DE112013007065T5

DE112013007065T5 - Organischer resistiver Direktzugriffsspeicher (RRAM) und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112013007065T5
Application number: DE112013007065.0T
Authority: DE
Inventors: Wenliang Bai; Yiamao Cai; Yefan Liu; Zongwei Wang; Yichen Fang; Ru Huang
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2016-02-11
Also published as: CN103258957A; WO2014183367A1; CN103258957B; US20160049604A1; US9431620B2

Abstract

Ein organischer resistiver Direktzugriffsspeicher (RRAM) und dessen Herstellungsverfahren. Die Vorrichtung verwendet Trägermaterial aus Silizium und weist ferner eine MIM-Verdichtungsstruktur sowie eine obere und untere Schichtstruktur, eine Top-Elektrode aus Al, eine Bodenelektrode aus ITO und eine mittlere Funktionsschicht aus Parylen auf. Das Parylen der Funktionsschicht wird mehrfach abgeschieden und eine Schicht aus Al2O3 wird durch ALD-Abscheidung zwischen jeweils zwei Parylen-Abscheidungsvorgängen gebildet, wobei ein Bereich ausgebildet wird, der die Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kanals durch Steuern der Abscheidungsfläche des Al2O3 begünstigt und so die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung bestimmt. Sollte in einem Anwendungsfall die Grundstruktur der Vorrichtung nicht geändert werden, wird die Gleichförmigkeit der wiederholten Vorgänge hinsichtlich einer Vorrichtung sowie die Gleichförmigkeit auch bei unterschiedlichen Vorrichtungen wirkungsvoll verbessert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung gehört zu einem Gebiet der organischen Elektronik und CMOS-Hybrid-Technologie für integrierte Schaltungen und bezieht sich insbesondere auf einen in der Gleichmäßigkeit verbesserten Aufbau eines organischen resistiven Direktzugriffspeichers (RRAM) und dessen Herstellungsverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren haben resistive Direktzugriffsspeicher (RRAM) viel Beachtung im Gebiet der integrierten Schaltungen gefunden. Resistive Direktzugriffsspeicher sind nichtflüchtige Speicher und deren derzeitiger Anteil am Markt für nichtflüchtige Speicher konzentriert sich hauptsächlich auf Flash-Speicher. Mit der Weiterentwicklung integrierter Schaltungen, der Vorteile schrumpfender Abmessungen und geringerer Betriebsspannungen und sonstiger Aspekte von resistiven Direktzugriffspeichern (RRAM) werden sie zu potenziellen Kandidaten einer neuen Generation von Speichern. Das Grundprinzip eines resistiven Direktzugriffspeichers (RRAM) ist die Möglichkeit, den Widerstand der Speicherstruktur bei der jeweils angelegten Spannung oder dem angelegten Strom zwischen einem hohen Widerstandszustand („0”) und einem niedrigen Widerstandszustand („1”) umzuschalten, wodurch eine Speicherung von Daten ermöglicht wird. Bei der Auswahl der resistiven Materialien weisen organische Materialien enorme Vorteile auf. Organische Materialien zeichnen sich durch Vielfalt, einfache Synthese und Herstellungsverfahren und niedrige Kosten aus. Inzwischen können organische Materialien verwendet werden, um ein transparentes elektronisches System zu erzielen, beispielsweise transparentes Papier (etwa E-Paper), elektronische Anzeigen (etwa OLED), usw.
Die Gleichförmigkeit eines organischen resistiven Direktzugriffspeichers ist seit jeher Schwerpunkt der diesbezüglichen Forschungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bietet einen organischen resistiven Direktzugriffspeicher und dessen Herstellungsverfahren, welche die Gleichmäßigkeit einer auf Parylen-Beschichtungsmaterialien beruhenden Vorrichtung verbessert.
Die vorliegende Erfindung bietet einen verbesserten Aufbau des resistiven Direktzugriffspeichers, um die Gleichförmigkeit der Vorrichtung zu fördern. Die Funktionsschicht in der Mitte der Vorrichtung nimmt Parylen mit einer ausgezeichneten Widerstandsschaltcharakteristik auf und die Strom-Spannungs-Kennlinie über die Widerstandsschaltung wird in 1 gezeigt. Diese Figur zeigt 1 – einen Übergangsprozess der Vorrichtung aus dem Zustand mit einem hohen Widerstand zu dem Zustand mit einem niedrigen Widerstand unter positiver Spannung; 2 – einen Zustand, in dem ein niedriger Widerstand beibehalten wird; 3 – einen Übergangsprozess der Vorrichtung aus dem Zustand mit niedrigem Widerstand auf den Zustand mit hohem Widerstand bei negativer Spannung; 4 – einen Zustand, in dem ein hoher Widerstand beibehalten wird. Eine Bodenelektrode der Vorrichtung ist geerdet und der Widerstand des Speichers kann durch die an der Top-Elektrode angelegten Spannung gesteuert werden, wodurch ein Umschalten zwischen hoher Widerstandsfähigkeit und niedriger Widerstandsfähigkeit ermöglicht wird, also ein Umschalten zwischen den beiden Zuständen „0” und „1” des Speichers.
Die vorliegende Erfindung bietet die folgenden technischen Lösungen.
Ein organischer resistiver Direktzugriffsspeicher kann auf einem Trägermaterial hergestellt werden, wobei die Speichereinheit aus einem MIM-Kondensator mit einer Top-Elektrode aus Aluminium (Al) und die Bodenelektrode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) sowie eine mittlere Funktionsschicht aus Parylen gefertigt ist. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Parylenschicht durch mehrfaches Abscheiden als Funktionsschicht gebildet wird, wobei das Abscheiden von Al₂O₃ durch Verwendung von ALD-Atomlagenabscheidung zwischen je zwei Abscheidungen von Parylen erfolgt. Durch Steuern der Abscheidungsfläche von Al₂O₃ wird eine kritische Region gebildet, welche die Herstellung eines leitfähigen Kanals begünstigt, welcher wiederum die elektrischen Eigenschaften des Speichers bestimmt.
Die Parylenschicht als Funktionsschicht hat eine Schichtdicke zwischen 20 nm und 80 nm.
Die Top-Elektrode aus Al hat eine Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm.
Die Bodenelektrode aus ITO hat eine Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm.
Die Schicht aus Al₂O₃ hat eine Schichtdicke von 1 nm bis 3 nm in einem Bereich zwischen 100 nm × 100 nm und 1 um × 1 um.
Als Parylentyp kann Parylen C, Parylen N oder Parylen D verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Herstellungsverfahren eines organischen resistiven Direktzugriffsspeichers und das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte:

1) Aufbau einer Schicht aus ITO auf einem Silizium-Trägermaterial als Bodenelektrode und Strukturieren der Bodenelektrode unter Einsatz der Standardphotolithographietechnik, wobei die Bodenelektrode durch das Verfahren der physikalischen Dampfabscheidung (PVD) gebildet wird und eine Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm aufweist.
2) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der Bodenelektrode aus ITO durch Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und Aufbau von Al₂O₃ in einer Schichtdicke von 1 nm bis 3 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens.
3) Aufbau einer ersten Parylen-C-Schicht durch Verwendung der Polymer-CVD-Technologie, wobei das Abscheidungsverfahren mithilfe einer Parylenpolymerschicht-CVD-Vorrichtung mit standardmäßigen Parametern erfolgt. Die erste Parylen-C-Schicht hat eine Schichtdicke von 20 nm und die Abscheidungsgeschwindigkeit pro Minute liegt zwischen 1 nm und 10 nm.
4) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der ersten Parylen-C-Schicht durch einen erneuten Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und nochmaliger Aufbau der Schicht aus Al₂O₃ bis zu einer Schichtdicke von 1 nm bis 3 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens.
5) Aufbau einer zweiten Parylen-C-Schicht durch Verwendung der Polymer-CVD-Technologie, wobei die Abscheidung mithilfe einer Parylenpolymerschicht-CVD-Vorrichtung mit standardmäßigen Parametern erfolgt. Die zweite Parylen-C-Schicht hat eine Schichtdicke von 20 nm und die Abscheidungsgeschwindigkeit pro Minute liegt zwischen 1 nm und 10 nm.
6) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der zweiten Parylen-C-Schicht durch einen erneuten Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und nochmaliger Aufbau der Schicht aus Al₂O₃ bis zu einer Schichtdicke von 1 nm bis 3 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens.
7) Festlegung einer Bodenelektrodenleitung mithilfe Photolithografie und RIE-Ätzen.
8) Aufspritzen von Al durch das PVD-Verfahren bis zu einer Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm sowie Festlegung einer Top-Elektrode durch herkömmliche Photolithografie und das Lift-Off-Verfahren, wobei die Bodenelektrode herausgeführt wird.

Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass eine Gleichförmigkeit sowohl in verschiedenen Zyklen als auch in verschiedenen Vorrichtungen erheblich verbessert werden könnte, ohne dabei die Grundstruktur des Speichers ändern zu müssen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung der Strom-Spannungs-Kurven während des Widerstandsschaltens eines Speichers nach der vorliegenden Erfindung.
Die 2 bis 9 zeigen ausführlich die Umsetzungsschritte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt die Legende für die 2 bis 9.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im Detail mit Referenz auf die beigefügten Zeichnungen und die beispielhaften Ausführungsformen beschrieben.
Ausführungsform 1:

1) Aufbau einer ITO-Schicht bis zu einer Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm auf einem Trägermaterial aus Silizium als eine Bodenelektrode mithilfe des PVD-Verfahrens, wobei die Bodenelektrode unter Einsatz der Standardphotolithographietechnik, wie in 2 gezeigt, strukturiert wird.
2) Ausbilden einer Fotolackstruktur durch Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und Aufbau einer Schicht aus Al₂O₃ in einer Schichtdicke von 1 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens, wie in 3 gezeigt.
3) Aufbau einer ersten Parylen-C-Schicht durch Verwendung der Polymer-CVD-Technologie, wie in 4 gezeigt, wobei die erste Parylen-C-Schicht eine Schichtdicke von 20 nm aufweist.
4) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der ersten Parylen-C-Schicht durch Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und Aufbau einer Schicht aus Al₂O₃ bis zu einer Schichtdicke von 1 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens, wie in 5 gezeigt.
5) Aufbau einer zweiten Parylen-C-Schicht durch Verwendung der Polymer-CVD-Technologie, wie in 6 gezeigt, wobei die zweite Parylen-C-Schicht eine Schichtdicke von 20 nm aufweist.
6) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der zweiten Parylen-C-Schicht durch Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und Aufbau einer Schicht aus Al₂O₃ bis zu einer Schichtdicke von 1 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens, wie in 7 gezeigt.
7) Festlegung einer Bodenelektrodenleitung mithilfe Photolithografie und RIE-Ätzen, wie in 8 gezeigt.
8) Aufspritzen von Al durch das PVD-Verfahren bis zu einer Schichtdicke von 200 nm sowie Festlegung einer Top-Elektrode durch herkömmliche Photolithografie und das Lift-Off-Verfahren, wobei die Bodenelektrode herausgeführt wird, wie in 9 gezeigt.

Claims

Ein organischer resistiver Direktzugriffsspeicher unter Verwendung von Silizium als Trägermaterial mit einer MIM-Kondensator-Struktur und einer vertikalen Speichereinheit, wobei die MIM-Struktur eine Top-Elektrode aus Al, eine Bodenelektrode aus ITO sowie eine mittlere Funktionsschicht aus Parylen aufweist, wobei eine Parylen-Schicht als Funktionsschicht durch mehrfache Abscheidung von Al₂O₃ gebildet wird, einmal unter Verwendung des ALD-Verfahrens nach jeweils zwei Abscheidungsvorgängen von Parylen sowie Ausbildung eines kritischen Bereichs, der die Herstellung eines leitfähigen Kanals begünstigt, durch Bildung eines Abscheidungsbereichs von Al₂O₃, wodurch die elektrischen Eigenschaften des Speichers bestimmt werden.
Der organische resistive Direktzugriffsspeicher nach Anspruch 1, wobei die Parylen-Schicht als Funktionsschicht eine Schichtdicke zwischen 20 nm und 80 nm aufweist.
Der organische resistive Direktzugriffsspeicher nach Anspruch 1, wobei die Top-Elektrode aus Al eine Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm aufweist.
Der organische resistive Direktzugriffsspeicher nach Anspruch 1, wobei die Bodenelektrode aus ITO eine Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm aufweist.
Der organische resistive Direktzugriffsspeicher nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus Al₂O₃ eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 3 nm aufweist und eine Fläche von 100 nm × 100 nm und 1 um × 1 um belegt.
Der organische resistive Direktzugriffsspeicher nach Anspruch 1, wobei ein Polymer des Parylentyps Parylen C, Parylen N oder Parylen D verwendet werden kann.
Ein Herstellungsverfahren eines organischen resistiven Direktzugriffsspeichers mit den folgenden Verfahrensschritten: 1) Aufbau einer Schicht aus ITO auf einem Silizium-Trägermaterial als Bodenelektrode und Strukturieren der Bodenelektrode unter Einsatz der Standardphotolithographietechnik, wobei die Bodenelektrode durch das Verfahren der physikalischen Dampfabscheidung (PVD) gebildet wird und eine Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm aufweist. 2) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der Bodenelektrode aus ITO durch Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und Aufbau einer Schicht aus Al₂O₃ in einer Schichtdicke von 1 nm bis 3 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens. 3) Aufbau einer ersten Parylen-C-Schicht durch Verwendung von Polymer-CVD-Technologie, wobei das Abscheidungsverfahren unter Verwendung einer Parylenpolymerschicht-CVD-Vorrichtung mit standardmäßigen Parametern erfolgt und die erste Schicht von Parylen C eine Schichtdicke von 20 nm aufweist und die Abscheidungsgeschwindigkeit pro Minute zwischen 1 nm und 10 nm liegt. 4) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der ersten Parylen-C-Schicht durch einen erneuten Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und nochmaliger Aufbau einer Schicht aus Al₂O₃ bis zu einer Schichtdicke von 1 nm bis 3 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens. 5) Aufbau einer zweiten Parylen-C-Schicht durch Verwendung von Polymer-CVD-Technologie, wobei das Abscheidungsverfahren unter Verwendung einer Parylenpolymerschicht-CVD-Vorrichtung mit standardmäßigen Parametern erfolgt und die zweite Schicht von Parylen C eine Schichtdicke von 20 nm aufweist und die Abscheidungsgeschwindigkeit pro Minute zwischen 1 nm und 10 nm liegt. 6) Ausbilden einer Fotolackstruktur auf der zweiten Parylen-C-Schicht durch einen erneuten Einsatz der Elektronenstrahlphotolithographie und nochmaliger Aufbau der Schicht aus Al₂O₃ bis zu einer Schichtdicke von 1 nm bis 3 nm mithilfe der Atomlagenabscheidung (ALD) sowie Bildung einer lokalen Struktur aus Al₂O₃ durch Einsatz eines Lift-Off-Verfahrens. 7) Festlegung einer Bodenelektrodenleitung mithilfe Photolithografie und RIE-Ätzen. 8) Aufspritzen von Al durch das PVD-Verfahren bis zu einer Schichtdicke zwischen 200 nm und 500 nm sowie Festlegung einer Top-Elektrode durch herkömmliche Photolithografie und das Lift-Off-Verfahren, wobei die Bodenelektrode herausgeführt wird.