DE102004025676B4 - Integrated semiconductor memory with organic selection transistor - Google Patents
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- H10B12/00—Dynamic random access memory [DRAM] devices
- H10B12/30—DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells
Abstract
Integrierter Halbleiterspeicher mit einem Zellenfeld aus einer Vielzahl von in Zeilen (0–n) und Spalten (0–m) auf einem Substrat angeordneten Speicherzellen, die jeweils ein Speicherelement (S11, S12, S13) mit zwei Elektroden und einen zugehörigen Auswahltransistor (T11, T12, T13) aufweisen, wobei die Steuerelektroden der Auswahltransistoren der einzelnen Zeilen durch in Zeilenrichtung (x) laufende Wortleitungen (WL0, WL, WL2) und eine gesteuerte Elektrode der Auswahltransistoren (T11, T12, T13) der einzelnen Spalten entweder mit einer in Spaltenrichtung (y) laufenden Bitleitung (BL1, BL2, BL3) oder mit einer Digitleitung (DL1, DL2, DL3) oder mit einer Feldplatte (FP) verbunden ist und eine Elektrode jedes Speicherelements (S11, S12, S13) mit der anderen gesteuerten Elektrode des zugehörigen Auswahltransistors (T11, T12, T13) und die andere Elektrode jedes Speicherelements (S11, S12, S13) entweder mit einer Bitleitung (BL1, BL2, BL3) einer Digitleitung (DL1, DL2, DL3) oder einer Feldplatte (FP) verbunden ist, wobei jede Speicherzelle (S11, S12, S13) als Speicherelement ein organisches Speicherelement (S)...integrated Semiconductor memory with a cell array of a variety of in Lines (0-n) and columns (0-m) on a substrate arranged memory cells, each one Memory element (S11, S12, S13) with two electrodes and an associated selection transistor (T11, T12, T13), wherein the control electrodes of the selection transistors of the individual lines by word lines running in the row direction (x) (WL0, WL, WL2) and a controlled electrode of the selection transistors (T11, T12, T13) of the individual columns either with one in the column direction (y) current bit line (BL1, BL2, BL3) or with a digit line (DL1, DL2, DL3) or with a field plate (FP) is connected and one electrode of each memory element (S11, S12, S13) with the other controlled electrode of the associated Selection transistor (T11, T12, T13) and the other electrode each Memory element (S11, S12, S13) either with a bit line (BL1, BL2, BL3) of a digit line (DL1, DL2, DL3) or a field plate (FP), each memory cell (S11, S12, S13) being connected as Storage element an organic storage element (S) ...
Description
Die
Erfindung betrifft einen integrierten Halbleiterspeicher gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Ein derartiger integrierter Halbleiterspeicher
ist aus
Der Markt für Halbleiterspeicher wird gegenwärtig durch eine relativ überschaubare Anzahl an Produkten bedient:
- 1. Arbeitsspeicher mit extrem kurzen Zugriffszeiten, wie sie heute in enormem Umfang in Computern zur Anwendung kommen, werden fast ausschließlich auf der Grundlage flüchtiger Speicherarchitekturen („volatile memory"), insbesondere in der DRAM-Technologie („dynamic random access memory") gefertigt. Die DRAM-Technologie beruht auf der Speicherung elektronischer Ladungen in einem kapazitiven Speicherelement, also in einem Kondensator. Jede Speicherzelle repräsentiert eine Speichereinheit („bit") und wird durch einen Kondensator und einen Auswahltransistor (einen Feldeffektransistor, FET) gebildet. Aufgabe des Auswahltransistors ist die elektrische Isolation der einzelnen Speicherzellen voneinander und von der Peripherie des Zellenfeldes; durch Schalten des jeweiligen Auswahltransistors kann auf jede beliebige Zelle gezielt und einzeln zugegriffen werden („random access"). Die DRAM-Architektur zeichnet sich durch extrem geringen Platzbedarf (weniger als ein Quadratmikrometer pro Speicherzelle) und extrem geringe Fertigungskosten (weniger als 10–8 Euro pro Speicherzelle) aus. Entscheidender Nachteil des DRAM-Konzepts ist die Flüchtigkeit der gespeicherten Information, da die im Kondensator gespeicherte Ladung so klein ist (weniger als 500.000 Elektronen), dass sie bei Abschalten der Versorgungsspannung nach kurzer Zeit (innerhalb weniger Millisekunden) aufgrund von Leckströmen innerhalb des Zellenfeldes verloren geht.
- 2. Nichtflüchtige Speicher ("nonvolatile memory"), die die gespeicherte Information auch nach Abschalten der Versorgungsspannung über lange Zeiträume (mehrere Jahre) nicht verlieren, sind für ein breites Spektrum von Anwendungen (Digitalkameras, Mobiltelefone, mobile Navigationsinstrumente, Computerspiele, usw.) von Interesse und könnten auch den Umgang mit Computern revolutionieren, da ein Hochfahren des Computers nach dem Einschalten unnötig würde ("instant-on computer"). Zu den bereits existierenden nichtflüchtigen Speichertechnologien gehören die so genannten Flash-Speicher, bei denen die Information in Form elektronischer Ladungen im Gate-Dielektrikum eines Silizium-Feldeffekttransistors gespeichert und als Änderung der Schwellspannung des Transistors detektiert wird. Da die elektronische Ladung im Gate-Dielektrikum des Transistors "gefangen" ist, geht sie auch bei Abschalten der Versorgungsspannung nicht verloren. Ein wesentlicher Nachteil der Flash-Technologie sind die relativ hohen Schreib- und Lösch-Spannungen, die sich aus der Notwendigkeit ergeben, die zu speichernde elektronische Ladung sicher und reproduzierbar in das Gate-Dielektrikum zu injizieren bzw. von dort wieder abzuziehen. Weitere Nachteile sind die im Vergleich zum DRAM deutlich längeren Zugriffszeiten sowie die aufgrund der hohen Belastung des Gate-Dielektrikums beim Schreiben und Löschen beschränkte Zuverlässigkeit.
- 3. Aufgrund der oben genannten Nachteile von Flashspeichern werden seit mehreren Jahren neue Technologien für nichtflüchtige Halbleiterspeicher auf der Grundlage diverser physikalischer Konzepte entwickelt. Dazu gehören die ferroelektrischen und die magnetoresistiven Speicher, bei denen die gespeicherte Information als Änderung der elektrischen Polarisation (aufgrund der Verschiebung des Zentralatoms in einem Perovskit-Kristall) bzw. als Änderung eines elektrischen Widerstands in einer Anordnung ferromagnetischer Schichten ausgelesen wird. Für die Integration ferroelektrischer Speicherelemente ist die Verwendung eines Auswahltransistors (ähnlich der DRAM-Speicherzelle) zwingend notwendig, um das sichere Auslesen der gespeicherten Informationen zu gewährleisten. Magnetoresistive Speicher können prinzipiell ohne Auswahltransistor integriert werden, da eine Isolation der einzelnen Speicherelemente nicht unbedingt notwendig ist. Dabei hat die Implementierung von Zellen ohne Auswahltransistor den wesentlichen Vorteil eines deutlich geringeren Platzbedarfs, was zu einer deutlich höheren Integrationsdichte und einem niedrigeren Fertigungsaufwand pro Zelle führt. Allerdings wird das Auslesen der gespeicherten Information durch die Verwendung eines Auswahltransistors erheblich einfacher und sicherer, und es ist abzusehen, dass den ersten magnetoresistiven Speicherprodukten ein Aufbau mit Auswahltransistor zugrunde liegen wird.
- 1. Memory with extremely short access times, as they are today used in enormous amounts in computers, are manufactured almost exclusively on the basis of volatile memory architectures ("volatile memory"), in particular in the DRAM technology ("dynamic random access memory") , The DRAM technology is based on the storage of electronic charges in a capacitive storage element, ie in a capacitor. Each memory cell represents a memory unit ("bit") and is formed by a capacitor and a selection transistor (a field effect transistor, FET) .The purpose of the selection transistor is to electrically insulate the individual memory cells from each other and from the periphery of the cell array by switching the respective selection transistor Any cell can be specifically and individually accessed ("random access"). The DRAM architecture is characterized by extremely small footprint (less than one square micrometer per memory cell) and extremely low manufacturing costs (less than 10 -8 euros per memory cell). The key drawback of the DRAM concept is the volatility of the stored information, since the charge stored in the capacitor is so small (less than 500,000 electrons) that it will be lost after a short time (within a few milliseconds) due to leakage currents within the cell field when the supply voltage is switched off goes.
- 2. Nonvolatile memories, which do not lose the stored information even after disconnecting the supply voltage for long periods of time (several years), are suitable for a wide range of applications (digital cameras, mobile phones, mobile navigation instruments, computer games, etc.). Of interest and could also revolutionize the use of computers, since a start-up of the computer after switching would be unnecessary ("instant-on computer"). The existing non-volatile memory technologies include the so-called flash memory, in which the information is stored in the form of electronic charges in the gate dielectric of a silicon field effect transistor and detected as a change in the threshold voltage of the transistor. Since the electronic charge is "trapped" in the gate dielectric of the transistor, it is not lost even when the supply voltage is switched off. A major disadvantage of the flash technology is the relatively high write and erase voltages that result from the need to safely and reproducibly inject the electronic charge to be stored into the gate dielectric or to withdraw it therefrom. Other disadvantages are the significantly longer access times compared to the DRAM and the limited reliability due to the high loading of the gate dielectric during write and erase.
- 3. Due to the above-mentioned disadvantages of flash memories, new technologies for non-volatile semiconductor memories based on various physical concepts have been developed for several years. These include the ferroelectric and the magnetoresistive memories, in which the stored information is read out as a change in the electrical polarization (due to the shift of the central atom in a perovskite crystal) or as a change in an electrical resistance in an arrangement of ferromagnetic layers. For the integration of ferroelectric memory elements, the use of a selection transistor (similar to the DRAM memory cell) is absolutely necessary in order to ensure safe reading of the stored information. Magnetoresistive memory can in principle be integrated without a selection transistor, since an isolation of the individual memory elements is not absolutely necessary. The implementation of cells without a selection transistor has the significant advantage of a significantly smaller footprint, resulting in a significantly higher integration density and a lower production cost per cell. However, reading the stored information becomes much easier and safer through the use of a select transistor, and it is anticipated that the first magnetoresistive memory products will be based on a select transistor design.
Die oben genannten Speicherkonzepte werden ausschließlich auf Silizium-Plattformen produziert bzw. entwickelt, das heißt, die Herstellung der Speicherelemente erfolgt ausschließlich auf Siliziumsubstraten ("Silizium-Wafern") und ausschließlich unter Verwendung von Transistoren auf der Basis von Silizium als Halbleiter. Alternativ dazu werden gegenwärtig sowohl Speicher-Konzepte als auch Transistor-Konzepte entwickelt, die ohne die Verwendung von Silizium-Wafern auskommen, und die prinzipiell die Herstellung von Massenspeichern auf preiswerten Glassubstraten und sogar auf flexiblen Polymerfolien ermöglichen. Solche neuartigen Massenspeicher sind für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse, und zwar prinzipiell sowohl für alle Anwendungen, für die die ferroelektrischen und magnetoresistiven Speicher entwickelt werden, als auch für Anwendungen, bei denen sich die Verwendung von Siliziumsubstraten nachteilig auf die Kosten oder auf die Einsatzmöglichkeiten auswirkt.The above-mentioned storage concepts are exclusively produced or developed on silicon platforms, that is, the production of the storage elements takes place exclusively on silicon substrates ("silicon wafers") and exclusively by using transistors based on silicon as semiconductors. Alternatively, both memory concepts and transistor designs are currently being developed that do not require the use of silicon wafers, and which in principle enable the fabrication of mass storage devices on inexpensive glass substrates and even on flexible polymer films. Such novel mass storage devices are of interest for a variety of applications, principally for all users applications for which the ferroelectric and magneto-resistive memories are being developed, as well as for applications in which the use of silicon substrates adversely affects the cost or the possible uses.
Die
beiliegenden
Die
sechs in den
Gemäß
Gemäß
Gemäß
Gemäß
Die Auswahl der Speicherzelle S erfolgt stets über die Wortleitung WL, die in jedem Fall mit der Gateelektrode des Auswahltransistors T verbunden ist. Durch Anlegen eines geeigneten Potenzials an die Wortleitung WL (z. B. ein negatives Potenzial, wenn es sich beim Auswahltransistor T um einen p-leitenden Transistor mit negativer Schwellspannung handelt) wird der Auswahltransistor T geöffnet (elektrisch leitend) und die im Speicherelement S gespeicherte Information kann durch Anlegen geeigneter Potenziale an Bitleitung BL und Digitleitung DL bzw. Feldplatte FP über die Bitleitung in einem Lesezyklus ausgelesen oder in einem Schreib- oder Löschzyklus verändert werden.The Selection of the memory cell S always takes place via the word line WL, the in any case connected to the gate electrode of the selection transistor T. is. By applying a suitable potential to the word line WL (eg, a negative potential when connected to the select transistor T is a p-type Transistor with negative threshold voltage) becomes the selection transistor T is open (electrically conductive) and stored in the memory element S information can by applying suitable potentials to bit line BL and digit line DL or field plate FP via the bit line is read out in a read cycle or in a write cycle. or erase cycle changed become.
Eine Ausführung der Speicherzelle mit einer Digitleitung DL hat im Vergleich zu einer Ausführung mit einer Feldplatte FP den Vorteil, dass das Potenzial an dieser Leitung gezielt für die Zelle verändert werden kann, auf die gerade zugegriffen wird. Eine Ausführung eines integrierten Halbleiterspeichers mit Feldplatte FP kann zu einem geringeren Platzbedarf des Zellenfeldes führen.A execution the memory cell with a digit line DL has compared to a version with a field plate FP has the advantage of having the potential on this line targeted for the cell will be changed which is currently being accessed. An embodiment of an integrated semiconductor memory with field plate FP can lead to a smaller space requirement of the cell field to lead.
Ein
wesentliches Kriterium bei der Realisierung der Speicherzellen ist
die Bitleitungskapazität, die
im Interesse schneller Zugriffszeiten so klein wie möglich sein
sollte. Je nachdem, ob die dem Auswahltransistor T zugehörige Kapazität größer oder kleiner
als die dem Speicherelement S zugehörige Kapazität ist, weisen
entweder die Ausführungen
gemäß den
Die
oben anhand der
Bei
einem in der oben zum Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zitierten
Druckschrift anhand der
Es
ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Konzept für einen integrierten Halbleiterspeicher
anzugeben, der ohne Siliziumsubstrat realisiert werden kann und dessen
Speicherzellen wahlweise kapazitive, resistive oder auf einem anderen
physikalischem Konzept beruhende Speicherelemente, insbesondere nicht-flüchtige Speicherelemente
auf der Basis eines organischen Materials und einen auf der Grundlage einer
organischen Halbleiterschicht realisierten Auswahltransistor enthalten
und zwar so, dass sich, ohne die grundlegende Integrationsweise
zu ändern,
die in den
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.These Task is solved according to the claim.
Demnach ist ein integrierter Halbleiterspeicher mit einem Zellenfeld aus einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten auf einem Substrat angeordneten Speicherzellen, die jeweils ein Speicherelement mit zwei Elektroden und einen zugehörigen Auswahltransistor aufweisen, wobei die Steuerelektroden der Auswahltransistoren der einzelnen Zeilen durch in Zeilenrichtung laufende Wortleitungen und eine gesteuerte Elektrode jedes Speicherelements mit der anderen gesteuerten Elektrode des zugehörigen Auswahltransistors und die andere Elektrode jedes Speicherelements entweder mit einer Bitleitung, einer Digitleitung oder einer Feldplatte verbunden ist, wobei jede Speicherzelle als Speicherelement ein organisches Speicherelement mit einer zwischen den zwei Elektroden angeordneten organischen aktiven Schicht und als Auswahltransistor einen Feldeffekttransistor mit einer organischen Halbleiterschicht aufweist, der in invers-koplanarer Anordnung integriert ist, wobei die organische Halbleiterschicht oberhalb der Gateelektrode angeordnet ist und der Source- und Drainkontakt in direktem Kontakt mit dem Gatedielektrikum stehen, dadurch gekennzeichnet, dass in Dickenrichtung des integrierten Halbleiterspeichers gesehen die beiden Elektroden des organischen Speicherelements eine direkt auf dem Substrat liegende untere Elektrode und eine obere Elektrode bilden, wobei sich die untere Elektrode und die obere Elektrode zumindest teilweise in lateraler Richtung überlappen und die organische aktive Schicht in der Dickenrichtung zwischen den beiden Elektroden liegt, und die Auswahltransistoren und die Speicherelemente auf dem Trägersubstrat beide einen planaren Aufbau haben und in einer Ebene lateral nebeneinander integriert sind.Accordingly, an integrated semiconductor memory having a cell array of a plurality of arranged in rows and columns on a substrate memory cells, each having a memory element with two electrodes and an associated selection transistor, wherein the control electrodes of the selection transistors of the individual lines by running in the line direction word lines and a controlled electrode of each memory element is connected to the other controlled electrode of the associated selection transistor and the other electrode of each memory element is connected to either a bit line, a digit line or a field plate, each memory cell having as memory element an organic memory element with an organic active layer arranged between the two electrodes as a selection transistor has a field effect transistor with an organic semiconductor layer, which is integrated in an inverse-coplanar arrangement, wherein the organic semiconductor layer above arrive outside the gate electrode is arranged and the source and drain contact are in direct contact with the gate dielectric, characterized in that seen in the thickness direction of the integrated semiconductor memory, the two electrodes of the organic memory element form a directly lying on the substrate lower electrode and an upper electrode, wherein the lower electrode and the upper electrode overlap at least partially in the lateral direction, and the organic active layer is in the thickness direction between the two electrodes, and the selection transistors and the memory elements on the support substrate both have a planar structure and are integrated laterally side by side in a plane.
Bei einem erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterspeicher braucht das Substrat kein Siliziumsubstrat sein, sondern kann aus Glas, einer Polymerfolie, einer mit einer Isolierschicht überzogenen Metallfolie oder auch aus Papier und anderen Substraten bestehen, die kein Silizium enthalten.at an integrated semiconductor memory according to the invention The substrate does not need to be a silicon substrate, but can be made Glass, a polymer film, a metal foil coated with an insulating layer or also made of paper and other substrates that are not silicon contain.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die Gateelektrode des Auswahltransistors und die untere Elektrode des Speicherelements dasselbe Material auf. Bei einer Variante des Ausführungsbeispiels bestehen die Gateelektrode des Auswahltransistors und die untere Elektrode des Speicherelements jeweils aus verschiedenen Materialien.at an embodiment have the gate electrode of the selection transistor and the lower electrode of the memory element on the same material. In a variant of the embodiment consist of the gate electrode of the selection transistor and the lower Electrode of the memory element respectively made of different materials.
In bevorzugter Ausgestaltung kann das Ausführungsbeispiel so gestaltet sein, dass die Source- und Drainelektrode des Auswahltransistors und die obere Elektrode des Speicherelements dasselbe Material aufweisen.In Preferred embodiment, the embodiment can be designed be that the source and drain electrodes of the selection transistor and the upper electrode of the memory element have the same material.
In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung kann die Source- und Drainelektrode des Auswahltransistors einerseits und die obere Elektrode des Speicherelements andererseits aus verschiedenen Materialien bestehen.In In an alternative advantageous embodiment, the source and drain electrodes the selection transistor on the one hand and the upper electrode of the memory element on the other hand consist of different materials.
Vorteilhafterweise
lassen sich mit den nachstehend im Detail beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispielen
und deren Varianten eines erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterspeichers sämtliche
zuvor anhand der
Somit beschreibt die nachstehende Beschreibung bezogen auf die Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele und deren Varianten eines erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterspeichers. Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:Consequently describes the description below with reference to the drawing preferred embodiments and their variants of an integrated semiconductor memory according to the invention. The Drawing figures show in detail:
In
den schematische Querschnitte von Speicherzellen eines erfindungsgemäßen Halbleiterspeichers
darstellenden
Die
Sämtliche
in den
Die
Realisierung der in den
- 1. Metall-0 (DL bzw. FP bzw. DL; untere Elektrode des Speicherelements)
- 2. Metall-1 (WL und Gateelektrode des Auswahltransistors T; gegebenenfalls DL bzw. untere Elektrode des Speicherelements);
- 3. Felddielektrikum FD (Isolation der verschiedenen Metalllagen);
- 4. Gatedielektrikum GD (Isolation zwischen Gateelektrode und Halbleiterschicht des Auswahltransistors T);
- 5. Aktive Schicht as des Speicherelements S;
- 6. Metall-2 (Bitleitung BL bzw. Digitleitung DL, Source- und Drainkontakte des Auswahltransistors T; obere bzw. gegebenenfalls untere Elektrode des Speicherelements S);
- 7. Organische Halbleiterschicht os des Auswahltransistors T;
- 8. Metall-3 (BL bzw. DL, obere Elektrode des Speicherelements).
- 1. Metal-0 (DL or FP or DL, lower electrode of the memory element)
- 2. metal-1 (WL and gate electrode of the selection transistor T, optionally DL or lower electrode of the memory element);
- 3. field dielectric FD (insulation of the different metal layers);
- 4. gate dielectric GD (insulation between gate electrode and semiconductor layer of the selection transistor T);
- 5. Active layer as of the memory element S;
- 6. metal 2 (bit line BL or digit line DL, source and drain contacts of the selection transistor T, upper or possibly lower electrode of the memory element S);
- 7. Organic semiconductor layer os of the selection transistor T;
- 8. Metal-3 (BL or DL, upper electrode of the memory element).
Als Substrat sind zum Beispiel Glas, Polymerfolie, Metallfolie (überzogen mit einer Isolierschicht), Papier und andere Materialien geeignet. Insbesondere ist die Verwendung von Silizium als Substrat zwar möglich, aber nicht notwendig. Die Schichten Metall-0, Metall-1, Metall-2 und Metall-3 müssen metallisch leitend sein, also durch Abscheidung anorganischer Metalle (zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Titan, Gold), leitfähiger Oxide (zum Beispiel Indium-Zinn-Oxid), oder leitfähiger Polymere (zum Beispiel Polyanilin) erzeugt werden. Das Gatedielektrikum und das Felddielektrikum müssen gute Isolatoreigenschaften aufweisen; hierfür sind sowohl anorganische Isolatoren, wie zum Beispiel Siliziumoxid und Aluminiumoxid, aber insbesondere auch isolierende Polymere, wie zum Beispiel Polyvinylphenol, geeignet. Als organische Halbleiterschicht os für den Auswahltransistor T kommen eine Reihe von Materialien in Frage, insbesondere Pentazen, diverse Oligothiophene und Polythiophen. Für die Ausführung der aktiven Schicht as des Speicherelements S werden zur Zeit eine Reihe von Ansät zen sowohl für kapazitive als auch für resistive Speichereffekte diskutiert.When Substrate are for example glass, polymer film, metal foil (coated with an insulating layer), paper and other materials. Especially Although the use of silicon as a substrate is possible, though unnecessary. The layers metal-0, metal-1, metal-2 and Metal 3 need be metallically conductive, so by deposition of inorganic metals (For example, aluminum, copper, titanium, gold), conductive oxides (for example indium tin oxide), or conductive polymers (for example Polyaniline) are generated. The gate dielectric and the field dielectric have to have good insulator properties; these are both inorganic Insulators, such as silica and alumina, but in particular also insulating polymers, such as polyvinylphenol suitable. As organic semiconductor layer os for the selection transistor T come a range of materials in question, especially pentacene, diverse Oligothiophene and polythiophene. For execution of the active layer as the memory element S are currently a number of Ansät zen both for capacitive as well as for resistive memory effects discussed.
Alle
in den
Alle
in den
Ein
wichtiges Kriterium bei der Ausführung der
Speicherzelle ist die Frage, ob für die Realisierung der Gateelektrode
des Auswahltransistors T und der unteren Elektrode des Speicherelements
S dasselbe Material eingesetzt wird, oder ob zwei verschiedene Materialien
verwendet werden. Prinzipiell ist die Realisierung der Speicherzelle
einfacher, wenn für
die Gateelektrode des Auswahltransistors und die untere Elektrode
des Speicherelements dasselbe Material (Metall-1 in
Ein
wichtiges Kriterium bei der Ausführung von
Speicherzellen ist das Verhältnis
W/L der Kanalbreite W zur Kanallänge
L des Auswahltransistors, das so genannte W/L-Verhältnis. Dieses W/L-Verhältnis des
Auswahltransistors entscheidet maßgeblich über dessen elektrischen Widerstand, das
heißt über die
Stromstärke,
die bei einer bestimmten Kombination von Gate-Source-Spannung und Drain-Source-Spannung
durch den Transistor fließt
(die Stromstärke
ist proportional zum W/L-Verhältnis).
In dem in
Die
Schließlich zeigt
die Layoutansicht der
Prinzipiell
kann jede Schaltung gemäß den
Nachstehend
wird beispielhaft ein Prozess zur Realisierung des im Layout der
Auf ein Substrat, beispielsweise aus Glas wird mittels thermischen Verdampfens eine etwa 30 nm dicke Schicht Aluminium aufgebracht, die mittels Fotolithografie und nasschemischem Ätzen in wässriger Kaliumhydroxidlösung strukturiert wird, um die erste Metalllage (Metall-1; Gateelektrode des Auswahltransistors T; untere Elektrode des Speicherelements S; Wortleitung WL) zu definieren.On a substrate, for example of glass, an approximately 30 nm thick layer of aluminum is applied by thermal evaporation, which is patterned by means of photolithography and wet chemical etching in aqueous potassium hydroxide solution to the first metal layer (metal-1; selection transistor T; lower electrode of the memory element S; Word line WL).
Im zweiten Schritt wird die aktive Schicht as des Speicherelements (S) zum Beispiel ein Polymer, das durch einen gezielt veränderbaren elektrischen Widerstand gekennzeichnet ist, abgeschieden und strukturiert. Um das Felddielektrikum FD zu erzeugen, wird aus einem geeigneten organischen Lösungsmittel (zum Beispiel Propylen-Glykol-Monomethyl-Ether-Acetat, PGMEA) eine etwa 300 nm dicke Schicht Polyvinylphenol aufgeschleudert, thermisch (bei etwa 200°C) vernetzt und mittels Fotolithografie und Ätzen in einem Sauerstoffplasma strukturiert.in the the second step becomes the active layer as of the memory element (S) For example, a polymer that can be modified by a specifically electrical resistance is characterized, deposited and structured. To generate the field dielectric FD, one of a suitable organic solvents (For example, propylene glycol monomethyl ether acetate, PGMEA) a layer about 300 nm thick Spun on polyvinylphenol, thermally (at about 200 ° C) crosslinked and by photolithography and etching structured in an oxygen plasma.
Nachfolgend wird das Gatedielektrikum GD definiert, zum Beispiel durch Aufschleudern und fotolithografisches Strukturieren einer etwa 100 nm dicken Schicht Polyvinylphenol oder durch Aufbringen einer etwa 3 nm dicken elektrisch isolierenden molekularen selbst organisierenden Monolage ("self assembling mono layer"; SAM).following the gate dielectric GD is defined, for example by spin coating and photolithographically patterning an approximately 100 nm thick layer Polyvinylphenol or by applying an approximately 3 nm thick electrically isolating molecular self-assembling monolayer (self assembling mono layer "; SAM).
Im nächsten Schritt wird eine etwa 30 nm dicke Goldschicht aufgedampft und mittels Fotolithografie und nasschemischem Ätzen die zweite Metalllage (Metall-2; Source- und Drainkontakte des Auswahltransistors T; Bitleitung BL) definiert.in the next Step is deposited by about 30 nm thick gold layer and using Photolithography and wet chemical etching the second metal layer (Metal 2, source and drain contacts of the selection transistor T; BL).
Als organische Halbleiterschicht os des Auswahltransistors wird abschließend eine etwa 30 nm dicke Schicht Pentazen aufgedampft und mittels Fotolithografie (unter Zuhilfenahme eines wasserlöslichen Fotolacks) und Plasmaätzen strukturiert.When Organic semiconductor layer os of the selection transistor is finally a about 30 nm thick layer of pentacene evaporated and by photolithography (with the aid of a water-soluble photoresist) and structured plasma etching.
Zusammengefasst gibt die Erfindung einen Halbleiterspeicher an, bei dem ein organischer Auswahltransistor, das heißt ein Feldeffekttransistor mit einer organischen Halbleiterschicht zusammen mit einem organischen Speicherelement, das heißt eine zwischen zwei Elektroden angeordnete organische aktive Schicht mit wahlweise kapazitivem, resistivem oder auf einem anderen physikalischen Konzept beruhenden elektrischen Speicherverhalten zusammen zu einer planaren Speicherzelle auf einem beliebigen Substrat, welches vorzugsweise nicht aus Silizium besteht, integriert werden. Dabei ist insbesondere Wert darauf gelegt, dass Auswahltransistor und Speicherelement so angeordnet sind, dass die Gateelektrode des Transistors als Wortleitung und der Drain- bzw. Sourcekontakt des Transistors bzw. die Elektroden des Speicherelements entweder als Bitleitung, Digitleitung oder Feldplatte ausgeführt sind.Summarized the invention gives a semiconductor memory in which an organic Selection transistor, that is a field effect transistor having an organic semiconductor layer together with an organic storage element, that is one between two electrodes arranged organic active layer with optional capacitive, resistive or on a different physical concept based electrical storage behavior together to a planar Memory cell on any substrate, which preferably not made of silicon, to be integrated. This is especially valuable placed so that selection transistor and memory element arranged so are that the gate electrode of the transistor as the word line and the drain or source contact of the transistor or the electrodes the memory element either as a bit line, digit line or Field plate executed are.
- asas
- aktive Schicht des Speicherelementsactive Layer of the memory element
- osos
- organische Schicht des Auswahltransistorsorganic Layer of the selection transistor
- BL, BL0–BLmBL, BL0-BLm
- Bitleitungenbit
- DL, DL0–DLmDL, DL0-DLm
- Digitleitungendigit lines
- WL, WL0–WLmWL WL0-WLm
- Wortleitungenword lines
- S, S11, S12, S13, S01, S02, S03–S0mS, S11, S12, S13, S01, S02, S03-S0m
- Speicherelementestorage elements
- T, T11, T12, T13, T01–T0mT T11, T12, T13, T01-T0m
- Auswahltransistorenselect transistors
- GDDG
- Gatedielektrikumgate dielectric
- FPFP
- Feldplattefield plate
- S, DS, D
- Source, Drainsource, drain
- a, ba, b
- Seitenlängen des DrainkontaktsSide lengths of the drain contact
- WW
- Kanalbreitechannel width
- LL
- Kanallängechannel length
- x, yx, y
- Zeilen-, Spaltenrichtungrow, column direction
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