專利名稱：一種超低功耗有機阻變存儲器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機電子學(xué)和CMOS混合集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超低功耗有機阻變存儲器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路和計算機系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，功耗問題也日益突出。存儲器作為電路和系統(tǒng)中必不可少的一個組成部分，其功耗在設(shè)計中的地位已變得越來越重要。目前市場上的非揮發(fā)性存儲器主要以閃存(flash memory)為主,但隨著集成電路的技術(shù)節(jié)點不斷向前推進，閃存技術(shù)將達到其物理極限而無法滿足電子器件微型化和低功耗的需求。 因此，近年來以阻變存儲器為代表的新一代存儲技術(shù)已成為倍受關(guān)注的研究熱點。阻變存儲器(Resistive Random Access Memory,簡稱RRAM)是一種全新的非揮發(fā)型存儲器件，阻變存儲器的存儲單元一般為金屬/功能薄膜層/金屬三層結(jié)構(gòu)，稱三明治結(jié)構(gòu)。其基本原理在于，材料的電阻在外加電壓或電流的激勵下可在高阻態(tài)(“O”狀態(tài)) 和低阻態(tài)(“I”狀態(tài))之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(存“O”或存“I”)的功能。 同傳統(tǒng)flash相比，阻變存儲器具有結(jié)構(gòu)和制備工藝簡單、速度快等優(yōu)點。同時，阻變存儲器由于簡單的單元結(jié)構(gòu)，可以采用交叉陣列結(jié)構(gòu)制備成存儲陣列。這種交叉陣列結(jié)構(gòu)工藝簡單、密度高、并具有較好的等比縮小能力，體現(xiàn)了制備多層重疊交叉陣列和三維集成的潛力。另外，在RRAM中還存在多電平電阻轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，可以利用多個電阻狀態(tài)存儲多個信息，在不改變存儲單元體積的條件下實現(xiàn)更多信息的存儲?；谟袡C材料制備的有機阻變存儲器除具有上述特點外，還具備柔韌可彎曲等優(yōu)點，另外有機材料一般可降解，有利于環(huán)境保護和避免電子污染。有機阻變存儲器可廣泛應(yīng)用在RF電子標(biāo)簽、電子書(e-paper)等柔性電子系統(tǒng)中。為了解決功耗問題，目前已有基于無機材料實現(xiàn)低功耗的阻變存儲器的報道。但卻從未見到關(guān)于有機阻變存儲器實現(xiàn)超低功耗的報道，高功耗在很大程度上阻礙了有機阻變存儲器的發(fā)展和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種基于單一有機材料實現(xiàn)超低功耗并且與CMOS標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝相兼容的有機阻變存儲器件及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種超低功耗有機阻變存儲器件，制備在硅基或其他類型襯底上，器件單元為MIM 電容結(jié)構(gòu)，該MM結(jié)構(gòu)的底層為金屬或非金屬導(dǎo)電薄膜等惰性電極，頂層為金屬Al等活性電極，中間功能層為二次或二次以上淀積生長的聚對二甲苯聚合物膜。本發(fā)明將多次淀積生成的聚對二甲苯聚合物膜作為功能層，實現(xiàn)存儲器的編程電流小于0. 5uA，存儲器的擦除電流降至IOnA左右或更低，真正實現(xiàn)有機阻變存儲器的超低功耗操作。所述頂層電極為金屬Al、Cu或Ag等活性電極，電極厚度在IOOnm和400nm之間。
所述聚對二甲苯聚合物為C型聚對二甲苯、N型聚對二甲苯或D型聚對二甲苯。利用聚合物(Polymer)化學(xué)氣相沉積CVD(Chemical Vapor Deposition)技術(shù)二次或二次以上淀積制備，總厚度在30和60nm之間。所述底層電極為金屬Pt、W等惰性電極或氧化錫銦(ITO)、聚乙撐二氧噻吩 (PEDOT)等非金屬導(dǎo)電電極，厚度范圍在IOOnm和400nm之間。一種超低功耗有機阻變存儲器的制備方法，其步驟包括I)在硅基片上濺射惰性金屬或其他非金屬導(dǎo)電薄膜，光刻，定義底層電極；2)在底層電極上分采用聚合物(Polymer)化學(xué)氣相沉積CVD (Chemical Vapor Deposition)技術(shù)二次或二次以上淀積聚對二甲苯聚合物薄膜,作為中間功能層；3)在有機功能層上濺射活性金屬薄膜，光刻、剝離定義頂層電極。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是I)本發(fā)明使用有機阻變材料取代了傳統(tǒng)的無機阻變材料，是適應(yīng)未來發(fā)展的綠色環(huán)保器件。2)本發(fā)明采用同一種材料通過多次墊積制備超低功耗有機阻變存儲器，制備過程簡單，幾乎不涉及高溫工藝，易于大面積化，降低了能耗，節(jié)省了制備時間，而且與現(xiàn)有工藝具有良好的兼容性?？山档驮O(shè)備成本和工藝成本，從而降低器件的制備成本。3)本發(fā)明所制備出的超低功耗有機阻變存儲器的編程和擦除電流都很小，比單次淀積聚對二甲苯薄膜制備的有機阻變存儲器操作電流低出5-6個數(shù)量級，真正的實現(xiàn)超低功耗。同時保證器件的電流開關(guān)比高于104。4)本發(fā)明制備的有機阻變存儲器漏電流很小(納安量級)，可減小存儲器集成陣列中的潛行電流(sneak current),提高電路的可靠性。本發(fā)明在未來的低壓低功耗存儲器和嵌入式系統(tǒng)方面具有較大的應(yīng)用前景。


圖I-圖5為本發(fā)明實施例超低功耗有機阻變存儲器的工藝流程圖；圖中，I-娃襯底；2-底層電極；3-第一層C型聚對二甲苯(Parylene-C)薄膜； 4-第二層C型聚對二甲苯薄膜；5-通孔；6_頂層電極；7_引出電極；圖6為本發(fā)明超低功耗有機阻變存儲器的阻變特性測試結(jié)果。圖中，I-器件在正向電壓的激勵下由高阻態(tài)向低阻態(tài)的躍變過程，即編程過程； 2-低阻態(tài)保持過程；3-器件在反向電壓的激勵下由低阻態(tài)向高阻態(tài)的躍變過程，即擦除過程；4-高阻態(tài)保持過程。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述本發(fā)明制備超低功耗有機阻變存儲器的工藝流程如圖I-圖5所示，I)利用物理氣相淀積(PVD)方法或其它集成電路(IC)工藝中的成膜方法在硅襯底I上形成金屬Pt薄膜，厚度在IOOnm和400nm之間，并采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)使其電極圖形化制備出底層電極2，如圖I所示；2)利用Polymer CVD技術(shù)生長第一層C型聚對二甲苯(Parylene-C)薄膜3,如圖2所示。接著，在第一層C型聚對二甲苯上采用相同方法再次淀積一層C型聚對二甲苯薄膜
4,如圖3所示。淀積采用聚對二甲苯Polymer CVD設(shè)備,工藝選用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),兩層薄膜總厚度約30-60nm。3)利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)圖形化后，采用RIE刻蝕定義底層電極引出通孔5，如圖4所示。4)利用物理汽相淀積的方法派射金屬Al薄膜,厚度在IOOnm和400nm之間,通過常規(guī)工藝的光刻、剝離定義頂層電極6，同時形成底電極的引出電極7。由此，獲得了兩次淀積有機功能層制備的超低功耗有機阻變存儲器，如圖5所示。本實施例制得的超低功耗有機阻變存儲器的阻變特性測試結(jié)果如圖6所示。由圖 6可知，隨著頂層電極的電壓改變(底層電極接地)，位于兩電極之間的功能層的阻值會發(fā)生高阻和低阻之間的轉(zhuǎn)變，即存儲器“0”，“I”兩個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。而且本發(fā)明所制備出的有機阻變存儲器的編程和擦除電流都很低(編程電流小于O. 5uA，擦除電流約為ΙΟηΑ)， 比單次淀積聚對二甲苯薄膜制備的有機阻變存儲器操作電流要低出5-6個數(shù)量級，真正的實現(xiàn)超低功耗。同時保證器件的電流開關(guān)比高于104，體現(xiàn)了較大的阻變窗口。雖然本說明書通過具體的實施例詳細描述了本發(fā)明的阻變存儲器的材料，結(jié)構(gòu)及其制備方法，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的實現(xiàn)方式不限于實施例的描述范圍，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)和精神范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明進行各種修改和替換，例如中間層功能層C型聚對二甲苯(Parylene-C)薄膜材料可以換成N型聚對二甲苯(Parylene-N)薄膜或D型聚對二甲苯(Parylene-D)薄膜，并且可以采用二次以上淀積完成。另外，硅基片也可改為柔性襯底,制備出超低功耗柔性有機阻變存儲器。
權(quán)利要求
1.一種超低功耗有機阻變存儲器件，制備在襯底上，其特征在于，器件單元為M頂電容結(jié)構(gòu)，該MIM結(jié)構(gòu)的底層為金屬或非金屬導(dǎo)電惰性電極，頂層為金屬活性電極，中間功能層為二次或二次以上淀積生長的聚對二甲苯聚合物膜。
2.如權(quán)利要求I所述的超低功耗有機阻變存儲器件，其特征在于，所述頂層電極為金屬Al、Cu或Ag,厚度范圍在IOOnm和400nm之間。
3.如權(quán)利要求I所述的超低功耗有機阻變存儲器件，其特征在于，所述聚對二甲苯聚合物膜為聚對二甲苯C型、聚對二甲苯N型或聚對二甲苯D型，厚度范圍在30和60nm之間。
4.如權(quán)利要求I所述的超低功耗有機阻變存儲器件，其特征在于，所述底層電極為金屬Pt、W、氧化錫銦或聚乙撐二氧噻吩，厚度范圍在IOOnm和400nm之間。
5.如權(quán)利要求I所述的超低功耗有機阻變存儲器件，其特征在于，襯底為硅基片或柔性材料襯底。
6.一種超低功耗有機阻變存儲器件的制備方法，其步驟包括1)在硅基片上濺射惰性金屬或其他非金屬材料，光刻，定義底層電極；2)在底層電極上利用聚合物化學(xué)氣相沉積CVD二次或二次以上淀積聚對二甲苯聚合物，作為中間功能層；3)在上述有機功能層上濺射活性金屬材料，光刻、剝離定義頂層電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超低功耗有機阻變存儲器件及其制備方法，屬于屬于有機電子學(xué)和CMOS混合集成電路技術(shù)領(lǐng)域。該器件制備在襯底上，器件單元為MIM電容結(jié)構(gòu)，該MIM結(jié)構(gòu)的底層為金屬或非金屬導(dǎo)電薄膜等惰性電極，頂層為金屬Al等活性電極，中間功能層為多次淀積生長的聚對二甲苯聚合物膜。本發(fā)明由于采用了多次淀積生長的聚對二甲苯聚合物膜作為功能層，存儲器的編程電流小于0.5uA，存儲器的擦除電流降至10nA左右或更低，實現(xiàn)有機阻變存儲器的超低功耗操作。
文檔編號H01L51/00GK102610755SQ20121008220
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者唐昱, 張興, 白文亮, 蔡一茂, 黃如 申請人:北京大學(xué)