的膜厚度在向該有機存儲元件施加電壓時發(fā)生變化而導致的。如圖20A所示，有機化合物層的膜厚度隨著遠離包含該凸起的部位而逐漸變薄。圖22A和22B示出凸起之間的部位(是指圖21中的點(ii))的觀測結果。
如圖22A和22B所示，確定有機存儲元件在施加寫入電壓之后由于有機化合物層移動使得第一導電層和第二導電層互相接觸而被短路。嚴格地說，從圖22A和22B中的橫截面TEM圖像來看，可以說有機化合物層的膜厚度在第一導電層和第二導電層之間的邊界處至少是5nm或更小。
(實施例5)在本實施例中，對于圖27A至27F所示的每個樣品1至6，即制造于襯底上的有機存儲元件，圖24A至26B示出在以電學方式向有機存儲元件寫入了數(shù)據(jù)時測量電流-電壓特性的結果。注意在此該寫入是按照向有機存儲元件施加電壓以使該有機存儲元件短路的方式執(zhí)行的。
在圖24A至26B的每一個中，水平軸都表示電壓，豎直軸都表示電流密度值，圓形點圖示出在寫入數(shù)據(jù)之前測量有機存儲元件的電流-電壓特性的結果，方形點圖示出在寫入數(shù)據(jù)之后測量有機存儲元件的電流-電壓特性的結果。此外，每個樣品1至6在水平面中的尺寸都是2mm×2mm。
樣品1是第一導電層、第一有機化合物層和第二導電層依次堆疊而成的元件。在此，如圖27A所示，第一導電層、第一有機化合物層和第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、TPD和鋁形成。此外，第一有機化合物層形成為具有50nm的厚度。圖24A示出測量樣品1的電流-電壓特性的結果。
樣品2是第一導電層、第一有機化合物層和第二導電層依次堆疊而成的元件。在此，如圖27B所示，第一導電層、第一有機化合物層和第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、摻有2，3，5，6-四氟-7，7，8，8-四氰代二甲基苯醌(tetracyanoquinodimethane)(可以縮寫為F4-TCNQ)的TPD和鋁形成。此外，第一有機化合物層形成為具有50nm的厚度并摻有0.01wt％(重量百分比)的F4-TCNQ。圖24B示出測量樣品2的電流-電壓特性的結果。
樣品3是第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層依次堆疊而成的元件。在此，如圖27C所示，第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、TPD、F4-TCNQ和鋁形成。此外，第一有機化合物層形成為具有50nm的厚度，第二有機化合物層形成為具有1nm的厚度。圖25A示出測量樣品3的電流-電壓特性的結果。
樣品4是第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層依次堆疊而成的元件。在此，如圖27D所示，第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、F4-TCNQ、TPD和鋁形成。此外，第一有機化合物層形成為具有1nm的厚度，第二有機化合物層形成為具有50nm的厚度。圖25B示出測量樣品4的電流-電壓特性的結果。
樣品5是第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層依次堆疊而成的元件。在此，如圖27E所示，第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、摻有F4-TCNQ的TPD、TPD和鋁形成。此外，第一有機化合物層形成為具有40nm的厚度并摻有0.01wt％的F4-TCNQ，第二有機化合物層形成為具有40nm的厚度。圖26A示出測量樣品5的電流-電壓特性的結果。
樣品6是第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層依次堆疊而成的元件。在此，如圖27E所示，第一導電層、第一有機化合物層、第二有機化合物層和第二導電層分別利用包含氧化硅的ITO、TPD、摻有F4-TCNQ的TPD和鋁形成。此外，第一有機化合物層形成為具有40nm的厚度，第二有機化合物層形成為具有10nm的厚度并摻有0.01wt％的F4-TCNQ。圖26B示出測量樣品6的電流-電壓特性的結果。
圖24A至26B所示的實驗結果還示出有機存儲元件在寫入數(shù)據(jù)之前和使該有機存儲元件短路之后的電流-電壓特性的實質(zhì)性變化。這些樣品的有機存儲元件還具有使每個有機存儲元件短路的電壓的可重復性，誤差在0.1V之內(nèi)。
接著，在圖31中示出樣品1至6在寫入之前和之后的寫入電壓及特性。
在表1中，寫入電壓(V)表示在使每個有機存儲元件短路時施加的電壓。R(1V)表示通過將寫入之后向有機存儲元件施加1V時的電流密度除以寫入之前向有機存儲元件施加1V時的電流密度所獲得的值。類似地，R(3V)表示通過將寫入之后向有機存儲元件施加3V時的電流密度除以寫入之前向有機存儲元件施加3V時的電流密度所獲得的值。也就是說，R(1V)和R(3V)表示在向有機存儲元件寫入之前和之后的電流密度變化。與施加的電壓為3V的情況相比，確定在施加的電壓為1V的情況下，有機存儲元件的電流密度差異大，具體說來，達到10的4次方或更大。
(實施例6)在本實施例中，參照圖28A和28B、圖29A至29C描述具有柔韌性的半導體器件。
如圖28A所示，通過等離子CVD在玻璃襯底6101上形成膜厚度為100nm的SiON膜6102。然后通過濺射形成膜厚度為30nm的鎢膜6103作為剝離層。接著通過濺射形成膜厚度為200nm的SiO2膜6104來與作為剝離層的鎢膜6103接觸。通過等離子CVD連續(xù)形成膜厚度為50nm的SiNO膜6105、膜厚度為100nm的SiON膜6106以及膜厚度為66nm的非晶硅膜(未在圖中示出)。
接著，在電爐內(nèi)將該玻璃襯底6101在550℃下加熱4個小時。通過加熱，在用作剝離層的鎢膜6103和SiO2膜6104之間的界面上形成氧化鎢層(未在圖中示出)。此外，使非晶硅膜晶化，由此形成晶體硅膜。
接著，在對晶體半導體膜進行干蝕刻之后，以通過濺射堆疊膜厚度為60nm的Ti膜、膜厚度為40nm的TiN膜、膜厚度為40nm的Al膜、膜厚度為60nm的Ti膜以及膜厚度為40nm的TiN膜的方式來形成導電層。然后，通過光刻法形成抗蝕劑掩模并用該抗蝕劑掩模作為保護膜對該導電層進行蝕刻，從而形成布線6107。
接著，通過濺射在布線6107和SiON膜6106上形成膜厚度為100nm的Ti膜。然后，通過光刻法形成抗蝕劑掩模并通過用該抗蝕劑掩模作為保護膜利用HF進行濕蝕刻來對該Ti膜進行蝕刻，從而形成第一導電層6108。
然后，在施加和烘焙感光劑以形成膜厚度為1.5μm的聚酰亞胺層之后，通過曝光和顯影形成覆蓋第一導電層6108的邊緣部分的絕緣層6109。此時，第一導電層6108的部分被暴露。接著，通過利用NPB進行蒸鍍在絕緣層6109和暴露的第一導電層6108上形成厚度為30nm的有機化合物層6110。然后，在此通過利用鋁進行蒸鍍形成膜厚度為200nm的第二導電層6111。
接著，涂敷環(huán)氧樹脂6112，然后，在110℃下烘焙30分鐘。接著，將柔性膜6113粘接到環(huán)氧樹脂6112的表面上。然后，將膠帶粘接到玻璃襯底6101上。通過在120℃至150℃下加熱將柔性膜6113與環(huán)氧樹脂6112結合。接著，將玻璃襯底6101設置在平坦表面上，通過加壓接合將膠粘筒(adhesive roller)粘接到柔性膜6113的表面，在用作剝離層的鎢膜6103和SiO2膜6104之間的界面上(圖28A中的箭頭6114)剝離包含有機元件的層(參照圖28B)。
圖29A至29C示出由此從玻璃襯底6101剝離下來的有機存儲元件的照片和圖案。
圖29A是形成在柔性膜6113上的有機存儲元件的照片，這是從有機存儲元件一側拍攝的，也就是形成SiO2膜的一側。圖29B是圖29A的圖案。第二導電層6111、絕緣膜6109、第一導電層6108堆疊在柔性膜6113上，形成了與第一導電層6108連接的布線6107。注意在絕緣層6109和第二導電層6111的表面上的有機化合物層6110用虛線表示。由于有機化合物層6110沒有著色而且具有很薄的膜厚度，因此無法在圖29A或29C中從視覺上識別有機化合物層6110。
圖29C是圖29A所示的有機存儲元件的照片，這是從柔性膜6113一側拍攝的。
如上所述，可以制造具有柔韌性的半導體器件(存儲器件或存儲器)，其中有機存儲元件設置在柔性膜上。
(實施例7)在本實施例中，圖30示出在向有機存儲元件的第一和第二導電層施加電壓以使該有機存儲元件絕緣從而執(zhí)行寫入的情況下測量有機存儲元件的電流-電壓特性的結果。
該有機存儲元件按照通過濺射在玻璃襯底上形成第一導電層、用聚乙烯醇基的多孔體清潔第一導電層的表面以消除該表面上的灰塵、通過蒸鍍在第一導電層上形成厚度為20nm的有機化合物層以及通過蒸鍍在有機化合物層上形成厚度為200nm的第二導電層的方式來形成。在此，第一導電層、有機化合物層和第二導電層分別利用鈦、Alq3和鋁形成。此后，涂敷環(huán)氧樹脂并加熱以密封該有機存儲元件。在這種情況下，有機存儲元件在水平面中的尺寸是5μm×5μm。
在圖30，水平軸表示電壓，豎直軸表示電流值，點圖6301示出在寫入數(shù)據(jù)之前測量有機存儲元件的電流-電壓特性的結果，點圖6302示出在緊接寫入之后測量有機存儲元件的電流-電壓特性的結果。在這種情況下的寫入電壓是12V，寫入電流值是5×10-4μA。此外，在寫入之后電流值立即減小到5×10-12μA至3×10-11μA。該結果表示可以通過施加電壓來寫入數(shù)據(jù)，而且可以通過有機存儲元件的電流值的改變來讀取數(shù)據(jù)。
本申請基于2004年10月18日向日本專利局提交的日本專利申請2004-303595，通過引用將其內(nèi)容合并于此。
盡管參照附圖通過舉例完整地描述了本發(fā)明，應當理解對本領域的技術人員來說各種改變和修正將是顯而易見的。因此，除非這些改變和修正脫離本發(fā)明的范圍，否則這些改變和修正應當被解釋為包括在本發(fā)明的范圍中。
權利要求
1.一種半導體器件，包括沿著第一方向延伸的位線；沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線；設置在位線和字線的交叉部位的存儲單元；和設置在該存儲單元中的存儲元件，其中該存儲元件包括設置在位線和字線之間的有機化合物層。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，還包括形成在位線或字線的相同表面上的天線。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中位線和字線中的至少一個具有透光特性。
4.根據(jù)權利要求1所述的半導體器件，其中所述存儲元件的位線和字線之間的距離通過寫入而改變。
5.一種半導體器件，包括沿著第一方向延伸的位線；沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線；和與位線和字線連接的存儲單元，其中該存儲單元包括晶體管和與該晶體管電連接的存儲元件，其中該存儲元件具有設置在一對導電層之間的有機化合物層。
6.根據(jù)權利要求5所述的半導體器件，還包括形成在位線或字線的相同表面上的天線。
7.根據(jù)權利要求5所述的半導體器件，其中所述一對導電層中至少一個具有透光特性。
8.根據(jù)權利要求5所述的半導體器件，其中所述晶體管是薄膜晶體管。
9.根據(jù)權利要求5所述的半導體器件，其中所述存儲元件的所述一對導電層之間的距離通過寫入而改變。
10.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述存儲元件具有通過寫入而不可逆轉地改變的電阻。
11.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述存儲元件可以在5至14V下寫入。
12.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述有機化合物層包括電子傳輸材料和空穴傳輸材料之一。
13.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述有機化合物層具有大于等于10-15S/cm且小于等于10-3S/cm的電導率。
14.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述有機化合物層的膜厚度為5至60nm。
15.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述有機化合物層包含其電阻通過光照射而改變的材料。
16.根據(jù)權利要求15所述的半導體器件，其中所述有機化合物層包含其電導率通過激光照射而改變的材料。
17.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，還包括電源電路、時鐘發(fā)生電路、數(shù)據(jù)解調(diào)/調(diào)制電路和接口電路中的至少一個。
18.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述存儲元件設置在玻璃襯底上。
19.根據(jù)權利要求1或5所述的半導體器件，其中所述存儲元件設置在柔性襯底上。
20.一種用于驅(qū)動半導體器件的方法，該半導體器件包括沿著第一方向延伸的位線；沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線；設置在位線和字線的交叉部位的存儲單元；和設置在該存儲單元中的存儲元件，其中該存儲元件包括設置在位線和字線之間的有機化合物層，所述方法包括以下步驟通過在位線和字線之間施加電壓以改變該存儲元件的電阻來寫入數(shù)據(jù)，通過在位線和字線之間施加電壓以讀取該存儲元件的電阻來讀取數(shù)據(jù)。
21.一種用于驅(qū)動半導體器件的方法，該半導體器件包括沿著第一方向延伸的位線；沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線；和與位線和字線連接的存儲單元，其中該存儲單元包括晶體管和與該晶體管電連接的存儲元件，其中該存儲元件包括設置在一對導電層之間的有機化合物層，所述方法包括以下步驟通過在所述一對導電層之間施加電壓以改變該存儲元件的電阻來寫入數(shù)據(jù)，并且通過在所述一對導電層之間施加電壓以讀取該存儲元件的電阻來讀取數(shù)據(jù)。
22.根據(jù)權利要求20或21所述的方法，其中向所述存儲元件寫入數(shù)據(jù)是通過不可逆轉地改變電阻來執(zhí)行的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導體器件，其包括存儲器，該存儲器具有包括多個存儲單元的存儲單元陣列；控制該存儲器的控制電路；和天線，其中存儲單元陣列具有多個沿著第一方向延伸的位線和多個沿著不同于第一方向的第二方向延伸的字線，該多個存儲單元中的每一個具有設置在位線和字線之間的有機化合物層。通過向該有機化合物層施加光學作用或電學作用來寫入數(shù)據(jù)。
文檔編號G06K19/077GK101044623SQ20058003561
公開日2007年9月26日 申請日期2005年10月12日 優(yōu)先權日2004年10月18日
發(fā)明者野村亮二, 安部寬子, 巖城裕司, 山崎舜平 申請人:株式會社半導體能源研究所