存储装置的制作方法

专利名称：存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及存储元件以及具有该存储元件的半导体装置。
技术背景近年来，具有集成在绝缘表面上的多个电路并具有各种功能的半导体装 置己被开发出来。此外，对于将设置在半导体装置上的天线所接收的电波转 换为电能且利用该电能进行数据收发的半导体装置的开发也正在进行。这种半导体装置被称为无线芯片(也称为ID标签、IC标签、IC芯片、RF (射频) 标签、无线标签、电子标签、或者RFID (射频识别))，并且已被引入一部 分市场。这些已被实用化的半导体装置中的多数包括使用如硅等半导体衬底的 电路(也称为IC (集成电路)芯片)和天线。并且，该IC芯片由存储电路(也 称为存储器)、控制电路等构成。特别地，通过设置能够存储许多数据的存 储电路，就可提供具有更高功能且高附加值的半导体装置。然而，虽然硅衬 底昂贵，但是这些半导体装置被要求以低成本来制造。这是因为像无线芯片 那样的小型半导体装置被期待着与一次性商品差不多的需要的缘故。因此， 近年来，将有机化合物用于控制电路和存储电路等的有机薄膜晶体管(以下， 也称为"有机TFT")、有机存储器等已被积极地开发出来(例如，参照专利文 件l)。[专利文件l]日本专利申请公开2002-26277号公报通过在一对电极之间设置有机化合物层来形成用作有机存储器的存储 部分的存储元件，并且当写入数据时，利用由于电压的施加而发生的诸如电 阻值等电特性的变化。在许多情况下，这种有机化合物层通过气相淀积法形成。在使用气相淀积法而形成的情况下，由于仅使用蒸发了的有机化合物的 一部分，所以材料的利用效率低。而且，不使用的材料也蒸发，因此存在制 造工序中的能耗量大的问题。另外，在通过使用金属掩模的气相淀积法来制作有机存储器的情况下， 需要金属掩模的位置对准工序。因此，因对准的定位不良而产品的成品率降 低。发明内容因此，本发明的目的是简便、廉价且高成品率地提供存储元件。另外， 本发明的目的是提供具有所述存储元件的半导体装置。在本发明中，存储元件至少具有第一导电层、第二导电层、夹在第一导 电层和第二导电层之间的存储层。该存储层由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成，且可以使用湿式法形成。典型地说，可以采用液滴喷射 法或印刷法等，其中更优选使用液滴喷射法来形成存储层。例如，喷射(喷 出)将由被有机薄膜覆盖的导电材料构成的纳米粒子分散在溶剂中的组合物 作为液滴，并进行干燥蒸发该溶剂，来形成存储层。据此，可以提高材料的 利用效率并简便地形成存储元件。此外，由于成品率增高，所以能够廉价地 提供存储元件。注意，覆盖纳米粒子的有机薄膜相当于具有在被喷射的组成物(也称为 喷射材料)中防止纳米粒子的聚集且将粒子稳定分散的功能的分散剂，例如， 由能够与纳米粒子所具有的导电材料形成配价键的物质或表面活性剂等构 成。此外，喷射材料除了包括导电纳米粒子、分散剂、溶剂以外，有时还包 括在制造纳米粒子时使用的物质(例如还原剂)、粘合剂、增塑剂、硅垸耦 合剂等。因此，覆盖纳米粒子的有机薄膜至少由分散剂诸如能够与纳米粒子 所具有的导电材料形成配价键的物质或表面活性剂等构成，并且还可以包括 在制造纳米粒子时使用的物质、粘合剂、增塑剂、硅烷耦合剂等。通过对上述存储元件施加电压，改变存储元件的电特性来写入数据。例 如，电特性包括电阻值。当写入数据时，成对的第一导电层和第二导电层通 过由导电材料构成的纳米粒子的熔接而形成的导电部电连接。也就是说，利 用由第一导电层和第二导电层之间的短路产生的电阻值变化来进行写入。另外，在写入之前的存储元件的第一导电层交替地通过多个由有机薄膜 构成的绝缘膜和多个由纳米粒子中的导电材料构成的导电层连接到第二导 电层。也就是说，第一导电层和第二导电层的关系也可以被描述为通过多层 连接的多个电容元件连接的结构。因此，由电压的施加而进行的写入也可以 被表现为通过破坏所述电容元件而进行的。在此情况下，所述绝缘层具有至 少比所述第三导电层多一层的结构。在本说明书中，写入电压只要是通过对第一导电层和第二导电层之间施 加电压而使存储元件的电特性变化的电压即可，而对此没有特别的限制。在 本说明书中，将这种为了使存储元件的电特性大幅度地变化而需要的外加电 压的最小值记载为写入电压。此外，读取电压是为了读取未写入元件和已写 入元件之间的电特性的差别而使用的外加电压，它只要是不使存储元件的电 特性变化程度的电压即可，而对此没有特别的限制。此外，有时将第一导电层及第二导电层记载为电极。本发明之一是一种存储元件，包括第一导电层；第二导电层；夹在所 述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层，其中，所述存储层包括利用 由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成的部分(也称为第二部 分)、以及所述纳米粒子熔接而形成的导电部(也称为第一部分)，并且，所 述第一导电层和所述第二导电层通过所述导电部电连接。本发明之一是一种存储元件，包括第一导电层；第二导电层；夹在所述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层，其中，所述存储层包括利用 由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成的部分、所述纳米粒子熔 接而形成的导电部、以及形成在该导电部的侧面和所述由纳米粒子构成的部 分之间的空间，并且，所述第一导电层和所述第二导电层通过所述导电部电连接。本发明之一是一种存储元件，包括第一导电层；第二导电层；夹在所 述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层，其中，所述存储层包括利用 由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成的部分、形成在该部分内 侧的空间、以及所述纳米粒子在该空间中熔接而形成的导电部，该导电部用 来将所述第一导电层和所述第二导电层电连接。本发明之一是一种存储元件，包括第一导电层；第二导电层；夹在所 述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层，其中，所述存储层包括利用 由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成的部分、所述纳米粒子熔 接而形成的导电部、以及空间，并且，所述第一导电层和所述第二导电层通 过所述导电部电连接，并且，所述导电部的侧面通过所述空间被所述由纳米 粒子构成的部分围绕。在上述结构中，也可以在存储层与第一导电层及第二导电层中的至少一 方之间提供绝缘层或半导体层。例如，存储层通过液滴喷射法形成。此外，绝缘层及半导体层也可以通 过液滴喷射法形成。在此情况下，优选使用绝缘性有机化合物来形成绝缘层。另外，本发明之一也可以是按矩阵状配置有多个上述存储元件的半导体 装置。而且，该多个存储元件的每一个也可以连接到薄膜晶体管。根据本发明，可以简便且高成品率地制作具有优越的性能和可靠性的存 储元件以及具备该存储元件的半导体装置。因此，可以廉价地提供具有优越 的性能和可靠性的存储元件以及半导体装置。


图l是说明本发明的存储元件的一个结构例子的图； 图2A至C是说明本发明的存储元件的动作机理的图； 图3A和3B是表示写入前后的存储层的俯视图的一个例子的图;图4是表示液滴喷射设备的一个方式的图；图5A至5C是说明本发明的存储元件的一个结构例子的图； 图6A至6C是说明本发明的半导体装置的一个结构例子的图；图7A至7C是说明本发明的半导体装置所具有的存储单元的图；图8A至8C是说明本发明的存储元件的一个结构例子的图；图9A至9C是说明本发明的半导体装置的一个结构例子的图；图10A至10C是说明本发明的半导体装置所具有的存储单元的图；图11A至11D是说明薄膜晶体管的一个方式的图；图12是说明本发明的半导体装置的一个结构例子的图；图13A至13C是说明本发明的半导体装置的一个结构例子的图；图14A和14B是说明本发明的半导体装置的截面的一部分的图；图15A和15B是说明本发明的半导体装置的截面的一部分的图；图16A和16B是说明本发明的半导体装置的图；图17A至17D是说明本发明的芯片状的半导体装置的图；图18A至18F是说明安装有本发明的半导体装置的物品的图；图19是说明安装有本发明的半导体装置的便携式电话的图； 图20是表示根据实施例l制成的存储元件的电压-电流特性的图；图21是表示根据实施例1制成的存储元件的存储层的沿膜厚度方向的切 断面的图；图22是根据实施例1制成的存储元件的截面图； 图23是根据实施例1制成的存储元件的截面图； 图24是本发明的存储元件的模式图；图25A和25B是表示写入之后的存储元件的一个结构的图。 本发明的选择图为图2。
具体实施方式
下面，关于本发明的实施方式及实施例参照附图而说明。但是，所属技 术领域的普通人员可以很容易地理解一个事实就是，本发明不局限于以下的说明，其方式及详细内容可以被变换为各种各样的形式而不脱离本发明的宗 旨及其范围。因此，本发明不应该被解释为仅限定在以下所示的实施方式及 实施例所记载的内容中。注意，在以下说明的本发明的结构中，在不同附图 中有时共同使用表示相同部分的符号。 实施方式l参照图l而说明本发明的存储元件的一个结构例子。图l所示的存储元件包括第一导电层110、第二导电层112、夹在第一导电层110和第二导电层112之间的存储层lll，其中存储层lll利用由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成。图24示出存储元件的模式图，其中附图标记113表示有机薄 膜、114表示由导电材料构成的纳米粒子。如图24所示，第二导电层112设置 在所述第一导电层110上，其中间夹着交替配置有由有机薄膜113构成的绝缘 膜及由导电材料构成的纳米粒子114的区域。换言之，第一导电层110交替地 通过多个由有机薄膜113构成的绝缘膜和由多个纳米粒子114中的导电材料 构成的导电层连接到第二导电层112。由此，第一导电层和第二导电层的关 系也可以被描述为通过多层连接的电容元件连接的结构。首先，参照图2而说明本发明的存储元件的动作机理。图2A表示进行写 入之前的存储元件的截面图，图2B和2C表示进行写入之后的存储元件的俯 视图和截面图。在施加电压之前，即进行写入之前的存储层lll利用由被有 机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成。因此，存储层lll没有导电性， 并且存储元件的电阻值高。当对这种存储元件的第一导电层110和第二导电 层112之间施加电压时，微电流流过存储层lll，从而产生焦耳热。由于该焦 耳热，有机薄膜被分解，由导电材料构成的纳米粒子相互接触而熔接。由此， 存储层lll被低电阻化，最后，如图2C所示，第一导电层110和第二导电层112 通过由熔接而形成的导电部120电连接，从而存储元件成为短路状态。如上 所述，电压施加前后的存储元件的电阻值变化。根据上述动作机理，利用施加电压而产生的存储元件的电阻值变化，来 进行数据写入。另外，形成在写入之后的存储层1U中的导电部120的形状为柱状、锥状或球状。当然，并不局限于如上述描述的形状，只要具有通过导电部120将 第一导电层110和第二导电层112电连接的功能，即可。另外，其截面由于用 导电材料构成的纳米粒子的熔接而形成，因而有时具有不规则形状，而不限 于左右对称的形状。此外，至少一个导电部120被形成在存储层111中，对其 形成位置没有特别限制。此外，空间121被形成在导电部120的周围。因为由有机薄膜的分解和熔 接形成的导电部120的占有区域小于熔接之前的纳米粒子的占有区域，所以 产生空间121。由于产生该空间121，存储层lll本身不收縮，所以第二导电 层112不受应力。因此，第二导电层112不产生变形，第一导电层110和第二 导电层112之间在写入之后也保持一定距离。由此，例如在第二导电层112上 提供其他层等的情况下，不需要担心该其他层的膜剥落等。注意，空间121 的形状大致依赖于导电部120的形状，但取决于用于存储层lll的材料。注意，在存储层111中有可能发生虽然不会使第一导电层110和第二导电 层112电连接，但是与第一导电层110电连接的导电部被形成的情况。因此， 存储层lll除了具有上述结构之外，还可以具有只与第一导电层110电连接的 导电部。此外，根据所述导电部的形成，在纳米粒子的熔接量多的部分的存 储层lll中产生空间。因此，存储层lll还可以在所述导电部的周围具有空间。 当然，对所述导电部及所述空间的形状和数量也没有特别的限制。注意，如图25B所示，导电部120的周围有时不产生空间。因此，写入之 后的存储层lll不必具有空间。另外，如上所述，导电部120的截面有时具有 不规则形状，例如根据纳米粒子的熔接量也可以为如图25A所示那样的导电 部120。图3表示写入前后的存储层111的俯视图的一个例子。图3中的俯视图表 示在存储层lll的沿膜厚度方向的l/2部分的切断面。图3A表示写入之前的存 储层lll，图3B表示写入之后的存储层111。接下来，说明可用于各个层的材料。作为本发明的存储元件的第一导电层110和第二导电层112，可以采用具有单层或叠层结构且导电性高的金属、 合金、化合物等。例如，除了诸如金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、镍(Ni)、钨(W)、铬 (Cr)、钼(Mo)、铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)、钯(Pd)、铝(Al)、锰 (Mn)、钛(Ti)、钽(Ta)等的金属、或者金属材料的氮化物(例如，氮 化钛、氮化钨、氮化钼)以外，还可以举出属于元素周期表的第一族或第二 族的金属，即诸如锂(Li)、铯(Cs)等碱金属，诸如镁(Mg)、钙(Ca)、 锶(Sr)等碱土金属，以及包含任何这些合金(例如，Mg:Ag、 Al:Li)等。 此外，还可以使用诸如铕(Er)、镱(Yb)等稀土金属以及包含这些的合金 等。另夕卜，也可以使用用作透明导电膜的铟锡氧化物(以下，写为ITO)、含 硅的铟锡氧化物、含2 wt。/。至20wty。氧化锌(ZnO)的氧化铟(縮写IZO) 等。注意，第一导电层110通过气相淀积法、溅射法、CVD法、印刷法、电 镀法、无电镀法、旋涂法等形成。第二导电层112通过气相淀积法、溅射法、CVD法、印刷法、旋涂法形成。存储层lll利用由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的纳米粒子构成。该 存储层lll通过液滴喷射法形成。液滴喷射法为通过从细孔喷射含预定的物 质的液滴来形成图案的方法。这里，喷射(喷出)将由被有机薄膜覆盖的导 电材料构成的纳米粒子分散在溶剂中的组合物作为液滴，并进行干燥蒸发该 溶剂，来形成存储层lll。对存储层lll的膜厚度没有特别的限制，但优选为 lnm以上且250nm以下。但是，在使膜的厚度太厚的情况下，当施加电压时， 各存储元件有可能进行不同的动作，所以需要考虑到上述因素而适当地设定 膜厚度。在本发明的存储元件中，通过使存储层lll薄膜化，可以减少写入 电压。作为用于形成纳米粒子的导电材料，使用选自金(Au)、银(Ag)、铂 (Pt)、镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、钽(Ta)、铱(Ir)、铑(Rh)、钨(W)、铝(Al)、铁(Fe)、锌(Zn)、锡(Sn)、钛(Ti)、铟(In)等中的金属元 素或以这些元素为主要成分的合金材料。此外，还可以混合有镉(Cd)、锌 (Zn)的金属硫化物；锗(Ge)、硅(Si)、锆(Zr)、钡(Ba)或上述金属 元素等的氧化物、卤化物中的一种或多种。此外，也可以使用用作透明导电 膜的ITO、含硅的铟锡氧化物、IZO等作为导电材料。注意，在使用两种以上的元素或化合物作为导电材料的情况下，对其混 合状态没有特别的限制。例如，既可以使上述两种以上的元素或化合物的每 一种均匀地存在，又可以使其中的任何一种偏在中心部。纳米粒子的粒径为lnm以上且200nm以下，优选为lnm以上且100nm以 下，并且含在喷射材料中的纳米粒子的粒径优选为均匀。另外，纳米粒子也可以通过气相淀积法、液相法、固相法中的任一种形 成，并且对其制造方法没有特别的限制。注意，在施加电压时，根据构成纳米粒子的导电材料有时在粒子之间发 生空穴(void)。这是因为导电材料的结晶生长速度非常快的缘故。通过将 对存储元件的外加电压设定为很低或者使用合金材料作为纳米粒子，可以抑 制上述空穴的发生。因此，可以获得可靠性更高的存储元件。覆盖纳米粒子的有机薄膜相当于具有在溶剂中防止纳米粒子的聚集且将粒子稳定分散的功能的分散剂。因此，形成有机薄膜的化合物由能够与导 电材料所具有的金属元素形成配价键的物质或表面活性剂等构成。这里，作为与金属元素形成配价键的物质，可以举出包含氨基、硫醇基(-SH)、硫垸 二基(-S-)、羟基(-OH)、氧基(-0-)、羧基(-COOH)、氰基(-CN)等 的氮、硫、氧原子等所具有的未共用电子对的物质。例如，可以使用羟胺类 诸如乙醇胺；胺类化合物诸如聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯垸酮；醇类诸如聚乙 烯醇；垸基硫醇类；二硫酚类；二醇类诸如乙二醇、二甘醇、聚乙烯二醇； 聚丙烯酸；羧甲基纤维素等。此外，作为表面活性剂，例如可以使用阴离子 表面活性剂诸如双(2-乙己基)硫代琥珀酸、十二烷基苯磺酸钠；非离子表 面活性剂诸如聚烷基二醇的垸基酯、烷基苯醚等；氟类表面活性剂；具有聚乙烯亚胺和聚氧化乙烯的共聚物等。注意，当对纳米粒子使用30wtQ/。以上的 分散剂时，喷射材料的粘度增高，因此优选使用1.0wtn/。以上且30wt。/。以下的分散剂。上述由被有机薄膜覆盖的导电材料构成的纳米粒子被分散在溶剂中而 被喷出。作为溶剂，可以使用水或有机溶剂，该有机溶剂可以为水溶性有机 溶剂或非水溶性有机溶剂。例如，作为水溶性有机溶剂，可以举出乙醇诸如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甘油、二丙二醇、乙二醇；酮类诸如丙酮、甲乙 酮；二醇醚诸如乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二乙二醇单 丁醚；2-吡咯烷酮；水溶性含氮有机化合物诸如N-甲吡咯垸酮；乙酸乙酯等。 作为非水溶性有机溶剂，可以举出链烷诸如辛垸、壬垸、癸垸；环烷；芳香族诸如甲苯、二甲苯、苯、二氯苯。当然，不需要只使用这些溶剂中的一种， 只要在溶剂相互之间不发生相分离，就可以混合使用多种溶剂。图4示出用于液滴喷射法的液滴喷射设备的一个方式。液滴喷射单元203的各喷头205、喷头212与控制单元207连接，并且其通过被计算机210控制可 以描画预先设定好的图形。关于描画的时机，例如以在衬底200上形成的标 记211为基准进行即可。或者，也可以以衬底200的边缘为基准进行。使用摄 像单元204检测该基准，并且图像处理单元209将它变换为数字信号，计算机 210识别此而产生控制信号，并且将它发送到控制单元207。作为摄像单元 204，可以使用利用电荷耦合元件(CCD)或互补金属氧化物半导体的图像 传感器等。在衬底200上要形成的图形的信息是存入到记忆媒体208中的，基 于该信息将控制信号送到控制单元207，从而分别控制液滴喷射单元203的各 个喷头205、喷头212。喷射的材料从材料供应源213和材料供应源214经过管 道分别供应到喷头205、喷头212。喷头205内部如虚线206所示具有填充液态材料的空间和喷射口的喷嘴。 虽然附图中没有示出，喷头212也具有与喷头205同样的内部结构。例如，在 喷头205和喷头212的喷嘴大小不同的情况下，可以以不同的宽度同时描画不 同的材料。当然，也可以以不同的宽度同时描画相同的材料。在使用大型衬底的情况下，喷头205和喷头212可以在附图中沿箭头方向自如地扫描，并且可以自由地设定描画的区域，从而也可以在一个衬底上描 画多个相同的图形。此外，可以通过使载物台移动来自由地设定描画的区域。 当然，也可以同时使喷头和载物台移动。另外，喷射的材料的粘度优选为20mPa，s以下，这是为了使材料顺利地 从喷嘴喷射。此外，喷射的材料的表面张力优选为40mN/m以下。然而，可 以根据所采用的溶剂、用途等适当地调节喷射材料的粘度等。例如，将在溶 剂中分散了金或银纳米粒子的喷射材料的粘度设定为5mPa s以上且 20mPa s以下，即可。通过使用上述液滴喷射设备，将由被有机薄膜覆盖的导电材料构成的纳 米粒子分散在溶剂中的喷射材料喷射到所希望的位置上，然后进行干燥以使 溶剂气化。虽然该干燥条件根据所使用的溶剂而不同，例如，当使用丙醇作 为溶剂时，在100。C下进行5分钟左右的干燥处理即可。此外，也可以通过在 喷射时加热设置有第一导电层110的衬底，以縮短干燥所需的时间。注意，喷射材料除了包括导电材料、分散剂、溶剂之外，有时还包括在 制造纳米粒子时使用的物质、粘合剂、增塑剂、硅垸耦合剂等。作为粘合剂 使用热固化树脂，例如可以举出聚酰亚胺、丙烯酸、酚醛清漆树脂、三聚氰 胺树脂、酚树脂、环氧树脂、硅树脂、呋喃树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂 等有机树脂。此外，由于热固化树脂的收缩力，通过使用粘合剂，可以抑制 发生纳米粒子相互之间的不均匀的熔接部分。而且，通过使用这些树脂，可 以调节喷射材料的粘度。因此，覆盖构成存储层lll的纳米粒子的有机薄膜除了包括分散剂之外， 有时还包括溶剂、在制造纳米粒子时使用的物质(例如还原剂)、粘合剂、 增塑剂、硅垸耦合剂等。此外，溶剂有时保留在有机薄膜中。如上所述，构 成存储层lll的有机薄膜至少由能够与纳米粒子所具有的金属元素形成配价 键的物质或表面活性剂等构成，而且还可以具有在制造纳米粒子时使用的物 质、粘合剂、增塑剂、硅烷耦合剂等此外，虽然在上文中描述了使用液滴喷射法来形成存储层lll的情况， 但是也可以通过使喷射材料高粘度化并使用以丝网印刷为代表的印刷法来 形成存储层lll。印刷法也与气相淀积法等相比，可以提高材料的利用效率 且简便地形成存储层lll。但是，并不局限于这些方法，也可以使用其他的 湿式法来形成存储层lll。此外，第一导电层110和第二导电层112也可以通过使用液滴喷射法形成。根据上述工序，可以简便且高成品率地制造本发明的存储元件。因为本 发明的存储元件不能对写入一次的存储元件中的数据进行擦除，所以可以防 止改写所引起的伪造。所以，可以廉价地制造性能和可靠性优良的存储元件。关于对本发明的存储元件施加的电压，既可以对第一导电层iio施加比第二导电层112高的电压，又可以对第二导电层112施加比第一导电层110高 的电压。另外，存储元件的结构不局限于图l所示的结构，也可以釆用图5所示的 结构。图5A所示的存储元件包括第一导电层110、层300、存储层lll、以及 第二导电层112，其中，层300及存储层111被第一导电层110和第二导电层112 夹持，并且接触于层300上地形成有存储层111。注意，对层300的膜厚度没 有特别的限制，但优选为0.1nm以上且50nm以下。层300是绝缘层，且可以使用具有绝缘性的无机化合物或有机化合物来 形成。例如，作为无机化合物，可以举出氧化物诸如氧化锂(Li20)、氧化 钠(Na20)、氧化钾(K20)、氧化铷(Rb20)、氧化铍(BeO)、氧化镁(MgO)、 氧化l丐(CaO)、氧化锶(SrO)、氧化钡(BaO)等，氟化物诸如氟化锂(LiF)、 氟化钠(NaF)、氟化钾(KF)、氟化铷(RbF)、氟化铍(BeF2)、氟化镁(MgF2)、 氟化钙(CaF2)、氟化锶(SrF2)、氟化钡(BaF2)等，其他具有绝缘性的氮 化物、氯化物、溴化物、碘化物、碳酸盐、硫酸盐、或者硝酸盐等。此外， 作为具有绝缘性的有机化合物，可以使用聚酰亚胺、丙烯酸聚合物、聚酰胺、 苯并环丁烯类树脂、聚酯、酚醛清漆树脂、三聚氰胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、硅酮树脂、呋喃树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂等。此外，还可以使 用其主链由硅和氧的耦合构成的所谓硅氧垸类材料。如图5A所示，通过提供绝缘层可以进一步减少在施加读取电压时流入 未写入元件中的漏电流。因此，可以降低在读取时需要的耗电量。另外，如上所述，通过使存储层lll减薄，可以降低本发明的存储元件 的写入电压。然而，当进行薄膜化时虽然可以降低写入电压，但如果过度进 行薄膜化就增加读取时的漏电流。在这种情况下，提供绝缘层是很有效的。该绝缘层可以通过气相淀积法、溅射法、CVD法、印刷法、旋涂法、溶 胶-凝胶法或液滴喷射法等来形成。尤其是，优选使用具有绝缘性的有机化 合物且通过液滴喷射法来形成。在此情况下，通过将其中所述有机化合物或 其反应物质溶解在有机溶剂中的组合物喷射到所希望的位置上，并去除该溶 剂，来形成绝缘层。因此，通过采用与用于形成绝缘层的有机溶剂之间发生 相分离的溶剂作为用于形成存储层lll的组合物的溶剂，即使在形成绝缘层 时不完全去除掉有机溶剂，也可以喷射形成存储层lll的组成物。因此，不 需要为了形成绝缘层另行提供去除溶剂的干燥工序，例如，只要在形成绝缘层时对设置有第一导电层110的衬底进行加热就足以。此外，该干燥工序可以与在后面工序中形成存储层lll时进行的干燥处理结合进行。而且，由于 通过液滴喷射法使用具有绝缘性的有机化合物来形成的绝缘层具有低密度 的特性，所以与通过利用其他的方法或者使用其他的绝缘材料来形成的绝缘层相比，几乎没有发生设置层300所引起的写入电压的增高，从而可以降低 在读取时流入未写入元件中的漏电流。此外，层300也可以为半导体层，可以使用诸如氧化钼、氧化锡、氧化 铋、硅膜、氧化钒、氧化镍、氧化锌、硅锗、砷化镓、氮化镓、氧化铟、磷 化铟、氮化铟、硫化镉、碲化镉、钛酸锶膜等无机半导体来形成。该半导体层也可以通过液滴喷射法或印刷法形成。此外，作为其他的形 成方法，可以使用气相淀积法、电子束法、溅射法、CVD法、旋涂法、溶胶 -凝胶法等。另外，存储元件的结构不局限于图5A所示的结构，也可以如图5B所示， 接触于第二导电层112地形成层300。此外，如图5C所示，也可以接触于第一 导电层110及第二导电层112地形成两个层300。如上所述，通过接触于第一导电层及第二导电层中的至少一方地提供绝 缘层或半导体层，可以减少在读取时流入未写入元件中的漏电流。因此，还 可以减少耗电量。实施方式2在本实施方式中，参照附图而说明具有本发明的存储元件的半导体装 置，典型为存储装置。在此描述存储装置的结构为无源矩阵型的情况。图6A表示本实施方式所示的半导体装置的一个结构例子。半导体装置 400包括其中存储元件401被设置为矩阵状的存储单元阵列411、译码器412 和413、选择器414、读取/写入电路415。注意，在此所示的半导体装置400 的结构只是一个例子，也可以包括诸如读出放大器、输出电路、缓冲器等其 他电路。注意，译码器412和413、选择器414、读取/写入电路415、接口等既可 以与存储元件同样地形成在衬底上，又可以作为IC芯片设置在外部。存储元件401包括与字线Wy (1^ySn)连接的第一导电层、与位线Bx (lSx^m)连接的第二导电层、以及夹持在第一导电层和第二导电层之间 存储层。图7表示存储单元阵列411的俯视图和截面图的一个例子。图7A表示存储 单元阵列411的一部分的俯视图。在存储单元阵列411中矩阵状地设置有存储元件401。存储元件401在衬底上包括第一导电层510;存储层；第二导电层512，其中，该第一导电层510在第一方向(A-B)上延伸，该存储层及第二导电层512在与第一方向垂 直的第二方向(C-D)上延伸。注意，在多个存储层与第二导电层512之间 设置有在第二方向上延伸的分隔壁(绝缘层)520，通过利用该分隔壁(绝 缘层)520将在第一方向(A-B)上相邻的存储元件分开。注意，可以通过使用实施方式1所示的物质来形成用于存储元件401的各层。在图7A中，省 略了覆盖分隔壁(绝缘层)520及第二导电层512地设置且用作保护膜的绝缘层。注意，本实施方式中的第一导电层510相当于实施方式1中的第一导电层 110，并且存储层相当于存储层lll。此外，第二导电层相当于实施方式l中 的第二导电层U2。使用共同的附图标记来表示与实施方式l同样的部分，并 且省略对于相同部分或具有同样功能的部分的详细解释。图7B表示图7A中的A-B之间的截面结构的实例，图7C表示图7A中的 C-D之间的截面结构的实例。作为设置有存储元件401的衬底521，除了玻璃 衬底、柔性衬底以外，还可以使用石英衬底、硅衬底、金属衬底、不锈钢衬 底、由纤维材料制成的纸等。柔性衬底是指可以弯曲(具有挠性)的衬底， 例如由聚碳酸酯、聚芳酯(polyarylate)、聚醚砜等制成的塑料衬底等。另外， 也可以使用薄膜(由聚丙烯、聚酯、聚氟化乙烯、聚氯乙烯等制成)。此外，既可以在绝缘衬底上设置薄膜晶体管(TFT)并且在其上设置存 储元件401，又可以使用Si等半导体衬底或SOI衬底代替上述衬底并在该衬底 上形成场效应晶体管(FET)并且在其上设置存储元件401。此外，也可以 通过将存储元件401与薄膜晶体管或者场效应晶体管贴合在一起来设置。在 此情况下，可以通过利用不同工序来制作存储元件401和薄膜晶体管或场效 应晶体管，然后通过使用导电薄膜、各向异性导电胶等将存储元件部与薄膜 晶体管或场效应晶体管贴合在一起来提供。在图7B和7C中，首先通过利用气相淀积法、溅射法、CVD法、印刷法、 电镀法、无电镀法、液滴喷射法等，在衬底521上形成第一导电层110。接着， 通过利用溅射法、CVD法、印刷法、液滴喷射法、旋涂法、气相淀积法等形 成分隔壁(绝缘层)520。作为分隔壁(绝缘层)520，可以使用氧化硅、氮 化硅、氧氮化硅等无机绝缘材料；丙烯酸、甲基丙烯酸、以及其衍生物；耐 热高分子诸如聚酰亚胺、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑(polybenzimidazole) 等；或者硅氧垸树脂。此外，也可以使用下列树脂材料乙烯基树脂诸如聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、环氧树脂、酚醛树脂、酚醛清漆树脂、丙烯酸类 树脂、三聚氰胺树脂、氨酯树脂等。此外，还可以使用苯并环丁烯、聚对二 甲苯、氟代亚芳基醚、聚酰亚胺等有机材料；含有水溶性均聚物和水溶性共 聚物的组合物等。此外，在A-B之间的截面即图7B所示的分隔壁(绝缘层) 520的截面中，分隔壁(绝缘层)520的侧面对于第一导电层110的表面可以 具有10度以上且不足60度、优选为25度以上且45度以下的倾斜角度。再者， 分隔壁(绝缘层)520的侧面优选弯曲。通过采用这种形状，在使用液滴喷 射法形成存储层111时，可以防止喷射材料过大地超过预定的位置而扩大。 接着，如上所述，在第一导电层110上通过使用液滴喷射法形成存储层111。 而且，在存储层lll上通过使用气相淀积法、溅射法、CVD法、印刷法或液 滴喷射法等形成第二导电层112。然后，覆盖分隔壁(绝缘层)520及第二导 电层112地提供用作保护膜的绝缘层522。保护膜可以使用氧化硅、氮化硅、 氧氮化硅等，且可以防止水分或氧气等的侵入。此外，在C-D之间的截面即图7C所示的第一导电层110的截面中，第一 导电层110的侧面优选相对于衬底521的表面具有大致垂直或者10度以上且 不足90度的倾斜。而且，第一导电层110也可以具有曲率半径连续变化的形 状。注意，大致垂直是指90度(±1度)。通过采用这种形状，可以提高层叠 在第一导电层110上的存储层111以及第二导电层112等的覆盖率。由于用于形成存储层lll的喷射材料是液态的，所以受到被形成区的表 面状态的很大影响。由此，也可以对分隔壁(绝缘层520)进行控制润湿性 的处理。固体表面的润湿性受表面的化学性质及物理表面形状(表面粗度) 的影响。在本发明中，控制表面润湿性的处理是指在液态的喷射材料的附着 区域中形成具有与该喷射材料不同的润湿性的区域的处理。润湿性不同的区 域是指相对于喷射材料润湿性有差异，即喷射材料的接触角不同的区域。喷 射材料的接触角大的区域是润湿性更低的区域(以下也称为低润湿性区)， 而接触角小的区域是润湿性更高的区域(以下也称为高润湿性区)。当接触 角大时，液态喷射材料在区域表面上不扩大，而当接触角小时，喷射材料扩大。这样，润湿性不同的区域具有不同的表面能。润湿性低的区域的表面能 低，而润湿性高的区域的表面能大。润湿性的差异是两个区域的相对关系。这里，通过在存储层lll的要形 成区的分隔壁(绝缘层)520上形成低润湿性区，可以形成具有与所希望的 形成区域不同的润湿性的区域。作为选择性地形成低润湿性区的方法，可以 使用以下方法等形成掩模层，并且使用该掩模层选择性地形成由低润湿性 物质构成的层的方法；选择性地降低润湿性的表面处理方法。作为改变、控制表面润湿性的方法，有通过利用光照射能量分解表面物 质，使区域表面改性而改变润湿性的方法。作为润湿性低的物质，可以使用 包含氟碳基(氟碳链)的物质或包含硅烷耦合剂的物质。由于硅烷耦合剂可 以形成单分子膜，所以可以有效地进行改性，从而在短时间内改变润湿性。另外，硅垸耦合剂通过不仅将具有氟碳链的物质排列在衬底上，而且也将具 有烷基的物质也排列在衬底上，表示低润湿性，因此可以使用。此外，作为 润湿性低的物质，也可以使用钛酸酯耦合剂、铝酸盐耦合剂。液态的喷射材料向润湿性高的地方移动，所以可以实现在更正确的位置 上形成图案。此外，可以提高材料的利用效率。另外，如图8A的C-D之间的截面结构所示，也可以在存储元件401中的 第一导电层110和衬底521之间设置具有整流性的元件。作为具有整流性的元 件，除了肖特基势垒型、PIN型、PN型二极管以外，还可以举出二极管连接 的晶体管等。在此，在第一导电层110下与之接触地设置由第三导电层612 及半导体层613构成的二极管611。注意，对应于各存储元件的二极管611被 层间绝缘膜614分离。此外，也可以与第二导电层112接触地在与存储层111 相反一侧设置具有整流性的元件。此外，当有担心对在第二方向(C-D)上相邻的存储元件之间的电场的 影响时，图8B所示，也可以在各存储元件的第一导电层110之间设置分隔壁 (绝缘层)621。由此，不但可以防止对相邻的存储元件之间的电场的影响， 而且当覆盖第一导电层110地设置存储层111时可以防止由于第一导电层110的台阶发生的存储层lll的断裂。注意，在图8B所示的分隔壁(绝缘层)621的截面中，分隔壁(绝缘层) 621的侧面对于第一导电层110的表面可以具有10度以上且不足60度，优选为 25度以上且45度以下的倾斜角度。再者，分隔壁(绝缘层)621的侧面优选 弯曲。如此，在设置分隔壁(绝缘层)621后，覆盖第一导电层110及分隔壁 (绝缘层)621地形成存储层111及第二导电层112。此外，不局限于上述结 构，如图8C所示，还可以只在第一导电层110上形成存储层111。在此情况下， 优选对分隔壁(绝缘层)621进行控制润湿性的处理，来形成低润湿性区。下面，将说明对存储元件的数据写入动作。在此，参照图6说明通过利 用电气作用，典型地通过施加电压来写入数据的情况。注意，通过改变存储 元件的电气特性来进行写入，并且使存储元件的初始状态(当没有施加电气 作用时的状态)为数据"O"，使电气特性改变后的状态为数据"l"。当对存储元件401写入数据"1"时，首先通过译码器412和413、以及选择 器414选择存储元件401。具体而言，通过译码器413将预定电位V2施加到与 存储元件401连接的字线W3。此外，通过译码器412和选择器414，将连接到 存储元件401的位线B3连接到读取/写入电路415。然后，从读取/写入电路415 将写入电位V1输出到位线B3。像这样，对构成该存储元件401的第一导电层 和第二导电层之间施加电压Vw (Vw=Vl-V2)。通过适当地选择电压Vw， 物理或电气地改变设置在该导电层之间的存储层，来进行数据"l"的写入。具体而言，将存储层改变为如下状态即可在读取动作电压下，数据为"r 的状态时的第一导电层和第二导电层之间的电阻远小于数据为"o"的状态时的第一导电层和第二导电层之间的电阻。例如，使第一导电层和第二导电层发生短路即可。例如，电压Vw为5V以上且15V以下，或者-15V以上且-5V以下即可。注意，控制未选择的字线及未选择的位线，使得数据"r不被写入到与这些未选择的字线和位线连接的存储元件中。例如，使未选择的字线及未选 择的位线处于浮动状态即可。此外，对未选择的字线施加与第二导电层相同程度的电位即可。另一方面，当将数据"0"写入到存储元件401时，对存储元件401不施加电气作用即可。从电路动作来看，例如与写入"r'的情况同样，通过译码器412和413、以及选择器414来选择存储元件401，然而将从读取/写入电路415 输出到位线B3的输出电位成为与被选择的字线W3的电位或未选择字线的电 位大致相同，并且将不会改变存储元件401的电气特性的程度的电压(例如， -5V以上且5V以下)施加到构成存储元件401的第一导电层和第二导电层之 间，即可。接下来，参照图6B将说明当从存储元件读取数据时的动作。通过利用如 下事实来读取数据在具有数据"0"的存储元件和具有数据"1"的存储元件之 间，第一导电层和第二导电层之间的电气特性不同。例如，说明如下读取方 法在读取电压下构成具有数据"O"的存储元件的第一导电层和第二导电层 之间的有效电阻(以下，简单地称为存储元件的电阻)为RO，并在读取电压 下具有数据"1"的存储元件的电阻为R1，且通过利用电阻之差进行读取。注意，满足R1《R0。对读取/写入电路415来说，例如可以使用具有图6B所示 的电阻元件450和差动放大器451的电路作为读取部分的结构。电阻元件450 具有电阻值Rr，并且满足RKRKRO。此外，如图6C所示，还可以使用晶体 管452来代替电阻元件450，并且也可以使用时钟反相器453来代替差动放大 器451。对时钟反相器453输入信号(j)或其反相信号，该信号々或其反相信号在 进行读取时成为High，在不进行读取时成为Low。当然，电路结构并不局限 于图6B及6C。当从存储元件402中读取数据时，首先通过译码器412和413、以及选择 器414来选择存储元件402。具体而言，通过译码器413，将预定电压Vy施加 到与存储元件402连接的字线Wy。此外，通过译码器412和选择器414，将与 存储元件402连接的位线Bx连接到读取/写入电路415的端子P。结果，端子P 的电位Vp成为如下值，即通过电阻元件450 (电阻值Rr)和存储元件402 (电 阻值R0或R1)对Vy和VO进行电阻分割来确定的值。从而，当存储元件402具有数据"O"时，端子？的电位￥ 0成为丫 0=￥乂+ (V0—Vy) xRO/(RO+Rr)。 此外，当存储元件402具有数据"1"时，端子P的电位Vpl成为Vpl:Vy十(VO —Vy) xRi/(Ri+Rr)。结果，通过在图6B中选择Vref使得它位于VpO和Vpl 之间，并且在图6C中选择时钟反相器453的变化点使得它位于VpO和Vpl之 间，可以根据数据"0'V"l"，作为输出电位Vout输出Low/High(或者High/Low)， 来进行读取。例如，以Vdd二3V使差动放大器451动作，并且设定Vy二OV， V0 = 3V， Vref=1.5V。假设设定RO/Rr:Rr/Rl =9,当存储元件的数据为"0"时VpO二 2.7V，并且输出High作为Vout，而当存储元件的数据为"l"时Vpl二0.3V，并 且输出Low作为Vout。像这样，可以进行存储元件的读取。根据上述方法，通过利用电阻值之差和电阻分割，以电压值来读取存储 层的电阻的状态。当然，读取方法并不局限于该方法。例如，除了利用电阻 之差以外，还可以通过利用电流值之差来读取。此外，当存储元件的电气特 性具有在数据"0"和数据"1"之间阈值电压不同的二极管特性时，也可以通过利用阈值电压之差来读取。此外，既可以在绝缘衬底上设置薄膜晶体管(TFT)并且在其上设置存 储元件或者存储元件阵列，又可以使用Si等半导体衬底或SOI衬底代替上述 绝缘衬底并在衬底上形成场效应晶体管(FET)并且在其上设置存储元件或 者存储元件阵列。对本实施方式所示的半导体装置的数据写入不只是一次，可以进行追加 (追记)。另一方面，因为不能擦除写入一次的存储元件中的数据，所以可 以防止改写所引起的伪造。再者，由于包括能够简便且高成品率地制造的本 发明的存储元件，所以可以廉价地制造具有优越的性能和可靠性的半导体装置。注意，本实施方式也可以与其他实施方式及实施例适当地组合。由此， 本实施方式所示的半导体装置所具有的存储元件例如也可以在存储层与第 一导电层及第二导电层中的至少一方之间提供有绝缘层或半导体层。实施方式3在本实施方式中，参照图9而说明具有本发明的存储元件的半导体装置。 注意，具体而言，将说明有源矩阵型存储装置。图9A表示本实施方式所示的半导体装置的一个结构例子。半导体装置 700包括存储单元阵列711、译码器712和713、选择器714、读取/写入电路715。 在该存储单元阵列711中，存储单元701被设置为矩阵状。注意，在此所示的 半导体装置700的结构只是一个例子，也可以包括读出放大器、输出电路、 缓冲器等其他电路。注意，译码器712和713、选择器714、读取/写入电路715、接口等既可 以与存储元件同样地形成在衬底上，又可以作为IC芯片设置在外部。存储单元701包括与位线Bx (lSx^m)连接的第一布线、与字线Wy (1 ySn)连接的第二布线、薄膜晶体管721、存储元件722。存储元件722具 有在一对导电层之间夹有存储层的结构。接着，参照图10说明具有上述结构的存储单元阵列711的俯视图和截面 图的一个例子。注意，图10A表示存储单元阵列711的一部分的俯视图。在存储单元阵列711中矩阵状地设置有多个存储单元701。在存储单元 701中，在具有绝缘表面的衬底上设置有用作开关元件的薄膜晶体管721及与 该薄膜晶体管721连接的存储元件。图10B表示图10A中的A-B之间的截面结构的实例。注意，在图10A中， 省略了设置在第一导电层110上的分隔壁(绝缘层)822、存储层lll、第二 导电层112、绝缘层522。存储单元701包括薄膜晶体管721、存储元件801、绝缘层821、覆盖第一 导电层110的一部分的分隔壁(绝缘层)822。注意，覆盖存储元件801地设 置有用作保护膜的绝缘层522。与形成在具有绝缘表面的衬底521上的薄膜晶 体管721相连接的存储元件801包括形成在绝缘层821上的第一导电层110、存 储层lll、第二导电层112。如上所述，存储层lll利用由被有机薄膜覆盖的 导电材料形成的纳米粒子构成。此外，作为薄膜晶体管721，只要用作开关就没有特别的限制，从而不特别需要采用薄膜晶体管。参考图11来说明薄膜晶体管721的一个方式。图11A示出应用顶栅型薄膜晶体管的一个例子。在衬底521上设置有绝缘层901作为基底膜，并且在绝缘 层901上设置有薄膜晶体管910。在薄膜晶体管910中，在绝缘层901上形成有 半导体层902、以及能够用作栅绝缘层的绝缘层903，并且在半导体层902上 隔着绝缘层903形成有栅电极904。注意，在薄膜晶体管910上设置有用作保 护层的绝缘层905、以及用作层间绝缘层的绝缘层821。此外，形成分别连接 到半导体层的源区及漏区的布线907。通过使用一层或两层以上的多层绝缘膜诸如氧化硅膜、氮化硅膜或者氧 氮化硅膜等，来形成绝缘层901。注意，可以通过使用溅射法、CVD法等来 形成绝缘层901。作为半导体层902，除了非晶硅等非晶体半导体、半非晶半导体、微晶 半导体等以外，还可以使用结晶性半导体膜诸如多晶硅等。特别地，优选应用如下结晶性半导体通过激光束照射、加热处理、或 者加热处理和激光束照射的组合来使非晶或微晶的半导体晶化而获得的结 晶性半导体。在加热处理中，可以应用使用诸如镍等具有促进硅半导体晶化 的作用的金属元素的晶化方法。在通过激光束照射来进行晶化的情况下，可以通过连续振荡激光束的照 射，或通过具有10MHz以上的重复频率、以及l纳秒以下的脉冲宽度、优选 为1至100微微秒的高重复频率超短脉冲光的照射，来实现晶化；其中使熔融 有结晶性半导体的烙融区朝该激光束的照射方向连续移动。通过这种晶化方 法，可以获得具有较大粒径并且晶粒界面朝一个方向延伸的结晶性半导体。 通过使载流子的漂移方向与该晶粒界面延伸的方向一致，就可以提高晶体管 的电场效应迁移率。例如，可以实现400cn^/Vsec以上的迁移率。在使用玻璃衬底的耐热温度(大约60(TC)以下的晶化处理作为上述晶 化工序的情况下，可以使用大面积的玻璃衬底。由此，对每个衬底可以制造 大量半导体装置，从而可以降低成本。此外，也可以通过使用能够承受加热温度的衬底且进行玻璃衬底的耐热 温度以上的加热来执行晶化工序，以形成半导体层902。典型地，通过使用石英衬底作为绝缘衬底，并在70(TC以上加热非晶或微晶半导体，来形成半 导体层902。结果，可以形成高结晶性的半导体。在此情况下，可以提供响 应速度及迁移率等特性良好且能够进行高速动作的薄膜晶体管。可以通过使用金属或掺杂了一种导电型杂质的多晶半导体，来形成栅电 极904。当使用金属时，可以使用鸨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)、钽(Ta)、 铝(Al)等。另外，还可以使用使上述金属氮化而获得的金属氮化物。或者， 也可以为层叠由该金属氮化物构成的第一层和由金属构成的第二层而获得 的结构。当采用叠层结构时，也可以为第一层的端部比第二层的端部向外突 出的所谓帽子形状。此时，通过使第一层为金属氮化物，就可以使其成为阻 挡金属。也就是说，可以防止第二层的金属扩散到绝缘层903或其下的半导 体层902中。注意，也可以在栅电极904的侧面上形成侧壁(侧壁间隔物)908。可以 通过如下工序，来形成侧壁利用CVD法形成绝缘层，然后利用RIE (反应 离子刻蚀)方法对于该绝缘层执行各向异性蚀刻。对于通过组合半导体层902、绝缘层903、栅电极904等构成的晶体管， 可以应用诸如单漏极结构、LDD (轻掺杂漏)结构、栅重叠漏结构等各种结 构。图11A表示具有LDD结构的薄膜晶体管，其中在与侧壁重叠的半导体层 中形成低浓度杂质区卯9。此外，也可以应用单栅结构、多栅结构、双栅结 构。在该多栅结构中，被施加等价上相同电位的栅电压的晶体管串联连接的 方式。在该双栅结构中，半导体层被夹在其上下的栅电极之间。通过使用诸如氧化硅及氧氮化硅等无机绝缘材料，或者诸如丙烯酸树脂 及聚酰亚胺树脂等有机绝缘材料，形成绝缘层821。当使用诸如旋转涂敷、 辊式涂布等涂布法时，可以使用在涂布溶解在有机溶剂中的绝缘薄膜材料之 后执行热处理而形成的由氧化硅构成的绝缘层。例如，可以使用通过在形成 包括硅氧烷键的涂布膜之后在20(rC至400。C下实施热处理来形成的绝缘层。通过使用通过涂布法形成的绝缘层、或者通过回流(reflow)实现平坦化的 绝缘层作为绝缘层821，就可以防止形成在该层上的布线断线。此外，当形 成多层布线时也可以有效地利用通过上述工序而形成的绝缘层。可以与利用与栅电极904相同的层形成的布线交叉地设置形成在绝缘层 821上的布线907，并且该布线907具有多层布线结构。可以通过层叠多个具 有与绝缘层821同样的功能的绝缘层，并且在其上形成布线，来形成多层布 线结构。布线907优选通过组合如铝(Al)等低电阻材料和使用诸如钛(Ti) 或钼(Mo)等高熔点金属材料的阻挡层金属，即由钛(Ti)和铝(Al)构 成的叠层结构、由钼(Mo)和铝(Al)构成的叠层结构等来形成。图11B示出应用底栅型薄膜晶体管的实例。在绝缘衬底521上形成有绝缘 层901，并在其上设置有薄膜晶体管920。在薄膜晶体管920中设置有栅电极 904、用作栅绝缘层的绝缘层903、以及半导体层902。并且在其上设置有沟 道保护层921、用作保护层的绝缘层卯5、以及用作层间绝缘层的绝缘层821。 在其上还可以形成用作保护层的绝缘层。分别连接到半导体层的源区及漏区 的布线907可以形成在绝缘层905的层上或者绝缘层821的层上。注意，当采 用底栅型薄膜晶体管时，也可以不形成绝缘层901。此外，当衬底521为具有挠性的衬底时，其耐热温度低于玻璃衬底等不 挠性衬底。因此，优选使用有机半导体形成薄膜晶体管的半导体层。在此，将参照图11C和11D来说明将有机半导体使用于半导体层的薄膜 晶体管的结构。图11C示出应用交错型有机半导体晶体管的一个例子。在具 有挠性的衬底930上设置有有机半导体晶体管931。有机半导体晶体管931包 括栅电极932、用作栅绝缘膜的绝缘层933、设置在栅电极932与绝缘层933 重叠的地方的半导体层934，并且布线卯7连接到半导体层934。注意，半导 体层与用作栅绝缘膜的绝缘层933及布线907接触。栅电极932可以通过利用与栅电极904相同的材料及方法来形成。此外， 可以通过使用液滴喷射法并且进行干燥和焙烧，来形成栅电极932。此外， 可以通过利用印刷法将包括微粒的膏剂印刷在具有挠性的衬底上并且进行干燥和焙烧，来形成栅电极932。作为微粒的典型例子，可以举出以金；铜; 金和银的合金；金和铜的合金；银和铜的合金；金、银和铜的合金中的任何 一种为主要成分的微粒。此外，微粒也可以为以氧化铟锡(ITO)等导电氧 化物为主要成分的微粒。可以通过利用与绝缘层903相同的材料及方法，来形成用作栅绝缘膜的 绝缘层933。但是，当在涂布溶解在有机溶剂中的绝缘薄膜材料之后通过热 处理来形成绝缘层时，在热处理温度低于具有挠性的衬底的耐热温度的情况 下进行。作为用于有机半导体晶体管的半导体层934的材料，可以举出多环芳香 化合物、具有共轭双键的化合物、酞菁、电荷迁移型络合物等。例如，可以 使用蒽、并四苯、并五苯、六噻吩(6T)、四氰基对醌二甲垸(TCNQ)、 二 萘嵌苯羧酸酐(PTCDA)、萘甲酸酐(NTCDA)等。此外，作为用于有机 半导体晶体管的半导体层934的材料，可以举出有机高分子化合物等的n共轭 类高分子；碳纳米管；聚乙烯吡啶；酞菁金属配合物等。特别地，优选使用 其骨架由共轭双键构成的7t共轭高分子诸如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚乙 烯、聚噻吩衍生物、聚(3-烷基噻吩)、聚亚芳香基(polyarylene)衍生物、 聚亚芳香基乙烯(polyarylenevinylene)衍生物。此外，作为有机半导体晶体管的半导体层的形成方法，可以使用气相淀 积法、涂布法、旋涂法、刮棒涂敷法(bar coating method)、溶液浇注方法 (solution casting method)、浸渍法、丝网印刷法、辊式涂布法、或者液滴喷 射法。该厚度优选为l nm以上且1000nm以下，更优选为10 nm以上且100 nm 以下。图11D示出应用共面型有机半导体晶体管的实例。在具有挠性的衬底930 上设置有有机半导体晶体管941。有机半导体晶体管941包括栅电极932、用 作栅绝缘膜的绝缘层933、设置在栅电极932与绝缘层933重叠的地方的半导 体层934，并且布线907连接到半导体层934。此外，连接到半导体层934的布 线907与用作栅绝缘膜的绝缘层及半导体层。薄膜晶体管或有机半导体晶体管只要能够用作开关元件，就可以具有任 何结构。注意，既可以将布线907利用为本发明的存储元件中的第一导电层，又可以将本发明的存储元件连接到布线907。此外，也可以通过使用单晶衬底或SOI衬底来形成晶体管，并且在其上 设置存储元件。SOI衬底可以通过使用贴合薄片(wafer)的方法、称为SIMOX 的方法来形成。在该SIMOX方法中，通过将氧离子导入到Si衬底中，在Si 衬底内部形成绝缘层831。例如，当将单晶半导体用作衬底时，如图10C所示，存储元件801连接到 使用单晶半导体衬底830来提供的场效应晶体管832。此外，覆盖连接到场效 应晶体管832的布线地设置绝缘层833,并且在该绝缘层833上设置存储元件 801。因为这种由单晶半导体形成的晶体管，其响应速度或迁移度等特性良 好，所以可以提供能够进行高速动作的晶体管。此外，因为该晶体管的特性 的不均匀性很少，所以可以提供实现高可靠性的半导体装置。注意，存储元件801包括形成在绝缘层833上的第一导电层110、存储层 111、第二导电层112，并且存储层111被第一导电层110和第二导电层112夹 持。如此，通过设置绝缘层833来形成存储元件801，可以自由地配置第一导 电层IIO。换言之，在图10B的结构中，需要在避开连接到晶体管的布线的区 域中设置存储元件，然而通过设置绝缘层833，例如像图10C那样，可以在晶 体管832的上方形成存储元件801。结果，可以使存储电路进一步高集成化。 当然，也可以将场效应晶体管832所具有的布线907作为存储元件所具有的第 一导电层。注意，尽管在图10B和10C所示的结构中示出了沿第一方向(A-B)连续 设置存储层lll的实例，但是这些存储层lll也可以仅仅设置在各个存储单元 上。通过采用这种结构，可以进一步提高材料的利用效率。此外，也可以在衬底上设置剥离层并且在该剥离层上形成包括晶体管的层1030以及存储元件801之后，利用剥离层从衬底剥离包括晶体管的层1030 以及存储元件801，然后图12所示地使用附着层1032将包括晶体管的层1030 以及存储元件801贴合在与上述衬底不同的衬底1031上。作为剥离方法，可 以使用如下方法等(1)在具有高耐热性的衬底和包括晶体管的层之间设置 金属氧化物层作为剥离层，通过晶化使该金属氧化物层脆化，以剥离该包括 晶体管的层的方法；(2)在具有高耐热性的衬底和包括晶体管的层之间设置 包含氢的非晶硅膜作为剥离层，然后通过激光束照射或蚀刻去掉该非晶硅 膜，来剥离该包括晶体管的层；(3)通过机械或者使用溶液或氟化卤素气体 诸如N&、 BrF3、 C1F3等的蚀刻，去掉形成有包括晶体管的层的高耐热性的 衬底的方法；(4)在具有高耐热性的衬底和包括晶体管的层之间设置金属层 以及金属氧化物层作为剥离层，并通过晶化使该金属氧化物层脆化，且使用 溶液或氟化气体诸如NF3、氟化卤素气体诸如BrF3、 C1F3等的蚀刻来去掉金 属层的一部分，然后在脆化的金属氧化物层中物理地剥离的方法。此外，通过使用在实施方式2中作为衬底521示出的柔性衬底、薄膜、由 纤维材料制成的纸等作为衬底1031，可以谋求实现存储装置的小型化、薄型 化、轻量化。下面，参照图9A而说明对于存储装置即半导体装置700进行的数据写入 动作。与实施方式2同样，在此说明电气作用，典型的是当利用电压施加进 行写入数据时的动作。注意，通过改变存储单元的电气特性而进行写入，然 而将存储单元的初始状态(没有施加电气作用的状态)设定为数据"O"，并 且将改变电气特性的状态设定为数据"l"。将说明对第x行第y列的存储单元701写入数据的情况。当对存储单元701 写入数据"l"时，首先通过译码器712和713、以及选择器714选择存储单元 701。具体而言，通过译码器713将预定电位V22施加到与存储单元701连接 的字线Wy。此外，通过译码器712和选择器714，将连接到存储单元701的位 线Bx连接到读取/写入电路715。然后，从读取/写入电路715将写入电压V21 输出到位线Bx。像这样，使构成存储单元的薄膜晶体管721成为导通状态，并且将共同电极以及位线电连接到存储元件722，然后施加大概Vw (Vw二Vcom-V21) 的电压。Vcom为存储元件722中的共同电极即第二导电层的电位。通过适当 地选择电压Vw，物理或电气地改变设置在该电极层之间的存储层，来进行 数据"l"的写入。具体而言，将存储层改变为如下状态即可在读取动作电 压下，数据为"l"的状态时的第一导电层和第二导电层之间的电阻远小于数 据为"O"的状态时的第一导电层和第二导电层之间的电阻，也可以简单地使 第一导电层和第二道导电层之间产生短路。此外，将电压Vw例如设定为5V 以上且15V以下，或者-15V以上且-5V以下即可。注意，控制未选择的字线及未选择的位线，使得数据'T'不被写入到与 这些未选择的字线和位线连接的存储单元中。具体而言，对未选择的字线施 加使与此连接的存储单元的晶体管成为截止状态的电位或者与Vcom相同程 度的电位即可。另一方面，当将数据"0"写入到存储单元701时，对存储单元701不施加 电气作用，即可。从电路动作来看，例如与写入"l"的情况同样，通过译码 器712和713、以及选择器714来选择存储单元701，然而使从读取/写入电路 715输出到位线Bx的输出电位成为与Vcom相同程度的电位或使存储单元的 薄膜晶体管721成为截止状态的电位。结果，对存储元件722施加小电压(例 如，-5V至5V)或者不施加电压，因此电气特性不改变，而实现数据"0"的写 入。下面，参照图9B而说明当利用电气作用读取数据时的动作。通过利用在 具有数据"0"的存储单元和具有数据"1"的存储单元之间，存储元件722的电 特性不同，来进行数据的读取。例如，将说明如下读取方法例如，在读取 电压下，将构成具有数据"0"的存储单元的存储元件的电阻成为RO，并且将 构成具有数据"l"的存储单元的存储元件的电阻成为R1 ，通过利用电阻之差进行读取。注意，满足RK〈R0。作为读取/写入电路715的读取部分的结构， 例如可以考虑如图9B所示的使用电阻元件750和差动放大器751的电路。电阻元件具有电阻值Rr，并且满足RKRr〈R0。如图9C所示，既可以使用晶体管 752来代替电阻元件750，又可以使用时钟反相器753来代替差动放大器751。 当然，电路结构并不限于图9B及9C。当从第x行第y列的存储单元702中读取数据时，首先通过译码器712和 713、以及选择器714，来选择存储单元702。具体而言，通过译码器713，将 预定电压V24施加到与存储单元702连接的字线Wy，以使薄膜晶体管721成为 导通状态。此外，通过译码器712和选择器714，将与存储单元702连接的位 线Bx连接到读取/写入电路715的端子P。结果，端子P的电位Vp成为如下值， 即通过电阻元件750 (电阻值Rr)和存储元件722 (电阻值R0或R1)对Vcom 和VO进行电阻分割来确定的值。从而，当存储单元702具有数据"0"时，端子 的电位￥口0成为丫？0 = ￥00111+ (VO-Vcom) xRO/ (RO+Rr)。此外，当存储 单元702具有数据"1"时，端子P的电位Vpl成为Vpl二Vcom+(V0-Vcom)xR1/ (Rl+Rr)。结果，可以在图9B中，通过选择Vref使得它位于VpO和Vpl之间， 并且在图9C中，通过选择时钟反相器753的变化点使得它位于VpO和Vpl之 间，根据数据"0'7"1"，作为输出电位Vout输出Low/High (或者High/Low)来 进行读取。例如，以Vdc^3V使差动放大器751动作，设定为Vcom-OV、 V0=3V、 Vref=1.5V。假设设定为R0/Rr=Rr/Rl =9，并且可以不考虑薄膜晶体管721 的导通电阻(onresistance),当存储单元的数据为"O"时，成为VpO二2.7V而 输出High作为Vout，当存储单元的数据为"l"时，成为Vpl:0.3V而输出Low 作为Vout。像这样，可以读取存储单元。根据上述方法，利用存储元件722的电阻值之差和电阻分割，根据电压 值来读取。当然，读取方法并不限于该方法。例如，除了利用电阻之差以外， 还可以利用电流值之差来读取。此外，当存储单元的电气特性具有在数据"O" 和数据'T'之间阈值电压不同的二极管特性时，也可以利用阈值电压之差来 读取。此外，既可以在绝缘衬底上设置薄膜晶体管(TFT)，并且在其上设置存储元件或存储元件阵列，又可以通过使用Si等半导体衬底或SOI衬底而代
替绝缘衬底，在衬底上形成场效应晶体管(FET)，并且在其上设置存储元
件或存储元件阵列。
对本实施方式所示的半导体装置的数据写入不只是一次，可以进行追加 (追记)。另一方面，因为不能擦除写入一次的存储元件中的数据，所以可 以防止改写所引起的伪造。再者，由于包括能够简便且高成品率地制造的本 发明的存储元件，所以可以廉价地制造具有优越的性能和可靠性的半导体装 置。
注意，本实施方式也可以与其他实施方式及实施例适当地组合。由此， 本实施方式所示的半导体装置所具有的存储元件例如也可以在存储层与第 一导电层及第二导电层中的至少一方之间提供有绝缘层或半导体层。
实施方式4
在本实施方式中，参照附图而说明具有上述实施方式所示的存储装置的 半导体装置的一个结构例子。
本实施方式所示的半导体装置的特征在于可以无接触地读取并写入数
据。数据传输方式大致划分成如下三种方式将一对线圈配置为相对并且通
过相互诱导(mutual induction)进行通信的电磁耦合方式；通过感应电磁场 进行通信的电磁感应方式；以及通过利用电波进行通信的电波方式。可以使 用这些方式中的任一种方式。此外，作为使用于传输数据的天线的设置方法 有两种方法 一种方法为在设置有晶体管及存储元件的衬底上设置天线的方
法，另一种方法为在设置有晶体管及存储元件的衬底上设置端子部分，并且 将设置在另一衬底上的天线连接到该端子部分来设置的方法。
参照图13说明本实施方式所示的半导体装置的结构。如图13A所示，本 发明的半导体装置20具有无接触地交换数据的功能，并且还包括电源电路 11;时钟发生电路12;数据解调/调制电路13;控制其它电路的控制电路14; 接口电路15;存储电路16;总线17;以及天线18。
此外，如图13B所示，本发明的半导体装置20具有无接触地交换数据的功能，并且除了电源电路U;时钟发生电路12;数据解调/调制电路13;控 制其它电路的控制电路14;接口电路15;存储电路16;总线17;以及天线18 以外，还可以具有中央处理单元l。
此外，如图13C所示，本发明的半导体装置20具有无接触地交换数据的
功能，并且除了电源电路lh时钟发生电路12;数据解调/调制电路13;控 制其它电路的控制电路14;接口电路15;存储电路16;总线17;天线18;以 及中央处理单元l以外，还可以具有由检测元件3、检测电路4构成的检测部分2。
电源电路11为基于从天线18输入的交流信号产生提供给半导体装置20 中的各电路的各种电源的电路。时钟发生电路12为基于从天线18输入的交流 信号产生提供给半导体装置20中的各电路的各种时钟信号的电路。数据解 调/调制电路13具有解调/调制与读取写入器19交换的数据的功能。控制电路 14具有控制存储电路16的功能。天线18具有发送和接收电磁场或电波的功 能。读取写入器19与半导体装置进行通信，控制该半导体装置并且控制关于 其数据的处理。注意，半导体装置并不限于上述的结构，例如也可以为添加 诸如电源电压的限幅电路、专用于处理密码的硬件等其他要素的结构。
存储电路16具有选自实施方式l所示的存储元件中的一个或多个存储元 件。通过使用本发明的存储元件，可以简便且高成品率地制造存储电路。
此外，对存储元件的数据写入不只是一次，可以进行数据的追加(追记)。 另一方面，因为不能擦除写入一次的存储元件中的数据，所以可以防止改写 所引起的伪造。由此，可以廉价地制造具有优越的性能和可靠性的半导体装 置。
此外，检测部分2可以利用物理或化学手法检测温度、压力、流量、光、 磁性、音波、加速度、湿度、气体成分、液体成分、以及其他特性。注意， 检测部分2包括检测元件3和检测电路4。该检测元件3检测物理量或者化学 量，该检测电路4将该检测元件3所检测的物理量或者化学量转换成适当信号 诸如电信号等。作为检测元件3，可以使用电阻元件、电容耦合元件、电感耦合元件、光电动势元件、光电转换元件、热电动势元件、晶体管、热敏电 阻器、二极管等。注意，检测部分2的数量可以为多个，在此情况下，可以 同时检测多个物理量或者化学量。
注意，在此说明的物理量是指温度、压力、流量、光、磁性、音波、加 速度、湿度等，化学量是指诸如气体等气体成分或者离子等液体成分等的化 学物质等。作为化学量，另外，还包括诸如包含在血液、汗、尿等中的特定 的生物物质(例如血液中的血糖值等)的有机化合物。特别是，当检测化学 量时，必然选择性地检测某种特定的物质，因此预先在检测元件3中提供与 要检测的物质选择性地发生反应的物质。例如，当检测生物物质时，优选的 是在检测元件3中，将与要检测的生物物质选择性地发生反应的酶、抗体、 或者微生物细胞等固定到高分子等上来提供。
下面，在图14中表示半导体装置的一个结构例子，其中在设置有多个元
件及存储元件的衬底上设置天线。注意，图14为存储电路16和天线18的部分
截面图。
图14A示出包括以无源矩阵型形成的存储电路的半导体装置。该半导体 装置包括形成在衬底1350上的具有晶体管1300和1301的层1351;形成在具 有晶体管的层1351的上方的存储元件部分1352以及用作天线的导电层1353。
注意，虽然这里示出在具有晶体管的层1351的上方形成存储元件部分 1352以及用作天线的导电层1353的情况，然而本发明并不限于这种结构，也 可以在具有晶体管的层1351的下方或者在与具有晶体管的层1351相同的层 中提供存储元件部分1352或用作天线的导电层1353。
存储元件部分1352包括多个存储元件1352a和1352b。存储元件1352a包 括形成在绝缘层1252上的第一导电层110、形成在第一导电层110上的存储层 111a以及第二导电层112a。此外，存储元件1352b包括形成在绝缘层1252上 的第一导电层IIO、形成在第一导电层110上的存储层lllb以及第二导电层 112b。注意，各个存储元件1352a、 1352b被分隔壁(绝缘层)1374分离。
存储元件部分1352中的第一导电层110连接到与晶体管1301连接的布线，并且可以通过使用与上述实施方式所示的存储元件相同的材料或制造方
法，来形成存储元件部分1352。此外，覆盖第二导电层112a和112b以及用作 天线的导电层1353地形成用作保护膜的绝缘层522。
注意，在导电层1360上设置有用作天线的导电层1353。导电层1360通过 布线1310连接到晶体管1300。该布线1310通过利用与存储元件部分1352中的 第一导电层110相同的工序形成。此外，用作天线的导电层也可以利用与第 二导电层112a和112b相同的层形成。
用作天线的导电层1353通过CVD法、溅射法、印刷法如丝网印刷或凹版 印刷等、液滴喷射法、分配器法、镀敷法等由导电材料形成。通过使用选自 铝(Al)、钛(Ti)、银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、钼(Pt)、镍(Ni)、钯 (Pd)、钽(Ta)和钼(Mo)中的元素、或者以这些元素为主要成分的合金 材料或化合物材料且利用单层结构或叠层结构来形成用作天线的导电层 1353。
例如，在通过使用丝网印刷法形成用作天线的导电层的情况下，可以通 过将导电膏选择性地印刷到所希望的区域而提供该导电层，在所述导电膏中 将粒径为几nm至几十^im的导电粒子溶解或分散于有机树脂中。作为导电粒 子，可以使用选自银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、 钽(Ta)、钼(Mo)和钛(Ti)等中的任何一种以上的金属粒子、卤化银的 微粒、或者分散性纳米粒子。此外，作为包含在导电膏中的有机树脂，可以 使用选自用作金属粒子的粘合剂、溶剂、分散剂、以及被覆材料的有机树脂 中的一种或多种。典型地，可以举出如环氧树脂、硅酮树脂等有机树脂。此 外，当形成导电层时，优选在挤出导电膏后进行焙烧。例如，在将以银为其 主要成分的微粒(例如，粒径为lnm以上且100nm以下)用作导电膏材料的 情况下，可以通过在15(TC至30(TC的温度下进行焙烧使导电膏固化，来获得 导电层。此外，也可以使用以焊料或者无铅焊料为主要成分的微粒，在此情 况下，优选使用粒径为20 pm以下的微粒。焊料或者无铅焊料具有成本低的 优点。此外，除了上述材料以外，还可以将陶瓷或铁氧体等适用于天线。可以适当地选择实施方式3所示的晶体管等而使用于包括在具有晶体管
的层1351中的晶体管1300、 1301。
此外，也可以在衬底上设置剥离层，在该剥离层上形成具有晶体管的层 1351、存储元件部分1352、以及用作天线的导电层1353，适当地使用实施方 式3所示的剥离方法而剥离具有晶体管的层1351、存储元件部分1352、以及 用作天线的导电层1353，通过使用附着层而将它们贴合到衬底上。作为衬底， 使用在实施方式2中作为衬底521示出的柔性衬底、薄膜、由纤维材料制成的 纸、基材薄膜等，来可以谋求实现存储装置的小型化、薄型化、以及轻量化。
图14B表示具有有源矩阵型存储电路的半导体装置的一个例子。注意， 关于图14B，将说明与图14A不同的部分。
图14B所示的半导体装置包括在衬底1350上的具有晶体管1300和1301 的层1351;在具有晶体管的层1351的上方的存储元件部分1356以及用作天线 的导电层1353。注意，这里虽然示出如下情况在具有晶体管的层1351的上 方具有存储元件部分1356以及用作天线的导电层1353，但是本发明并不限于 这种结构，既可以在具有晶体管1301的层1351的上方或下方具有存储元件部 分1356以及用作天线的导电层1353，又可以在具有晶体管的层1351的下方或 与此相同的层中具有存储元件部分1356以及用作天线的导电层1353。
存储元件部分1356包括存储元件1356a以及1356b。存储元件1356a包括 形成在绝缘层1252上的第一导电层110a、形成在第一导电层110a上的存储层 111以及第二导电层112。存储元件1356b包括形成在绝缘层1252上的第一导 电层110b、形成在第一导电层110b上的存储层lll以及第二导电层112。注意， 存储元件1356a、 1356b被分隔壁(绝缘层)1374分离。并且，可以通过使用 与上述实施方式所示的存储元件相同的材料或制造方法，来形成存储元件部 分1356。此外，与晶体管连接的布线连接到构成存储元件的各个第一导电层。 就是说，每个存储元件分别连接到一个晶体管。注意，在图14B所示的截面 方向上，也可以根据每个存储元件分离存储层lll。
此外，也可以在衬底上设置剥离层，在该剥离层上形成具有晶体管的层1351、存储元件部分1356、以及用作天线的导电层1353，适当地使用实施方 式3所示的剥离方法而剥离具有晶体管的层1351、存储元件部分1356、以及 用作天线的导电层1353，通过使用附着层将它们贴合到衬底上。
下面，参照图15说明包括第一衬底及第二衬底的半导体装置的一个结构 例子，该第一衬底包括具有晶体管的层、连接到天线的端子部分以及存储元 件，该第二衬底形成有连接到该端子部分的天线。关于图15，说明与图14 不同的部分。
图15A表示具有无源矩阵型的存储装置的半导体装置。半导体装置包 括形成在衬底1350上的具有晶体管1300和1301的层1351;形成在具有晶体 管的层1351的上方的存储元件部分1352;连接到天线的端子部分；以及形成 有用作天线的导电层1357的衬底1365。并且，利用包含在树脂1375中的导电 粒子1359将导电层1357与成为连接端子的导电层1360电连接。注意，通过利 用具有附着性的树脂1375将包括具有晶体管的层1351和存储元件部分1352 等的衬底1350以及设置有用作天线的导电层1357的衬底1365贴合在一起。
另外，可以使用诸如银膏、铜膏、碳膏等的导电粘合剂或者使用焊接的 方法，将用作天线的导电层1357与成为连接端子的导电层1360相连接。在此 虽然示出在具有晶体管的层1351的上方设置存储元件部分1352的情况，但是 本发明不限于这种结构，也可以在具有晶体管的层1351的下方或在与此相同 的层中设置存储元件部分1352。
图15B示出设置有有源矩阵型的存储装置的半导体装置。半导体装置包 括形成在衬底1350上的具有晶体管1300和1301的层1351;形成在具有晶体 管的层1351的上方的存储元件部分1356;连接到晶体管的端子部分；以及形 成有用作天线的导电层1357的衬底1365。并且，利用包含在树脂1375中的导 电粒子1359将导电层1357与成为连接端子的导电层1360相连接。注意，通过 利用具有附着性的树脂1375将包括具有晶体管的层1351和存储元件部分 1356等的衬底以及设置有用作天线的导电层1357的衬底1365贴合在一起。
另外，也可以使用诸如银膏、铜膏、碳膏等的导电粘合剂或者使用焊接的方法，将包括具有晶体管的层1351和存储元件部分1356等的衬底1350以及 设置有用作天线的导电层1357的衬底1365贴合在一起。在此虽然示出在具有 晶体管的层1351的上方设置存储元件部分1352的情况，但是本发明不限于这 种结构，也可以在具有晶体管的层1351的下方或在与此相同的层中设置存储 元件部分1356。此外，也可以在衬底上形成剥离层，在该剥离层上形成具有晶体管的层 1351、存储元件部分1352或者存储元件部分1356，通过适当地使用实施方式 3所示的剥离方法，来剥离具有晶体管的层1351以及存储元件部分1352、 1356，然后通过使用附着层，将具有晶体管的层1351以及存储元件部分1352、 1356贴合到衬底上。再者，也可以在设置有用作天线的导电层1357的衬底1365上设置存储元 件部分1352和1356。即，通过利用包含导电粒子的树脂，将形成有具有晶体 管的层的第一衬底与形成有存储元件部分以及用作天线的导电层的第二衬 底贴合在一起。此外，也可以与图14A和14B所示的半导体装置同样地设置 连接到晶体管的传感器。对本实施方式所示的半导体装置的数据写入不只是一次，可以进行追加 (追记)。另一方面，因为不能擦除写入一次的存储元件中的数据，所以可 以防止改写所引起的伪造。再者，由于包括能够简便且高成品率地制造的本 发明的存储元件，所以可以廉价地制造具有优越的性能和可靠性的半导体装 置。注意，本实施方式也可以与其他实施方式及实施例适当地组合。由此， 本实施方式所示的半导体装置所具有的存储元件例如也可以在存储层与第 一导电层及第二导电层中的至少一方之间提供有绝缘层或半导体层。实施方式5在本实施方式中，参照附图而说明具有本发明的存储元件的半导体装置 的一个例子。图16A表示本实施方式的半导体装置的俯视图，图16B表示图 16A中的虚线X-Y的截面图。如图16A所示，在衬底1400上形成有具有存储元件的存储元件部分 1404、电路部分1421、天线1431。图16A和图16B示出如下状态处于制造 工序的中途，并且在可耐制造条件的衬底1400上形成有存储元件部分、电路 部分、以及天线。可以通过与上述实施方式同样地适当选择材料以及制造工 序来制造。在衬底1400上隔着剥离层1452、绝缘层1453设置有晶体管1441和晶体管 1442，晶体管1441和晶体管1442分别被设置在存储元件部分1404和电路部分 1421中。在晶体管1441及晶体管1442上形成有绝缘层1461、绝缘层1454、绝 缘层1455，并且在绝缘层1455上形成有存储元件1443。存储元件1443包括设置在绝缘层1455上的第一导电层110d、存储层lll 以及第二导电层112，并存储层lll被第一导电层110d和第二导电层112夹持。 可以通过使用与上述实施方式所示的存储元件相同的材料或制造方法，来形 成存储元件1443。虽然在图16中省略，但是利用用作分隔壁的绝缘层1460b 等将多个设置的存储元件1443互相隔离。第一导电层110d连接到晶体管1441的布线层。另一方面，第二导电层112 连接到层叠在布线层1456a上的导电层1457c。此外，在绝缘层1455上层叠设 置有导电层和图16A所示的天线1431。在图16B中，所述导电层为导电层 1457a、导电层1457b、导电层1457e、导电层1457f，并且导电层1457a和天线 1431a、导电层1457b和天线1431b、以及导电层1457f和天线1431d分别层叠。 注意，在达到形成在绝缘层1455中的布线层1456b的开口部分中形成导电层 1457e和天线1431c，并且导电层1457e与布线层1456b连接。通过如此，分别 将天线与存储元件部分1404和电路部分1421电连接。此外，分别形成在天线 1431a、天线1431b、天线1431c、天线1431d下的导电层1457a、导电层1457b、 导电层1457e、导电层1457f还具有提高绝缘层1455和天线之间的紧密性的效 果。在本实施方式中，使用聚酰亚胺膜作为绝缘层1455，使用钛膜作为导电 层1457a、导电层1457b、导电层1457e、以及导电层1457f，而使用铝膜作为 天线1431a、天线1431b、天线1431c、以及天线1431d。注意，为了分别连接第一导电层110d和晶体管1441、导电层1457c和布 线层1456a、导电层1457e和布线层1456b，在绝缘层1455中形成开口 (也称 为接触孔)。当扩大开口，来增加导电层之间的接触面积时，实现更低电阻。 因此，在本实施方式中，设定开口的大小，其顺序为第一导电层110d和晶体 管1441连接的开口最小，其次为导电层1457c和布线层1456a连接的开口，导 电层1457e和布线层1456b连接的开口最大。在本实施方式中，将第一导电层 110d和晶体管1441连接的开口为5iamx5nm，将导电层1457c和布线层1456a 连接的开口为50(imx50)Lmi，将导电层1457e和布线层1456b连接的开口为 500|Limx500|im。在本实施方式中，使从绝缘层1460a到天线1431b的距离a为500pm以上， 使从第二导电层112的端部到绝缘层1460a的端部的距离b为250^im以上，使 从第二导电层112的端部到绝缘层1460c的端部的距离c为500)im以上，使从绝 缘层1460c的端部到天线1431c的距离d为250pm以上。注意，在电路部1421 中部分地形成有绝缘层1460c，晶体管1442也有由绝缘层1460c覆盖的区域和 不覆盖的区域。通过使用这种半导体装置，从外部输入部将电源电压、信号直接输入到 存储元件部分1404中，从而可以将数据(相当于信息)写入到存储元件部分 1404或从存储元件部分1404读取数据。此外，天线的结构既可以为与存储元件部分重叠地设置的结构，又可以 为设置在存储元件部分的周围而不重叠的结构。此外，当重叠时，其结构既 可以为整个面重叠的结构，又可以为一部分重叠的结构。例如，当采用天线 部分和存储元件部分重叠的结构时，可以减少由天线进行通信时信号带有的 噪音、电磁感应所引起的电动势的变动等的影响导致的半导体装置的动作缺 陷。此外，作为上述能够无接触地输入/输出数据的半导体装置中的信号传 输方式，可以使用电磁耦合方式、电磁感应方式或者微波方式等。可以考虑 到使用用途适当地选择传输方式，并且根据传输方式提供最适天线。图17A至17D表示芯片状的半导体装置的实例。该半导体装置包括形成在衬底1501上的用作天线的导电层1502以及存储元件部分1503。注意，在半 导体装置中，除了存储元件以外，还可以安装集成电路等。在使用微波方式(例如UHF频带(860至960MHz频带)、2.45GHz频带等) 作为半导体装置中的信号传输方式的情况下，可以考虑用于信号传输的电磁波波长，适当地设定用作天线的导电层的形状如长度等。例如，可以将用作 天线的导电层形成为直线形(例如，偶极天线(参照图17A))、平坦的形状 (例如，平板天线(参照图17B))、或者带状(参照图17C、 17D)等。此夕卜， 用作天线的导电层的形状并不限于直线形，考虑到电磁波的波长，还可以以 曲线形状、蜿蜒形状或者组合这些的形状设置。此外，在适用电磁耦合方式或者电磁感应方式(例如，13.56MHz频带) 作为半导体装置中的信号传输方式的情况下，由于利用磁场密度的变化所引起的电磁感应，因此，优选将用作天线的导电层形成为环状(例如，环形天 线)或者螺旋状(例如，螺旋天线)。此外，在适用电磁耦合方式或电磁感应方式并且与金属接触地设置具备 天线的半导体装置的情况下，优选在所述半导体装置和金属之间设置具有磁 导率的磁性材料。在与金属接触地设置具备天线的半导体装置的情况下，伴 随着磁场变化涡流电流流过金属中，并且通过该涡流电流产生的去磁磁场削 弱磁场变化，从而降低通信距离。因此，通过在半导体装置和金属之间设置 具有磁导率的材料，可以抑制金属的涡流电流以及通信距离的降低。注意， 作为磁性材料，可以使用具有高磁导率且高频损失少的铁氧体或金属薄膜。此外，当设置天线时，既可以在一个衬底上直接形成半导体元件如晶体 管等和用作天线的导电层，又可以在互不相同的衬底上分别形成半导体元件 和用作天线的导电层，然后将这些两个衬底贴合在一起以使半导体元件和用 作天线的导电层彼此电连接。对本实施方式所示的半导体装置的数据写入不只是一次，可以进行追加 (追记)。另一方面，因为不能擦除写入一次的存储元件中的数据，所以可以防止改写所引起的伪造。再者，由于包括能够简便且高成品率地制造的本 发明的存储元件，所以可以廉价地制造具有优越的性能和可靠性的半导体装 置。注意，本实施方式也可以与其他实施方式及实施例适当地组合。由此， 本实施方式所示的半导体装置所具有的存储元件例如也可以在存储层与第 一导电层及第二导电层中的至少一方之间提供有绝缘层或半导体层。实施方式6根据本发明，可以形成用作无线芯片的半导体装置。无线芯片的用途很 广泛，例如，可以通过安装在诸如纸币、硬币、证券、无记名债券、证书(驾驶执照、居民卡等，参照图18A)、包装用容器(包装纸、瓶子等，参照图 18C)、记录媒体(DVD软件、录像磁带等，参照图18B)、交通工具(自行 车等，参照图18D)、个人物品(包、眼镜等)、食物、植物、动物、人体、 衣服、生活用品、诸如电子设备等商品、行李的标签(参照图18E和18F)等 物品上来使用。电子设备是指液晶显示装置、EL显示装置、电视装置(也 简称为TV、 TV接收机或电视接收机)、以及便携式电话等。本发明的半导体装置1610具有本发明的存储元件，并且通过将它安装在 印刷电路板上，将它贴在表面上，或将它嵌入，来将它固定到物品上。例如， 当用于书时，优选将半导体装置嵌入到纸中，并且当用于由有机树脂构成的 包装时，优选将半导体装置嵌入到该有机树脂中，来将它固定到各种物品上。 因为本发明的半导体装置1610实现小型、薄型、轻量，所以在将它固定到物 品后，不损害该物品本身的设计性。此外，通过在纸币、硬币、有价证券、 无记名债券、证书等上提供本发明的半导体装置1610，可以提供识别功能， 并且通过利用该识别功能，可以防止伪造。此外，通过在包装用容器、记录 媒体、个人物品、食物、衣服、生活用品、电子设备等上提供本发明的半导 体装置，可以谋求实现诸如检査系统等的系统的效率化。下面，参照图19来说明安装有本发明的半导体装置的电子设备的一个方式。在此示出的电子设备为便携式电话，它包括框体1700和1706;面板1701;外壳1702;印刷线路板1703;操作按钮1704;电池1705。面板1701以可装卸 的方式被安装在外壳1702中，而且外壳1702被嵌合而固定到印刷线路板 1703。根据面板1701被安装的电子设备，适当地改变外壳1702的形状或尺寸。 在印刷线路板1703上安装有多个封装的半导体装置，并且作为其中之一，可 以使用具有本发明的存储元件的半导体装置。被安装在印刷线路板1703上的 多个半导体装置的每一个具有控制器、中央处理单元(CPU: Central Processing Unit)、存储器、电源电路、音频处理电路、收发电路等中的哪一 种功能。面板1701通过连接薄膜1708被连接到印刷线路板1703。上述面板170K 外壳1702以及印刷线路板1703与操作按钮1704和电池1705—起被装在框体 1700和1706的内部。面板1701所包括的像素区域1709被配置，以便从设置在 框体1700的开口窗可以看到。如上所述，本发明的半导体装置具有小型、薄型、以及轻量的特征。根 据上述特征，可以有效地利用电子设备的框体1700和1706内部的有限空间。 注意，框体1700和1706为以手机的外观形状为一个例子而表示的，涉及本实 施方式的电子设备根据其功能或用途可以变成为各种各样的方式。注意，本发明的存储元件包括第一导电层、存储层、第二导电层，存储 层被第一导电层和第二导电层夹持。此外，存储层利用由被有机薄膜覆盖的 导电材料形成的纳米粒子构成，并且通过液滴喷射法形成。因此，可以简便 且高成品率地制造本发明的存储元件。对具有这种存储元件的半导体装置的数据写入不只是一次，可以进行追加(追记)。另一方面，因为不能擦除写入一次的存储元件中的数据，所以 可以防止改写所引起的伪造。因此，可以廉价地制造具有优越的性能和可靠 性的半导体装置。注意，本实施方式也可以与其他实施方式及实施例适当地组合。由此， 本实施方式所示的半导体装置所具有的存储元件例如也可以在存储层与第 一导电层及第二导电层中的至少一方之间提供有绝缘层或半导体层。实施例l在本实施例中，制造其存储层利用由被有机薄膜覆盖的导电材料形成的 纳米粒子构成的存储元件，并且示出当为本发明的一个结构例子的存储元件 的写入数据时的结构变化。存储元件是在衬底上按顺序层叠第一导电层、存 储层、第二导电层的元件，并且参照图l而说明其制造方法。注意，使用的存储元件的尺寸为5pm见方。首先，通过溅射法在衬底上形成钛膜，来获得第一导电层no。注意， 膜厚度为100nm。接着，在使用加热板加热衬底的同时，通过液滴喷射法形成厚度为 100nm的存储层lll。作为喷射材料使用将被有机薄膜覆盖的银纳米粒子分散 在水以及水溶性有机溶剂中的溶液。注意，溶液中的银浓度大约为22.5wty。 (±2.5wt%)，使用的纳米粒子的粒径为20nm以上且30nm以下。此外，使用 在25。C的条件下其粘度大约为15Pa，s、表面张力大约为35mN/m的喷射材料。 首先，在使用50。C的加热板加热衬底的同时，将上述喷射材料作为液滴喷射 于第一导电层110上，然后，将加热板的温度设定为80。C加热10分钟来进行 干燥，以形成由被有机薄膜覆盖的银纳米粒子构成的存储层lll。接着，通过利用电阻加热的气相淀积法，在存储层lll上形成厚度为 200nm的铝，来形成第二导电层112。通过对如此获得的存储元件施加电压进行写入。图20A表示在写入时的 存储元件的电压-电流特性。注意，作为电压的施加方法采用连续改变施加 电压的扫描(sweep)方式，并且通过使用电阻器将流过存储元件中的电流 的限值设定为10mA。在图20A中，在大约8.4V附近电流值猛增，该电流值达 到限值的10mA。也就是说，可以得知电极之间产生短路，从而可以对存储 元件进行写入。通过以扫描方式再次对该存储元件施加电压，调査写入之后的存储元件 的电压-电流特性。图20B表示其结果。在图20B中，在存储元件中流过的电 流值当电压的施加之后立即达到限值的10mA。由此，可以确认了电极之间已产生短路，并且正确地进行了写入。图21至图23表示如此完成写入工序的存储元件的SEM照片。图21表示存 储层lll的沿膜厚度方向的l/2部分的切断面。注意，当以该膜厚度方向为y 方向时，图21表示xz平面。此外，图22表示存储元件的截面，且表示xy平面。 此外，图23也表示存储元件的截面，且表示yz平面。根据图21至图23可以得知由于写入所引起的纳米粒子的熔接而形成了 导电部120。此外，可以得知使第一导电层110和第二导电层112通过上述 导电部120电连接而使存储元件短路，来可以实现了写入。另外，导电部120 的形状接近于圆锥状。而且，可以得知在导电部120的周围形成有空间121， 并其形状几乎依赖于导电部120的形状。此外，在第一导电层110上除了空间 121以外的部分中还可以观察到空间。而且，可以得知在写入之后的第二 导电层112没有发生变形。因此，例如在第二导电层112上形成其他层的情况 下，不需要担忧所述其他层的膜剥离等。另外，通过将根据本实施例制成的存储元件暴露在85。C的气氛中240小 时，以进行可靠性试验。即使经过240小时之后，该存储元件还可以正确地 进行写入。由此，可以知道本发明的存储元件具有高可靠性。此外，即使在使用150。C的加热板对根据本实施例制成的存储元件加热 16小时之后，该存储元件还没有短路，从而可以通过施加电压进行写入。注意，如上所述，根据本实施例制成的存储元件中的存储层lll在将喷 射材料作为液滴喷射之后利用80。C的加热板进行干燥，但是，在140。C进行 10分钟的干燥的存储元件也显示与80。C的情况同样的写入特性。如此，可以简便且高成品率地制造本发明的存储元件。本发明的存储元件不能对写入一次的存储元件中的数据进行擦除，所以 可以防止改写所引起的伪造。所以，可以廉价地制造性能和可靠性优良的存 储元件。本说明书根据2007年2月2日在日本专利局受理的日本专利申请编号 2007-024862以及2007-024860而制作，所述申请内容包括在本说明书中。
权利要求
1.一种存储装置，包括第一导电层；第二导电层；以及夹在所述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层，其中，所述存储层具有第一部分和第二部分，这些部分分别至少包含具有导电材料且被有机薄膜覆盖的纳米粒子，并且，所述第一导电层通过所述第一部分电连接到所述第二导电层，并且，所述第一部分接触于所述第一导电层以及所述第二导电层，并且，所述第一部分的侧面被所述第二部分围绕。
2. 根据权利要求l所述的存储装置，其中所述纳米粒子的粒径为lnm以 上且200nm以下。
3. 根据权利要求l所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活性剂 或与所述导电材料形成配位键的物质。
4. 根据权利要求l所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活性 剂或与所述导电材料形成配位键的物质；以及还原剂、粘合剂或增塑剂。
5. 根据权利要求l所述的存储装置，其中所述第一部分的形状为柱状或 锥状。
6. 根据权利要求l所述的存储装置，其中所述第一部分接触于所述第二 部分。
7. 根据权利要求l所述的存储装置，其中所述第一部分不接触于所述第 二部分。
8. 根据权利要求l所述的存储装置，还包括层，其中该层夹在所述存储 层与所述第一导电层或所述第二导电层之间，并且所述层是绝缘层或半导体 层。
9. 一种存储装置，包括第一导电层； 第二导电层；夹在所述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层；以及晶体管，该晶体管电连接到具有所述第一导电层、所述第二导电层以及所述存储层的存储元件，其中，所述存储层具有第一部分和第二部分，这些部分分别至少包含具有导电材料且被有机薄膜覆盖的纳米粒子，并且，所述第一导电层通过所述第一部分电连接到所述第二导电层， 并且，所述第一部分接触于所述第一导电层以及所述第二导电层， 并且，所述第一部分的侧面被所述第二部分围绕。
10. 根据权利要求9所述的存储装置，其中所述纳米粒子的粒径为lnm 以上且200nm以下。
11. 根据权利要求9所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活性 剂或与所述导电材料形成配位键的物质。
12. 根据权利要求9所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活 性剂或与所述导电材料形成配位键的物质；以及还原剂、粘合剂或增塑剂。
13. 根据权利要求9所述的存储装置，其中所述第一部分的形状为柱状 或锥状。
14. 根据权利要求9所述的存储装置，其中所述第一部分接触于所述第 二部分。
15. 根据权利要求9所述的存储装置，其中所述第一部分不接触于所述 第二部分。
16. 根据权利要求9所述的存储装置，还包括层，其中该层夹在所述存 储层与所述第一导电层或所述第二导电层之间，并且所述层是绝缘层或半导 体层。
17. —种存储装置，包括 第一导电层；第二导电层；以及夹在所述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层，其中，所述存储层具有第一部分和第二部分，这些部分分别至少包含具 有导电材料且被有机薄膜覆盖的纳米粒子，并且，包含在所述第一部分中的所述纳米粒子被熔接，并且，所述第一部分接触于所述第一导电层以及所述第二导电层，并且，所述第一部分的侧面被所述第二部分围绕。
18. 根据权利要求17所述的存储装置，其中所述纳米粒子的粒径为lnm 以上且200nm以下。
19. 根据权利要求17所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活性 剂或与所述导电材料形成配位键的物质。
20. 根据权利要求17所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活性剂或与所述导电材料形成配位键的物质；以及还原剂、粘合剂或增塑剂。
21. 根据权利要求17所述的存储装置，其中所述第一部分的形状为柱状 或锥状。
22. 根据权利要求17所述的存储装置，其中所述第一部分接触于所述第 二部分。
23. 根据权利要求17所述的存储装置，其中所述第一部分不接触于所述 第二部分。
24. 根据权利要求17所述的存储装置，还包括层，其中该层夹在所述存 储层与所述第一导电层或所述第二导电层之间，并且所述层是绝缘层或半导 体层。
25. —种存储装置，包括 第一导电层； 第二导电层；夹在所述第一导电层和所述第二导电层之间的存储层；以及晶体管，该晶体管电连接到具有所述第一导电层、所述第二导电层以及所述存储层的存储元件，其中，所述存储层具有第一部分和第二部分，这些部分分别至少包含具 有导电材料且被有机薄膜覆盖的纳米粒子，并且，包含在所述第一部分中的所述纳米粒子被熔接，并且，所述第一部分接触于所述第一导电层以及所述第二导电层，并且，所述第一部分的侧面被所述第二部分围绕。
26. 根据权利要求25所述的存储装置，其中所述纳米粒子的粒径为lnm 以上且200nm以下。
27. 根据权利要求25所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活性 剂或与所述导电材料形成配位键的物质。
28. 根据权利要求25所述的存储装置，其中所述有机薄膜具有表面活 性剂或与所述导电材料形成配位键的物质；以及还原剂、粘合剂或增塑剂。
29. 根据权利要求25所述的存储装置，其中所述第一部分的形状为柱状 或锥状。
30. 根据权利要求25所述的存储装置，其中所述第一部分接触于所述第二部分。
31. 根据权利要求25所述的存储装置，其中所述第一部分不接触于所述 第二部分。
32. 根据权利要求25所述的存储装置，还包括层，其中该层夹在所述存 储层与所述第一导电层或所述第二导电层之间，并且所述层是绝缘层或半导 体层。
全文摘要
本发明提供一种存储装置，包括第一导电层、第二导电层、夹在第一导电层与第二导电层之间的存储层。该存储层具有第一部分和第二部分，这些部分分别至少具有纳米粒子。该纳米粒子具有被有机薄膜覆盖的导电材料。所述第一部分接触于第一导电层及第二导电层，并且该第一部分的侧面被第二部分围绕。
文档编号H01L27/28GK101237029SQ20081000516
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月23日 优先权日2007年2月2日
发明者吉住健辅, 针马典子 申请人:株式会社半导体能源研究所