NO317912B1 - Ferroelektrisk eller elektret minnekrets - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en ferroelektrisk eller elektret minnekrets, spesielt en ferroelektrisk eller elektret minnekrets med forbedret utmattingsmotstand, omfattende en minnecelle med et ferroelektrisk eller elektret minnemateriale som viser hysterese og er i stand til å polariseres til en positiv eller negativ polarisasjonstilstand med en gitt polarisasjonsverdi, hvor det ferroelektriske eller elektrete minnemateriale er et polymer- eller oligomermateriale eller blandinger eller kompositter omfattende materialer av denne art og med første og andre elektroder anordnet direkte eller indirekte i kontakt med minnematerialet i et arrangement slik at ved påtrykking av passende spenninger tii elektrodene, kan en potensialforskjell genereres over minnematerialet for å polarisere en polarisert minnecelle, eller frembringe en svitsjing mellom en polarisasjonstilstand i minnecellen og den motsatte polarisasjonstilstand, eller frembringe en temporær forandring i polarisasjonstilstanden eller dens verdi i minnecellen.

I løpet av de senere år er det vist ikke-flyktige datalagringsinnretninger hvor hver informasjonsbit lagres som en polarisasjonstilstand i et lokalt volumelement av et elektrisk polariserbart materiale. Et materiale av denne art kalles et elektret eller ferroelektrisk materiale. Formelt utgjør ferroelektriske materialer en underklasse av elektretmaterialer og er i stand til å polariseres spontant til en positiv eller negativ permanent polarisasjonstilstand. Ved å påtrykke et elektrisk felt med passende polaritet er det dessuten mulig å indusere en svitsjing mellom polarisasjonstilstandene. Ikke-flyktighet fås da materialet kan beholde sin polarisasjon selv i fravær av eksternt anlagte elektriske felt. De polariserbare materialer har til nå typisk vært ferroelektriske keramer, og skriving, lesing og sletting av data har omfattet påtrykking av elektriske felter til det ferroelektriske materialet i lokaliserte celler i minneinnretningen, og fått materialet i en gitt celle til å svitsje eller ikke svitsje sin polarisasjonsretning, avhengig av dens tidligere elektriske historie. Under normal drift av den angjeldende innretning, kan det ferroelektriske materiale utsettes for elektrisk feltpåkjenning av langvarig eller gjentatt art og/eller flere polarisasjonsomvendinger. Dette kan få det ferroelektriske materiale til å utsettes for utmatting, dvs. en forringelse av de elektriske responskarakteristikkene som kreves for normal drift av innretningen. Utmatting er kjennetegnet av en reduksjon av den remanente polarisasjon, noe som i sin tur fører til et redusert svitsjestrømsignal ved indusert polarisasjonsomvending. I tillegg er utmattingsprosessen undertiden ledsaget av et øket koersitivfelt, noe som gjør det vanskeligere å svitsje fra en polarisasjonstilstand til en annen og følgelig gjøre svitsjeprosessen langsommere. Et annet uønsket eldningsfenomen er utviklingen av avtrykk, dvs. at hvis en ferroelektrisk minnecelle etterlates i en gitt polarisasjonstilstand over et visst tidsrom, kan det i økende grad bli vanskelig å reversere polarisasjonsretningen, og det fås en asymmetri i feltene som er nødvendig for å svitsje polarisasjonen i en av retningene.

Løsning av problemene forbundet med utmatting og avtrykk er vesentlig for en vellykket kommersialisering av innretninger basert på ferroelektriske eller elektrete materialer som her drøftet. Mye av innsatsen som har vært rettet mot disse forhold, vedrører innretninger som benytter uorganiske ferroelektriske materialer. De sistnevnte er i alt vesentlig basert på to familier av ferroelektriske oksider, dvs. blyzirkonattitanat (PZT) og lagdelte forbindelser så som strontiumvismuttantalat (SBT) og lantanmodifisert vismuttitanat (BLT). Blant disse viser SBT og BLT god utmattingsmotstand i enkle, kondensatorlignende minnecellestrukturer med metallelektroder såsom platina (Pt). Imidlertid er svitsjepolarisasjonen og visse ferroelektriske karakteristikker for SBT- og BLT- kondensatorer dårligere sammenlignet med PZT. Dessuten krever disse cellene høyere fremstillingstemperaturer. På den annen side har tidligere forsøk på å benytte PZT i samband med metallelektroder vist seg mislykkede for de fleste minneanvendelser på grunn av en rask nedbryting av den svitsjbare polarisasjon med et økende antall lesesykler. Som et resultat av intensiv forskningsinnsats ble det vist at omfordelingen av ladningsfeil (f.eks. oksygenvakanser) resulterte i en ladningsakkumulering ved grenseflatene, hvorved det dannes pinningssteder som motvirker domenesvitsjing og resulterer i utmatting i innretningene. En strategi som har vist seg vellykket til å bekjempe dette fenomenet, er å benytte ledende oksidelektroder, fortrinnsvis med en gitterstruktur lik den til det ferroelektriske bulkmateriale, noe som nøytraliserer oksygenvakansene som opptrer ved grenseflaten i elektrode/ferroelektrisk materiale. Eksempler på kandidater for elektrodematerialer i tilfelle av ferroelektriske oksider så som PZT er R.UO2, SrRuC>3, indiumtinnoksid (ITO), LaNi03, lantanstrontiumkoboltat (LSCO) og yttriumbariumkobberoksid (YBCO). Et alternativ til den ovennevnte strategi for å skaffe en tilførsel av kritiske atomære spesies i elektrodene, er å sette inn synker for vakansene i det ferroelektriske bulkmaterialet via doping og/eller justering av støkiometrien. Denne fremgangsmåten er blitt benyttet på PZT ved å innføre donordopanter så som Nb som substituerer inn i Zr- eller Ti-steder og nøytraliserer oksygentomrommene.

Ytterligere forbedringer og tilpasninger til forskjellige uorganiske, ferroelektriske materialforbindelser er lansert og utgjør en stor del av den kjente teknikk som angår uorganiske og spesielt keramiske, ferroelektriske filmer. For ytterligere bakgrunnsinformasjon om kjent teknikk, kan det refereres til f.eks. S.B. Desu, «Minimization of Fatigue in Ferroelectric Films», Phys.Stat.Sol. (a) 151, 467-480

(1995); K.-S. Liu og T.-F. Tseng, «Improvement of (Pb[.xLax)(ZryTii.y)i.x/403 ferroelectric thin films by use of SrRuCVRu/Pt/Ti bottom electrodes», Appl.Phys.Lett. 72, 1182-1184 (1998); og S. Aggerwal & al., «Switching properties of Pb(Nb,Zr,Ti)03 capacitors using SrRuC>3 electrodes», Appl.Phys.Lett. 75 1787-1789 (1999). Slik det skal bli fremlagt nedenfor, har imidlertid oppfinnerne ikke kjennskap til noen relevant kjent teknikk i den foreliggende sammenheng vedrørende utmattingsreduksjon i innretninger som benytter organiske eller polymere elektreter eller tilsvarende ferroelektriske materialer.

Som omtalt i patentsøknader inngitt av den nærværende søker, eksempelvis internasjonal publisert patentsøknad WO 99/12170, gir organiskbaserte og spesielt polymere ferroelektriske materialer betydelige fordeler ved bruk i minne- og prosesseringsinnretninger sammenlignet med deres uorganiske motstykker. Imidlertid forekommer utmattings- og avtrykksproblemer i organiskbaserte ferroelektriske kondensatorer og dersom disse ikke løses, vil dette være alvorlige hindringer for kommersialisering. Uheldigvis kan de tiltak som er utviklet for å motvirke utmatting i uorganiske ferroelektriske materialsystemer, ikke benyttes i dette tilfellet på grunn av grunnleggende forskjeller både i kjemien og de primære ferroelektriske egenskaper (f.eks. forskyvnings- versus permanente dipoler). Følgelig har den nærværende søker i internasjonal publisert patentsøknad

WO 02/43071 foreslått en ferroelektrisk minnekrets hvor i det minste én av elektrodene omfatter ledende polymer som kontakterer et minnemateriale av ferroelektrisk polymer. Etter valg kan det ledende polymerlag også være anordnet som et mellomsjikt mellom en konvensjonell metallelektrode og minnematerialet. Dette arrangementet gir forbedret kontroll av ladningsinjeksjonsegenskapene til elektroden med den ytterligere fordel av å opprettholde en tilstrekkelig utmattingsmotstand utover IO<6> polarisasjonssvitsjende sykler. Det er imidlertid ansett som ønskelig at de ferroelektriske eller for den saks skyld elektrete minner skal være upåvirket av utmatting godt utover IO<9> polarisasjonssvitsjende sykler. Nylig har det også vist seg at transportfenomener, dvs. utvekslingen av f.eks. ioniske spesies mellom elektrodene og minnematerialet, ikke bare vil være skadelig for begge, men i tillegg kan også ha negative virkninger på utmattingsmotstanden til minnematerialet.

Det foreligger således et tvingende behov for strategier og tiltak som minimerer utmattingsprosesser i minne- og/eller prosesseringsinnretninger basert på organiske og spesielt polymere elektreter eller ferroelektriske materialer.

I samsvar med det ovenstående er en hovedhensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe grunnleggende strategier for å redusere og/eller unngå virkningen av utmatting forårsaket av elektrisk feltpåkjenning i minnekretser med organiske elektrete eller ferroelektriske materialer som benyttet og anvendt i innretninger for datalagring og/eller -behandling.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å gi eksplisitte beskrivelser av minnekretsstrukturer hvor visse grunnleggende utmattingsmekanismer er forhindret eller forsinket, slik at de ikke blir operative. Det er enda en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å angi bestemte klasser av materialer for inkorporering i utmattingsbestandige minnekretser og angi et antall foretrukkede utførelser av spesiell relevans.

De ovennevnte hensikter og ytterligere trekk og fordeler oppnås i henhold til oppfinnelsen med en ferroelektrisk eller elektret minnekrets som er kjennetegnet ved at minst én av elektrodene omfatter minst ett funksjonelt materiale valgt blant ett eller flere av de følgende, nemlig et diamantlignende nanokomposittynnfilmmateriale, et ledende karbidmateriale, et ledende oksidmateriale, et ledende boridmateriale, et ledende nitridmateriale, et ledende silicidmateriale, et ledende, karbonbasert materiale, eller et ledende polymer- eller kopolymermateriale, idet det minst ene funksjonelle materiale er i stand til fysisk og/eller kjemisk inkorporering i bulk av atomære eller molekylære spesies inneholdt i elektrodematerialet eller minnematerialet til minnecellen og som viser tilbøyelighet til å migrere i form av mobile, ladde og/eller nøytrale partikler fra et elektrodemateriale inn i minnematerialet eller fra det sistnevnte til det førnevnte, hvorved en ugunstig virkning på de funksjonelle egenskapene til enten elektrodematerialet eller minnematerialet i minnecellen kan avbøtes.

I den foreliggende oppfinnelse er det ansett fordelaktig at det minste ene funksjonelle materiale enten separat eller i sammenheng har elektriske og/eller kjemiske egenskaper som er kompatible med de til elektrodematerialet, en relativ permittivitet omtrent lik eller større enn den for minnematerialet, en relativ permittivitet som forblir hovedsakelig uforandret ved inkorporering av de nevnte atomære eller molekylære spesies, og en ledningsevne som forblir hovedsakelig uforandret ved inkorporering av nevnte atomære eller molekylære spesies.

I en første foretrukket utførelse i henhold til den foreliggende oppfinnelse er det minst ene funksjonelle materiale jevnt anordnet i en fordelt elektrodemateriale. I en variant av denne foretrukkede utførelse er det minst ene funksjonelle materiale anordnet i et parti av elektrodematerialet som strekker seg til en overflate på den minst ene elektrode og kontakterer minnematerialet. I tilfellet to eller flere funksjonelle materialer benyttes, kan disse da være anordnet i respektive separate lag av nevnte parti av elektrodematerialet.

I en annen foretrukket utførelse av minnekretsen i henhold til oppfinnelsen er det minst ene funksjonelle materialet anordnet i ett eller flere overflatelag i den minst ene elektrode, idet ett eller flere overflatelag er anordnet som ett eller flere mellomlag mellom den minst ene elektrode og minnematerialet. I tilfelle to eller flere funksjonelle materialer da benyttes, kan disse være anordnet i respektive to eller flere mellomsjikt.

I den forbindelse kan et ledende karbidmateriale være ett eller flere av de følgende, nemlig tantalkarbid, titankarbid, zirkoniumkarbid eller hafniumkarbid; et ledende oksidmateriale ett eller flere av de følgende, nemlig binære oksider, ternære oksider, dopede eller udopede binære oksider eller dopede eller udopede ternære oksider; et ledende boridmateriale ett eller flere av de følgende, nemlig hafniumborid, zirkoniumborid eller kromborid; et ledende nitridmateriale ett eller flere av de følgende, nemlig titannitrid, zirkoniumnitrid, hafniumnitrid, tantalnitrid, vanadiumnitrid, niobnitrid eller kromnitrid; et ledende silicidmateriale titansilisid; og et ledende, karbonbasert materiale ett eller flere av de følgende, nemlig grafittisk karbon, fullerener eller stoffer med cyano-(CN) enheter.

Fordelaktig kan det ledende polymer- eller kopolymermateriale velges som ett eller flere av de følgende, nemlig dopet polypyrrol (PPy), dopede derivater av polypyrrol (PPy), dopet polyanilin, dopede derivater av polyanilin, dopede polytiofener og dopede derivater av polytiofener.

Fordelaktig kan det ferroelektriske eller elektrete polymerminnemateriale velges som ett eller flere av de følgende, nemlig polyvinylidendifluorid (PVDF), polyvinyliden med hvilken som helst av sine kopolymerer, ter-polymerer basert på enten kopolymerer eller PVDF-trifluoretylen (PVDF-TrFE), odde-nummererte nyloner, odde-nummererte nyloner med hvilken som helst av sine kopolymerer, cyanopolymerer og cyanopolymerer med hvilken som helst av sine kopolymerer.

Fordelaktig kan elektrodematerialet velges som ett av de følgende materialer, nemlig aluminium, platina, gull, titan, kobber eller legeringer eller kompositter derav.

Fordelaktig er minnematerialet anordnet i minnekretsen ved hjelp av fysisk eller kjemisk dampavsetning eller ved hjelp av spinn- eller dypp-beleggingsprosesser, elektrodematerialet anordnet i minnekretsen ved hjelp av fysisk eller kjemisk pådamping, og det minst ene funksjonelle materiale anordnet i minnekretsen ved hjelp av fysisk eller kjemisk pådamping eller en oppløsningsbasert prosess. Foretrukket er da minnematerialet, den første og annen elektrode, og, om det er hensiktsmessig, det minst ene mellomlag, alle anordnet som tynne filmer i minnekretsen, slik at den sistnevnte realiseres hovedsakelig som en tynnfi lminnretning.

Fordelaktig danner en rekke ferroelektriske eller elektrete minnekretser i henhold til oppfinnelsen minnekretser i en matriseadresserbar gruppe, minnecellene i minnekretsen distinkte partier i et globalt sjikt av ferroelektrisk eller elektret tynnfilmminnemateriale, de første eller andre elektroder henholdsvis partier av første og andre elektrodeanordninger, idet hver elektrodeanordning omfatter en rekke parallelle stripelignende elektroder med elektrodene i den annen elektrodeanordning orientert med en vinkel, foretrukket ortogonalt, til elektrodene i en første elektrodeanordning, og det ferroelektriske elektrete, globale tynnfilmsjikt er anordnet i sandwich mellom disse, slik at minnecellen i minnekretsen er definert i det globale tynnfilmsjikt ved krysningene mellom henholdsvis elektrodene i den første elektrodeanordning og elektrodene i den annen elektrodeanordning, hvorved gruppen av minnekretser dannet av elektrodeanordningene og det globale sjikt av minnematerialet med minnecellene realiserer en integrert, passiv matriseadresserbar ferroelektrisk eller elektret minneinnretning hvor adresseringen av respektive minneceller for skrive- og leseoperasjoner finner sted via elektrodene til elektrodeanordningene i passende forbindelse med eksterne kretser for driving, kontroll og deteksjon.

Oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert med henvisning til foretrukkede utførelser i samband med den vedføyde tegning, på hvilken

fig. 1 viser en generisk minnekrets av relevans for den foreliggende oppfinnelse som representerer f.eks. en minnecelle i en datalagringsinnretning som vist i kjent teknikk,

fig. 2 en minnekrets i henhold til en første foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse,

fig. 3 en minnekrets i henhold til en annen foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse,

fig. 4 en minnekrets i henhold til en variant av den annen foretrukkede utførelse av den foreliggende oppfinnelse,

fig. 5a-c generisk forskjellige moder for ioneinkorporering i et funksjonelt materiale,

fig. 6a et grunnriss av en matriseadresserbar minneinnretning som omfatter minnekretser i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

fig. 6b et tverrsnitt av innretningen på fig. 6a tatt langs linjen x-x,

fig. 6c en detalj av en minnekrets i innretningen på fig. 6a tilsvarende utførelsen på fig. 3, og

fig. 7 skjematisk strukturen av et funksjonelt materiale i form av en diamantlignende nanokompositt(DLN)-film som benyttet i den foreliggende oppfinnelse.

Den foreliggende oppfinnelse er generelt basert på å innføre i minnekretsen, som er en generisk kondensatorlignende struktur, minst ett funksjonelt materiale slik at det står i kontakt med det elektrete eller ferroelektriske minnemateriale på den ene side og elektrodene til den kondensatorlignende struktur på den annen side. Følgelig kan det minst ene funksjonelle materiale være en bestanddel av elektrodene. Det funksjonelle materiale er elektrisk ledende og kan derfor betraktes som et ytterligere elektrodemateriale i den kondensatorlignende struktur. En viktig egenskap ved et funksjonelt materiale i tillegg til å være elektrisk ledende, er at det er i stand til å fange inn og inkorporere i sin struktur visse ioniske eller nøytrale spesies som migrerer fra det elektrete eller ferroelektriske materiale under påvirkning av det elektriske felt som legges på den kondensatorlignende struktur via elektrodene eller ved påvirkning av konsentrasjonsgradienter. Som det vil fremgå av den etterfølgende, mer detaljerte beskrivelse, finner en slik innfanging og inkorporering av ioner eller nøytrale spesies sted enten interstisielt eller ved substitusjon av atomære og molekylære bestanddeler av det funksjonelle materiale, eller ved fylling av tomrom i dette. Kjemisk binding til reaktive spesies som med hensikt er bygget inn i elektrodestrukturen er også mulig. I alle tilfeller skal det funksjonelle materialet forbli elektrisk ledende.

I forbindelse med den foreliggende oppfinnelse er det blitt foretatt omfattende undersøkelser av årsakene til utmatting og avtrykk i polymere minnematerialer benyttet i kondensatorlignende minnekretser for datalagringsformål og databehandlingsformål, som vist på fig. 1. Minnekretsen C omfatter første og andre elektroder la; lb som står i kontakt med et minnemateriale 2, i dette tilfellet en ferroelektrisk polymer i sandwich mellom to elektroder i en kondensatorlignende struktur med parallelle plater. Ved å benytte et spenningssignal mellom elektrodene, utsettes ferroelektriske polymerer for elektriske felt som kan påvirke eller avspørre dens polarisasjonstilstand. Selv om den generelt skal henvende seg til organiske og polymere elektreter og ferroelektriske materialer, vil den etterfølgende drøftelse hovedsakelig behandle polymere ferroelektriske materialer, med vekt på PVDF og dets ko- og/eller ter-polymerer med TrFE og/eller TFE. Dette er for å fokusere og konkretisere presentasjonen og dekke klasser av materialer som har spesiell relevans for fremtidige innretninger av interesse.

Basert på eksperimentell og teoretisk evidens, har oppfinnerne funnet at en generelt tilbakevendende, allstedsnærværende og dominant mekanisme for utmatting og avtrykk er omfordelingen av ladde, urene spesies i volumet av den ferroelektriske polymer og nær elektrodeområdene, under påvirkning av elektriske og kjemiske potensialer. Når de ankommer ved grenseflaten mellom det ferroelektriske materiale og elektroden, kan slike urenheter fanges av dype feller ved grenseflaten mellom det ferroelektriske materiale og elektroden eller reagere kjemisk med elektrodematerialet. Urenhetene kan frembringe reaksjonsprodukter som danner isolerende barrierelag ved elektrodene og feller for ioniske spesies som deretter ankommer ved elektrodene. Avhengig av fellenes dybde, kan lokale ladninger bygge seg opp på elektrodeoverflaten og skade funksjonen til cellene ved å danne depolarisasjonsfelter og således fastlåsing ("pinning") av ferroelektriske domener. Kjemiske reaksjoner mellom de ioniske eller nøytrale spesies og elektrodene kan også ødelegge den fysiske integritet til elektrodene og gjøre dem ikke-funksjonelle ved å redusere deres konduktivitet til uakseptabelt lave nivåer.

Således går den ferroelektriske aktivitet tapt ved sekundære effekter forbundet med akkumuleringen av defekter ved elektrodene eller ved de indre grenseflater i volumet av ferroelektrisk minnemateriale (dvs. domenegrenser eller grenser mellom amorfe og krystallinske områder eller korngrenser). Disse defekter (f.eks. ioniske spesies) kan enten være tilstede a priori som fremmedurenheter i det ferroelektriske materiale fra syntesen eller filmfremstillingsprosessen, eller kan utledes fra nedbrytingen av det ferroelektriske materiale på grunn av forskjellige former for spenninger som oppstår under fremstillingen av minnecellene eller påfølgende elektriske eller mekaniske spenninger som er relatert til driften av innretningene.

Remediene som er blitt funnet virkningsfulle mot de ovennevnte, skadelige fenomener og som utgjør den foreliggende oppfinnelse som beskrevet og eksemplifisert nedenfor, avviker fundamentalt fra dem som ble utviklet for de ovennevnte uorganiske, ferroelektriske minnefilmer hvor flyktige bestanddeler, f.eks. oksygen i PZT, går tapt under svitsjingen av det ferroelektriske materiale. I disse tilfeller er tiltakene rettet mot fylling av vakanser ved å erstatte tapte spesies såsom hydrogen, og undertrykke dannelse av vakanser ved doping eller støkiometrisk modifikasjon av det ferroelektriske bulkmateriale.

I henhold til en utførelse av den foreliggende oppfinnelse prepareres elektrodene som kontakterer det ferroelektriske materiale, slik at de innfanger f.eks. ioner som ankommer på grenseflaten mellom elektrode og ferroelektrisk minnematerial, og ionene inkorporeres i elektrodestrukturen uten tap av elektrisk ledningsevne i elektrodematerialet. Dette oppnås ved et skjønnsomt valg av elektrodematerialer, hvor hver elektrode kan være et enkelt monolittisk ark eller film og hvor hver elektrode dannes som en sandwichstruktur som inneholder to eller flere funksjonelle lag. Ønskede funksjonaliteter for den samlede elektrodestruktur er angitt nedenfor, nemlig

i. Elektrisk ledningsevne.

ii. Innfanging/inkorporering av skadelige ioniske spesies.

iii. Barriereaktivitet mot penetrering av elektrodene ved urenheter som migrerer mot elektrodene fra det ferroelektriske materiale. iv. Barriereaktivitet mot migrering av ladde eller nøytrale spesies inn i det ferroelektriske materiale fra elektrodene.

Her sikrer elektrisk ledningsevne at de ioniske spesies som ankommer på elektrodene fra et ferroelektrisk bulkminnemateriale nøytraliseres. Således tillates ikke ladning å akkumulere, noe som ville frembringe sterke lokale fastpinningsfelter for domenene eller signifikante depolarisasjonsfelt i det ferroelektriske bulkmateriale. Inkorporering av ioner i elektrodestrukturen sikrer at de nøytraliserte ioner ikke akkumulerer ved grenseflaten mellom elektrode og ferroelektrisk materiale, noe som ellers kunne danne et ikke-ledende barrierelag og til og med forårsake strukturell skade. Endelig gir gode barriereegenskaper beskyttelse mot inntrenging av kjemisk aggressive urenheter fra det ferroelektriske bulkmateriale og som kunne angripe det bakenforliggende elektrodemateriale eller andre bestanddeler av minneinnretningen kjemisk, eller mindre aggressive urenheter som fortsatt kunne forårsake skade ved strukturell dislokasjon av deler av innretningen (f.eks. trykk

som utøves av utviklet gass).

Fig. 2 viser en første foretrukket utførelse av en minnekrets i henhold til oppfinnelsen, hvor et enkelt elektrodemateriale skaffer alle de viktigste funksjonalitet er til elektrodene la, lb. I dette tilfellet kan det funksjonelle materiale anses å være jevnt fordelt i elektrodematerialet. Alternativt kan det funksjonelle materiale 3 være anordnet i et parti av elektrodematerialet i en elektrode la; lb. Dette parti må da strekke seg til overflaten av elektrodene la; lb og kontaktere det ferroelektriske minnematerialet i minnecellen for å ha den tilsiktede virkning. I dette tilfellet kan to eller flere funksjonelle materialer være anordnet i respektive lag av dette parti, med andre ord anordnet i et lagdelt arrangement av elektrodematerialet. Av det ovenstående vil det ses at i den første utførelse eliminerer inkorporeringen av funksjonelt materiale i det egentlige elektrodemateriale behovet for å benytte separate og distinkte mellomsjikt av funksjonelt materiale, slik det er tilfelle med den annen utførelse som henholdsvis vist på fig. 3 og 4. Den virkelige anordning av elektrodene la, lb, som inkorporerer det funksjonelle materiale 3 i den første utførelse, kan medføre større prosesseringsproblemer enn tilfellet er for en annen utførelse som beskrives i det følgende. Prosesskravene for å anordne de forskjellige materialer og lag i minnekretsen i henhold til oppfinnelsen skal imidlertid kort drøftes lenger nede. Helt klart krever den første utførelse elektrodemateriale av eksepsjonelle kvaliteter, men som det nedenfor skal vises ved eksempler, eksisterer slike materialer. Fig. 3 viser en minnekrets i henhold til en annen foretrukket utførelse av

oppfinnelsen. Den har en kondensatorlignende struktur hvor de forskjellige ønskede funksjonaliteter til elektrodene la, lb tas hånd om av to separate mellomsjikt 3a; 3b av funksjonelt materiale 3. Disse mellomsjikt 3a; 3b er anordnet i sandwich mellom elektrodene la; lb og minnematerialet 2. Mellomsjiktene 3a; 3b omfatter funksjonelt materiale 3 som er elektrisk ledende og som i sin struktur uten tap av elektrisk ledningsevne kan inkorporere ioniske spesies som migrerer til elektrodene la; lb fra det ferroelektriske minnematerialet 2 til minnecellen C. Et høytledende elektrodemateriale danner elektrodene la; lb og skaffer god elektrisk forbindelse til eksterne driver- og deteksjonskretser. Elektrodene la; lb er belagt med et ledende ionefangende funksjonelt materiale 3 som danner mellomsjiktene 3a; 3b på siden

som vender mot det ferroelektriske minnematerialet 2. De ionefangende sjikt 3a; 3b viser gode barriereegenskaper overfor ioniske spesies slik at inntrenging og kjemisk angrep på det bakenforliggende elektrodemateriale og eventuelt andre bestanddeler av minnekretsen C forhindres. Denne adskillelse av funksjonaliteter i forskjellige mellomsjikt kan utvides til strukturer som inneholder enda flere sjikt, og således utvide utvalget av elektrodematerialer som kan benyttes og også forbedre ytelse og/eller produserbarhet. F.eks. kan mellomsjiktene 3a; 3b bestå av en rekke respektive undersjikt som hver omfatter et spesifikt funksjonelt materiale og følgelig er skreddersydd til en spesifikk funksjon slik som én av dem oppført under ii)-iv) på side 8.

En variant av den annen foretrukkede utførelse av en minnekrets i henhold til oppfinnelsen er vist på fig. 4 som gjengir bruk av to separate mellomsjikt 3a; 4a og 3b; 4b på hver side av minnecellen C. Mellomsjiktene 3a; 3b som vender mot det ferroelektriske minnemateriale 2 er elektrisk ledende og er i stand til å absorbere urenheter fra det ferroelektriske minnemateriale 2. Mellomsjiktene 4a, 4b omfatter likeledes et funksjonelt materiale 3 som er ledende og har gode barriereegenskaper, og dermed forhindrer overføringen av urenheter gjennom elektrodelagene la, lb som er et høytledende materiale, f.eks. et metall som skaffer forbindelse til andre deler av kretsinnretningen. Dette sistnevnte kunne for å forenkle fremstillingsprosessen fordelaktig være samme ledermateriale som benyttet i andre deler av den samme innretning.

Det operative prinsipp for et funksjonelt materiale skal nå beskrives i noen detalj. Ioniske og nøytrale urenhetsspesies kan inkorporeres i elektrodestrukturen på flere måter som vist skjematisk på fig. 5a, 5b og 5c. Substitusjon som vist på fig. 5a(i) og fig. 5a(ii) impliserer at urenheten forskyver en iboende bestanddel av det funksjonelle materiale og tar dets sted. Den frigjorte iboende bestanddel kan i sin tur migrere til et annet sted hvor den bindes på ny, f.eks. ved hvilke som helst av mekanismene gjengitt på enten disse figurer eller de følgende figurer 5b, 5c. Fig. 5b(i) og fig. 5b(ii) viser inkorporering ved fylling av en vakans og fig. 5c(i) og fig. 5c(ii) interstisial plassering. I alle disse tilfeller skal det bemerkes at en viss mobilitet foreligger for atomer og vakanser i det funksjonelle materiale. Således kan selv et tett materiale med gode barriereegenskaper oppta urenheter i dybden, dvs. bortenfor sitt første monosjikt ved grenseflaten mot det ferroelektriske minnemateriale 2, på grunn av atomær og molekylær omordning.

Strategiene som er beskrevet ovenfor, begrenser implisitt tilbudet av akseptable fremstillingsprosesser som skaffer minnecellen med det ferroelektriske materialet 2 enten elektroder la, lb som innbefatter det funksjonelle materialet 3 eller alternativt med mellomsjikt 3a, 3b av det funksjonelle materialet 3, så vel som materialer og prosesser som kan velges for å frembringe innretningen som sådan. Således må kraftige rense- og påføringsprosesser som frembringer en høy forekomst av urenheter eller de kjemiske og fysiske defekter på de forskjellige lag eller materialgrenseflater, unngås.

Åpenbart må det være en grense for mengden av urenheter som man kan inkorporere i elektrodestrukturen før den begynner å miste sine ønskelige egenskaper. Det er imidlertid verdt å bemerke at økning av innretningens levetid og ikke nødvendigvis uendelig lang tid for svikt, er hva som etterstrebes i de fleste tilfeller. I mange tilfeller kan hovedproblemet også være forårsaket av en initial populasjon av urenheter som har sin opprinnelse i materialsyntesen eller fremstillingsprosessen for innretningen. Når de tas opp og plasseres enten i elektroden eller i et separat mellomsjikt, opphører denne populasjonen å være et problem og tillater stabil drift av innretningen over et langt, påfølgende tidsrom.

Fordelaktig kan det eller de funksjonelle materiale eller materialer ha elektriske og/eller kjemiske egenskaper som er kompatible med de til elektrodematerialet, og dette gjelder uansett hvorvidt det funksjonelle materialet er anordnet fordelt i elektrodematerialet eller som et overflatelag av dette. Implikasjonen er spesielt at det funksjonelle materiale skal være kjemisk kompatibelt med hensyn til både elektrodematerialet og et ferroelektrisk eller elektret minnemateriale. Dette betyr også at det funksjonelle materiale etter inkorporering av atomære eller molekylære spesies fra enten elektrodematerialet selv eller minnematerialet, fortsatt skal beholde sine opprinnelige elektriske og kjemiske egenskaper og spesielt fremstå som i enhver forstand kompatibelt med både elektrodematerialet og minnematerialet. Det vil også vanligvis kreves at det funksjonelle materiale eller de funksjonelle materialer som benyttet, uansett om det er fordelt i elektrodematerialet og spesielt når det er anordnet som overflatelag av dette, eller anordnet som mellomsjikt mellom elektrodene og minnematerialet, ved høy frekvens skal ha en relativ permittivitet som er omtrent lik eller lenger enn den for minnematerialet for å unngå elektrisk svekking mellom et minnemateriale og et elektrodemateriale. Selv om det er ledende, kan den relative permittivitet til et funksjonelt materiale være vesentlig mindre enn den for elektrodematerialet, men foretrukket høyere enn den for det ferroelektriske minnemateriale, og denne egenskapen bør forbli uendret når migrerende atomære eller molekylær spesies inkorporeres. Heller ikke bør konduktiviteten til det funksjonelle materiale forandre seg ved en inkorporering av denne art.

Minnekretsen i henhold til den foreliggende oppfinnelse kunne benyttes som minnekrets i en matriseadresserbar gruppe av slike minnekretser. Med andre ord vil de utgjøre en passiv, matriseadresserbar minneinnretning som vist i grunnriss på fig. 6a og tatt langs linjen X-X, i tverrsnitt på fig. 6b. Denne minneinnretningen betegnes som en passiv minneinnretning, da det ikke er noen svitsjetransistorer forbundet med en minnekrets for å svitsje en minnecelle på og av i en adresseringsoperasjon. Dette ville innebære at minnematerialet i minnecellen C i dens uadresserte tilstand ikke har noen kontakt med noen av adresseringselektrodene i den matriseadresserbare innretning. I utgangspunktet er en minneinnretning av denne art dannet med et første sett av parallelle, stripelignende elektroder lb, som på fig. 6b er vist plassert på et substrat og dekket av et mellomsjikt 3b av funksjonelt materiale fulgt av et globalt sjikt av ferroelektrisk materiale, dvs. en ferroelektrisk polymer 2, som i sin tur dekkes av et globalt lag 3a av funksjonelt materiale over hvilket er anordnet et annet elektrodesett likeledes omfattende parallelle, stripelignende elektroder 1 a, men orientert ortogonalt til elektrodene lb, slik at det dannes en ortogonal elektrodematrise. Elektrodene la kan anses som ordlinjene i en matriseadresserbar minneinnretning, mens elektrodene lb kan anses som bitlinjene i denne. Ved krysningene mellom ordlinjer la og bitlinjer lb defineres en minnecelle i matrisen i det globale sjikt av minnemateriale 2. Således vil minneinnretningen omfatte en rekke minnekretser C som svarer til antallet elektrodekrysninger i matrisen. Minnekretsen C er vist mer detaljert i tverrsnitt på fig. 6c og svarer til den annen foretrukkede utførelse av minnekretsen i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Med andre ord er det funksjonelle materiale 3 anordnet i respektive mellomsjikt 3a, 3b som kontakterer henholdsvis elektrodene la og lb med minnematerialet 2 i sandwich mellom disse. Det skal forstås at en minneinnretning av den art som er vist på fig. 6a og 6b kan være forsynt med et isolerende sjikt over elektrodene la (eller et såkalt separasjonssjikt), og da kan en annen lignende innretning stables på toppen av denne osv. for å danne en stablet eller volumetrisk minneinnretning, som kjent i teknikken. Det skal forstås elektrodene la, lb som danner henholdsvis ord- og bitlinjen i minneinnretningen på fig. 6a alle vil være forbundet med passende driver-, kontroll- og deteksjonskretser for å utføre skrive/leseoperasjoner til minnecellen i den matriseadresserbare minneinnretning, selv om de perifere eksterne kretser ikke er vist på tegningsifgurene.

Anordningen av et funksjonelt materiale i en matriseadresserbar minneinnretning av denne art krever en viss oppmerksomhet med hensyn til produksjonsdetaljer. F.eks. kunne bitlinjeelektrodene lb være plassert på et substrat S og initialt avsatt som et globalt sjikt som dekker substratet, hvoretter elektrodene mønstres f.eks. i en standard foto lito grafisk prosess for å danne stripelignende bitlinjeelektroder lb. Alternativt kunne parallelle fordypninger med tverrsnitt svarende en elektrode lb dannes i substratet og deretter fylles med et passende behandlet elektrodemateriale som om nødvendig kunne planariseres inntil elektrodetoppoverflatene flukter med substratets. Når det funksjonelle materiale C innbefattes i elektrodematerialet, kan en fysisk eller kjemisk pådamping benyttes for å avsette begge materialene for å oppnå samtidig eller gradvis inkorporering av funksjonelt materiale i elektrodematerialet. Alternativt kunne i påfølgende, separate trinn enten et lag 3b av funksjonelt materiale avsettes som et globalt sjikt i minneinnretningen, og deretter det globale sjikt 2 av minnematerialet avsettes før et annet globalt sjikt 3b av funksjonelt materiale anordnes og dekker det globale sjikt av minnematerialet 2. Til slutt anordnes ordlinjeelektrodene la som vist på fig. 6a og eventuelt dekket av et planariseringssjikt med isolerende og separerende funksjon. Den resulterende struktur er naturligvis en minneinnretning som integrerer en rekke minnekretser C i henhold til den foreliggende oppfinnelse i en passiv, matriseadresserbar minnegruppe. Når det funksjonelle materiale 3 er anordnet i respektive mellomsjikt 3a, 3b er begge disse lag så vel som minnematerialet 2 anordnet som globale, dvs. umønstrede lag i minneinnretningen og tillater således integrasjonen av en enkelt minnekrets i en gruppe av slike minnekretser hvis antall kan utgjøre et titall eller hundrevis av millioner og til og med mer, med kapasitet til å lagre det samme antallet bit som en forhåndsbestemt polarisasjonstilstand eller -verdi i hver separat minnekrets. Dessuten kan en matriseadresserbar minneinnretning av denne art ved passende anordning av de eksterne kretser for skriving og lesing utføre en skrive-eller leseoperasjon i en ekstremt massiv, parallell skala.

Forskjellige eksempler på funksjonelle materialer som kan benyttes i minnekretsen i henhold til oppfinnelsen skal nå gis, med eksplisitte beskrivelser av funksjonelt materiale eller mellomsjikt av dette som er egnet for bruk med fluorholdige minnematerialer. Hovedvekten er basert på det faktum at visse fluorholdige, polymere, ferroelektriske materialer, spesielt PVDF og kopolymerer av VDF og TrFE er spesielt lovende som minnemateriale i fremtidige datalagringsinnretninger. Det er også en kjensgjerning at fluorholdige minnematerialer utgjør eksepsjonelle utfordringer på grunn av mobiliteten og den kjemiske aggressivitet til fluor og hydrogenfluorid i nøytral så vel som ionisk form.

Eksempel 1: Elektroder med diamantlienende nanokompositt-( DLlSD film

I løpet av de senere år er det blitt utviklet en ny type av filmer med meget god korrosjonsfasthet og barriereegenskaper kombinert med en elektrisk konduktivitet som kan justeres over 18 størrelsesordener ved å variere sammensetningen under filmveksten (jf. f.eks. «Method for Forming Diamond-Like Nanocomposite or Doped-Diamond-Like Nanocomposite Films», US patent nr. 5 352 493 (1994); (Veniamin Dorfman and Boris Pypkin)). Betegnet diamantlignende nanokompositt (DLN) karbonfilm er disse filmene i noen grad lik de mer velkjente diamantlignende karbon(DLC)-filmer (jf. f.eks. «Method of Forming Diamond-like Carbon Coating in Vacuum», internasjonal publisert søknad WO 98/54376

(A.I. Maslov & al.), men består av interpenetrerende, slumpmessige nettverk av hovedsakelig diamantbundet karbon stabilisert med hydrogen, og glasslignende silisium stabilisert av oksygen. Denne selvstabiliserte amorfe C-Si struktur danner grunnmassen for innføring av metaller som danner et tredje interpenetrerende nettverk som kan skaffe resistiviteter ned til IO"4 Qcm. Avhengig av de ønskede egenskaper kan metaller velges fra et bredt spekter som innbefatter Li, Ag, Cu, Al, Zn, Mg, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Rh, Fe, Co og Ni. Disse filmene kan avsettes med høy

rate på nesten ethvert substratmateriale, idet det sistnevnte bare utsettes for en lett temperaturstigning (avsetningstemperatur som romtemperatur). Adhesjonen er god til praktisk talt alle relevante materialer i den foreliggende sammenheng, dvs. uorganiske så vel som organiske og polymere materialer til bruk som elektroder og ferroelektriske materialer (f.eks. metaller, oksider, keramer, plastmaterialer). Observert god adhesjon til teflon er relevant i forbindelse med de kjemisk nær beslektede polymere ferroelektriske materialer så som PVDF og dets kopolymerer med TrFE.

En viktig egenskap ved DLN-filmer er muligheten av å skreddersy mikrostrukturelle så vel som kjemiske egenskaper for hver gitt anvendelse. Som et eksempel kan problemet med inkorporering av aggressive spesies som migrerer fra det ferroelektriske materialet mot elektrodeoverflaten bestående av DLN, betraktes. Som beskrevet i den ovennevnte litteratur, inneholder DLN et nett av interpenetrerende undernettverk. Disse undernettverk kan velges slik at de oppfyller forskjellige krav til elektrodestrukturen, f.eks. strukturell integritet, barriereegenskaper eller elektrisk konduktivitet og opptak av urenheter fra det ferroelektriske minnemateriale.

Spesifikt kan strukturen til DLN-filmen som vist på fig. 7 betraktes. Et nettverk består hovedsakelig av sp<3->bundet karbon stabilisert av hydrogen og utgjør en strukturell ryggrad. Et annet nettverk består av silisium stabilisert av oksygen, sammenflettet med C-H nettverket og som sammen med det sistnevnte gir mekanisk styrke og barriereegenskaper til den samlede elektrodestruktur. For det tredje er det et nettverk av dopantelementer og dopantforbindelser med elementer valgt fra gruppene l-7b og 8 i det periodiske system. Disse dopanter er opptatt i et nettverk av nanoporer dannet mellom de to andre nettverk og er i dette tilfellet et metall med en tetthet over perkolasjonsgrensen, noe som gir elektrisk konduktivitet og bedrer barriereegenskapene til den kombinerte nettverkstruktur. Andre dopanter kan også inkorporeres på en kontrollert måte under fremstillingsprosessen av DLN; dermed kan det frembringes konsentrasjonsgradienter av dopanten med hensyn på filmdybden. Det skal nå antas at urenheten som skal håndteres f.eks. er F" ioner og hydrogenfluorid, hvilket ville være relevant i forbindelse med PVDF og P(VDF-TrFE) som ferroelektriske materialer. Ved ankomst på elektrodegrenseflaten representert av DLN-filmen, ville urenhetene komme inn i nanoporenettverket og immobiliseres der. Innfanging innenfor nettverket kan finne sted ved enhver av de generiske mekanismene vist på fig. 5a-c. Som innlysende for fagfolk innenfor fysikk og kjemi, gir strukturen på fig. 7 et ekstraordinært tilbud av muligheter for å velge foretrukkede innfangingsmekanismer. Typisk er dype feller ønsket for permanent immobilisering. En måte å oppnå dette på er å skaffe steder inne i elektrodematerialet som viser sterk kjemisk reaktivitet med urenhetsspesies, f.eks. fluor hvor reaksjonsproduktet forblir låst i strukturen men uten noen skadelige virkninger på funksjonaliteten til elektroden. I eksempelet her bemerkes det at ikke bare dopanten i nanoporenettverket, men også det oksygenstabiliserte silisiumnettverk selv tjener som reaktive spesies i elektrodestrukturen. F.eks. er HF-syre kjent å selektivt etse Si-0 nettverket i DLN (jfr. V. Dorfman: «Diamond-like nanocomposites (DLN)», Thin Solid Films, 212:267-273 (1992).

Eksempel 2: Ledende karbid som funksjonelt materiale

Overgangsmetallkarbider har høye smeltepunkter, viser gode slitasjefasthetsegenskaper og er kjemisk stabile. Mange av overgangsmetallnitridene er også gode ledere. Her legges det vekt på tantalkarbid (TaC), titankarbid (TiC), zirkoniumkarbid (ZrC) og hafniumkarbid (HfC). Spesielt er titankarbid av interesse for kombinasjon med foreliggende Ti-elektroder. Disse forbindelser dannes med NaCl-struktur og er en kompleks kombinasjon av metalliske, kovalente og mindre mengder av ioniske bindinger. Resistiviteten avhenger av krystallinitetens fullstendighet og er typisk 30-50-IO"<8> Qm.

Tynne filmer av dette materialet dannes typisk ved bruk av utladningsmetoder, f.eks. reaktiv magnetronspruting. Metoder for å danne filmer med god kvalitet er vel utviklet og materialene benyttes f.eks. som diffusjonsbarrierer, slitasjefaste belegg og optiske belegg.

Eksempel 3: Ledende oksid som funksjonelt materiale

Dette innbefatter binære og ternære oksider, dopede eller udopede. Typiske avsetningsteknikker er CVD/spinning (StøC^In, Sn02:F, ZnO:Al) og spruting (LSMO, RuO, Ir02, ITO).

Eksempel 4: Ledende borid som funksjonelt materiale

Dette innbefatter HfB, ZrB, CrB.

Eksempel 5: Ledende nitrid som funksjonelt materiale

Nitridforbindelser har konduktiviteter som dekker et bredt område og gjør materialene metalliske, halvledende eller isolerende. Spesielt har nitrider av overgangsmetallene påkalt stor vitenskapelig interesse. Disse materialene har høye smeltepunkter, viser gode slitasjefasthetsegenskaper og er kjemisk stabile. Mange av overgangsmetallnitridene er også gode ledere. Her skal det legges vekt på nitrider fra gruppe 4A, titannitrid (TiN), zirkoniumnitrid (ZrN) og hafniumnitrid (HfN). Spesielt TiN er av interesse for kombinasjon med Ti-elektroder. Disse forbindelser dannes med NaCl-struktur og er en kompleks kombinasjon av metalliske kovalente og ioniske bindinger. Resistiviteten avhenger av den krystallinske fullkommenhet og er typisk 20-30-IO"<8> Qm. Tynne filmer av denne art blir typisk dannet ved bruk av utladningsteknikker, f.eks. reaktiv magnetronspruting. Fremgangsmåter for å danne filmer med god kvalitet er godt utviklet og materialene er f.eks. benyttet som diffusjonsbarrierer, slitasjefaste belegg og optiske belegg. I tillegg kan nitrider fra gruppe 5A så som TaN, VN, NbN og nitrider fra gruppe 6A så som CrN benyttes.

For relevant litteratur se f.eks. Transition metal carbide and nitrides av Louis E. Toth, Academic Press 1971; artikler ved J.E. Greene, J.E. Sundgren, L.G. Hultman, etc.

Eksempel 6: Ledende polymer som funksjonelt materiale

De første høytledende polymerer ble syntetisert for 25 år siden ved utviklingen ( H. Shirakawa) av et sølvaktig heltrans-polyacetylen (PA) og senere doping ( H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid, C. K. Chiang and A. J. Heeger; J. Chem. Soc. Chem. Comm. ( 1977), 579) av det samme materiale med bruk av f.eks. h. Konduktiviteten i disse filmene ble funnet å være av størrelsesorden IO<3> (Qcm)"<1>. Det ble også snart oppdaget at andre konjugerte polymerer som poly(p-fenylen)

(PPP), polypyrrol (PPy), poly(p-fenylenvinylen) (PPV), polytiofen (PT) og polyanilin (PANI) lot seg dope. Imidlertid var det en ulempe ved disse materialer at de ikke lot seg prosessere.

På midten av 1980-tallet ble det vist at konjugerte polymerer kunne prosesseres (både ved oppløsning og smelting) når alkylsidekjeder ble tilsatt polytiofen og ga poIy(3-alkyltiofen) (P3AT). Muligheter for å dope disse materialene ble også vist ( Sato, Tanaka, Kaeriyama; Synthetic Metals 18:229 ( 1987)), men stabiliteten var dårlig ( Gustafsson, O. Ingands, JO. Nilsson, B. Liedberg, Synthetic Metals 31:297 ( 1988)).

I årene som deretter fulgte ble de ledende polymerer ytterligere utviklet og ga materialer som var prosesserbare (f.eks. polyanilindodecylbenzensulfonsyre, PANI DBSA) og oppløselige (f.eks. poly(etylendioksytiofen) med polystyrensulfonsyre, PEDOT-PSS) også i den dopede tilstand. I dag er ledende polymerer med konduktiviteter som strekker seg fra 10 til 10 (Qcm)" kommersialisert for et stort antall anvendelser.

Eksempel 7: Ledende silisid som funksjonelt materiale

Dette innbefatter TiSi2-

Eksempel 8: Andre typer av funksjonelle materialer

Disse innbefatter grafittisk karbon, fullerener såsom C60 (buckminsterfullerene) og stoffer med et cyanoelement (CN) som en funksjonell gruppe.

I minnekretsen i henhold til oppfinnelsen kan minnematerialet i minnecellen fortrinnsvis være et ferroelektrisk eller elektret minnemateriale. Dette materialet kan fordelaktig være polyvinylidendifluorid-trifluoroetylen (PVDF-TrFE) som for tiden kan anses som det mest utbredte og best forståtte polymerminnemateriale. Minnematerialet skal plasseres mellom elektrodene for å danne en fullstendig minnekrets og disse elektrodene er vanligvis metalliske, fortrinnsvis fremstilt av aluminium, platina, titan, kobber eller legeringer eller kompositter av disse. Elektrodematerialet skal i hvert tilfelle vise god elektrisk konduktivitet. Ett problem i denne forbindelse som er vel forstått av fagfolk og som er blitt omfattende drøftet i litteraturen, er behovet for å anordne elektrodene som en metallisering direkte på polymerminnematerialet som iboende har et meget lavere smeltepunkt enn elektrodematerialet. I utgangspunktet dukker det samme problemet også opp når funksjonelle materialer i henhold til oppfinnelsen og av de forskjellige typer drøftet ovenfor, skal anordnes i minnekretsen i henhold til oppfinnelsen. Dette problem fremstår noe forskjellig avhengig av de ytterligere utførelser som skal realiseres. Generelt anordnes elektrodematerialet til en første elektrode, f.eks. 1 a, i minnekretsen ved eksempelvis å anordnes på et ikke vist substrat ved hjelp av fysisk eller kjemisk pådamping. I den første utførelse vist på fig. 2 kan det funksjonelle materialet da også innbefattes i en lignende pådampingsprosess, noe som resulterer i dannelsen av en elektrode la som inneholder det funksjonelle materiale jevnt fordelt i elektrodematerialet. Som et alternativ kunne ublandet elektrodemateriale i et initialtrinn av prosessen avsettes for fysisk eller kjemisk pådamping som før, hvoretter et funksjonelt materiale tilsettes i økende mengde i det følgende prosesstrinn. Avsetningen av mer enn ett funksjonelt materiale kan da finne sted i forskjellige prosesstrinn og resultere i en stratifisert eller gradert fordeling av disse materialene i et parti av elektrodematerialet tilstøtende dets overflate hvor en påfølgende avsetning av minnematerialet kan finnes et sted ved spinn- eller dyppbeleggingsprosesser. Da minnematerialet med dets lave smeltepunktnivå er avsatt på et størknet lag av elektrodematerialer som innbefatter ett eller flere funksjonelle materialer, vil det vanligvis ikke være noen problemer med enten termisk eller kjemisk kompatibilitet i et påfølgende prosesstrinn. Når imidlertid en annen elektrode, eksempelvis lb, med én eller flere innblandede funksjonelle materialer, skal avsettes på polymerminnematerialet, må det spesielt tas hensyn for å unngå at denne ytterligere avsettingsprosess skal ha skadelige virkninger på det allerede anordnede polymerminnemateriale. Således bør en fysisk eller kjemisk pådamping med en lav termisk inngangsstrøm til polymermaterialet benyttes når dens initiale film av enten elektrodemateriale eller funksjonelt materiale skal dannes på overflaten av polymerminnematerialet. F.eks. kan den termiske energitilførsel til polymermaterialet i dette tilfellet holdes godt under en viss verdi for å unngå at termisk energi bygges i et volumelement av minnematerialet, og til en verdi som overstiger volumelementets smeltevarme.

Straks minnematerialet er dekket av en initial tynnfilm av enten funksjonelt materiale eller elektrodemateriale eller en blanding derav, kan avsetningsprosessen fortsette basert på tilstrekkelig varmedissipasjonskapasitet hos den allerede avsatte tynnfilm, slik at minnematerialet ikke lenger påvirkes på en skadelig måte. Det skal bemerkes at de ovenstående prosessbetraktninger generelt gjelder uansett hvorvidt det funksjonelle materiale er anordnet innblandet i elektrodematerialet eller avsatt i en separat prosess som danner et overflatelag av dette eller mellomsjikt mellom elektrodene og minnematerialet, som vist eksempelvis på fig. 3. Det skal også bemerkes at det funksjonelle materiale kan avsettes ved tiltak som kort nevnt i forbindelse med eksempel 2 eller eksempel 5 ovenfor.

Når en ledende polymer benyttes som funksjonelt materiale, kan denne ikke tilblandes med et konvensjonelt, f.eks. metallisk elektrodemateriale, men vil i ethvert tilfelle avsettes på overflaten av dette og således danne et mellomsjikt i minnekretsen i henhold til oppfinnelsen. Som nevnt i innledningen av søknaden og i henhold til kjent teknikk, er det blitt gjort forsøk med minst en ledende polymer som det eneste elektrodemateriale, dvs. at metalliske elektroder således helt unngås. Da imidlertid den ledende polymer vil være kjemisk forskjellig fra et polymermateriale, kan det fortsatt være mulighet for en svekkelse av begge på grunn av migrasjon av mobile, ladde og/eller nøytrale partikler mellom dem. En vesentlig hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å hindre dette. I tilfelle av bruk av elektroder utelukkende av ledende polymer, kan følgelig det funksjonelle materiale fordelaktig innbefattes i elektroder av denne art som dopanter i disse, slik at elektrodene nå fullstendig integrerer de nødvendige lednings- og ladningsoverføringsfunksjoner med de ønskede effekter av et funksjonelt materiale, nemlig inkorporeringen av atomære eller molekylære spesies inneholdt i enten elektrodematerialet eller i minnematerialet og tilbøyelige til å migrere mellom disse.

Endelig skal det også bemerkes at det kan være mulig å unngå komplikasjoner som oppstår ved en konvensjonell metalliserings- eller avsetningsprosess for tungtsmeltelig elektrodemateriale ved å anvende en annen elektrode med et funksjonelt materiale enten inkorporert eller med én eller flere overflatelag derav i et tredje prosesstrinn, med bruk av et ytterligere ikke-vist substrat eller bakplan av f.eks. et passende elektrisk isolerende materiale, hvoretter det annet elektrodelag og/eller de funksjonelle materiallag alt ettersom blir laminert i minnematerialet i en lavtemperaturprosess. Dette kunne være spesielt fordelaktig når også det faktum tas i betraktning at en eventuell diffusjon av et funksjonelt materiale og/eller elektrodematerialet inn i minnematerialet da i stor utstrekning kan elimineres.

Som vel kjent for fagfolk, skal det forstås at alle lag i minnekretsen uansett hvorvidt de er elektrodelag, et minnemateriallag eller mellomsjikt av et funksjonelt materiale kan avsettes som tynne filmer med en hvilken som helst av de heri nevnte avsetningsprosesser. Dette vil være innlysende for fagfolk og meget relevant, da f.eks. ferroelektriske minner basert på organisk materiale så som ferroelektriske polymerer i dag ikke lar seg forestille som annet enn tynnfilminnretninger.

Claims (22)

1. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C), spesielt en ferroelektrisk eller elektret minnekrets med forbedret utmattingsmotstand, omfattende en minnecelle med et ferroelektrisk eller elektret minnemateriale (2) som viser hysterese og er i stand til å polariseres til en positiv eller negativ polarisasjonstilstand med en gitt polarisasjonsverdi, hvor det ferroelektriske eller elektrete minnemateriale er et polymer- eller oligomermateriale, eller blandinger eller kompositter som inneholder materialer av denne art, og første og andre elektroder (la, lb) anordnet direkte eller indirekte i kontakt med minnematerialet i et arrangement slik at ved påtrykking av passende spenninger til elektrodene, kan en potensialforskjell genereres over minnematerialet (2) for å polarisere en polarisert minnecelle, eller frembringe en svitsjing mellom en polarisasjonstilstand i minnecellen og den motsatte polarisasjonstilstand, eller frembringe en temporær forandring i polarisasjonstilstanden eller dens verdi i minnecellen, karakterisert ved at minst én av elektrodene (la; lb) omfatter minst ett funksjonelt materiale (3), valgt blant ett eller flere av de følgende, nemlig et diamantlignende nanokompositttynnfilmmateriale, et ledende karbidmateriale, et ledende oksidmateriale, et ledende boridmateriale, et ledende nitridmateriale, et ledende silicidmateriale, et ledende, karbonbasert materiale, eller et ledende polymer- eller kopolymermateriale, idet det minst ene funksjonelle materiale er i stand til fysisk og/eller kjemisk inkorporering i bulk av atomære eller molekylære spesies inneholdt i elektrodematerialet eller minnematerialet (2) til minnecellen og som viser tilbøyelighet til å migrere i form av mobile, ladde og/eller nøytrale partikler fra et elektrodemateriale inn i minnematerialet (2) eller fra det sistnevnte til det førnevnte, hvorved en ugunstig virkning på de funksjonelle egenskapene til enten elektrodematerialet eller minnematerialet (2) i minnecellen kan avbøtes.

2. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det minste ene funksjonelle materiale (3) enten separat eller i sammenheng har elektriske og/eller kjemiske egenskaper som er kompatible med de til elektrodematerialet.

3. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det minste ene funksjonelle materiale (3) har en relativ permittivitet omtrent lik eller større enn den for minnematerialet (2).

4. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det minst ene funksjonelle materiale (3) har en relativ permittivitet som forblir hovedsakelig uforandret ved inkorporering av de nevnte atomære eller molekylære spesies.

5. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det minste ene funksjonelle materiale (3) har en konduktivitet som forblir hovedsakelig uforandret ved inkorporering av nevnte atomære eller molekylære spesies.

6. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det minste ene funksjonelle materiale (3) er anordnet jevnt fordelt i elektrodematerialet.

7. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det minste ene funksjonelle materiale (3) er anordnet i et parti av elektrodematerialet som strekker seg til en overflate på den minst ene elektrode (la; lb) og kontakterer minnematerialet (2).

8. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 7, karakterisert ved at to eller flere funksjonelle materialer (3) er anordnet i respektive separate lag av nevnte parti av elektrodematerialet.

9. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det minste ene funksjonelle materiale (3) er anordnet i ett eller flere overflatelag (3a; 3b) i den minst ene elektrode (la; lb), idet ett eller flere overflatelag (3a; 3b) er anordnet som ett eller flere mellomlag mellom den minst ene elektrode (la; lb) og minnematerialet (2).

10. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 9, karakterisert ved at to eller flere funksjonelle materialer (3) er anordnet i henholdsvis to eller flere mellomlag (3a, 4a; 3b, 4b).

11. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ledende karbidmateriale er ett eller flere av de følgende, nemlig tantalkarbid, titankarbid, zirkoniumkarbid eller hafniumkarbid.

12. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ledende oksidmateriale er ett eller flere av de følgende, nemlig binære oksider, ternære oksider, dopede eller udopede binære oksider eller dopede eller udopede ternære oksider.

13. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ledende boridmateriale er ett eller flere av de følgende, nemlig hafniumborid, zirkoniumborid eller kromborid.

14. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ledende nitridmateriale er ett eller flere av de følgende, nemlig titannitrid, zirkoniumnitrid, hafniumnitrid, tantalnitrid, vanadiumnitrid, niobnitrid eller kromnitrid.

15. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ledende silisidmateriale er titansilisid.

16. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ledende, karbonbaserte materiale er ett eller flere av de følgende, nemlig grafittisk karbon, fullerener eller stoffer med cyano-(CN) enheter.

17. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ledende polymer- eller kopolymermateriale velges som ett eller flere av de følgende, nemlig dopet polypyrrol (PPy), dopede derivater av polypyrrol (PPy), dopet polyanilin, dopede derivater av polyanilin, dopede polytiofener, og dopede derivater av polytiofener.

18. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ferroelektriske eller elektrete polymerminnemateriale velges som ett eller flere av de følgende, nemlig polyvinylidendifluorid (PVDF), polyvinyliden med hvilken som helst av sine kopolymerer, ter-polymerer basert på enten kopolymerer eller PVDF-triftuoroetylen (PVDF-TrFE), odde-nummererte nyloner, odde-nummererte nyloner med hvilken som helst av sine kopolymerer, cyanopolymerer og cyanopolymerer med hvilken som helst av sine kopolymerer.

19. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at elektrodematerialet velges som ett av de følgende materialer, nemlig aluminium, platina, gull, titan, kobber eller legeringer eller kompositter derav.

20. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at minnematerialet (2) er anordnet i minnekretsen (C) ved hjelp av fysisk eller kjemisk dampavsetning eller ved hjelp av spinn- eller dypp-beleggingsprosesser, elektrodematerialet anordnet i minnekretsen (C) ved hjelp av fysisk eller kjemisk pådamping, og det minst ene funksjonelle materiale (3) anordnet i minnekretsen (C) ved hjelp av fysisk eller kjemisk pådamping eller en oppløsningsbasert prosess.

21. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 20, karakterisert ved at minnematerialet (2), den første og annen elektrode (la; lb) og, om det er hensiktsmessig, det minst ene mellomlag (3a, 3b) alle er anordnet som tynne filmer i minnekretsen, slik at den sistnevnte realiseres hovedsakelig som en tynnfilminnretning.

22. Ferroelektrisk eller elektret minnekrets (C) i henhold til krav 1, karakterisert ved at en rekke slike minnekretser (C) danner minnekretser i en matriseadresserbar gruppe, at minnecellene i minnekretsen (C) danner distinkte partier i et globalt sjikt (2) av ferroelektrisk eller elektret tynnfilmminnemateriale, at de første eller andre elektroder (la; lb) henholdsvis danner partier av første og andre elektrodeanordninger, idet hver elektrodeanordning omfatter en rekke parallelle stripelignende elektroder (la; lb) med elektrodene (lb) i den annen elektrodeanordning orientert med en vinkel, foretrukket ortogonalt til elektrodene (la) i den første elektrodeanordning, og at det ferroelektriske eller elektrete, globale tynnfilmsjikt (2) er anordnet i sandwich mellom disse, slik at minnecellen i minnekretsen (C) er definert i det globale tynnfilmsjikt (2) ved krysningene mellom henholdsvis elektrodene (la) i den første elektrodeanordning og elektrodene (lb) i den annen elektrodeanordning, hvorved gruppen av minnekretser (C) dannet av elektrodeanordningene og det globale sjikt (2) av minnematerialet med minnecellene realiserer en integrert, passiv matriseadresserbar ferroelektrisk eller elektret minneinnretning hvor adresseringen av respektive minneceller for skrive-og leseoperasjoner finner sted via elektrodene (la; lb) til elektrodeanordningene i passende forbindelse med eksterne kretser for driving, kontroll og deteksjon.