[发明专利]一种双层复合薄膜非挥发存储器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属有机微电子及材料领域，具体涉及应用于信息存储的一种新型非挥发高密度有机薄膜与无机薄膜双层结构的非挥发存储器件及其制备方法。

背景技术

随着电子器件集成度的提高，集成电路的功能显著增加。我们将存储信息量密度高于10¹²b/cm²的称为超高密度信息存储，与目前微电子主要的信息存储密度相比要高4-6数量级。每个信息点的尺寸将小于10nm，这就要求材料更纯(缺陷比率＜10^-6)，信号功率更低，信号的写入和读出响应更快。由于有机金属及有机金属化合物体积小，重量轻，组成和机构多变，易于组装，潜在的成本低，更重要的是提供了超快响应的可能性。20世纪80年代人们已经开始了将有机复合材料用于信息存储的研究。

无机半导体薄膜开关现象发现不久，国外研究者发现用辉光放电技术制备的聚苯乙烯薄膜与两个金电极形成的夹成器件具有电开关现象。随后几个科研小组对聚乙烯、聚苯乙烯、聚苯胺等材料的薄膜器件开关特性及其机理进行了深入研究。这类开关是与两电极间形成丝状导电通道想关的，称为金属丝渗透导电。本发明基于前期研究，提出了一种有机薄膜叠加无机薄膜双层结构的存储器件。该器件具有较低的开关电压和功耗，显著的高低阻态比，并可反复擦除读写的非挥发等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机膜叠加无机膜双层复合结构的非挥发性存储器件及其制备方法。

技术方案

该器件总共包含五层结构，在镀有铂金电极(2)的基底(1)表面溅射一层绝缘阻隔层(3)，并通过FIB工艺刻蚀圆孔，在绝缘层表面沉积一层酞菁铜(Cu-Pc)，随后溅射沉积一层硫化亚铜(Cu₂S)，接着在其表面沉积一层铜电极(5)，最后在上下电极分别引出导线(6)。

上述非挥发存储器件的结构设计要点包括：

(1)该器件的基本构型为有机薄膜Cu-Pc与无机Cu₂S薄膜双层堆积结构；

(2)该单元制备在TiO2/SiO2/Si上，可以与半导体工艺相兼容；

(3)该器件的底电极为Pt，顶电极为Cu；

(4)为了控制器件单元的尺寸，在底电极表面沉积厚度为100纳米至200纳米的二氧化硅薄膜绝缘层，然后在此绝缘层3上刻蚀直径为50纳米至1微米的微孔，露出底电极膜，此微孔的尺寸即为记忆元件有效工作区域；

(5)绝缘层上部沉积有机Cu-Pc薄膜，其厚度在180-220纳米；

(6)在Cu-Pc薄膜表面沉积一层Cu₂S，其厚度在100-160纳米。

该非挥发存储器件的制备方法，其制备步骤如下：

(A)在基底(1)上采用磁控溅射法沉积一层底电极铂(2)，其厚度为100纳米至1微米；

(B)在底电极Pt(2)上利用射频磁控溅射方法沉积一层绝缘层二氧化硅(3)，其厚度为30纳米至300纳米，溅射时使用二氧化硅陶瓷靶，以压强5-15Pa的氩气为溅射气体，衬底温度为80℃；

(C)在绝缘层(3)上利用聚焦离子束刻蚀法，或电子束刻蚀法，或光刻法加工出直径为50纳米-1微米的微孔，露出接触底电极(2)；

(D)采用甩胶法制备Cu-Pc薄膜，其厚度为180-220纳米，此膜将微孔填满，并与绝缘层(3)下的底电极(2)相接触；

(E)将经过以上步骤加工后的样品套上金属掩模板放入脉冲激光沉积腔内，利用脉冲激光沉积技术沉积无机Cu₂S薄膜，其厚度为100-160纳米；

(F)原位换铜靶，继续溅射生长顶电极铜(5)薄膜，铜电极沉积后于200℃原位退火1小时；

(G)在底电极铂(2)和顶电极铜(5)上分别接出铜引线(6)。

该非挥发存储器件中的酞菁铜薄膜和硫化亚铜薄膜制备方法如下：

(1)是将酞菁铜溶于氯仿中，配成0.01-0.1mol/L的溶液。通过甩胶机旋转涂附在基片表面，然后把基片放入80℃烘箱烘干制成。

(2)将硫化亚铜粉体压成块体密封在真空石英管里于500-700℃烧结70-84小时而制成靶材；然后将靶材放入激光脉冲溅射腔中，并将基片放入样品台，抽真空至5×10^-5Pa，衬底生长温度为100-300℃，激光能量密度为1.0J/cm²，波长为248nm，单脉冲能量230mJ，溅射频率5HZ；在180-220℃保温1-2小时，降至室温后取出。

该非挥发有机存储器件的工作原理简介如下：