堆叠有机存储器件及其操作与制备方法

专利名称：堆叠有机存储器件及其操作与制备方法
技术领域：
本发明一般涉及有机存储器件，尤其是含有有机半导体的多层有机存储器件。
背景技术：
计算机及电子器件的数量、使用范围及复杂性持续地增加。计算机的功能变得越来越强大，新的改进的电子器件不断发展(例如数字音频播放器、视频播放器)。此外，数字媒体(例如数字音频、视频、图像等)的成长及使用进一步推动了这些器件的发展。这些成长及发展极大地增加了计算机及电子器件所需存储及维持的信息量。
存储器件通常包含存储器单元阵列。每个存储器单元可以存取或“读取”、“写入”及“擦除”信息。存储器单元以“关闭”或“激活”状态(例如限制在2个状态)而维持资料，亦称为“0”或“1”。通常，存储器件寻址以取回特定数目的字节(例如每个字节8个存储器单元)。对于易失性存储器件，存储器单元必须周期性地“刷新”以维持本身的状态。这类存储器件通常由执行这些各种功能以及能够切换及维持这两种状态的半导体器件制成。这些器件通常采用无机固态技术制备，如晶体硅器件。存储器件通常采用的半导体器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effecttransistor，MOSFET)。
由于对信息存储的需求不断增加，存储器件开发商及制造商一直致力于增加存储器件的存储容量(例如增加每片芯片的存储容量)。一个邮票大小的硅片可以含有数千万个晶体管，每个晶体管只有几百纳米大小。然而，硅基器件正在接近其基本物理尺寸的极限。无机固态器件通常受到复杂体系结构的阻碍，这种复杂体系结构导致高成本及数据存储密度的损失。为了维持存储的信息，必须持续性地给基于无机半导体材料的易失性半导体存储器件供应电流，导致受热及高电能耗损。非易失性半导体器件数据处理速度降低，能量消耗和复杂度相对较高。
此外，当无机固态器件的尺寸减小而集成度增加时，对于对准偏差的敏感度将增加，造成制备明显地变难。形成具有较小最小尺寸的特征并不表示该最小尺寸可用来制备可工作的电路。因此必须具有远小于较小最小尺寸的对准偏差，例如，最小尺寸的四分之一。
按比例缩小无机固态器件的尺寸引发掺杂物扩散长度的争议。当尺寸减小时，硅中的掺杂物扩散长度给过程设计造成困难。关于这一点，已做过很多调整以减小掺杂物迁移率及减少在高温下的时间。然而，尚不清楚这些调整是否可以无限制地持续下去。再者，给半导体结(junction)施加电压(在反向偏压方向上)会在结的周围产生耗尽区。耗尽区宽度依赖于半导体的掺杂程度。如果耗尽区扩展以至于接触到另一个耗尽区，则可能造成穿透或失控的电流流动。
较高的掺杂程度易于将避免穿通所需的间隔最小化。然而，如果单位距离的电压变化较大，会产生更多的困难，因为单位距离的电压变化较大意味着电场值较大。穿过如此陡峭梯度的电子可能被加速到明显高于最小导带能的能级。这样的电子是热电子，可以足够地活跃而穿过绝缘层，导致半导体器件不可逆的退化。
按比例缩小和集成使单片半导体衬底中的隔离更具挑战。在某些情况下，器件横向间的相互隔离尤其困难。另一个难点是漏电流按比例减小。还有一个难点是由载流子(carriers)在衬底内的扩散引起的；即自由载流子可以扩散超过数十微米并中和存储的电荷。因此，对于无机存储器件来说，进一步缩小器件以及增加密度可能会受到限制。此外，对于无机非易失性存储器件来说，在减小器件的同时要达到增长的性能要求是特别困难的，尤其是要维持低成本时。

发明内容
下面是本发明的概述，以提供对本发明某些方面的基本了解。本概述并非意在限定本发明的重点/关键要素或描述本发明的范围。其唯一的目的在于以简单的形式呈现本发明的一些概念，以作为之后详细描述的前奏。
本发明涉及制备多层有机半导体存储器件的系统及方法。给出了能够在与该结构相关的有机材料中存储信息的多层有机存储器结构。所述存储器结构包含上电极及下电极、有机材料及与其中一个电极相关的钝化层。所述有机存储器结构可以垂直排列而形成，其中在两个或以上的有机存储器结构之间形成或构建分隔组件(partitioningcomponent)，以便堆叠(stacking)多个类似配置的存储器结构或单元。此外，多个垂直排列的堆叠(stack)可以并行地形成以便制备高密度存储器件，所述高密度存储器件具有多层垂直排列的存储器单元，并且对各个单元提供高速并行存取。依照此种方式，可以实质性地改善存储器件的使用、密度及封装。
分隔组件可以包含诸如薄膜二极管或薄膜晶体管的器件，例如，在各个堆叠的存储器结构、器件或单元的层间形成受电压/电流控制的隔离势垒(isolation barrier)。存储器单元通过对分隔组件施加临界电压(例如正向二极管电压、反向齐纳崩溃电压)以及对堆叠存储器结构内的下部钝化层及导电层施加电压而激活，其中位可以以0、1或其它阻抗状态的形式存储在所选择的部位或存储器结构。
所述存储器结构及相关的存储器单元可以用来提供多单元及多层有机存储器件，该器件使用能方便电荷(例如电子、空穴)迁移的有机导体。本发明提供具有至少一个或以上下列特征的有机存储器件相对于无机存储器件较小的尺寸、能存储多位信息、较短的电阻/阻抗切换时间、工作电压低、成本低、可靠性高、寿命长(数千/数百万的周期)、具有三维封装的能力、相关的低温制备、重量轻、高密度/集成度及扩充的存储器保留。
为了达到前文及相关的目标，本发明包括了在下文中充分说明及在权利要求中特别指出的特征。下面的说明及附图详细阐明了本发明某些示例性的方面及实施。然而，这些说明及附图仅表示本发明的原理可以使用的各种方式中的一小部分。当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优点及新颖性将从本发明下面详细的描述中变得显而易见。


图1为描述依据本发明的一个方面的多存储器层及存储器单元存储及存取的示意性方块图。
图2为描述依据本发明的一个方面的基本的有机存储器及分隔组件层的示意图。
图3为依据本发明的一个方面的层状有机存储器件的局部剖视图。
图4为描述依据本发明的一个方面的堆叠存储器件的示意图。
图5描述了依据本发明的一个方面之的另一个堆叠存储器件。
图6为流程图，相关结构描述了依据本发明的一个方面制备多层存储器件的部分过程。
图7为流程图，相关结构描述了图6所描述的依据本发明的一个方面制备多层存储器结构的过程的后续过程。
图8为流程图，相关结构描述了图7所描述的依据本发明的一个方面制备多单元存储器结构的过程的后续过程。
图9描述了依据本发明的一个方面制备多层存储器结构的支柱方法。
图10为依据本发明的一个方面的有机存储器件的三维示意图。
图11为依据本发明的一个方面的能够用于有机存储器件的钝化层的方块图。
图12为描述依据本发明的一个方面通过化学气相沉积过程形成的有机聚合物层的方块图。
图13为描述依据本发明的一个方面通过化学气相沉积过程形成的另一个有机聚合物层的方块图。
图14为描述依据本发明的一个方面通过化学气相沉积过程形成的又一个有机聚合物层的方块图。
具体实施例方式
本发明提供一种能作为具有多个堆叠的和/或并行的存储器结构的非易失性存储器件的多层有机存储器件。当使用分隔组件在先前形成的单元之上或相关之处堆叠其他存储器单元时，可以用在形成各自的单元的电极之间具有选择性传导介质的两个或两个以上的电极来生成多元及多层有机存储器组件。存储器堆叠可以通过加入另外的由其他分隔组件分离的层膜而形成，其中多层堆叠可以并行形成以提供一个高密度存储器件。所述选择性传导介质在含有一层有机导电层及一个或多个钝化层的存储器结构的不同部位形成。所述选择性传导介质通过施加将所需的阻抗状态编程到存储器单元内的偏压来编程(例如写入)。所需的阻抗状态表示一位或多位信息，并且并不需要持续的供电或刷新循环来维持所需的阻抗状态。该选择性传导介质的阻抗状态通过施加电流并且读取该选择性传导介质的阻抗状态来读取。如同所写入的阻抗状态，读取的阻抗状态表示一位或多位信息。此外，也提供了制备所述有机存储器件/单元的方法、使用所述有机存储器件/单元的方法及诸如计算机的包括所述有机存储器件/单元的器件。
首先参看图1，描述了一个根据本发明的一个方面的高密度有机存储器件10。所述高密度有机存储器件10，亦称为存储器件10，包含1至L个堆叠或垂直排列的存储器结构20至28，L是整数。20至28的各个堆叠包含两层或以上由相关分隔组件分离的有机存储器件。例如，图标20指示的堆叠1包含以图标30至38指示的有机存储器件1至M，具有以图标40至48指示的相关分隔组件1至M，M是整数。同样地，图标24指示的堆叠2包含以图标50至58指示的有机存储器件1至N，具有以图标60至68指示的相关分隔组件1至N，而图标28指示的堆叠L包含以图标70-78指示的有机存储器件1至0，具有以图标80至88指示的相关分隔组件1至0，N和0分别是整数。提供一根或以上的全域存取线90至98来编程及/或读取来自一个或多个堆叠20至28的数据，其中所述全域存取线通常对堆叠提供并行的存储器编程及读取操作。例如，存取线90至98可以提供字符存储器存取(例如来自邻近堆叠的16位)或提供给邻近的(或非邻近的)堆叠20至28其它数量的并行存储器单元存取。
为了说明存储器件10的操作，现在讨论图标20指示的堆叠1。通常，例如要编程有机存储器件30，在所述器件的电极(下文中说明及描述的电极)之间施加从正到负的编程电压，而所述编程电压接着相对于所述电极反向以消除或反向存储在下文中描述的有机存储器件的有机材料中的所述编程信息。因此，用于分隔邻近层的分隔组件40在编程和/或存取有机存储器件30时也对各种电压(假设提供了足够的临界电压)做出反应。一个例子是将薄膜二极管(thin-film diode，TFD)作为分隔组件40至48。通过将二极管或其它可控器件，诸如齐纳、发光二极管、晶体管、薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)、可控硅晶闸管(SCR)、单结晶体管(UJT)、场效晶体管等等正向偏置，以便在一个方向编程和/或存取。在反方向上，可以施加偏压使得二极管在诸如齐纳条件下崩溃，以便有机存储器件在反方向编程/存取。能够了解的是，各个分隔组件可以依据各种不同的材料及/或过程而形成，其中可以使用各种临界电压致使分隔组件在正向及反向上导通(例如0.7伏特正向临界电压、-3.2伏特反相临界电压，施加适当的电压到三端切换器件的控制组件上)。
参看图2，依据本发明的一个方面描述了图1描述的基本的有机存储器结构及有机分隔组件结构。有机存储器单元100通常包括数层部分。这些部分包含上电极110、用于存储信息的有机材料114、方便有机材料114存取的钝化层118及和上电极一起来编程、擦除和/或存取有机材料114的下电极或位线122。下面更详细地描述可以由不同材料制备的有机存储器单元100。
如上文所述，依据本发明可以堆叠各种存储器单元100而形成高密度存储器结构，其中可以在存储器件或集成电路(Integrated Circuit，IC)中并行地构建相似的堆叠。为了方便堆叠，可以采用诸如薄膜二极管130作为分离不同层膜及方便其存取的分隔组件。如图所述，薄膜二极管130也可以依据数个层状部分而制备。这些部分包含阴极电极132、有机材料136(例如聚合物薄膜)及阳极电极140。因此，相对于阴极电极132在阳极电极140上施加正向或正的偏压造成电流沿正向流动。在所述偏压的反方向上，电流流动通常被最小化，除非反向偏压增至超过薄膜二极管136的齐纳临界电压。因此，通过控制施加到薄膜二极管130(或诸如晶体管中的控制元件)的正向及反向电压，可以编程及存取相关的有机存储器结构100，而另一方面，薄膜二极管130隔离/分离有机存储器结构100的各层膜以方便这种结构的堆叠并因此增加存储器件密度。
需要了解的是，虽然有机存储器结构100及薄膜二极管130中给出了各种示例性的层膜，但依据本发明还可以形成和/或提供其它层膜。例如，这些层膜可以包含层间介质(Inter Layer Delectrics，ILD)、阻挡层、涂层及/或层膜/其它组件的组合，它们一起依据本发明形成下文中将更详细描述的包含不同层膜及/或元件的存储器结构及/或分隔组件。作为分层存储器概念的一个例子，图3依据本发明的一个方面给出了能与其它相似存储器堆叠(未显示)堆叠和/或排列在一起的单个单元存储器件200(也称为存储器件200)的局部剖视图。所述存储器件200可以包含诸如层膜214及层膜216的不同介电层，其中所述层膜也称为层间介质。所述层膜214及216可以是半导体材料及/或任何具有介电性能的材料。在层膜216内形成一个具有阻挡层224的较低电极220，所述阻挡层减弱较低电极220向邻近层膜228的扩散。在较低电极220之上形成钝化层230。较低电极220及相关的钝化层(一层或多层)230一起作为在此描述的存储器件200的公用激活或存取组件。
在加入钝化层230之后，介电层214加于层膜216之上，然后在层膜214内生成有机半导体材料234(例如聚合物)。导电电极244形成在有机材料234(也可以包含在上电极及有机材料之间的阻挡层)之上，由此在有机材料234的垂直方向(Y+及Y-方向)上生成一个存储器单元。因此，如果在电极244及电极220之间施加适当的电压，存储状态(例如1、0、其它阻抗状态)就可以存储在(或读取白)有机材料234中的存储器单元中。
如上文所述，多个所述存储器件200可以依据集成电路存储器件(例如1兆位、2兆位、8兆位存储单元等等，作为非易失性存储器集成电路)而制备。此外，依据本发明，可以提供诸如层膜228内由图标258指示的公共字线来存储、擦除、读取及写入多个多单元结构(例如8/16字节/字符组擦除、读取、写入)。要注意的是所述存储器件200可以与其他存储器件垂直向或纵向堆叠，而其它堆叠也可以类似地构建，这将在下文中作更详细的描述。存储器件200示意了一种依据本发明的为了方便堆叠的镶嵌通孔方法，这将在下文中参考图4作更详细的描述。或者，可以采用图5中所描述的柱状或层状方法，其中，依据本发明，每层膜基本上都由下至上堆叠或构建，随后蚀刻而形成垂直的存储器结构或纵列。如上文所述，各个分隔组件用来分隔堆叠在先前形成的垂直结构或纵列之上的后续的存储器件。
图4是依据本发明的一个方面的堆叠存储器件300的示意图。所述堆叠存储器件300描述了两个垂直的纵列310及314，其中每个纵列包含两层有机存储器单元。需要注意的是，所述堆叠存储器件300仅仅示意性地给出了两个纵列及层膜，然而，如上参照图1可以有多个这样的纵列及/或层膜(层膜数并不需要匹配纵列数)。另外要注意的是可以使用图4所描述材料的替换材料来生成所述堆叠存储器件300，这将在下文中做更详细的描述。
堆叠存储器件300可以依据镶嵌/通孔方法构建，这将参照图6至8作更详细的描述。
下列的讨论涉及垂直纵列310，并且类似地可以应用于垂直纵列314。垂直纵列314包含具有位于其上的Cu2-xSy钝化层(其中铜处在非化学当量氧化状态1.8≤x≤2.0)的铜线320(例如全域存取线)。聚合物层328和上电极332在钝化层324之上形成，接着在开始构建后续的存储器层之前生成位于上电极332之上的薄膜二极管(TFD)336(如上文所述，薄膜晶体管可以有数层)。在所述薄膜二极管336形成之后，构建具有铜线340、钝化层342、聚合物层346及上电极348的另一个存储器结构，随后形成后续的薄膜二极管350及铜层352。在314处的垂直纵列由组件360至380类似地构建。
图5示意了依据本发明的一个方面的另一种堆叠存储器件400。类似于上述存储器件300，堆叠存储器件400描述了两个垂直的纵列410及414，其中每个纵列包含两层有机存储器单元。如上文所述，需要注意所述堆叠存储器件400也仅仅示意性地给出了两个纵列及层膜，然而，如上参照图1可以有多个这样的纵列及/或层膜(层膜数目不需要匹配纵列数)。另外需要注意的是可以使用图5中所描述材料的替换材料来生成所述堆叠存储器件400，这将在下文中作更详细的描述。
堆叠存储器件400可以依据支柱(pillar)方法构建，该方法首先生成多层膜，接着从层膜中蚀刻出支柱纵列，这将参照图9作更详细的描述。下列的讨论涉及垂直纵列410，并且可以类似地应用于垂直纵列414。垂直纵列414包含具有位于其上的Cu2-xSy钝化层424的铜线420(例如全域存取线)。聚合物层428和上电极432在钝化层424之上形成，接着在开始构建后续的存储器层之前生成位于上电极432之上的薄膜二极(TFD)436(如上文所述，薄膜二极管可以有数层)。在所述薄膜二极管436形成之后，构建具有铜线440、钝化层442、聚合物层446及上电极448的另一个存储器结构，随后形成后续的薄膜二极管450及铜线层452。在414处的垂直纵列由组件462至480而类似地构建。
要注意的是存储器件400示意的支柱方法可能包含在垂直纵列(例如纵列410及414)形成之前生成多个层膜(例如铜、钝化层、聚合物、电极、薄膜二极管、铜、钝化层、聚合物、电极、薄膜二极管等等)，随后从先前的层膜中蚀刻出垂直纵列。或者，可以形成一小套层膜(例如铜、钝化层、聚合物、电极、薄膜二极管)，随后在这一小套层膜中形成垂直纵列，接着在已存在的垂直纵列之上形成另一小套层膜，接着在随后的这一小套层膜中形成其他的垂直纵列。将会了解的是，可以重复使用依据本发明所使用的工艺来增加存储器件密度。
图6至9描述了依据本发明为多单元存储器制备提供方便的器件及相关方法。出于简单说明的目的，虽然所述方法以一系列的步骤来展现及描述，应该了解本发明并非限于所示步骤的顺序，因为，依据本发明，某些步骤可能以不同的顺序和/或与在此展现及描述的其它步骤同时发生。例如，本领域的技术人员会了解一种方法可以用诸如状态图中的一系列相关的状态或事件来表示。再者，依据本发明，实现一种方法并非需要所有说明的步骤。
参照图6，图500描述了依据本发明用于制备一个多层存储器件510的部分工艺过程。需要注意的是，出于简化的目的，图6至8描述了单一存储器单元的构建，然而，如上文所述，可以按需要重复使用下列的过程以形成一个或以上具有多个存储器单元的垂直结构。在继续描述过程500及相关的结构510之前，应该注意的是描述的材料及工艺步骤是示例性的。然而，要意识到的是本发明并非仅限于此。因此，依据本发明能采用的多种可替换的材料及/或化合物将在下文中作更详细的描述。继续至步骤514，具有相关阻挡层的一根铜位线或下电极依据已熟知的单或双镶嵌工艺形成。所述位线示意于结构510的16处，所述阻挡层示意于结构510的518处，它们形成于层间介质层520内。采用阻挡层518以减轻铜或其它导电材料扩散到其它层中(未显示)。例如，阻挡层518可以是低K扩散阻挡。可以使用诸如钴、铬、镍、钯、钽、氮化硅钽、钛、氮化钛、氮化硅、氮化钨及氮化硅钨之类的阻挡层材料。在步骤524处，诸如Cu2-xSy的一层钝化层可以形成在位线516之上。所述钝化层示意于结构510的526处。在步骤530处，一个通孔或其它类型的开口534形成于位于所述钝化层526之上的层间介质层538内。所述通孔534可以采用平版印刷蚀刻技术及/或其它工艺以除去层间介质层538的有关部分而形成。
图7示意了图6所描述的依据本发明的一个方面制备多层存储器结构的步骤的后续步骤。继续至步骤550，通孔534的全部或部分被填充了诸如聚合物的有机材料沉积物，当然，也可以使用其它的有机材料，这将在下文中描述。所述有机材料或化合物示意于552处。在步骤556处，一个具有相关阻挡层的电极560通过单镶嵌或双镶嵌工艺而形成于有机材料552之上。
图8描述了图7所描述的依据本发明的一个方面制备多层存储器结构的步骤的后续步骤。继续至步骤570，一个薄膜二极管574形成于电极560之上。如上所述，该薄膜二极管574也以由包含有机半导体材料的数层膜而组成。在步骤580处，在垂直方向(Y+)上生成后续的存储器层，以形成具有多个存储区域或单元的纵列。能够了解的是，可以同时生成多个类似的纵列以形成一个并行的存储器结构，其中各个纵列都具有多个存储区域或单元。
图9示意了依据本发明的一个方面的另一个多单元存储器结构600。应该注意的是，为了简便，图9说明了如何制备存储器单元的一单层，然而，如上所述，可以依照所需重复上述过程以形成具有多个存储器单元的一个或以上的垂直结构。在说明图9所描述的过程之前，应该要注意，所描述的材料和工艺步骤仅仅是示例性的。然而，应该了解的是本发明并非仅限于此。因此，将于下文中更详细地描述依据本发明能够使用的多种另外的材料及/或化合物。
在600处，可编程的导电聚合物610旋涂在铜位线612之上，该铜位线612暴露于先前在614处说明的Cu2S，层膜610至614整体的厚度大约是300Δ至5000Δ。接着在聚合物610之上沉积上电极616。薄膜二极管层618随后沉积在上电极616之上。之后也可以沉积一层抗反射涂层(antireflective coating，ARC)(未显示)以改善其反射性。需要注意的是，虽然600处仅示意了一个堆叠，但是在蚀刻各个垂直支柱或纵列之前可以形成后续的堆叠。或者，堆叠600可以具有如下所述的垂直的纵列或支柱，然后形成后续的堆叠并随后蚀刻出垂直的支柱或存储器结构等等。
在620处，旋涂一层光刻胶并以合适的波长曝光。接着显影光刻胶并去除曝光的部分。在624处，蚀刻所述堆叠以除去抗反射涂层(若有使用的话)、薄膜二极管618、上电极616及可编程聚合物610，大约要用3至4级蚀刻步骤。可以设计蚀刻工艺以便在聚合物蚀刻期间去除光刻胶。因此，通常不需要灰化(ash)过程。如果需要较厚的光刻胶，则可以分解蚀刻过程使得抗反射涂层用O2+CHF3来蚀刻。然后用干法蚀刻工艺剥离晶片的光刻胶。接着继续蚀刻薄膜二极管、上电极及聚合物。例如，可以用O2/N2+CO及/或N2/H2来蚀刻聚合物。
在630处，接着沉积电介质填充于存储器单元之间(在各个支柱之间)，厚度大于通孔及字线的高度(大于总和)。所述电介质可以包含低沉积速率的保形电介质和随后的高沉积速率的电介质沉积两个部分。沉积可以是化学气相沉积或旋涂。在640处，电介质磨平到薄膜二极管618的表面，接着形成字线642。如果需要的话，依据本发明可以重复上述步骤，以生成多个堆叠存储器单元。
图10至14示意了依据本发明的一个方面可以使用的另外的材料及过程。因此，将依据本发明其它方面更详细地描述先前已描述过的诸如电极、导电材料、钝化层、有机材料/层膜的组件及其制备过程。
参考图10，描述了依据本发明的一个方面的有机存储器件700的三维图。所述存储器件包含第一电极704、有机聚合物层706、钝化层708及第二电极710。该图也显示了连接到第一电极704及第二电极710的电压源702，施加电压到第一电极704及第二电极710。为了说明的目的，仅描述第一电极。然而，需要了解的是，如前所述，多单元有机存储器可以具有与第一电极704相似性质的多个电极。
第一电极704(或多重第一电极)及第二电极710包括诸如铜、铜合金或银合金的导电材料。其它材料可以是铝、铬、锗、金、镁、锰、铟、铁、镍、钯、铂、钛、锌、其合金、铟-锡氧化物、多晶硅、掺杂的非晶硅、金属硅化物等等。可以用于该导电材料的示例性的合金包含铜-银合金、铜-锌合金。其它材料可以是Hastelloy、Kovar、Invar、Monel、Inconel、黄铜、不锈钢、镁-银合金及各种其它合金。
第一电极704及第二电极710的厚度可以据实施及要制备的存储器件而变。然而，一些示例性的厚度范围包含大约0.01微米或以上及大约10微米或以下、大约0.05微米或以上及大约5微米或以下，和/或大约0.1微米或以上及大约1微米或以下。
有机层706及钝化层708一起合称为选择性的导电介质或选择性的导电层。该介质的导电性质(例如导电、不导电、半导电)可以通过电极704及710横跨该介质施加各种电压来可控地改变。
有机层706由共轭的(conjugated)有机材料组成。如果有机层是聚合物，其共轭有机聚合物的聚合物主干可以纵向延伸在电极740及710之间(例如通常基本上垂直于内部、面对电极704及710的表面)。该共轭有机分子可以是线性的或分支的使得其主干保持本身共轭的本性。这类共轭分子的特性在于它们具有重叠的π轨道并且可以采取两个或以上的共振结构。选择性导电介质的可控的导电性能来源于所述共轭有机材料的共轭本性。
与此相关，共轭有机材料具有提供及接受电荷(空穴及/或电子)的能力。通常，共轭有机分子具有至少两个相对稳定的氧化一还原状态。这两个相对稳定的状态允许共轭有机聚合物提供及接受电荷并且与促进导电的化合物作电交互作用。
所述有机材料可以是环状的或非环状的。在某些情况下，比如有机聚合物，所述有机材料在形成或沉积期间在电极之间自组装。共轭有机聚合物的例子包含聚乙炔(顺式或反式)；聚苯基乙炔(顺式或反式)；聚二苯基乙炔；聚苯胺；聚(对伸苯乙烯)；聚硫基苯基；聚紫质；紫质巨环、硫醇衍生的聚紫质；诸如聚双环戊二烯基铁、聚花青染料的聚合金属；聚伸乙烯；聚吡咯等等中的一种或一种以上。此外，该有机材料之性质可以藉由掺杂以适当的掺杂物而修正(例如盐类)。
有机层706具有依所选择的实施方式及/或制备的存储器件而变的适当的厚度。一些对于有机聚合物层706合适的示例性的厚度范围某是大约0.001微米或以上及大约5微米或以下、大约0.01微米或以上及大约2.5微米或以下与大约0.05微米或以上及大约1微米或以下。
有机层706可以通过许多适当的技术而形成。一种可以采用的合适的技术是旋涂技术，该技术包含沉积该材料及溶剂的混合物，然后从基片/电极中除去溶剂。另一种合适的技术是化学气相沉积(chemicalvapor deposition，CVD)。化学气相沉积包含低压化学气相沉积(lowpressure chemical vapor deposition，LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)及高密度化学气相沉积(high density chemical vapor deposition，HDCVD)。通常不需要功能化有机分子的一个或一个以上的末端以连结该分子到电极/钝化层。在共轭有机聚合物及钝化层708之间可能有化学键结形成。
钝化层708含有至少一种促进导电化合物，该化合物提供选择性导电介质可控的导电性能。所述促进导电化合物能提供及接受电荷(空穴及/或电子)。通常，该促进导电化合物具有至少两个相对稳定的氧化—还原状态。这两个相对稳定的状态允许促进导电化合物提供及接受电荷并且与有机层706作电交互作用。选择所使用的特定的促进导电化合物以使其两个相对稳定的状态与层膜706的共轭有机分子的两个相对稳定的状态相匹配。
当形成有机层706时，钝化层708在某些情况下可以作为催化剂。与此相关，共轭有机分子的主干可以先与钝化层708相邻形成，然后生长或组装成基本上垂直于钝化层表面。因此，共轭有机分子的主干可能在横越两个电极的方向上自对准。
可能构成钝化层708的促进导电化合物的例子包含硫化铜(Cu2-xSy，CuS)、氧化铜(CuO，Cu2O)、氧化锰(MnO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化铟(I3O4)、硫化银(Ag2-xS2，AgS)、银-铜-硫化物络合物(AgyCu2-xS2)、硫化金(Au2S，AuS)、硫酸铈(Ce(SO4)2))、过硫酸铵((NH4)2S2O8)、氧化铁(Fe3O4)、锂的络合物(LixTiS2，LixTiSe2，LixNbSe3，LixNb3Se3)、钯的氢化物(HxPd)(其中选择x及y以产生所需的性能)等等中的一个或以上。所述钝化层708可以使用氧化技术生长，通过气相反应形成，或在电极之间沉积。
钝化层708具有依所选择的实施方式及/或制备的存储器件而变的适当的厚度。钝化层708的合适厚度举例如下大约2Δ或以上及大约0.1微米或以下的厚度、大约10Δ或以上及大约0.01微米或以下的厚度与大约50Δ或以上及大约0.005微米或以下的厚度。
为了方便有机存储器件的操作，有机层706通常比钝化层708厚。一方面，有机层的厚度比钝化层的厚度厚大约0.1到500倍。需要了解的是依据本发明可以采用其它适当的比例。
有机存储器件，像常规的存储器件一样，可以具有两个状态，导电(低阻抗或“开”)状态或不导电(高阻抗或“关”)状态。然而，与常规的存储器件不同的是，有机存储器件能够具有/维持多个状态，有别于限定于两种状态(例如关或开)的常规的存储器件。有机存储器件可以利用不同程度的导电性以确定额外的状态。例如，有机存储器件可以具有低的阻抗状态，诸如非常高的导电状态(非常低的阻抗状态)、高导电状态(低阻抗状态)、导电状态(中等程度的阻抗状态)及不导电状态(高阻抗状态)，因此能在一个有机存储器单元存储器储多位信息，诸如二位或以上信息或四位或以上信息(例如四个状态提供二位信息、八个状态提供三位信息)。
在典型的器件操作期间，若有机层为n型导体，根据电压源702施加到电极的电压，电子从第二电极710穿过选择性导电介质流到第一电极704。相反地，若有机层706为p型导体，空穴从第一电极704流动到第二电极710，或者，若有机层706既是n型又是p型并且与708及710间有适当的能带匹配时，电子及空穴两者都在有机层内流动。如此，电流通过选择性导电介质从第一电极740流至第二电极710。
切换有机存储器件至特定的状态称为编程或写入。通过电极704及710横跨选择性导电介质施加特定的电压(例如0.9伏特、0.2伏特、0.1伏特...)来实现编程。所述特定的电压，亦称为临界电压，依据各自所需的状态而改变并且通常远大于在正常操作期间所使用的电压。因此，通常对应于各个所需的状态(例如“关”、“开”)都有一个不同的临界电压。所述临界值依许多因素而改变，包括构成有机存储器件的材料特性，各层膜的厚度等等。电压源702在本发明这一方面用于可控地施加临界电压。然而，本发明其它方面可以使用其它方法来施加临界电压。
一般而言，外部激发的存在，诸如施加超过临界值(“开”状态)的电场，允许施加电压从有机存储器单元内写入、读取或擦除信息；而不存在超过临界值(“关”状态)的外部激发则避免施加电压从有机存储器单元内写入或擦除信息。
要从有机存储器件中读取信息，通过电压源702施加电压或电场(例如1伏特、0.5伏特、0.1伏特)。接着，测量阻抗以确定存储器件是处在哪一个操作状态(例如高阻抗、非常低阻抗、低阻抗、中等阻抗等等)。如上所述，该阻抗对于双态器件涉及“开”(例如1)或“关”(例如0)，对于四态器件涉及“00”、“01”、“10”或“11”。需要了解的是，其它状态数目可以提供其它二进制的解释。要擦除写入至有机存储器件的信息，可以施加反向电压或与超过临界值的写入信号的极性相反的极性。
图11是描述依据本发明的一个方面制备钝化层800的方块图。Cu2-xSy层通过气相反应操作而形成。形成包括铜的第一层806。在第一层之上形成第二层804。该第二层包括Cu2-xSy(例如Cu2-xSy、CuS或其混合)，厚度大约为20Δ或以上。在第二层804之上形成第三层802。该第三层802含有Cu2O及/或CuO，并且通常厚度大约为10或以下。需要了解的是，依据本发明的其它方面可以适当地改变成分及厚度，并且仍然符合本发明。
图12是描述依据本发明的一个方面通过化学气相沉积过程生成有机层900的方块图。有机层900通过气相反应过程而形成。通常，有机层900与钝化层及电极接触而形成。有机层900由聚合物聚二苯基亚次乙基(polydiphenylacetylene，DPA)组成。这种聚合物层，如图12所示，制备的厚度大约为65至75。
参照图13，该图描述依据本发明的一个方面通过化学气相沉积过程生成另一有机层1000的方块图。同样地，有机层1000通过气相反应过程而形成。有机层1000与钝化层及电极接触而形成。有机聚合物层1000由聚合物聚苯基亚次乙基(polyphenylacetylene，PPA)组成。参考图14，该图描述依据本发明的一个方面通过旋涂方法形成另一有机层1100的方块图。有机层1100通过旋涂过程而形成，而非气相反应过程。有机层1100与钝化层及电极接触而形成。有机层1100基本上由聚苯基亚次乙基组成并且厚度大约为1000。需要了解的是，依据本发明可以使用图10至14描述的层膜的各种替代及变化。
上文所描述的为本发明的一个或多个方面。当然，为了描述本发明，不可能描述每一个可能想到的组件或方法的组合，但是本领域的技术人员会认识到本发明很多其它的组合及置换是可能的。因此，本发明意在涵括在随附的权利要求精神及范畴之内的所有此类的变更、修正及变化。此外，虽然本发明某个特定的特征可能依据数种实现方式中的一种而被披露，这个特征可以与其它实施方式中的一个或以上的其它特征结合起来，这对于任何给定或特定的应用可能是需要的及具有优势的。再者，用于详细说明及权利要求中的术语“包含”与术语“包括”意思相同。
权利要求
1.一种有机存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)包括相对于彼此以垂直方式排列的至少第一有机存储器结构(30、50、70)和第二有机存储器结构(34、54、74)；以及至少一个控制组件(40、44、48、60、64、68、80、84、88)以分隔所述第一及第二有机存储器结构(30、34、50、54、70、74)，所述至少一个控制组件(40、44、48、60、64、68、80、84、88)能方便所述第一有机存储器结构(30、50、70)及第二有机存储器结构(34、54、74)中的至少一个的存取。
2.如权利要求1所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，还包括一个或以上的垂直纵列(94、310、314、410、414、600)，其中每一个纵列具有至少两个有机存储器结构(30、34、50、54、70、74)。
3.如权利要求1所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述一个或以上的垂直纵列(94、310、314、410、414、600)依据堆叠支柱过程(400、600)而形成。
4.如权利要求1所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述控制组件(40、44、48、60、68、80、84、88)还至少包括二极管、薄膜二极管(TFD)、齐纳二极管、发光二极管(LED)、晶体管、薄膜晶体管(TFT)、可控硅整流器(SiliconControlled Rectifier，SCR)、单结晶体管(Uni Junction Transistor，UFT)及场效晶体管(FET)中的一个。
5.如权利要求4所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述薄膜二极管(40、44、48、130、136、336、332、350、436、432、450、574、618)为具有形成于阴极电极(132)及阳极电极(140)之间的聚合物层(328、346、428、446、706、1000)的有机器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)。
6.如权利要求1所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述第一及第二有机存储器结构还包括第一电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)；形成在所述第一电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)之上的选择性导电介质(706、708)，所述选择性导电介质包括形成在所述第一电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)之上的钝化层(118、230、324、342、424、442、524、526、708、800、900、1000)及形成在所述钝化层(118、230、324、342、424、442、524、526、708、800、900、1000)之上的有机层(706、900、1000、1100)；以及至少一个其他的电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)，形成在所述有机层(706、900、1000、1100)之上并且与第一电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)一起激发有机层(706、900、1000、1100)中的存储器部分。
7.如权利要求6所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，还包括一个或一个以上的全域存取线(90、94、98、420)以方便存取多个有机存储器结构(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)。
8.如权利要求6所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述有机层(706、900、1000、1100)为形成在所述钝化层(118、230、324、342、424、442、524、526、708、800、900、1000)之上的有机聚合物层(328、346、428、446、706、1000)。
9.如权利要求6所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述钝化层(118、230、324、342、424、442、524、526、708、800、900、1000)包含Cu2S(614)。
10.如权利要求6所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述有机层(706、900、1000、1100)为共轭的有机材料(706)。
11.如权利要求6所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，所述有机层(706、900、1000、1100)由包括聚乙炔、聚苯基乙炔、聚二苯基乙炔、聚苯胺、聚(对伸苯乙烯)、聚硫基苯基、聚紫质、紫质巨环、硫醇衍生的聚紫质、聚合金属、聚双环戊二烯基铁、聚花青染料、聚伸乙烯及聚吡咯的组中选择。
12.如权利要求6所述的存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)，至少第一电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)及其它电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)中的一个包括由包括铝、铬、铜、锗、金、镁、锰、铟、铁、镍、钯、铂、银、钛、锌、其合金、铟-锡氧化物、多晶硅、掺杂的非晶硅及金属硅化物的组中所选出的材料。
13.一种制备有机存储器件的方法，包括在基片上形成第一电极；在所述第一电极上形成钝化层(524)；在所述钝化层上形成介电层；在所述介电层内形成通孔(530)；以有机材料填充所述通孔(550)；在所述有机材料上形成至少一个其它的电极(556)；以及在所述至少一个其它的电极上形成切换器件以方便有机存储器结构的堆叠(580)。
14.一种用于制备有机存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)的系统，包括用于形成彼此以垂直的方式(94、310、314、410、414、600)排列的至少两个有机存储器结构(30、34、50、54、70、74)的方法；以及用于分隔所述至少两个有机存储器结构(30、34、50、54、70、74)的方法，所述分隔(40、44、48、60、64、68、80、84、88)方法为存取所述有机存储器结构(30、34、50、54、70、74)提供方便。
全文摘要
本发明提供一种能作为具有多个堆叠的和/或并行的内存结构的非易失性存储器件的多层有机存储器件(10、24、28、34、38、54、58、74、78、100、700、704)。当使用分隔组件(40、44、48、60、64、68、80、84、88)在先前形成的单元之上或相关之处堆叠其他存储器单元时，可以用在形成各自单元的电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)之间具有选择性传导介质(706、708)的两个或两个以上的电极(110、122、132、140、220、244、332、348、432、448、514、560、616、704、710)来生成多元及多层有机存储器组件(30、34、50、54、70、74)介质。存储器堆叠(30、34、50、54、70、74)可以通过加入另外的由其他分隔组件分离的层膜而形成，其中多重堆叠可以并行形成以提供一个高密度的存储器件。
文档编号H01L51/30GK1695203SQ03824963
公开日2005年11月9日 申请日期2003年7月10日 优先权日2002年11月4日
发明者N·H·特里普沙斯, U·奥科罗安亚库, S·K·潘哥洛, M·A·梵巴斯科克 申请人:先进微装置公司