一种有机阻变存储器及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种有机阻变存储器及制备方法，属于超大规模集成电路技术领域。该有机阻变存储器包括衬底，衬底上的底电极，中间有机功能层和顶电极，其中，中间有机功能层为金属掺杂的钛氧酞菁膜。本发明专利技术在钛氧酞菁薄膜生长过程中，引入均匀的金属的掺杂来实现金属杂质与有机薄膜的氧化还原反应，进而实现阻变双稳态。同时，人为引入均匀的金属掺杂，实现了均匀的陷阱分布，从而有效减小了陷阱随机分布造成的单个器件特性的不稳定以及不同器件之间的阻变特性的不均一。本发明专利技术有机阻变材料具有较好的化学稳定性和温度稳定性，并且可在柔性衬底上实现，在低成本，高性能的有机存储器方面具有很高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超大规模集成电路
，具体是。
技术介绍
在当今信息爆炸的数字化时代中，人们的生产和生活离不开高密度、高速度的存储器。目前应用最广泛、发展得最成熟的非挥发性存储器为闪存(flash memory)器件。随 着微电子技术节点不断向前推进，基于传统浮栅结构的闪存已经接近其物理极限，严重影 响了单元的存储功能，无法跟随集成电路摩尔定律的脚步发展下去。具有更高存储密度，更 快响应速度，更低操作电压，更简单的制备工艺的新一代阻变存储器(RRAM)应运而生，因 其有取代闪存的潜力，成为国际知名公司和众多科研院所的研究热点。阻变存储器具有全新的存储概念，不同于传统flash阈值电压改变实现存储。利 用一些无机氧化物或者有机物/聚合物中存在的可控阻变效应，即在不同的电压激励下， 阻变存储器会呈现出两种完全不同的阻抗状态(低阻和高阻，对应“开态”和“关态”)，分 别代表数据“1”和“0”，并且在电压撤去之后，状态依然保持，因此实现了数据的存储。RRAM 的优势在于结构简单、功耗低、速度快、存储密度高、制造工艺简单，极有可能取代传统的非 挥发性存储器而占领半导体存储器市场。有机阻变存储器可应用于低成本电子器件和柔性电子(Flexible Electronics) 器件领域，除了具有上述RRAM的优势外，相比于无机阻变存储器还具有可饶曲性，制备工 艺简单，成本低廉，材料可设计分子结构以提高性能等优越之处。但是，有机阻变存储器研 究刚刚迈入起步阶段。目前报道的有机RRAM选取的有机材料大多表现出化学稳定性和热 稳定性差的问题。另外器件电阻态转换的稳定性也存在问题，例如导致阻变材料转换状态 的条件(如施加到有机存储器上的电压脉冲的幅值和时间)都会因不同器件的涨落而产生 变化，甚至于对于同一个器件来说，阻变需要的开启和关闭电压以及产生的高阻和低阻的 数值都会一定的区别。这种较大的离散性将使器件难以精确控制，这已成为阻碍有机阻变 存储器走向实用化的主要难题之一。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于钛氧酞菁的稳定的有机阻变存储器。本专利技术的技术方案如下—种有机阻变存储器，包括衬底，衬底上的底电极，中间有机功能层和顶电极，其 特征在于，所述中间有机功能层为金属掺杂的钛氧酞菁膜。一种有机阻变存储器的制备方法，其步骤包括1)在衬底上淀积一层金属作为底电极。2)将金属粉末与有机钛氧酞菁粉末研磨搅拌，而后利用热蒸发成膜的方法形成金 属掺杂的钛氧酞菁膜；3)在上述金属掺杂的钛氧酞菁膜上方淀积一层金属，实现顶电极的制备。所述功能层的厚度在100-200nm。所述顶电极和底电极均为W，(或Pt，Au)。所述顶电极和底电极均为W，(或Pt，Au)的厚度为100nm-200nm。所述掺杂的金属为Al，Hf或Mg中的任一种。所述掺杂的金属质量百分比在0. 到1%。本专利技术采用的有机阻变薄膜为钛氧酞菁薄膜，采用此有机薄膜材料作为阻变功能层主要出于以下考虑1)实验和理论上已经证实该有机薄膜的电流形成机制为受陷阱控制的SCLC(空 间电荷限制电流)形成机制。该有机薄膜可与比钛活动性强的金属电极发生氧化还原反 应，反应结果是形成了氧空位，此氧空位可作为陷阱态阻碍薄膜材料的SCLC形成机制。利 用氧化还原的反应的正向和逆向进行就可形成稳定的阻变双稳态。2)该有机薄膜化学性质稳定，具有较好的温度稳定性，既可以经受温度在450°C 以内的高温工艺，又有利用提高有机阻变存储器的可靠性和抗老化性。3)钛氧酞菁薄膜的制备方法可采用热蒸发的方法，易于实现。钛氧酞菁有机存储 器相关的工艺简单，涉及到的与其相匹配的材料成本低，有利于低成本电子器件应用。 在本专利技术中，在有机薄膜生长过程中弓I入均勻的金属掺杂的方法来实现金属杂质 与有机薄膜的氧化还原反应，进而实现阻变双稳态。同时人为引入的均勻的金属掺杂，实现 了均勻的陷阱分布。从而有效减小了陷阱随机分布造成的单个器件特性的不稳定以及不同 器件之间的阻变特性的不均一。如图2所示，对比本专利技术方法制备的器件与普通器件在稳 定性上的不同。具体为针对钛氧酞菁薄膜本身不具有阻变性质，图2 (a)中的有机阻变存 储器，为了实现阻变双稳态，就必须要引入了 Al等金属作为某一个电极(例如顶电极)，利 用顶电极与钛氧酞菁之间的氧化还原反应来产生缺陷，改变薄膜材料的SCLC机制。电极与 有机薄膜的反应取决于电极与钛氧酞菁薄膜的界面情况，由于界面粗糙不平整，导致反应 发生的主要位置随机分布。加之钛氧酞菁薄膜为非晶材料，存在间隙，Al可以随机的扩散 到有机薄膜中，也导致了反应后陷阱在空间上的不均勻分布。这样的随机分布不利于提高 器件的稳定性和均一性。相对的，图2(b)中的本专利技术制备的阻变存储器，在有机薄膜生长 过程中就人为引入金属掺杂，而电极选择不发生氧化还原反应的材料，就可以控制陷阱在 有机薄膜中的均勻分布，从而减小了陷阱的随机分布程度，因而可以有效的提高器件的稳 定性和均一性。本专利技术优点和积极效果本专利技术涉及到的有机材料化学性质和温度特性稳定，成本低廉，可在柔性衬底上 制备，可应用于稳定的低成本的柔性电子器件。同时该稳定的有机阻变存储器可以提高器 件的稳定性和均一性，改进了的工艺制备方法简单易行，有利于低成本，高稳定性的存储器 件方面的应用。附图说明图1为本专利技术的器件结构图；1-衬底；2-底电极；3-均勻掺杂了金属的有机功能薄膜；4-底电极引出；5-顶电极；图2对比了两种不同有机阻变存储器的稳定性和均一性情况；其中图2(a)为采用 活泼金属作为电极的器件；图2(b)为本专利技术提出的在有机薄膜中引入均勻的金属掺杂的 器件；2-底电极；3-均勻掺杂了金属的有机薄膜；5-顶电极；6-氧化还原反应形成的陷 阱；7-活泼金属的顶电极；8-未掺杂金属的有机薄膜。具体实施例下面结合一个实施例来进一步说明本专利技术，但本专利技术的用途并不仅限于下面的具 体实施例子。本专利技术中，制备多态的有机阻变存储器的工艺流程为1)在玻璃衬底上，真空度为4. 5 X10_4Pa下，蒸镀一层W作为底电极。2)热蒸发生长有机钛氧酞菁薄膜前，先将金属Al，Hf或Mg的粉末与有机钛氧 酞菁物粉末研磨搅拌均勻，金属的质量百分比为0. 到1%。而后使用掩模版在真空度 为4. 5X IO-4Pa下，温度在200°C -250°C下蒸镀一层掺杂了金属的钛氧酞菁薄膜(厚度在 100-200nm)，并且形成底电极的引出孔。3)将掩模版置于有机薄膜上方，在掩模版上淀积一层W实现顶电极的制备，并且 将底电极的引出。虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本专利技术阻变存储器结构，材料及其制 备方法，但是本领域的技术人员应该理解，本专利技术的实现方式不限于实施例的描述范围，在 不脱离本专利技术实质和精神范围内，可以对本专利技术进行各种修改和替换，例如下电极可以换 成工艺中常见的惰性金属Pt或Au，顶电极和底电极的厚度范围为100nm-200nm。以上通过详细实施例描述了本专利技术所提供的有机阻变存储器及其制备方法，本领 域的技术人员应当理解，在不脱离本专利技术实质的范围内，可以对本专利技术做一定的变换或修 改；不限于实施例中所公开的内容。权利要求一种有机阻变存储器，包括衬底，衬底上设有底电极、中间有机功能层和顶电极，其特征在于，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机阻变存储器，包括衬底，衬底上设有底电极、中间有机功能层和顶电极，其特征在于，所述中间有机功能层为金属掺杂的钛氧酞菁膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于哲，黄如，邝永变，张丽杰，高德金，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]