CN102593359B - 一种多功能集成的有机阻变存储装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能集成的有机阻变存储装置及其制备方法，该有机阻变存储装置包括绝缘衬底，设置于绝缘衬底上的底电极、顶电极及位于所述底电极与顶电极之间的有机功能层，其中所述的有机功能层为基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜，所述的有机功能层中包含无机纳米颗粒，所述有机功能层包含杂金属离子且该杂金属离子在有机功能层内以络合物的形式均匀稳定存在。该存储装置在不同的电压激励下表现出非易失性可擦除多值存储特性（multi-valueflash）和写一次读多次存储特性（WROM），本发明提供的阻变存储器一致性好、响应速度快、可靠性强、结构简单、制造成本低。利用本发明提供的存储装置可实现闪存存储器、多值存储器、写一次读多次存储器的集成，用于高度集成的大容量多功能集成存储器领域，具有很高的应用价值。

Description

一种多功能集成的有机阻变存储装置及其制备方法

技术领域

    本发明涉及半导体存储，属于有机存储器领域，具体涉及一种多功能集成的有机阻变存储装置及其制备方法。

背景技术

数字通讯技术的迅猛发展导致对各种存储装置的需求也在快速增长。特别对于适合用于包括诸如可移动终端、智能卡、数码相机、游戏存储卡等应用的存储装置，要求其存储密度高，写入、读出速度快。目前普遍应用的非易失性存储器是基于硅材料的闪存。然而常规闪存的技术局限性在于写入/擦除循环次数有限，写入速度相对较慢，且由于某些物理限制及加工难度难以向高密度存储发展。考虑到常规闪存的这些局限性，已经在不断努力开发下一代非易失性存储器，这其中就包括电阻型存储器。电阻型存储器技术是基于电双稳材料可以在电场等信号的作用下在高阻态和低阻态之间进行切换的工作原理。利用该原理做成电器元件时，可以对其施加不同的电压，使其进入到不同的导电状态，并且即使在施加的电压消失后，该器件仍然会保持其先前的导电状态，即具有非易失性。随着微纳加工技术、材料制备技术的发展，非易失性电阻型存储器成为近年的研究热点，由于其存储密度高、响应速度快、制造成本低、可实现三维存储等优点而被认为是最具有发展前景的下一代存储器之一。传统的电阻型存储器是基于上电极-存储介质-下电极竖直分布的结构。存储介质在上下电极偏置电压的作用下可以实现高阻态与低阻态的相互转化，即可以用来表征数字逻辑中的“0”和“1”两种状态，从而实现数据的存储功能。

同传统的无机电子器件相比，有机半导体电子器件具有材料选择范围宽、制作工艺简单、成本低的特点。并且随着微纳加工技术、材料制备技术的发展，如果能够采用有机材料来制备数字存储设备，必然能够降低生产成本，满足目前对于大容量、低价格数字存储器件的需要。特别是随着数字电子产品对各种存储装置需求的日益增长，迫切需要多值存储器，同时需要将具有不同存储效应的存储单元集成在同一存储器，以提高存储器的集成度及提高不同类型存储芯片间的通讯速度。但是，目前任一体系的有机阻变存储单元只表现出单一的存储特性。与此同时，有机阻变装置所选取的有机材料多表现出化学稳定性和热稳定性差等问题。在低阻态下，大电流产生的焦耳热容易使有机层发生分解，从而使器件失效。另外，同一存储芯片上不同存储单元的电阻态转换的稳定性和均一性也存在问题。由于器件有机活性层成分的涨落，不同存储单元表现出不同的写电压、擦除电压，及不同的低阻态、高阻态数值；部分存储单元不具有阻变特性，即良品率低。不同存储单元间的性能差异及良品率不高等问题严重限制了有机阻变存材料在大规模存储器方面的实用化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能集成的有机阻变存储装置及其制备方法。通过在有机活性层中嵌入无机纳米颗粒形成大量的有机/无机界面，该界面有利于金属离子的输运。金属离子可以在所述的活性层内输运被还原成金属丝簇从而形成低阻态；反过来所述的金属丝簇可以被氧化形成高阻态，由此实现存储。通过不同的电激励控制金属丝簇的氧化程度而实现不同的电阻状态，从而实现多值存储。同时该有机活性层包含杂金属离子且该杂金属离子在有机活性层内以络合物的形式均匀稳定存在，所述的以络合物形式存在的金属离子可以在电场的作用下堆积，并被还原成稳定的单质金属而实现导电状态的切换，从而实现写一次读多次的存储性能。由于所述的无机纳米颗粒与金属离子在有机活性层中均匀分散，该有机存储装置中不同存储单元间具有高度的一致性及高重复性，可靠性强、结构简单、制造成本低，用于高度集成的大容量多功能集成存储器领域，具有很高的应用价值。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种多功能集成的有机阻变存储装置，包括绝缘衬底10，设置于绝缘衬底表面的底电极20、顶电极40及位于底电极、顶电极之间的有机活性层30，其特征在于：所述的有机活性层30为基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜。

所述的基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜包括聚酰亚胺、均匀分散的无机纳米颗粒及以络合状态存在的金属离子。

所述的聚酰亚胺复合薄膜30的厚度为10-100纳米。

所述的以络合状态存在的金属离子是Cu、Sn、Zn的一种、两种或两种以上。

所述的一种多功能集成的有机阻变存储装置的制备方法包括以下步骤：

（1）在绝缘基板10表面形成底电极20；

（2）在所述的底电极20表面形成聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜30；

（3）在所述的聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜30表面形成顶电极40。

步骤（1）所述的绝缘基板是二氧化硅、玻璃、石英、陶瓷或绝缘柔性衬底材料；所述的底电极是P型硅或N型导电硅材料。

步骤（2）所述的聚酰亚胺复合薄膜的制备方法为：将聚酰胺酸/金属盐溶液通过旋涂或滚涂的方式在底电极表面形成聚酰胺酸复合薄膜，在溶剂蒸发的过程中大部分金属离子析出形成金属盐纳米颗粒，部分金属离子与聚酰亚胺分子作用形成金属络合物，后经300至400^oC热处理1至2小时形成聚酰亚胺/纳米颗粒/金属离子复合薄膜。形成聚酰胺酸/金属盐溶液的方法为，将含有金属离子的化合物晶体加入溶解有聚酰胺酸的有机溶剂中，所述的有机溶剂可以是二甲基甲酰胺或氮-甲基吡咯烷酮，超声分散形成均匀的分散体系。

步骤（3）所述的顶电极是Ag，Al，Cr中的一种金属电极或者两种及两种以上组合的复合金属电极。

所述的顶电极是通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积的方法形成的。

本发明的显著优点在于：所述的机活性层中包含无机纳米颗粒，同时所述的有机活性层包含杂金属离子且该杂金属离子在有机活性层内以络合物的形式均匀稳定存在。该存储装置在不同的电压激励下表现出非易失性可擦除多值存储特性（multi-value flash）、写一次读多次存储特性（WROM）。将金属化合物晶体溶解在聚酰胺酸的溶液中，通过旋涂、滚涂等方法形成聚酰亚胺/纳米颗粒/金属离子复合薄膜，实现纳米颗粒及金属离子在有机衬薄膜中的均匀掺杂，获得成分均匀一致的聚酰亚胺复合薄膜，从而有效地提高了不同存储单元之间的一致性。通过采用聚酰亚胺为有机基体材料，可有效地提高器件的抗焦耳热能力，从而获得能长寿使用寿命的器件。本发明提供的有机存储装置重复性高、响应速度快、可靠性强、寿命长、结构简单、制造成本低，用于高度集成的大容量多功能集成储器领域，具有很高的应用价值。

附图说明

图1-3是本发明一种多功能集成的有机阻变存储装置的制造流程示意图；其中10代表基板；20代表底电极；30代表基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜；40代表顶电极。

图4是本发明的多功能集成的有机阻变存储装置的非易失性可擦除多值存储效应的电流-电压特性。

图5是本发明的多功能集成的有机阻变存储装置的写一次-读多次存储效应的电流-电压特性。

具体实施方式

下面结合附图及实施例具体说明本发明一种多功能集成的有机阻变存储装置。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清除放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。

在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。

本发明的有机存储装置包括绝缘衬底10、位于绝缘衬底表面的底电极20、顶电极40，介于所述底极和顶电极之间的聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜30。向存储装置底电极20与顶电极40施加电压激励时，聚酰亚胺复合薄膜的电导发生变化，并且在不同的电压激励下表现出不同的阻变特性，由此实现该存储装置的多存储功能集成特性。因而可以通过大量不同导电状态存储单元的排列组合实现信息存储。

用于本发明的有机活性层为基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜30。作为构成聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜30的聚酰亚胺的适宜材料可以是由二酐和二胺获得的聚酰胺酸，再通过加热或化学方法使分子内脱水，闭环生成而得到。所述的二酐可以包括但不限于：均苯四酸二酐（PMDA）、酮酐（BTDA）、3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐（s-BPDA）、2,3,3’,4-联苯四甲酸二酐（a-BPDA）、六氟二酐（6FDA），所述的二胺可以包括但不限于对苯胺（PDA）、4,4’-氧双苯胺（ODA）。

在下文中，将根据下面的实施例更详细的说明本发明。但是，这些实施例是为了说明起见而给出的，不应该看做是对本发明的范围的限制。

实施例1：

步骤一，在绝缘基板10上形成底电极20。

在该步骤中，底电极20所用材料可以选用P型、N型导电硅材料。可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。该电极可以选择形成在二氧化硅、玻璃、石英、陶瓷等绝缘衬底表面，也可以选择形成在其他绝缘柔性衬底材料上。电极的宽度、厚度等参数不是限制性的，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。底极构图形成可以通过光刻工艺步骤实现。本实施例优选采用磁控溅射技术在玻璃基板表面形成P型硅，通过后续光刻工艺形成底电极20。

步骤二，在底电极20表面形成聚酰亚胺/氯化铜纳米颗粒/铜离子复合薄膜30。

本实施例中将2,3,3’,4-联苯四甲酸二酐与对苯胺按一定比例混合，溶解在氮，氮—二甲基甲酰胺中形成的聚酰胺酸溶液。将无水氯化铜与所形成的聚酰胺酸溶液按比例混合(其中铜离子的浓度为0.01-0.1mol/L),超声分散形成均匀的聚酰胺酸/氯化铜混合溶液。采用旋涂方法将所述的聚酰胺酸/氯化铜混合溶液旋涂在底电极20上部，形成聚酰胺酸/氯化铜纳米颗粒/铜离子复合薄膜。在氩气氛围保护下经过350摄氏度热处理1小时形成聚酰亚胺/氯化铜纳米颗粒/铜离子复合薄膜30。

步骤三，在聚酰亚胺/氯化铜纳米颗粒/铜离子复合薄膜30表面形成顶电极40。顶电极40所用材料可以选用Ag，Al，Cr一种金属电极或者两种及其以上的组合的复合金属电极。可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。本实施例优选采用热蒸镀的方法制作银电极。

实施例2：

本实施例以与第一实施例相同的方式制造存储装置，不同之处在于步骤二是在底电极20表面形成聚酰亚胺/硝酸锌纳米颗粒/锌离子复合薄膜30。具体为：

本实施例中将2,3,3’,4-联苯四甲酸二酐与对苯胺按一定比例混合，溶解在氮，氮—二甲基甲酰胺中形成的聚酰胺酸溶液。将无水硝酸锌与所形成的聚酰胺酸溶液按比例混合(其中锌离子的浓度为0.01mol/L),超声分散形成均匀的聚酰胺酸/锌离子混合溶液。采用旋涂方法将所述的聚酰胺酸/锌离子混合溶液施加在底电极20上部，形成聚酰胺酸/硝酸锌纳米颗粒/锌离子复合薄膜。在氩气氛围保护下经过350摄氏度热处理1小时形成聚酰亚胺/硝酸锌纳米颗粒/锌离子复合薄膜30。

以上例子主要说明了本发明的一种多功能集成的有机阻变存储装置及制备方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施例方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (8)

1.一种多功能集成的有机阻变存储装置，包括绝缘基板，设置于绝缘基板上的底电极、顶电极及设置于所述底电极和顶电极之间的有机功能层，其特征在于：所述的有机功能层为基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜；

所述的基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜的厚度为10-100纳米；

所述的底电极是P型硅或N型硅材料；

所述的顶电极是Ag、Al、Cr中的一种金属电极或者两种及两种以上组合的复合金属电极；

所述的基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜内部形成大量的有机/无机界面；

所述的基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜内部金属离子以络合物的形式出现；

所述的基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜内部金属离子是铜离子、锌离子、锡离子或其组合。

2.根据权利要求1所述的多功能集成的有机阻变存储装置，其特征在于：所述的有机阻变存储装置集合了多值存储和写一次读多次的功能。

3.根据权利要求2所述的多功能集成的有机阻变存储装置，其特征在于：所述的有机阻变存储装置在-3伏至5伏的电压范围内表现出非易失性可擦写的多值存储功能。

4.根据权利要求2所述的多功能集成的有机阻变存储装置，其特征在于：所述的有机阻变存储装置在-3伏至-5伏的电压范围内表现出写一次读多次的非易失性存储功能。

5.一种如权利要求1所述的多功能集成的有机阻变存储装置的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：

（1）在绝缘基板表面形成底电极；

（2）在底电极表面形成基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜；

（3）在基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜上形成顶电极；

步骤（2）所述的基于聚酰亚胺的有机/无机纳米复合薄膜的制备方法为：将聚酰胺酸/金属离子溶液通过旋涂或滚涂的方式在底电极表面形成聚酰胺酸/纳米颗粒/金属离子复合薄膜，经300-400℃热处理1-2小时形成聚酰亚胺/纳米颗粒/金属离子复合薄膜。

6.根据权利要求5所述的多功能集成的有机阻变存储装置的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的绝缘基板是玻璃、石英、陶瓷或绝缘柔性衬底材料。

7.根据根据权利要求5所述的多功能集成的有机阻变存储装置的制备方法，其特征在于：所述的纳米颗粒是氯化铜纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、氧化硅纳米颗粒、氧化铜纳米颗粒中的一种或多种的混合物。

8.根据权利要求5所述的多功能集成的有机阻变存储装置的制备方法，其特征在于：聚酰胺酸/金属离子溶液的制备方法为，将含有金属离子的化合物晶体加入溶解有聚酰胺酸的有机溶剂，所述的有机溶剂是二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮，经超声分散形成均匀的分散体系；聚酰胺酸溶液中所述的金属离子的质量分数为0.1-10%。

Images