CN102222512A - 一种柔性有机阻变存储器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性有机阻变存储器及其制备方法，属于集成电路技术领域。该器件采用聚对二甲苯聚合物膜为衬底，衬底上为MIM结构的阻变存储器，阻变存储器的底层和顶层分别为金属电极，阻变存储器的中间功能层为聚对二甲苯聚合物膜。由于用聚对二甲苯聚合物膜同时作为有机阻变存储器的衬底和功能层，可制备出柔韧、可弯曲的有机阻变存储器。本发明柔性有机阻变存储器的关态电流小，性能优异，且工艺成本低。开关态的电流比率高达108，比基于SiO2/Si衬底的聚对二甲苯阻变存储器的开关比率高出3-4个数量级。

Description

一种柔性有机阻变存储器及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性电子学(flexible electronics)，聚合物和CMOS混合集成电路技术领域，具体涉及一种柔性有机阻变存储器(flexible organic resistive random access memory)及其制造方法。
背景技术
目前市场上的非挥发性存储器主要以闪存(flash memory)为主，随着集成电路的技术节点不断向前推进和电子器件持续微型化的需求，研究和开发更高存储密度、更快响应速度、更低成本及简单工艺的存储技术已成为当前信息领域的一个研究热点。闪存技术在达到其物理极限而无法继续推进后，以阻变存储器为代表的新一代存储技术已成为倍受关注的研究热点。
阻变存储器是一种全新的电子器件，它是以材料的电阻在外加电压或电流的激励下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的。同硅基存储器相比，阻变存储器在性能上具有以下突出的优点：其速度快；操作电压低；工艺简单。基于有机材料制备的的有机阻变存储器除具有上述特点外，还具备柔韧可弯曲的优点，另外有机材料一般可降解，有利于环境保护和避免电子污染。有机阻变存储器可广泛应用在低成本的RF电子标签、电子书(e-paper)等柔性电子系统中。
然而，目前有关柔性有机阻变存储器报道比较少，这主要是因为有机阻变存储器会因柔性衬底的粘附性、界面反应或其他因素导致器件性能下降，甚至无存储器特性。另外，有机功能层材料和柔性衬底一般不能与CMOS标准光刻工艺相兼容，故器件一般制备在非柔性衬底上，如硅片、玻璃等衬底上，不能达到柔韧可弯曲的效果；或将柔性存储器的功能层用无机材料ZnO、TiO2、AgGeSe等来实现柔性无机存储器。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种与CMOS标准光刻工艺相兼容的基于有机衬底和有机功能膜均为聚对二甲苯聚合物的柔性有机阻变存储器及其制备方法。
本发明的技术方案是：一种柔性有机阻变存储器，其特征在于，采用聚对二甲苯聚合物膜为衬底，衬底上为MIM结构的阻变存储器，该器件结构的底层和顶层分别为金属电极，该器件的中间功能层为聚对二甲苯聚合物膜。
所述柔性衬底聚对二甲苯聚合物膜的厚度为2-500μm。
所述中间层聚对二甲苯聚合物膜的厚度为20-50nm。
所述顶层电极为Al、Cu、Ag或Ti，厚度在200nm和500nm之间。
所述底层电极为W或Pt，厚度在100nm和250nm之间。
所述聚对二甲苯聚合物为聚对二甲苯C型、聚对二甲苯N型或聚对二甲苯D型。
一种柔性有机阻变存储器的制备方法，其步骤包括：
1)在基板上生长一聚对二甲苯厚膜作为柔性衬底；
2)用惰性等离子对上述聚对二甲苯聚合物膜进行预处理，提高衬底与器件的粘附性；
3)溅射一金属层，光刻、定义底层电极；
4)淀积一聚对二甲苯聚合物膜，作为中间功能层；
5)用活性等离子对聚对二甲苯功能膜进行轰击，增加薄膜表面活性；
6)溅射一金属层，光刻、剥离定义顶层电极；
7)分离柔性衬底与基板。
所示步骤1)具体为：采用polymer CVD方法淀积聚对二甲苯聚合物厚膜，为真空淀积，淀积速度在20nm/min和200nm/min之间。采用氩等离子对聚对二甲苯聚合物膜进行预处理，提高衬底的粘附性，具体工艺参数：电压为10-200V，功率为20-300W，时间为0.1-50min。
所述步骤4)具体为：采用Polymer CVD方法淀积聚对二甲苯聚合物膜，为真空淀积，淀积速度在1nm/min和10nm/min之间。采用氧离子对该聚对二甲苯功能膜进行轰击，氧离子浓度在1-100cm3/min之间。
所述步骤4)之后，光刻、RIE刻蚀聚对二甲苯聚合物膜，定义出底电极引出通孔，通过填充顶层电极金属材料引出底层电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用一种聚合物材料聚对二甲苯同时作为有机阻变存储器的柔性衬底和功能层，可制备出柔韧可弯曲的有机阻变存储器。
本发明采用同种材料制备柔性衬底和功能层，二者的结合性好，避免不同材料之间结合性不好的问题；并且仅采用一种有机材料制备柔性存储器可以降低设备成本和工艺成本，从而降低器件的制备成本。
本发明所制备出的柔性有机阻变存储器的关态电流比较小，开关态的电流比率高达108，比基于SiO2/Si衬底的聚对二甲苯阻变存储器的开关比率高出3-4个数量级，特性更优异。
附图说明
图1为本发明实施例柔性有机阻变存储器的工艺流程图；
图2为本发明柔性有机存储器的阻变特性测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明制备阻变存储器的工艺如图1所示，
1)利用Polymer CVD技术在硅或玻璃基板1上生长聚对二甲苯C型(Parylene-C)厚膜2，厚度在2μm和500μm之间，如图1(a)；
2)利用常规溅射设备，用高速氩等离子撞击聚对二甲苯C型(Parylene-C)厚膜2，即用等离子方法清洗衬底表面并提高衬底的粘附性，具体实验参数为：溅射电压为10-200V，功率为20-300W，时间为0.1-50min；
3)以常规CMOS工艺中的钨作为底层电极3，该底层电极采用物理气相淀积(PVD)方法或其它IC工艺中的成膜方法形成，厚度在200nm和500nm之间，并采用标准光刻技术使下电极图形化，如图1(b)；
4)利用Polymer CVD技术生长聚对二甲苯C型(Parylene-C)薄膜4，如图1(c)。淀积采用聚对二甲苯Polymer CVD设备，工艺选用设备的标准参数，薄膜厚度约20-50nm，淀积速度在1nm/min和10nm/min之间；
5)通过光刻，RIE刻蚀定义底层电极引出通孔5，如图1(d)；
6)利用氧等离子轰击Parylene-C薄膜4增加薄膜表面活性，氧等离子浓度在1和100cm3/min之间。
7)采用PVD工艺溅射金属Al，厚度在100nm和250nm之间，通过常规工艺的光刻、剥离定义顶层电极6，同时将底电极引出，如图1(e)；
8)分离柔性衬底与基板，如图1(f)，制得柔性有机阻变存储器，如图1(g)。
本发明采用聚对二甲苯材料作为阻变存储器的柔性衬底材料，其优势在于，采用Ar等离子提高器件与衬底的结合力、中间功能层采用更薄的聚对二甲苯薄膜(20-50nm)并用氧等离子增加薄膜表面活性，实现了柔韧可弯曲的有机阻变存储器。
本实施例制得的柔性有机阻变存储器的阻变特性的测试结果如图2所示。图2中1-器件在正向电压的激励下由高阻态向低阻态的跃变过程；2-低阻态保持过程；3-器件在反向电压的激励下由低阻态向高阻态的跃变过程；4-高阻态保持过程。
如图2可知，随着上电极的电压改变(下电极接地)，位于两电极之间的功能层的阻值会发生高阻和低阻之间的转变，即存储器“0”，“1”两个状态之间的转变。开态和关态在小读取电压(如0.1V)的电流比高达108，体现了较大的阻变窗口，比基于SiO2/Si衬底或Si衬底的聚对二甲苯阻变存储器的开关电流比率高出3-4个数量级。
虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明的阻变存储器的材料，结构及其制备方法，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，例如中间层和衬底聚对二甲苯C型(Parylene-C)可以换成聚对二甲苯N型(Parylene-N)或聚对二甲苯D型(Parylene-D)。另外，也可用其他其他惰性离子如氦、氖等离子代替氩离子进行粘附性处理；也可用氯离子等替代氧等离子增加功能薄膜的活性。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的柔性阻变存储器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变换或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (10)

1.一种柔性有机阻变存储器，其特征在于，采用聚对二甲苯聚合物膜为衬底，衬底上为MIM结构的阻变存储器，阻变存储器的底层和顶层分别为金属电极，阻变存储器的中间功能层为聚对二甲苯聚合物膜。
2.如权利要求1所述的柔性有机阻变存储器，其特征在于，所述聚对二甲苯聚合物为聚对二甲苯C型、聚对二甲苯N型或聚对二甲苯D型。
3.如权利要求1或2所述的柔性有机阻变存储器，其特征在于，所述聚对二甲苯聚合物衬底的厚度为2-500μm。
4.如权利要求3所述的柔性有机阻变存储器，其特征在于，所述聚对二甲苯聚合物中间功能层的厚度为20-50nm。
5.一种柔性有机阻变存储器的制备方法，其步骤包括：
1)在基板上淀积一聚对二甲苯聚合物膜作为柔性衬底；
2)用惰性等离子对上述聚对二甲苯聚合物膜进行预处理；
3)溅射一金属层，光刻、定义底层电极；
4)淀积一聚对二甲苯聚合物膜，作为中间功能层；
5)用活性等离子对步骤4)淀积的聚对二甲苯功能膜进行轰击；
6)溅射一金属层，光刻、剥离定义顶层电极；
7)分离柔性衬底与基板。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所示步骤1)具体为：采用polymer CVD方法淀积聚对二甲苯聚合物膜，为真空淀积，淀积速度在20-200nm/min之间。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所示步骤2)具体为：采用氩等离子对聚对二甲苯聚合物膜进行预处理，具体工艺参数为：电压为10-200V，功率为20-300W，时间为0.1-50min。
8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：采用Polymer CVD方法淀积聚对二甲苯聚合物膜，为真空淀积，淀积速度在1-10nm/min之间。
9.如权利要求5或7所述的方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：采用氧离子对聚对二甲苯功能膜进行轰击，氧离子浓度在1-100cm3/min之间。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4)之后，光刻、RIE刻蚀聚对二甲苯聚合物膜，定义出底电极引出通孔，通过填充顶层电极金属材料引出底层电极。
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